Adjuvants are compounds added to an agrochemical spray formulation to improve or modify the action of an active ingredient (AI) or the physico-chemical characteristics of the spray liquid. Adjuvants can have more than only one distinct mode of action (MoA) during the foliar spray application process and they are generally known to be the best tools to improve agrochemical formulations. The main objective for this work was to elucidate the basic MoA of adjuvants by uncoupling different aspects of the spray application. Laboratory experiments, beginning from retention and spreading characteristics, followed by humectant effects concerning the spray deposit on the leaf surface and ultimately the cuticular penetration of an AI, were figured out to evaluate overall in vivo effects of adjuvants which were also obtained in a greenhouse spray test. For this comprehensive study, the surfactant classes of non-ionic sorbitan esters (Span), polysorbates (Tween) and oleyl alcohol polyglycol ether (Genapol O) were generally considered because of their common promoting potential in agrochemical formulations and their structural diversity. The reduction of interfacial tension is one of the most crucial physico-chemical properties of surfactants. The dynamic surface tension (DST) was monitored to characterise the surface tension lowering behaviour which is known to influence the droplet formation and retention characteristics. The DST is a function of time and the critical time frame of droplet impact might be at about 100 ms. None of the selected surfactants were found to lower the surface tension sufficiently during this short timeframe (chapter I). At ca. 100 ms, Tween 20 resulted in the lowest DST value. When surfactant monomers are fully saturated at the droplet-air-interface, an equilibrium surface tension (STeq) value can be determined which may be used to predict spreading or run-off effects. The majority of selected surfactants resulted in a narrow distribution of STeq values, ranging between 30 and 45 mN m- 1. Nevertheless, all surfactants were able to decrease the surface tension considerably compared to pure water (72 mN m- 1). The influence of different surfactants on the wetting process was evaluated by studying time-dependent static contact angles on different surfaces and the droplet spread area on Triticum aestivum leaves after water evaporation. The spreading potential was observed to be better for Spans than for Tweens. Especially Span 20 showed maximum spreading results. To transfer laboratory findings to spray application, related to field conditions, retention and leaf coverage was measured quantitatively on wheat leaves by using a variable track sprayer. Since the retention process involves short time dynamics, it is well-known that the spray retention on a plant surface is not correlated to STeq but to DST values. The relationship between DST at ca. 100 ms and results from the track sprayer showed increasing retention results with decreasing DST, whereas at DST values below ca. 60 mN m- 1 no further retention improvement could be observed. Under field conditions, water evaporates from the droplet within a few seconds to minutes after droplet deposition on the leaf surface. Since precipitation of the AI must essentially being avoided by holding the AI in solution, so-called humectants are used as tank-mix adjuvants. The ability of pure surfactants to absorb water from the surrounding atmosphere was investigated comprehensively by analysing water sorption isotherms (chapter II). These isotherms showed an exponential shape with a steep water sorption increase starting at 60% to 70% RH. Water sorption was low for Spans and much more distinct for the polyethoxylated surfactants (Tweens and Genapol O series). The relationship between the water sorption behaviour and the molecular structure of surfactants was considered as the so-called humectant activity. With an increasing ethylene oxide (EO) content, the humectant activity increased concerning the particular class of Genapol O. However, it could be shown that the moisture absorption across all classes of selected surfactants correlates rather better with their hydrophilic-lipophilic balance values with the EO content. All aboveground organs of plants are covered by the cuticular membrane which is therefore the first rate limiting barrier for AI uptake. In vitro penetration experiments through an astomatous model cuticle were performed to study the effects of adjuvants on the penetration of the lipophilic herbicide Pinoxaden (PXD) (chapter III). In order to understand the influence of different adjuvant MoA like humectancy, experiments were performed under three different humidity levels. No explicit relationship could be found between humidity levels and the PXD penetration which might be explained by the fact that humidity effects would rather affect hydrophilic AIs than lipophilic ones. Especially for Tween 20, it became obvious that a complex balance between multiple MoA like spreading, humectancy and plasticising effects have to be considered. Greenhouse trials, focussing the adjuvant impact on in vivo action of PXD, were evaluated on five different grass-weed species (chapter III). Since agrochemical spray application and its following action on living plants also includes translocation processes in planta and species dependent physiological effects, this investigation may help to simulate the situation on the field. Even though the absolute weed damage was different, depending both on plant species and also on PXD rates, adjuvant effects in greenhouse experiments displayed the same ranking as in cuticular penetration studies: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. Thus, the present work shows for the first time that findings obtained in laboratory experiments can be successfully transferred to spray application studies on living plants concerning adjuvant MoA. A comparative analysis, using radar charts, could demonstrate systematic derivations from structural similarities of adjuvants to their MoA (summarising discussion and outlook). Exemplarily, Tween 20 and Tween 80 cover a wide range of selected variables by having no outstanding MoA improving one distinct process during foliar application, compared to non-ethoxylated Span 20 and Span 80 which primarily revealed a surface active action. Most adjuvants used in this study represent polydisperse mixtures bearing a complex distribution of EO and aliphatic chains. From this study it seems alike that adjuvants having a wide EO distribution offer broader potential than adjuvants with a small EO distribution. It might be a speculation that due to this broad distribution of single molecules, all bearing their individual specific physico-chemical nature, a wide range of properties concerning their MoA is covered. / Adjuvantien sind chemische Verbindungen, die einer Pflanzenschutzformulierung hinzugefügt werden, um die Wirkung der Aktivsubstanz oder die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Spritzbrühe zu verbessern oder zu modifizieren. Sie können mehr als nur einen einzigen bestimmten Wirkmechanismus während der Blattflächenapplikation aufweisen, sodass sie gemeinhin als wirksamste Hilfsmittel in Pflanzenschutzformulierungen benutzt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, ihre wesentlichen Wirkmechanismen aufzuklären, indem verschiedene Aspekte der Applikation entkoppelt und unabhängig