Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2009

Techn. University, Diss., 2002--Berlin.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Braunschweig.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

In der vorliegenden Arbeit wird die methodische Entwicklung eines Ultraschall-Einprobenverfahrens zur Erfassung duktilen Rissfortschritts im quasistatischen Dreipunktbiegeversuch auf der Grundlage eines Ultraschallverfahrens vorgestellt. Das Verfahren wird an Werkstoffen unterschiedlichen Zähigkeits-Festigkeitsverhältnisses erprobt. Das Messverfahren beruht auf der wiederholten Messung der Laufzeit des von einem Sendewandler auf die Rissspitze gerichteten und dort in Richtung Empfangswandler gebeugten Ultraschallimpulses. Als Voraussetzung für die In-situ-Rissfortschrittsmessung auf der Grundlage der Signallaufzeitmessung wurde die Schallwellenausbreitung und Signalbildung mittels Schallfeldsimulationen anhand der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik modelliert und zusätzlich durch stroboskopische Messungen der Schallfeldausbreitung experimentell bestätigt. Zur Kalibrierung des Messverfahrens wurde ein analytischer Zusammenhang entwickelt, der die eindeutige Zuordnung der Signallaufzeit zum gesuchten Rissfortschritt gestattet und den Einfluss der während des Dreipunktbiegeversuches stattfindenden plastischen Verformungen berücksichtigt. Das Ultraschall-Laufzeit-Beugungsverfahren wurde für den Einsatz an bruchmechanischen Kleinproben (ISO-V-Geometrie) spezifiziert. Die in den Prüfvorschriften formulierte Genauigkeitsanforderung an ein Einprobenverfahren kann mit dem ULB-Verfahren erfüllt werden. Die erreichbare Messpunktdichte des Rissfortschritts ermöglicht eine nahezu kontinuierliche Darstellung resultierender J-Risswiderstandskurven.

Morbidität und Mortalität der Lebererkrankung im Rahmen der Cystischen Fiborse (Cystic fibrosis liver disease, CFLD) sind vornehmlich von Ausmaß und Progredienz der Leberfibrose abhängig. Aufgrund der fehlenden Genauigkeit der bisherigen diagnostischen Verfahren werden viele der an CF erkrankten Menschen erst in fortgeschrittenen Stadien diagnostiziert. Schwere Komplikationen einer Leberzirrhose treten häufig bereits im Kindesalter auf. Die Quantitative Sonoelastographie, hier die Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI)-Elastographie, ist ein vielversprechendes, nicht-invasives und strahlenfreies Verfahren zur Messung der Gewebesteifigkeit. Anhand dieser retrospektiven, monozentrischen Studie soll die ARFI-Elastographie im Hinblick auf den klinischen Einsatz bei der CFLD-Diagnostik untersucht werden. Es wurde eruiert, ob sich mittels ARFI-Elastographie Rückschlüsse auf eine CFLD und deren Schweregrade ziehen lassen. Hierfür wurden die ARFI-Messungen verschiedener Lebersegmente von 62 an CF erkrankten und 19 lebergesunden Kindern und Jugendlichen verglichen. Zudem erfolgte die Korrelation der Ergebnisse mit zwei etablierten klinischen Leberfibrose-Scores (APRI, Williams-Score). Im Patientenkollektiv konnten tendenziell erhöhte Scherwellengeschwindigkeiten, entsprechend einer fibrotischen Aktivität, gemessen werden. Die transkostale Messposition in Segment VII/VIII (TC VII/VIII) erwies sich als zuverlässigste Position zur Differenzierung zwischen einer CF-Hepatopathie und einem gesunden Leberparenchym. Hingegen war das Errechnen von Cut-off Werten zur Graduierung von Fibrosestadien nicht möglich. Auch war keine Korrelation zu Leberfiborsescores feststellbar. Insgesamt zeigt sich, dass die Diagnosestellung einer CFLD aktuell nur in Kombination mit bisherigen Messmethoden wie der klinischen Untersuchung, der Laboranalytik und der Sonographie möglich ist. Die Interpretation der ARFI-cut-off Werte bleibt aufgrund mangelnder Sensitivität und Spezifität und vor dem Hintergrund der CF-typischen heterogenen Leberpathologie erschwert. Die ARFI-Elastographie kann als zusätzlicher Baustein in der Diagnostik der CFLD, bei unklaren Befundkonstellationen oder zum Therapie-Monitoring herangezogen werden. Um einen klaren klinischen Einsatz in der Routinediagnostik zu