Sekundäre Pflanzenstoffe sind aufgrund ihrer großen Strukturvielfalt sowohl als Leit- und Wirkstoffe für die Pharma- und Pflanzenschutzforschung in den Industrieländern als auch zur unmittelbaren medizinischen Grundversorgung der Entwicklungsländer von herausragender Bedeutung für den Menschen. Eine Klasse pharmakologisch, biogenetisch und chemotaxonomisch interessanter Sekundärmetabolite sind die Naphthylisochinolin-Alkaloide, die ausschließlich in den eng verwandten tropischen Pflanzenfamilien Ancistrocladaceae und Dioncophyllaceae vorkommen. Der Untersuchung der Biosynthese dieser acetogeninen Metabolite (z.B. Dioncophyllin A), einschließlich einiger Vorstufenderivate (z.B. Plumbagin, Droseron und Isoshinanolon), durch die konsequente Etablierung von in-vitro-Systemen sowie der Biologie ihrer pflanzlichen Produzenten am Naturstandort und in Kultur, wurde das Hauptaugenmerk in dieser Arbeit gewidmet. Außerdem wurden die biologischen Aktivitäten der Substanzen getestet. Daneben wurde die Strategie der stabilisotopenmarkierten Vorstufenverfütterung exemplarisch auf eine Art aus den nahe verwandten Nepenthaceen ausgeweitet, indem der natürliche Aufnahmemechanismus der carnivoren Pflanze ausgenutzt wurde. Anhand von Verfütterungsexperimenten mit ebenfalls neu etablierten Zellkulturen konnte außerdem die Struktur eines neuartigen Pyridon-Alkaloids (Antidesmon) aus Antidesma membranaceum, das ursprünglich als Isochinolin beschrieben worden war, revidiert werden und dessen ungewöhnliche Biosynthese aus Acetat und Glycin aufgeklärt werden. / Secondary metabolites from plants exhibit a great structural diversity and are therefore of great importance for mankind. While they are used in the industrial countries as leads and drugs in the pharmaceutical and the agrochemical research, they contribute directly to the basic medicinal supply in the developing countries. The naphthylisoquinoline alkaloids constitute a class of pharmacologically, biogenetically and chemotaxonomically interesting secondary metabolites exclusively found in the Ancistrocladaceae and in the closely related tropical plant family Dioncophyllaceae. The main objective of this work was devoted to the investigation of the biosynthesis of these acetogenic metabolites (e.g. Dioncophylline A) including several precursors (e.g. Plumbagin, Droserone and Isoshinanolone) by means of consistently establishing in vitro systems, but also to the biology of their producers in the natural habitat and in cultivation. Furthermore, the biological activities of the substances were tested. Additionally the strategy of feeding stable isotope labelled precursors was exemplarily adopted to a species of the closely related Nepenthaceae by using the natural uptake mechanism of the carnivorous plant. Feeding experiments with likewise recently established cell cultures revealed the structure of a novel pyridone alkaloid (Antidesmone) from Antidesma membranaceum, which had originally been described as an isoquinoline, and its unusual biosynthesis from acetate and glycine.

Herein described is the discovery of three novel types of dimeric naphthylisoquinoline alkaloids, named mbandakamines, cyclombandakamines, and spirombandakamines. They were found in the leaves of a botanically as yet unidentified, potentially new Ancistrocladus species, collected in the rainforest of the Democratic Republic of the Congo (DRC). Mbandakamines showed an exceptional 6′,1′′-coupling, in the peri-position neighboring one of the outer axes, leading to an extremely high steric hindrance at the central axis, and to U-turn-like molecular shape, which – different from all other dimeric NIQs, whose basic structures are all quite linear – brings three of the four bicyclic ring systems in close proximity to each other. This created an unprecedented follow-up chemistry, involving ring closure reactions, leading to two further, structurally even more intriguing subclasses, the cyclo- and the spirombandakamines, displaying eight stereogenic elements (the highest total number ever found in naphthylisoquinoline alkaloids). The metabolites exhibited pronounced antiplasmodial and antitrypanosomal activities. Likewise reported in this doctoral thesis are the isolation and structural elucidation of naphthylisoquinoline alkaloids from two further potentially new Ancistrocladus species from DRC. Some of these metabolites have shown pronounced antiausterity activities against human pancreatic cancer PANC-1 cells. / In dieser Arbeit wird die Entdeckung von drei neuen Typen von dimeren Naphthylisochinolin-Alkaloiden (NIQs) beschrieben, die als Mbandakamine, Cyclombandakamine und Spirombandakamine bezeichnet werden. Sie wurden in den Blättern einer botanisch noch nicht identifizierten, möglicherweise neuen Ancistrocladus-Art gefunden, die im Regenwald der Demokratischen Republik Kongo (DR Kongo) gesammelt wurde. Mbandakamine zeigen eine außergewöhnliche 6',1''-Kupplung in der peri-Position neben einer der äußeren Achsen, was zu einer extrem hohen sterischen Hinderung an der zentralen Achse und zu einer U-förmigen Molekülform führt. Diese unterschiedet sich von allen anderen dimeren NIQs, deren Grundstrukturen alle ziemlich linear sind. Im Fall der Mbandakamine werden drei der vier bicyclischen Ringsysteme in enger Nachbarschaft zueinander gebracht. Dies führte zu einer beispiellosen Folgechemie mit Ringschlussreaktionen, die zu zwei weiteren, strukturell noch faszinierenderen Unterklassen führte, den Cyclo- und Spirombandakaminen, die acht stereogene Elemente aufweisen (die höchste Gesamtzahl, die jemals in Naphthylisochinolin-Alkaloiden gefunden wurde). Die Metaboliten zeigten ausgeprägte antiplasmodiale und antitrypanosomale Aktivitäten. Ebenfalls in dieser Dissertation wird über die Isolierung und Strukturaufklärung von Naphthylisochinolin-Alkaloiden aus zwei weiteren potentiell neuen Ancistrocladus-Arten aus der DR Kongo berichtet. Einige dieser Metaboliten zeigten ausgeprägte Antiaustizitäts-Aktivitäten gegen humane Pankreaskrebs-PANC-1-Zellen.