voneinander untersucht wurden. Hierzu wurden Laborversuche durchgeführt, beginnend mit dem Retentions- und Spreitungsverhalten, über die „humectant“- Eigenschaft, den Tropfenrückstand betreffend und schließlich die kutikuläre Penetration einer Aktivsubstanz. Um schlussendlich die ineinander übergreifenden in vivo Mechanismen von Adjuvantien zusammenfassend bewerten zu können, wurde zusätzlich ein Gewächshausprayversuch ausgeführt. Für diese mechanismenübergreifende Studie wurden aufgrund ihrer allgemein begünstigenden Eigenschaften in Formulierungen und ihrer strukturellen Vielfalt die Tensidklassen der Sorbitanester (Span), Polysorbate (Tween) und Oleylalkoholpolyglykolether (Genapol O) verwendet. Die Absenkung der Grenzflächenspannung ist eine der wesentlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Tensiden. Die dynamische Oberflächenspannung (DST) wurde untersucht, um das Verhalten beim Absenken der Oberflächenspannung einzuschätzen, welches die Tropfenbildung und die Retentionseigenschaften beeinflusst. Die DST ist zeitabhängig und das kritische Zeitfenster, in dem ein Tropfen auf die Pflanzenoberfläche auftrifft, beläuft sich auf ca. 100 ms. Innerhalb dieses Zeitrahmens konnte keines von den ausgewählten Tensiden die Oberflächenspannung hinreichend herabsetzen (vgl. Kapitel I). Bei ca. 100 ms wies Tween 20 die niedrigsten DST-Werte auf. Bei vollständiger Absättigung der Tropfen-Luft-Grenzfläche durch Tensidmonomere kann eine statische Oberflächenspannung (STeq) bestimmt werden. Diese physikalische Größe kann benutzt werden, um Spreitungs- und „run-off“- Effekte abzuschätzen. Der Großteil der betrachteten Tenside zeigte ähnliche STeq-Ergebnisse zwischen 30 und 45 mN m- 1. Somit waren alle Tenside in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser (72 mN m- 1) beträchtlich abzusenken. Der Einfluss von Tensiden auf den Benetzungsprozess wurde sowohl mit Hilfe von zeitabhängigen, statischen Kontaktwinkelmessungen auf verschiedenen Oberflächen, als auch nach der Wasserverdunstung auf Basis der Spreitungsfläche der Tropfen auf Triticum aestivum Blättern analysiert. Dabei zeigte die Klasse der Spans, besonders Span 20, ein besseres Benetzungsverhalten als die Klasse der Tweens. Um die Erkenntnisse aus dem Labor auf die Sprayapplikation auf dem Feld zu übertragen, wurden Retention und Blattbedeckung quantitativ auf Weizenoberflächen mit Hilfe eines „tracksprayers“ bestimmt. Da der Retention ein sehr schnell ablaufender, dynamischer Prozess zugrunde liegt, korreliert sie nicht mit der statischen, sondern mit der dynamischen Oberflächenspannung. Die Beziehung zwischen DST, bei ca. 100 ms und den „tracksprayer“- Ergebnissen zeigte eine Retentionszunahme bei abnehmender DST. Dabei konnte keine weitere Retentionsverbesserung bei DST-Werten unterhalb von ca. 60 mN m- 1 erzielt werden. Nachdem der Tropfen auf der Blattoberfläche gelandet ist, verdunstet Wasser unter Feldbedingungen aus dem Sprühtropfen innerhalb weniger Sekunden bis Minuten. Da das Auskristallisieren der Aktivsubstanz zwingend vermieden werden muss, werden sog. „humectants“ (dt. Feuchthaltemittel) als Tankmix-Adjuvantien eingesetzt, um die Aktivsubstanz in Lösung zu halten. Die Fähigkeit von Tensiden, Wasser aus der umgebenden Atmosphäre zu binden, wurde mit Hilfe von Wassersorptionsisothermen umfassend analysiert (vgl. Kapitel II). Diese Isothermen zeigten einen exponentiellen Verlauf mit einem steilen Anstieg der Wassersorption, beginnend ab ca. 60 bis 70% RH (relative Luftfeuchte). Dabei zeigten Spans eine geringere Wassersorption als die polyethoxylierten Tenside (Tweens und Genapol O). Die Beziehung zwischen dem Wassersorptionsverhalten und der molekularen Struktur der Tenside wurde als sog. „humectant Aktivität“ betrachtet. Speziell für die Klasse der Genapol O Tenside, wurde mit zunehmenden Ethylenoxidgehalt (EO) eine Zunahme der „humectant Aktivität“ nachgewiesen. Es konnte jedoch auch gezeigt werden, dass die Wassersorption über alle Klassen der hier ausgewählten Tenside eher mit dem „hydrophilic-lipophilic-balance“- Wert (HLB) als mit dem EO-Gehalt korreliert. Die Kutikula ist eine Membran, die alle oberirdischen Pflanzenorgane bedeckt. Damit stellt sie die wichtigste transportlimitierende Barriere für die Aufnahme von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen dar. Um die Wirkung von Adjuvantien auf die Penetration des lipophilen Herbizids Pinoxaden (PXD) zu bestimmen, wurden in vitro Penetrationsexperimente durch eine astomatäre Modellkutikula durchgeführt (vgl. Kapitel III). Um den Einfluss verschiedener Wirkmechanismen, wie z.B. die der „humectant“- Eigenschaft zu verstehen, wurden diese Versuche unter drei verschiedenen Luftfeuchtebedingungen durchgeführt. Hierbei konnte kein klarer Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchte und der PXD-Penetration nachgewiesen werden. Eine Ursache dafür könnte sein, dass sich Luftfeuchteeffekte eher auf hydrophile als auf lipophile Stoffe auswirken. Vielmehr wurde deutlich, dass hier eine komplexe Kombination aus verschiedenen Wirkmechanismen, wie z.B. Spreitungs-, „humectant“- und Weichmachereffekte, zum Tragen kommt. Um den Einfluss von Adjuvantien auf die in vivo Wirkung von PXD zu analysieren, wurden Gewächshausstudien mit fünf verschiedenen Ungräsern durchgeführt (vgl. Kapitel III). Da die Applikation von Pflanzenschutzwirkstoffen auch deren nachfolgende Wirkung auf lebende Pflanzen, wie z.B. Translokationsprozesse in planta und speziesspezifische physiologische Effekte beinhaltet, kann diese Untersuchung helfen, die Situation auf dem Feld besser zu simulieren. Durch die sowohl verschiedenen Pflanzenspezies als auch PXD-Konzentrationen variierte die absolute Schädigung der Ungräser stark. Dennoch kam es zur gleichen Reihenfolge der Auswirkung der Adjuvantien wie in den in vitro Kutikula-Penetrationsversuchen: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass Erkenntnisse aus Laborversuchen, die die Wirkmechanismen von Adjuvantien betreffen, erfolgreich auf die Sprayapplikation auf Pflanzen übertragen werden können. Um eine systematische Herleitung der Wirkmechanismen von Adjuvantien abschließend zusammenzufassen, vergleichen und bewerten zu können, wurde dies mit Hilfe von Netzdiagrammen grafisch dargestellt (vgl. Zusammenfassende Diskussion und Ausblick). Dabei konnten Zusammenhänge zwischen strukturellen Ähnlichkeiten von Adjuvantien und deren Wirkmechanismen gefunden werden. Tween 20 und Tween 80 beispielsweise deckten ein sehr breites Spektrum an Mechanismen ab, zeigten dabei aber keinen herausragenden Wirkmechanismus einen bestimmten Prozess betreffend. Im Gegensatz dazu wiesen die nicht-ethoxylierten Span 20 und Span 80 hauptsächlich nur den oberflächenaktiven Mechanismus auf. Fast alle Adjuvantien, die in dieser Arbeit analysiert wurden, stellen komplexe polydisperse Mischungen dar, denen eine komplizierte Verteilung von EO-Gruppen und aliphatischen Ketten zugrunde liegt. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit kann gemutmaßt werden, dass Adjuvantien mit einer eher breiten EO-Verteilung ein breiteres Anwendungsspektrum bieten können als Adjuvantien mit einer kleineren Verteilung. Es lässt sich vermuten, dass durch das Vorhandensein einer enormen Vielzahl einzelner Moleküle, die jeweils einen individuellen spezifischen physikalisch-chemischen Charakter aufweisen, ein großes Spektrum von Eigenschaften bezüglich der Sprayapplikation abgedeckt wird.

Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus. Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle. Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants. In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry. / Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien. Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert. Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2009

To reach their target site, systemic pesticides must enter the plant from a spray droplet applied in the field. The uptake of an active ingredient (AI) takes place via the barrier-forming cuticular membrane, which is the outermost layer of the plant, separating it from the surrounding environment. Formulations are usually used which, in addition to the AI, also contain stabilizers and adjuvants. Adjuvants can either have surface-active properties or they act directly as barrier-modifying agents. The latter are grouped in the class of accelerating adjuvants, whereby individual variants may also have surface-active properties. The uptake of a pesticide from a spray droplet depends essentially on its permeability through the cuticular barrier. Permeability defines a combined parameter, which is the product of AI mobility and AI solubility within the cuticle. In recent decades, several tools have been developed that allowed the determination of individual parameters of organic compound penetration across the cuticular membrane. Nevertheless, earlier studies showed that mainly cuticular waxes are the barrier-determining component of the cuticular membrane and additionally, it was shown that mainly the very-long-chain aliphatic compounds (VLCAs) are responsible for establishing an effective barrier. However, the barrier-determining role of the individual VLCAs, being classified according to their respective functional groups, is still unknown. Therefore, the following objectives were pursued and achieved in this work: (1) A new ATR-FTIR-based approach was developed to measure the temperature-dependent real-time diffusion kinetics of organic models for active ingredients (AIs) in paraffin wax, exclusively consisting of very-long chain alkanes. (2) The developed ATR-FTIR approach was applied to determine the diffusion kinetics of self-accelerating adjuvants in cuticular model waxes of different VLCA composition. At the same time, wax-specific changes were recorded in the respective IR spectra, which provided information about the respective wax modification. (3) The ATR-FTIR method was used to characterize the diffusion kinetics, as well as to determine the wax-specific sorption capacities for an AI-modeling organic compound and water in cuticular model waxes after adjuvant treatment. Regarding the individual chemical compositions and structures, conclusions were drawn about the adjuvant-specific modes of action (MoA). In the first chapter, the ATR-FTIR based approach to determine organic compound diffusion kinetics in paraffin wax was successfully established. The diffusion kinetics of the AI modelling organic compounds heptyl parabene (HPB) and 4-cyanophenol (CNP) were recorded, comprising different lipophilicities and molecular volumes typical for AIs used in pesticide formulations. Derived diffusion coefficients ranged within 10-15 m2 s-1, thus being thoroughly higher than those obtained from previous experiments using an approach solely investigating desorption kinetics in reconstituted cuticular waxes. An ln-linear dependence between the diffusion coefficients and the applied diffusion temperature was demonstrated for the first time in cuticular model wax, from which activation energies were derived. The determined activation energies were 66.2 ± 7.4 kJ mol-1 and 56.4 ± 9.8 kJ mol-1, being in the expected range of already well-founded activation energies required for organic compound diffusion across cuticular membranes, which again confirmed the significant contribution of waxes to the cuticular barrier. Deviations from the assumed Fickian diffusion were attributed to co-occurring water diffusion and apparatus-specific properties. In the second and third chapter, mainly the diffusion kinetics of accelerating adjuvants in the cuticular model waxes candelilla wax and carnauba wax were investigated, and simultaneously recorded changes in the wax-specific portion of the IR spectrum were interpreted as indications of plasticization. For this purpose, the oil derivative methyl oleate, as well as the organophosphate ester TEHP and three non-ionic monodisperse alcohol ethoxylates (AEs) C12E2, C12E4 and C12E6 were selected. Strong dependence of diffusion on the respective principal components of the mainly aliphatic waxes was demonstrated. The diffusion kinetics of the investigated adjuvants were faster in the n-alkane dominated candelilla wax than in the alkyl ester dominated carnauba wax. Furthermore, the equilibrium absorptions, indicating equilibrium concentrations, were also higher in candelilla wax than in carnauba wax. It was concluded that alkyl ester dominated waxes feature higher resistance to diffusion of accelerating adjuvants than alkane dominated waxes with shorter average chain lengths due to their structural integrity. This was also found either concerning candelilla/policosanol (n-alcohol) or candelilla/rice bran wax (alkyl-esters) blends: with increasing alcohol concentration, the barrier function was decreased, whereas it was increased with increasing alkyl ester concentration. However, due to the high variability of the individual diffusion curves, only a trend could be assumed here, but significant differences were not shown. The variability itself was described in terms of fluctuating crystalline arrangements and partial phase separation of the respective wax mixtures, which had inevitable effects on the adjuvant diffusion. However, diffusion kinetics also strongly depended on the studied adjuvants. Significantly slower methyl oleate diffusion accompanied by a less pronounced reduction in orthorhombic crystallinity was found in carnauba wax than in candelilla wax, whereas TEHP diffusion was significantly less dependent on the respective wax structure and therefore induced considerable plasticization in both waxes. Of particular interest was the AE diffusion into both waxes. Differences in diffusion kinetics were also found here between candelilla blends and carnauba wax. However, these