definieren bedarf es weiterer großer, multizentrischer und prospektiver Studien. / The liver-associated morbidity and mortality of the patients with cystic fibrosis (CF) depends on the progression of liver fibrosis. The lack of sensitive diagnostics in the early stages of fibrosis is a key reason for delayed diagnosis, often when complications from liver cirrhosis have already developed in childhood. Quantitative ultrasound (US) imaging, such as Acoustic Radiation Force Imaging (ARFI)-Elastography, is a modern and non-invasive technique for the measurement of tissue stiffness. ARFI-Elastography could improve the detection of Liver Disease (LD) in CF over today‘s routine diagnostics. The aim of this single centre, retrospective study was to analyse the diagnostic performance and the clinical use of the ARFI-method with regard to the early detection of parenchymal changes in Cystic Fibrosis Liver Disease (CFLD). ARFI-data of 62 patients with CF were compared to 19 healthy controls. Results have been related to common and previously established scores (APRI, Williams-Score) for fibrosis in CF. ARFI measurements were higher in the patient group. In particular, the transcostal imaging of segments VII/VIII (TC CII/VIII) of the right liver lobe showed a statistically significant difference between patients with CF and healthy controls. However, because of the wide range of the measurements it was not possible to establish cutoff-values to differentiate stages of liver stiffness and there was no correlation to clinical scores of fibrosis. Due to the lack of sensitivity and specificity of the ARFI cutoff-value and the knowledge of the heterogeneous pathology of cirrhosis in CF, interpretation of ARFI measurements remains challenging. On the basis of our findings, we conclude that ARFI may have a useful role in combination with routine assessments including physical examination, screening laboratory values and US-imaging, to detect, diagnose and monitor CFLD. Larger prospective validation studies are required to establish how ARFI can best be incorporated into routine clinical practice.

Metall-basierte Antitumorwirkstoffe wie Cisplatin, Carboplatin und Oxaliplatin sind weltweit für die Behandlung verschiedener Krebsarten zugelassen. Resistenzbildung, starke Nebenwirkungen und ein eingeschränktes Spektrum responsiver Tumoren schränken jedoch ihren Anwendungsbereich ein. Daher ist die Suche nach neuen Platinverbindungen mit verbesserten Eigenschaften sowie Antitumor-aktiven Metallkomplexen anderer Metalle ein aktuelles Forschungsthema. Durch die Einbettung der Wirkstoffe in entsprechende Trägermaterialien und eine Freisetzung mit präziser zeitlicher und räumlicher Kontrolle sollten sich zudem die Nebenwirkungen deutlich reduzieren lassen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde daher eine Serie von quadratisch-planaren Platin(II)- und Palladium(II)-Komplexen mit N^N^S-Chelatliganden auf der Basis von N-Phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid und N-Phenyl-2-(chinolin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid synthetisiert, die mit längeren Alkylketten funktionalisiert wurden, um eine hohe Affinität für Lipid-basierte Microbubbles als Träger zu erreichen, aus denen die Metallkomplexe dann unter Einwirkung von Ultraschall freigesetzt werden sollten. Es wurden drei verschiedene Ligandenfamilien ausgehend von der Grundstruktur L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3 synthetisiert, wobei R1 = 2-Pyridyl oder 2-Chinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 oder C10H21 und R3 = CH3 oder C6H5 gewählt wurden. Die Umsetzung der Liganden mit Kaliumtetrachloridoplatinat(II), Natriumtetrachloridopalladat(II) oder [PdCl2(cod)] mit cod = 1,5-Cyclooctadien führte zu neutralen N^N^S-Komplexen [MCl(L)] mit M = Pd, Pt in allgemein guter Ausbeute. Die Kristallstruktur von [PtCl(L)] mit R1 = 2-Pyridyl, R2 = C10H21 und R3 = CH3 bestätigte zudem die quadratisch-planar Koordination des Metalls durch den N^N^S-koordinierten Liganden und ein Chlorid-Anion. Die Verbindungen mit R3 = CH3 zeigen im 195Pt NMR