Nowadays, the management of infectious diseases is especially threatened by the rapid emergence of drug resistance. It has been suggested that the medicine quality assurance combined with good medication adherence may help to reduce this impendence. Moreover, the search for new antimicrobial agents from medicinal plants is strongly encouraged for the exploration of alternatives to existing therapies. In this context, the present work focused on both the quality evaluation of commercialized antimalarial medicines from the Democratic Republic of the Congo and on the phytochemical investigations of a Congolese Ancistrocladus species. / Heute ist die Behandlung von Infektionskrankheiten besonders durch das schnelle Auftreten von Arzneimittelresistenzen bedroht. Es wurde vorgeschlagen, dass eine gute Arzneimittelqualitätssicherung in Verbindung mit einer sicheren Medikamentenhaftung dazu beitragen kann, dieser Gefahr entgegenzuwirken. Darüber hinaus wird unter anderem die Suche nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen aus Heilpflanzen dringend empfohlen, um nach Alternativen zu bestehenden Therapien Ausschau zu halten. In diesem Zusammenhang konzentrierte sich die vorliegende Arbeit sowohl auf die Qualitätsbewertung der in der Demokratischen Republik Kongo (DR Kongo) vermarkteten Malariamittel, als auch auf die phytochemische Untersuchung einer kongolesischen Ancistrocladus-Art. ...

Im Rahmen dieser Disseration wurden im Einzelnen folgende Ergebnisse erzielt: A. Isolierung und Strukturaufklärung von Naphthylisochinolin-Alkaloiden aus verschiedenen Ancistrocladus-Spezies: • Die bisher noch nicht phytochemisch untersuchten Rindenextrakte der vietnamesischen Unterart Ancistrocladus tectorius ssp. cochinchinensis wurden im Hinblick auf ihre Sekundärmetabolite analysiert. Dabei identifizierte man vier bereits bekannte und drei neuartige Naphthylisochinoline-Alkaloide. Die Strukturen dieser drei Metabolite wurden nach Isolierung unter Verwendung diverser 2D-NMR-Techniken aufgeklärt. Die entdeckten Substanzen – Ancistrocladinium A (30) und seine beiden O-Demethylderivate 31 und 32 – waren die drei ersten Vertreter des neuartigen N,8'-Naphthyldihydroisochinolin-Kupplungstyps. Diese Naturstoffe verfügen über vielversprechende pharmakologische Wirkungen – vor allem gegen den Erreger der Leishmaniose. • Die botanisch noch nicht vollständig charakterisierte Lianenart ''A. ikela'', die aus der Demokratischen Republik Kongo stammt, wurde im Laufe der Arbeit morphologisch und phytochemisch untersucht und beschrieben. Neben den beiden N,C-verknüpften Naphthylisochinolinen Ancistrocladinium A (30) und Ancistrocladinium B [(M/P)-39] wurde bei der phytochemischen Analyse ein neuartiges C,C-gekuppeltes Alkaloid – 8-O-Methylancistrogriffin C (40) – isoliert. Des weiteren wurde ein Gradient entwickelt, der die vollständige Trennung der beiden Atrop-Diastereomere von 39 und dadurch HPLC-NMR- und HPLC-CD-Analysen der einzelen Epimere ermöglichte, so dass die Rotationsbarriere der bei Raumtemperatur langsam drehenden Biarylachse bestimmt werden konnte. • Aus Blättern der bereits gut untersuchten indischen Ancistrocladus-Art A. heyneanus wurde mit 6-O-Methyl-8,4'-O-didemethylancistrocladin (42) ein weiteres neues Naphthylisochinolin-Alkaloid isoliert. • Eine phytochemische Untersuchung der Familie der Ancistrocladaceae auf das Vorkommen von N,C-verküpften Naphtylisochinolinen ergab, dass diese strukturell außergewöhnlichen Alkaloide in diesen Lianen weit verbreitet sind. B: Die Rolle des Phloems bei der Pathogen-vermittelten Ausbreitung von Signalen: • Im Rahmen des Teilprojektes B8 des SFBs 567 wurden Untersuchungen zur Rolle des Phloems bei der Weiterleitung von Langstreckensignalen nach Infektion von Arabidopsis-thaliana-Pflanzen mit virulenten oder avirulenten Stämmen von Pseudomonas syringae pv. tomato durchgeführt. Zunächst wurde dazu eine im nL-Maßstab anwendbare Analysenmethode für die Hauptmetabolite von A. thaliana – die Glucosinolate – entwickelt. Mit