depended equally on the degree of ethoxylation of the respective AEs. The lipophilic C12E2 showed approximately Fickian diffusion kinetics in both waxes, accompanied by a drastic reduction in orthorhombic crystallinity, especially in candelilla wax, whereas the more hydrophilic C12E6 showed significantly retarded diffusion kinetics associated with a smaller effect on orthorhombic crystallinity. The individual diffusion kinetics of the investigated adjuvants sometimes showed drastic deviations from the Fickian diffusion model, indicating a self-accelerating effect. Hence, adjuvant diffusion kinetics were accompanied by a distinct initial lag phase, indicating a critical concentration in the wax necessary for effective penetration, leading to sigmoidal rather than to exponential diffusion kinetics. The last chapter dealt with the adjuvant-affected diffusion of the AI modelling CNP in candelilla and carnauba wax. Using ATR-FTIR, diffusion kinetics were recorded after adjuvant treatment, all of which were fully explicable based on the Fickian model, with high diffusion coefficients ranging from 10-14 to 10-13 m2 s-1. It is obvious that the diffusion coefficients presented in this work consistently demonstrated plasticization induced accelerated CNP mobilities. Furthermore, CNP equilibrium concentrations were derived, from which partition- and permeability coefficients could be determined. Significant differences between diffusion coefficients (mobility) and partition coefficients (solubility) were found on the one hand depending on the respective waxes, and on the other hand depending on treatment with respective adjuvants. Mobility was higher in candelilla wax than in carnauba wax only after methyl oleate treatment. Treatment with TEHP and AEs resulted in higher CNP mobility in the more polar alkyl ester dominated carnauba wax. The partition coefficients, on the other hand, were significantly lower after methyl oleate treatment in both candelilla and carnauba wax as followed by TEHP or AE treatment. Models were designed for the CNP penetration mode considering the respective adjuvants in both investigated waxes. Co-penetrating water, which is the main ingredient of spray formulations applied in the field, was likely the reason for the drastic differences in adjuvant efficacy. Especially the investigated AEs favored an enormous water uptake in both waxes with increasing ethoxylation level. Surprisingly, this effect was also found for the lipophilic TEHP in both waxes. This led to the assumption that the AI permeability is not exclusively determined by adjuvant induced plasticization, but also depends on a “secondary plasticization”, induced by adjuvant-attracted co-penetrating water, consequently leading to swelling and drastic destabilization of the crystalline wax structure. The successful establishment of the presented ATR-FTIR method represents a milestone for the study of adjuvant and AI diffusion kinetics in cuticular waxes. In particular, the simultaneously detectable wax modification and, moreover, the determinable water uptake form a perfect basis to establish the ATR-FTIR system as a universal screening tool for wax-adjuvants-AI-water interaction in crop protection science. / Um ihren Zielort zu erreichen, müssen systemische Pestizide aus einem auf dem Feld ausgebrachten Sprühtropfen in die Pflanze gelangen. Die Aufnahme eines Wirkstoffs (AI) erfolgt über die barrierebildende Kutikularmembran, die äußerste Schicht der Pflanze, die sie von der Umgebung trennt. In der Regel werden Formulierungen verwendet, die neben dem AI auch Stabilisatoren und Adjuvantien enthalten. Adjuvantien können entweder oberflächenaktive Eigenschaften haben oder sie wirken direkt als barrieremodifizierende Substanzen. Letztere werden in der Klasse der beschleunigenden Adjuvantien zusammengefasst, wobei einzelne Varianten auch oberflächenaktive Eigenschaften haben können. Die Aufnahme eines Pestizids aus einem Sprühtropfen hängt im Wesentlichen von seiner Durchlässigkeit durch die kutikuläre Barriere ab. Die Permeabilität ist ein kombinierter Parameter, der sich aus der Mobilität und der Löslichkeit des Wirkstoffs in der Kutikula ergibt. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Methoden entwickelt, die die Bestimmung einzelner Parameter der Permeation organischer Verbindungen durch die Kutikularmembran ermöglichen. Frühere Studien zeigten jedoch, dass hauptsächlich kutikuläre Wachse die barrierebestimmende Komponente der Kutikula darstellen, und darüber hinaus wurde gezeigt, dass hauptsächlich die sehr langkettigen aliphatischen Verbindungen (VLCAs) für die Errichtung einer wirksamen Barriere verantwortlich sind. Die Rolle der einzelnen VLCAs, die nach ihren jeweiligen funktionellen Gruppen klassifiziert werden, ist jedoch in Bezug auf die Bestimmung der Barriereeigenschaften noch unbekannt. Daher wurde in dieser Arbeit folgende Ziele verfolgt und erreicht: (1) Ein neuer ATR-FTIR-basierter Ansatz wurde entwickelt, um die temperaturabhängige Echtzeit-Diffusionskinetik von organischen Modellen für Wirkstoffe (AI) in ausschließlich aus Alkanen bestehendem Paraffinwachs zu messen. (2) Der entwickelte ATR-FTIR-Ansatz wurde zur Bestimmung der Diffusionskinetik von selbstbeschleunigenden Adjuvantien in kutikulären Modellwachsen unterschiedlicher VLCA-Zusammensetzung angewendet. Gleichzeitig wurden wachsspezifische Veränderungen in den jeweiligen IR-Spektren aufgezeichnet, welche Informationen über die jeweilige Wachsmodifikation lieferten. (3) Die ATR-FTIR-Methode wurde zur Charakterisierung der Diffusionskinetik, sowie zur Bestimmung der wachsspezifischen Sorptionskapazitäten für eine AI-modellierende organische Verbindung und von Wasser in kutikulären Modellwachsen nach Adjuvans-Behandlung verwendet. Im Hinblick auf die einzelnen chemischen Zusammensetzungen und Strukturen wurden Rückschlüsse auf die adjuvansspezifischen Wirkweisen (MoA) gezogen. Im ersten Kapitel wurde der ATR-FTIR-basierte Ansatz zur Bestimmung der Diffusionskinetik organischer Verbindungen in Paraffinwachs erfolgreich etabliert. Es wurde die Diffusionskinetik der organischen AI-Modellverbindungen Heptylparaben (HPB) und 4-Cyanophenol (CNP) aufgezeichnet, die unterschiedliche Lipophilitäten und Molekülvolumina aufweisen, wie sie für AIs in Pestizidformulierungen typisch sind. Die abgeleiteten Diffusionskoeffizienten lagen im