zwei Peaks, was auf das Vorliegen eines Isomerengemischs hindeutet, wobei die Daten vermuten lassen, dass neben der N^N^S-gebundenen Hauptspezies noch eine weitere mit N^N^N-koordiniertem Liganden und freier SH-Gruppe vorliegt. Solche Isomerengemische sind für biologischen Anwendungen ungeeignet, da die Isomere eine unterschiedliche Aktivität aufweisen können. Die anderen Platin(II)-Komplexe zeigen dagegen im 195Pt NMR nur einen Peak und sind somit für Cytotoxizitätsstudien geeignet. Mit Hilfe des MTT-Assays wurden EC50-Werte an verschiedenen Gliablastom-Zellinien für zwölf einheitliche Komplexe bestimmt. Für die potentesten Verbindungen wurden EC50-Werte im unteren mikromolaren Bereich ermittelt (2–9 µM), so dass die Aktivität teilweise sogar die von Cisplatin als Referenzverbindung übertraf. Insbesondere die Variation der aromatischen Oberfläche in den Pyridyl- vs. Chinolinylverbindungen hatte jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die EC50-Werte. Zudem führte eine Verlängerung der R2-Seitenkette bei den Palladium(II)-Verbindungen zu einer niedrigeren Aktivität. Die Verteilungskoeffizienten logP ergaben für alle Verbindungen recht ähnliche positive Werte, was die Lipophilie der Neutralkomplexe belegte. Für eine weitere Strukturvariation wurden außerdem zwei Azido-Komplexe [M(N3)(L)] mit M = Pd, Pt in moderater Ausbeute synthetisiert. Diese wurden dann in einer „iClick“-Reaktion unter sehr milden Bedingungen mit Dimethylacetylendicarboxylat (DMAD) und 4,4,4-Trifluorobut-2-insäureethylester zu den Triazolat-Komplexen [M(triazolateR,R')(L)] umgesetzt. Durch 1H NMR- und 19F NMR-spektroskopische Untersuchungen wurden gezeigt, dass diese teilweise als Isomerengemische vorliegen, da das Triazolat entweder über das N1-, N2- oder N3-Stickstoffatom an das Metall gebunden sein kann. Für eine ausgewählte Verbindung mit M = Pt und DMAD als Alkin wurde die Kinetik der „iClick“-Reaktion mit Hilfe der 1H NMR Spektroskopie untersucht. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung k2 = (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s 1 ist vergleichbar zum Beispiel der der etablierten strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC). Für die Einbettung der lipophilen Metallkomplexe in ein Ultraschall-aktivierbares Trägersystem wurden aus Dipalmytoylphosphatidylcholin, 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphat, 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin-N-methoxy(polyethylenglycol)-2000 Ammonium Salz und Komplexlösung unter Zusatz von Octafluopropan gasgefüllte Microbubbles hergestellt. Stabilitätsversuche zeigten, dass die Bläschenzahl selbst unter Normalbedingungen innerhalb von 2 h um 50% abnimmt. Daher sollten die Microbubbles vor jeder Verwendung täglich frisch hergestellt und möglichst unmittelbar danach verwendet werden. Ein unmittelbares Zerplatzen der Bläschen wurde durch Behandlung mit Ultraschall bei 500 Hz erreicht. Die Viabilität der verwendeten GaMG-Zellen wudre unter diesen Bedingungen jedoch nicht beeinträchtigt. Dennoch war die auf die Microbubbles geladene Platin-Konzentration zu niedrig, um mit dem MTT-Assay einen signifikanten Unterschied zwischen beladenen und unbeladenen Bläschen zu erreichen, so dass hier in Zukunft noch weitere Optimierungen erforderlich sein werden. / Metal-based anti-tumor agents such as cisplatin, carboplatin and oxaliplatin are approved worldwide for the treatment of various types of cancer. However, the development of resistancies, severe side effects and a limited range of responsive tumors limit their scope. Therefore, the search for new platinum compounds with improved properties as well as antitumor-active metal complexes of other metals is a highly active current research topic. By embedding the active compounds in appropriate carrier materials and releasing them with high temporal and spatial control, it should be possible to significantly reduce undesireable side effects. In this doctoral thesis, a series of square-planar platinum(II) and palladium(II) complexes with N^N^S chelate ligands based on N-phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide as well as N-phenyl-2-(quinolin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide were synthesized, which were functionalized with long alkyl chains in order to achieve a high affinity for lipid-based microbubbles as carriers, from which the metal complex were to be released under exposure to ultrasound. Three different ligand families were synthesized based on the basic structure L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3, where R1 = 2-pyridyl or 2-quinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 or C10H21 and R3 = CH3 or C6H5. The reaction of the ligands with potassium tetrachloridoplatinate(II), sodium tetrachloridopalladate(II) or [PdCl2(cod)] with cod = 1,5-cyclooctadiene, led to neutral N^N^S complexes [MCl(L)] with M = Pd, Pt in good general yield. The crystal structure of [PtCl(L)] with R1 = 2-pyridyl, R2 = C10H21 and R3 = CH3 also confirmed the square-planar coordination of the metal by the N^N^S-coordinated ligand and a chloride anion. The compounds with R3 = CH3 show two peaks in the 195Pt NMR, which indicates the presence of a mixture of isomers, suggesting that, in addition to the main N^N^S-bonded species, another complex with an N^N^N-coordinated ligand and free SH group is present. Such mixtures of isomers are unsuitable for biological applications, since the isomers can have different biological activity. On the other hand, the other platinum(II) complexes only show one 195Pt NMR peak and therefore are suitable for cytotoxicity studies. With the help of the MTT assay, EC50 values were determined in various glioblastoma cell lines for twelve pure complexes. For the most potent compounds, EC50 values in the lower micromolar range were determined (2–9 µM), with some activity even exceeding that of cisplatin used as a reference compound under similar conditions. Interestingly, variation of the aromatic surface area in the pyridyl vs. quinolinyl compounds did not have any significant effect on the EC50 values. In addition, the extension of the R2 side chain in the case of the palladium(II) compounds led to a lower activity. The partition coefficient logP was positive and quite similar for all studied compounds, which demonstrates the lipophilicity of the neutral complexes. For further structural variation, two azido complexes [M(N3)(L)] with M = Pd, Pt were synthesized in moderate yield. In an iClick reaction with dimethylacetylenedicarboxylate (DMAD) and ethyl 4,4,4-trifluorobut-2-ynoate, they gave under very mild condition triazolate complexes [M(triazolateR,R')(L)]. 1H NMR and 19F NMR spectroscopic analysis showed that a mixture of isomers was present in the product, as the triazolate ligand can bind to the metal center via either the N1, N2, or N3 nitrogen atoms. For a selected compound with M = Pt and DMAD as the alkyne coupling partner, the kinetics of the iClick reaction was investigated by 1H NMR spectroscopy. The second order rate constant k2 was determined as (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s-1 and is comparable to that of the established strain-promoted acid-alkyne cycloaddition (SPAAC). To embed the lipophilic metal complexes in an ultrasound-activatable carrier, dipalmytoylphosphatidylcholine, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphate, 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene- glycol)-2000 ammonium salt and a metal complex stock solution were mixed in an atmosphere of octafluoropropane to produce gas-filled microbubbles. Stability tests showed that the bubble concentration decreased by 50% within 2 h. Therefore, the microbubbles should be freshly prepared every day and used immediately afterwards. The bursting of the bubbles was achieved under ultrasound explore at 500 Hz, which did not affected the growth of the cells. However, the platinum concentration loaded onto the microbubble was too low to induce significant differences between loaded and non-loaded microbubble, as determined by the MTT assay. Therefore, optimization of microbubble loading metal complexes has to be a major topic of future work.