Bereich von 10-15 m2 s-1 und waren damit höher als die zuvor in rekonstituierten kutikulären Wachsen beobachteten Diffusionskoeffizienten. Zum ersten Mal wurde eine ln-lineare Abhängigkeit zwischen den Diffusionskoeffizienten und der angewandten Diffusionstemperatur in kutikulärem Modellwachs nachgewiesen, aus der schließlich Aktivierungsenergien abgeleitet wurden. Die ermittelten Aktivierungsenergien betrugen 66.2 ± 7.4 kJ mol-1 und 56.4 ± 9,8 kJ mol-1 und lagen damit im erwarteten Bereich der bereits gut begründeten Aktivierungsenergien, die für die Diffusion organischer Verbindungen durch kutikuläre Membranen erforderlich sind. Dies bestätigte abermals den signifikanten Beitrag der Wachse zur kutikulären Barriere. Abweichungen von der angenommenen Fick'schen Diffusion wurden auf die gleichzeitig stattfindende Wasserdiffusion und gerätespezifische Artefakte zurückgeführt. Im zweiten und dritten Kapitel wurde vor allem die Diffusionskinetik von beschleunigenden Adjuvantien in den kutikulären Modellwachsen Candelillawachs und Carnaubawachs untersucht und gleichzeitig aufgezeichnete Veränderungen im wachspezifischen Teil des IR-Spektrums als Hinweise auf eine Plastifizierung interpretiert. Zu diesem Zweck wurden das Ölderivat Methyloleat, sowie der Organophosphatester TEHP und drei nichtionische monodisperse Alkoholethoxylate (AEs) C12E2, C12E4 und C12E6 ausgewählt. Es wurde eine starke Abhängigkeit der Adjuvansdiffusion von den jeweiligen Hauptkomponenten der hauptsächlich aliphatisch strukturierten Wachse nachgewiesen. So war die Diffusionskinetik der untersuchten Adjuvantien in dem hauptsächlich aus n-Alkanen bestehenden Candelillawachs schneller als in dem von Alkylestern dominierten Carnaubawachs. Darüber hinaus waren die Gleichgewichtsabsorptionen, die auf Gleichgewichtskonzentrationen hinweisen, in Candelillawachs ebenfalls höher als in Carnaubawachs. Daraus wurde gefolgert, dass Wachse mit hohen Alkylesteranteilen aufgrund ihrer strukturellen Integrität einen höheren Widerstand gegen die Diffusion von beschleunigenden Adjuvantien aufweisen als Wachse mit kürzeren durchschnittlichen Kettenlängen. Dies wurde auch bei Candelilla/Policosanol- (n-Alkohol) oder Candelilla/Reiskleiewachs-Mischungen (Alkylester) festgestellt: Mit steigender Alkoholkonzentration nahm die Barrierefunktion ab, während sie mit steigender Alkylesterkonzentration zunahm. Aufgrund der hohen Variabilität der einzelnen Diffusionskurven konnte hier jedoch nur ein Trend vermutet werden, signifikante Unterschiede zeigten sich jedoch nicht. Die Variabilität selbst wurde mit schwankenden kristallinen Anordnungen und teilweiser Phasentrennung der jeweiligen Wachsmischungen erklärt, die sich zwangsläufig auf die Diffusion der Adjuvantien auswirkten. Die Diffusionskinetik hing jedoch auch stark von den untersuchten Adjuvantien ab. In Carnaubawachs wurde eine deutlich langsamere Methyloleat-Diffusion festgestellt, die mit einer weniger ausgeprägten Verringerung der orthorhombischen Kristallinität einherging als in Candelillawachs, während die TEHP-Diffusion deutlich weniger von der jeweiligen Wachsstruktur abhängig war und in beiden Wachsen eine erhebliche Plastifizierung bewirkte. Von besonderem Interesse war die AE-Diffusion in den untersuchten Wachsen. Auch hier wurden Unterschiede in der Diffusionskinetik zwischen Candelillamischungen und Carnaubawachs festgestellt. Diese hingen jedoch gleichermaßen vom Ethoxylierungsgrad der jeweiligen AEs ab. Das lipophile C12E2 zeigte in beiden Wachsen eine annähernd Fick‘sche Diffusionskinetik, die mit einer drastischen Verringerung der orthorhombischen Kristallinität einherging, insbesondere im Candelillawachs, während das hydrophilere C12E6 eine deutlich verzögerte Diffusionskinetik zeigte, die mit einer geringeren Auswirkung auf die orthorhombische Kristallinität einherging. Die individuellen Diffusionskinetiken der untersuchten Adjuvantien zeigten teilweise drastische Abweichungen vom Fick‘schen Diffusionsmodell, was auf einen selbstbeschleunigenden Effekt hindeutet. Die Diffusionskinetik der Adjuvantien wurde von einer ausgeprägten anfänglichen Verzögerungsphase begleitet, die auf das Erreichen einer kritischen Konzentration im Wachs hindeutet. Es wird angenommen, dass aufgrund der initialen Verzögerungsphase letztlich sigmoidale, statt Fick’sche Diffusionskinetiken vorlagen. Das letzte Kapitel befasste sich mit der adjuvansbeeinflussten Diffusion der für Wirkstoffe modellhaften organischen Substanz CNP in Candelilla- und Carnaubawachs. Mittels ATR-FTIR wurden Diffusionskinetiken nach Adjuvans-Behandlung aufgezeichnet, die alle auf der Grundlage des Fick‘schen Modells vollständig erklärbar waren, einhergehend mit hohen Diffusionskoeffizienten von 10-14 bis 10-13 m2 s-1. Es ist offensichtlich, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Diffusionskoeffizienten durchweg eine durch die Plastifizierung bedingte erhöhte CNP-Mobilität belegen. Darüber hinaus wurden CNP-Gleichgewichtskonzentrationen abgeleitet, aus denen Verteilungs- und Permeabilitätskoeffizienten bestimmt werden konnten. Signifikante Unterschiede zwischen Diffusionskoeffizienten (Mobilität) und Verteilungskoeffizienten (Löslichkeit) wurden zum einen in Abhängigkeit von den jeweiligen Wachsen und zum anderen in Abhängigkeit von den jeweiligen Adjuvantien festgestellt. Die CNP-Mobilität war in Candelillawachs nur nach Behandlung mit Methyloleat höher als in Carnaubawachs. Die Behandlung mit TEHP und AEs führte zu einer höheren CNP-Mobilität in dem polaren, von Alkylestern dominierten Carnaubawachs. Die Verteilungskoeffizienten hingegen waren nach der Behandlung mit Methyloleat sowohl in Candelilla- als auch in Carnaubawachs deutlich niedriger als nach der Behandlung mit TEHP oder AE. Es wurden Modelle für den CNP-Penetrationsmodus unter Berücksichtigung der jeweiligen Adjuvantien in den beiden untersuchten Wachsen entwickelt. Der Grund für die drastischen Unterschiede in der Wirksamkeit der Adjuvantien liegt wahrscheinlich im Ko-Penetrieren von Wasser, dem Hauptbestandteil der auf dem Feld angewandten Spritzformulierungen. Insbesondere die untersuchten AEs begünstigten eine enorme Wasseraufnahme in beiden Wachsen mit zunehmendem Ethoxylierungsgrad. Überraschenderweise wurde dieser Effekt auch für das lipophile TEHP in beiden Wachsen gefunden. Dies führte zu der Vermutung, dass die AI-Permeabilität nicht ausschließlich durch die adjuvansinduzierte Plastifizierung bestimmt wird, sondern auch von einer "sekundären Plastifizierung" abhängt, die durch die Ko-Penetration von Wasser induziert wird und so zur Quellung und drastischen Destabilisierung der kristallinen Wachsstruktur führt. Die erfolgreiche Etablierung der vorgestellten ATR-FTIR-Methode stellt einen Meilenstein für die Untersuchung der Diffusionskinetik von Adjuvantien und AIs in kutikulären Wachsen dar. Insbesondere die gleichzeitig nachweisbare Wachsmodifikation und darüber hinaus die bestimmbare Wasseraufnahme bilden eine perfekte Grundlage, um das ATR-FTIR-System als universelles Screening-Tool für Wachs-Adjuvans-AI-Wasser-Interaktionen in der Pflanzenschutzwissenschaft zu etablieren.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

2,3-Dipalmitoyl-S-Glycerylcystein (Pam2Cys), ein Toll-like-Rezeptor 2 (TLR2)-Ligand, aktiviert dendritische Zellen und erhöht die Expression von HLA-DR auf deren Zelloberfläche. Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) können über die Ausschüttung von Zytokinen das erworbene Immunsystem stimulieren. Zudem weist die Entdeckung von HLA-DR auf NK-Zellen, besonders auf CD56bright-NK-Zellen, auf eine Verbindung zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem hin. Gekoppelt an ein immundominantes Peptidepitop aus dem Glykoprotein D des Herpes-Simplex-Virus (HSV) Typ 2, wurde Pam2Cys in dieser Arbeit als potentieller lipopeptidbasierter HSV-Impfstoff eingesetzt, um die Effekte dieser Vakzine auf NK-Zellen zu untersuchen. Die Einflüsse der Vakzine wurden anhand der CD69-, HLA-DR- und TLR2-Expression auf und in NK-Zellen nach Inkubation mit Pam2Cys untersucht. Die Analyse der Gesamt-NK-Zellpopulation ließ nur mit Hilfe der quantitativen Real-Time-PCR einen signifikanten Anstieg der TLR2-Expression erkennen, jedoch nicht durchflusszytometrisch. Inkubierte NK-Zellen zeigten deutlich mehr HLA-DR auf der Zelloberfläche, als unstimulierte NK-Zellen. Die Untersuchung der zwei großen NK-Zellsubpopulationen, CD56bright und CD56dim, ergab, dass stimulierte CD56bright-Zellen wesentlich mehr HLA-DR und TLR2 aufwiesen, als stimulierte CD56dim-Zellen. Die Expression des Aktivierungsmarkers CD69 stieg in der Gesamtpopulation der NK-Zellen nicht in signifikantem Maße an, zeigte jedoch eine Zunahme nach Inkubation mit den Pam2Cys-Molekülen. Die Aufnahme der Lipopeptide in NK-Zellen wurde mit der konfokalen Mikroskopie bestätigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die hier verwendete HSV-Vakzine von NK-Zellen aufgenommen wird und sie die Ausbildung von Oberflächenrezeptoren auf diesen Zellen moduliert. Insbesondere die Expressionssteigerung von HLA-DR auf CD56bright-NK-Zellen deutet auf die Fähigkeit dieser Zellen hin, Antigene zu präsentieren und stellt einen weiteren Mechanismus vor, der eine impfstoffbezogene Immunantwort unterstützen kann. Die vorliegende Arbeit bildet eine Basis für weiterführende Studien an NK-Zellen hinsichtlich der Antigenpräsentation im Allgemeinen und der Antigenpräsentation nach Stimulation durch eine Vakzine im Besonderen. / The Toll-like receptor 2 (TLR2) ligand 2,3-Dipalmitoyl-S-Glycerylcystein (Pam2Cys) enhances the surface expression of HLA-DR on dendritic cells and activates them. Natural killer cells (NK cells) may stimulate the adaptive immune system via the production of cytokines. Furthermore the detection of HLA-DR on NK cells, especially on CD56bright NK cells, hints at a connection between innate and adaptive immunity. In this study Pam2Cys was used as a potential lipopeptide-based HSV vaccine attached to an immunodominant epitope in herpes simplex virus (HSV) type 2 glycoprotein D. The effects of this vaccine on NK cells were analysed here. Examination of the influence of this vaccine was performed by measuring the expression of CD69, HLA-DR and TLR2 on and in NK cells after incubating them with Pam2Cys. Using quantitative real-time PCR, a significant increase of TLR2-mRNA in the entire NK cell population was detectable; however flow cytometry was not able to confirm these results. Incubated NK cells showed considerably more HLA-DR than unstimulated NK cells. Analysis of the two big NK cell subpopulations, CD56bright and CD56dim, revealed essentially more HLA-DR and TLR2 on stimulated CD56bright cells, compared to stimulated CD56dim cells. Expression of the activation marker CD69 after incubation was not triggered significantly on NK cells altogether; nevertheless an increase could be measured. Confocal microscopy confirmed an uptake of lipopeptides into NK cells. These data demonstrate the surface receptor modulation on NK cells by a potential HSV vaccine and the ability of NK cells to endocytose Pam2Cys. Particularly, the increase of HLA-DR on CD56bright NK cells points at the ability of these cells to present antigens, introducing a new mechanism able to support a potent immune response to a vaccination. This study provides a basis for further work on NK cells in terms of antigen presentation in general and antigen presentation after stimulation by a vaccine in particular.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology and Toxicology Student: Kristína Hudáková Supervisor: doc. PharmDr. František Trejtnar, CSc. Title of diploma thesis: In vitro evaluation of novel Toll-like receptor ligands I Vaccination against preventable infections prevents millions of deaths each year. Their immunity enhancing activity is strengthened by the presence of vaccine adjuvants. Development of vaccine adjuvants leads to improved safety profile and also can play a vital role in the research of new vaccines against pathogens against which the vaccines currently do not exist. The main aim of this diploma thesis was to verify the ability of rationally developed small molecule ligands to influence Toll-like receptors and thus their potential to be utilized as vaccine adjuvants. The assay was carried out using modified cell lines continually expressing the human TLR4 or TLR8 whose activation leads to production of secreted embryonic alkaline phosphatase. Ten analyzed substances labelled as DM 001 - DM 010 were examined for their agonistic and also antagonistic properties while interacting with the TLRs. Immunomodulatory activity of these tested samples was then determined by quantification of secreted alkaline phosphatase with the help of a colorimetric...

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology & Toxicology Student: Vanda Machalová Supervisor: doc. PharmDr. František Trejtnar, CSc. Title of diploma thesis: In vitro evaluation of novel Toll-like receptor ligands II. The aim of this diploma thesis was to test the new substances at Toll-like receptors (TLR), namely TLR4 and TLR8 subtypes, as potential vaccine adjuvants. Adjuvants are required for new subunit vaccines to promote stimulation of a sufficient immune response. Stimulation of TLR receptors is safe and leads to the activation of both innate and adaptive immunity and to subsequent specific immune response. Testing was carried out on cell lines stable co-expressing the respective receptors, with colorimetric activity detection. In this work, both agonist and antagonist activity at TLR4 and TLR8 receptors was investigated and a half maximal effective concentration (EC50) of resiquimod was determined. Based on the results, the respective substances cannot be considered as potential adjuvants to the TLR8 receptor and DM014 exhibits the potential for agonist activity on the TLR4 receptor, whereas the substance DM015 can be used on further investigation of immunosuppression in autoimmune diseases and diseases associated with excessive activation of the...

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology and Toxicology Student: Linda Tamášiová Supervisor: doc. PharmDr. František Trejtnar, CSc. Title of diploma thesis: In vitro evaluation of novel Toll-like receptor ligands III Research on new ligands with potential immunomodulatory activity is a tool for the development of new immunological adjuvants for use in vaccines, or as separate immunomodulators in the treatment of various diseases. The aim of this thesis was to analyze the ability of new ligands to stimulate toll-like receptors 4 (TLR4) and to assess the potential for further use of these substances based on established immunomodulatory activity. The analysis was performed on modified TLR4-expressing cell lines whose activation was subsequently detected using a colorimetric-enzymatic reaction. Sixteen new substances were tested for TLR4 receptor activation in comparison with a standard agonist. The results showed a significant TLR4 agonistic activity in several of the test substances, suggesting that they are activating ligands of the receptor tested. However, due to their low solubility, some of these substances are not suitable candidates for further use and testing. Taking all parameters into consideration, among of all of the evaluated substances that...

Da Filarieninfektionen noch immer chemotherapeutisch schwer bekämpfbar sind, ist die Aufklärung von potentiell protektiven Molekülen, die zur Impfstoffentwicklung von Nutzen sein könnten, von Bedeutung. Ein vielversprechendes Antigen stellt in diesem Zusammenhang die Chitinase von infektiösen Drittlarven von Onchocerca volvulus dar. In dieser Arbeit sollte deshalb dieses Protein immunologisch charakterisiert und immundominante Bereiche identifiziert werden. Dazu wurde die cDNA des gesamten Proteins (OvL3-Chitinase) und die cDNA der Domäne, die für die Chitin-Bindung verantwortlich ist (OvL3-CBD), in einen Expressionsvektor kloniert, in E. coli exprimiert und aufgereinigt. Die aufgereinigte OvL3-Chitinase zeigte enzymatische Aktivität. Die OvL3-Chitinase und die OvL3-CBD wurden in Immunisierungsstudien im Tiermodel der Nagetierfilarie A. viteae und M. unguiculatus eingesetzt. Während die Immunisierung mit OvL3-CBD mit dem Adjuvans Alum zu keiner Reduzierung der Adultwurmlast führte, war nach Gabe der OvL3-Chitinase die Anzahl der Adultwürmer um 40 % bzw. um 17,7% reduziert. Zusätzlich wurde die OvL3-Chitinase allein und in Kombination mit zwei verschiedenen Adjuvantien (STP und Alum) in Immunisierungsstudien von BALB/c-Mäusen eingesetzt, deren Immunantworten anschließend charakterisiert wurden. Durch diese Versuche konnte gezeigt werden, daß die Chitinase ohne zusätzliche Gabe eines Adjuvans unter den getesteten Bedingungen eine TH2-Immunantwort induziert. Dies wurde durch die Anwesenheit von Antikörpern der Subklasse IgG1 deutlich. Außerdem waren Milzzellen dieser Mäuse nicht in der Lage, nach Restimulation mit Chitinase mit Proliferation zu reagieren. Durch den Einsatz der Adjuvantien STP und Alum konnte eine Polarisation der Immunantworten erfolgen. Während die Immunisierung mit Chitinase und Alum zur deutlichen Bildung von IgG1-Antikörpern und zu einer leichten Erhöhung der Antikörper IgG2a und IgG2b führte, konnte nach Immunisierung mit Chitinase und STP neben Antikörpern der Subklasse IgG1 deutliche erhöhte OD-Werte von IgG2a und IgG2b gemessen werden. In beiden Gruppen reagierten Milzzellen nach Restimulation mit Chitinase, wobei die Proliferationswerte der STP/Chitinase-Gruppe über denen der Alum/Chitinase-Gruppe lagen. Durch den Einsatz von Salmonellen, die Chitinase exprimierten, konnten die T-Zell-Antworten verstärkt werden. Es konnten jedoch keine antigen-spezifischen Antikörper gefunden werden. Mit Hilfe von drei verschiedenen T-Zell-Algorithmen (Algorithmus nach Rothbard und Taylor, nach Humphreys und die MHC-II-Bindungs-Motive nach Rammensee) wurden T-Zell-Epitope innerhalb der OvL3-Chitinase identifiziert. Alle vorhergesagten Epitope wurden als synthetische Peptide hergestellt und in T-Zell-Proliferationstests eingesetzt. Hierzu wurden Milzzellen von Mäusen verwendet, die dreimal mit rekombinanter Chitinase und dem Adjuvans STP immunisiert worden waren. Um möglichst viele T-Zell-Epitope innerhalb der Chitinase zu ermitteln, wurden überlappende Peptide (Pepscan), die die Gesamtheit der Chitinase umfaßten, in T-Zell-Tests eingesetzt. Die verwendeten Algorithmen wurde auf ihre Sensitivität und Spezifität überprüft, indem die vorhergesagten Epitope mit den ermittelten T-Zell-Epitopen des Pepscans verglichen wurden. Dabei konnte der Algorithmus von Rammensee den besten Index an Sensitivität (0,47) und Spezifität (0,7) erzielen. Eine Kombination der Algorithmen ergab, daß die Verknüpfung des Algorithmus nach Rothbard und Taylor mit den MHC-Bindungs-Motiven nach Rammensee die Sensitivität auf 0,67 erhöhen konnte, doch die Spezifität sank durch die hohe Anzahl der vorhergesagten Epitope auf 0,33. Die Anwendung der Algorithmen auf die Sequenz der OvL3-Chitinase führte zu der Identifizierung von fünf Bereichen, die von allen Algorithmen vorhergesagt wurden, und von denen vier in T-Zell-Proliferationstests deutliche Proliferationswerte erzielten. Zusätzlich wurde die OvL3-Chitinase und die OvL3-CBD in Kamerun hinsichtlich ihrer Fähigkeit getestet, PBMC von Onchozerkose-Patienten zu restimulieren, die aus einem hyperendemischen Onchozerkose-Gebiet stammten. Diese Untersuchungen bestätigten die Ergebnisse aus den Immunisierungsstudien mit BALB/c-Mäusen, in denen Chitinase eine TH2-Immunantwort hervorrief. Die PBMC der Onchozerkose-Patienten zeigten nur eine sehr geringe Proliferation nach Stimulation mit OvL3-Chitinase und OvL3-CBD. Begleitet wurde diese Proliferation von Ausschüttung typischer TH2-Zytokine wie IL-10 (Chitinase) bzw. IL-4, IL-5 und IL-10 (CBD). Die Untersuchung der Antikörperantworten der Onchozerkose-Patienten zeigte, daß bei 77% der untersuchten Patienten IgG4-Antikörper gegen die Chitinase und bei 20% gegen die OvL3-CBD im Serum nachgewiesen werden konnten. / Chemotherapeutic treatment of filarial infections has rendered difficult and still insufficient. Therefore, the identification of potentially protective molecules which can be used for vaccine development is desirable. The chitinase of larvae stage three of Onchocerca volvulus constitutes a promising antigen. Immunological characterization of this protein and the identification of immunodominat regions was performed in this study. The complete sequence (OvL3-chitinase) and the C-terminal end responsible for the binding of chitin (OvL3-CBD) were cloned in an expression vector, overexpressed in E. coli and subsequently purified. Recombinant chitinase was enzymatically active. The OvL3-chitinase and the OvL3-CBD were used for immunization studies using the rodent filaria A. viteae in the animal model M. unguiculatus. No decreased number of adult worms was observed after immunization with OvL3-CBD in the present of Alum as adjuvans, while chitinase together with STP resulted in the reduction the worm burden to 40 % (first trial) and to 17,7 % (second trial). Additional immunization studies using BALB/c-mice were performed with OvL3-chitinase in the absence or the presence of two different adjuvans. Spleen cells isolated from mice immunized with chitinase in the absence of adjuvans were devoid of proliferative capacity after in vitro antigenic restimulation. Antigen-specific IgG1 antibodies were the only subtype detectable in sera from mice. These results suggested that a Th2 response was induced after immunization with chitinase under these conditions. Including STP or Alum in the immunization protocol a polarization of the obtained immune response was found. Immunization with chitinase together with Alum elicited strong IgG1 response followed by slightly increase of IgG2a and IgG2b. Co-administration of chitinase and STP evoked increased IgG2a and IgG2b antibodies in addition to the observed IgG1 response. Good proliferative responses were observed for spleen cells from mice immunized with chitinase in the present of both adjuvans after in vitro restimulation with chitinase. Furthermore stronger T-cell reactivity was found in the group immunized with chitinase/STP. Also chitinase was expressed in Salmonella and oral immunization of mice with this construct enforced the T-cell reactivity, however antigen specific antibodies were undetectable. To further characterize T cell reactivity against OvL3-chitinase T cell epitopes using the Rothbard and Taylor algorithm (1988), Humphreys prediction and the MHC-II-binding motifs from Rammmensee (1995) were identified. All predicted epitopes were synthesized and tested in T-cell proliferation assays. Additional synthetic L3-chitinase-derived overlapping peptides were also used in T-cell proliferation assays. The sensitivity and specificity of the algorithms was evaluated by comparing the predicted epitopes with the epitopes determined by overlapping peptides. Using this approach, prediction based on MHC-II-binding motifs showed the highest sensitivity (0,47) and specificity (0,7). A further increase of the predictive power was obtained by a combining MHC-II-binding motifs and Rothbard and Taylor algorithm, resulting in increased sensitivity (0,67) but lower specificity (0,33). Five immunodominant regions were identified by all algorithm and four of them were confirmed as T-cell epitopes in T-cell assays. PBMCs isolated from patients affected with Onchocerca volvulus from Cameroon were also tested for their reactivity against OvL3-chitinase and the OvL3 CBD in T-cell proliferation assays. After in vitro restimulation with OvL3-chitinase and CBD only marginal T-cell response was observed accompanied by release of Th2-like cytokines such as IL-10 when stimulated with chitinase and IL-4, IL-5 and IL-10 when stimulated with CBD. Strong antibody responses of the IgG4 isotype were detected in the serum of 77% of the patients against chitinase and only in 20% of the patients against CBD.