Hilfe dieser empfindlichen Methode wurden in Pflanzenextrakten von A. thaliana viele bekannte und einige neue Glucosinolate (8-Methylsulfonyl-n-octyl-, 2-Hydroxy-4-methylsulfinyl-n-butyl-, 2-Hydroxy-4-methylsulfonyl-n-butyl- und 4-Hydroxy- benzoyloxymethylglucosinolat) identifiziert. Des weiteren wurden MS/MS-Analysen der Glucosinolate durchgeführt, bei denen neben mehreren typischen Fragmenten für die Thiozucker-Einheit auch einige charakteristische Fragmente für die unterschiedlichen Seitenketten (z.B. Methylsulfinyl-n-alkyl- oder Methylthio-n-alkyl-Struktur) detektiert wurden. Leider ergaben vor allem die aromatischen und heteroaromatischen Seitenketten-Typen kein typisches Fragmentierungs-muster. • Bei der Analyse der Phloemexsudate konnte in Phloemsäften von unbehandelten Pflanzen neben Methoxyglucobrassicin (73) ein für Pflanzen neuartiges Phosphat 87 (1-Glycero-1-myo-inositolphosphat) identifiziert werden. In den Phloemsäften der unterschiedlich behandelten Pflanzen (infiltriert mit MgCl2, einem virulentem oder einem avirulentem Pseudomonas-Stamm) kamen sämtliche Hauptmetabolite der Blätter vor. Lediglich ein leichter, nicht signifikanter Konzentrationsanstieg von Methoxyglucobrassicin (73) wurde im Phloemsaft von mit avirulenten Pathogenen infizierten Pflanzen festgestellt. Dieser Anstieg muss aber kritisch betrachtet werden, da er auch ein Artefakt des starken mechanischen Reizes des Infiltrationsprozesses sein könnte. Andere kleine Konzentrationsänderungen könnten außerdem durch das starke ''Grundrauschen'' der Infiltration überlagert werden. C: Strukturaufklärung polyketidischer Sekundärmetabolite aus Mikroorganismen: • Zwei niedermolekulare Naturstoffe aus dem extremophilen Streptomyceten-Stamm KC 1030, die in der Arbeitsgruppe von Prof. H.-P. Fiedler (Universität Tübingen) isoliert worden waren, wurden strukturell aufgeklärt. Bei dem einen handelt es sich um das bereits bekannte Frigocyclinon (89), bei dem anderen um ein neues Angucyclinon 88 mit Fridamycin-E-Grundkörper. Darüber hinaus wurden aus einem weiteren Streptomyces-Stamm (AK 671) zwei neue (97, 98) und drei (96, 99, 100) bekannte biosynthetisch interessante Sekundärmetabolite isoliert. / In detail, the following results were achieved during this doctoral thesis: A: Isolation and structural elucidation of naphthylisoquinoline alkaloids from Ancistrocladus species: • The not yet phytochemically investigated bark extracts of the Vietnamese subspecies Ancistrocladus tectorius ssp. cochinchinensis were analyzed. Four already known and three unknown naphthylisoquinoline alkaloids were identified. The three new metabolites were isolated and structurally elucidated by the use of different 2D NMR techniques. The defined structures – ancistrocladinium A (30) and its two O-demethyl derivatives 31 and 32 – are the first representatives of the new N,8'-naphthyl dihydroisoquinoline coupling type. These natural products exhibit promising biological activities – above all against the pathogen of leishmaniasis. • The botanically not yet fully characterized liana species ''A. ikela'', which was collected in the Congo Basin (Democratic Republic Congo), was morphologically and phytochemically investigated and described botanically. Besides the two N,C-coupled naphthylisoquinolines, ancistrocladinium A (30) and ancistrocladinium B [(M/P)-39], a new C,C-coupled alkaloid – 8-O-methylancistrogriffine C (40) – was isolated. Furthermore, by establishing a gradient system for the baseline separation of both atropodiastereomers of 39 HPLC-NMR and HPLC-CD analyses of the individual two purified epimers were performed to define the rotational barrier of the biaryl axis, which slowly rotates at room temperature. • From the leaves of the already well-investigated Indian Ancistrocladus species A. heyneanus, 6-O-methyl-8,4'-O-didemethylancistrocladine (42), a hitherto unknown naphthylisoquinoline alkaloid, was isolated. • A phytochemical investigation of the plant family of the Ancistrocladaceae with respect to the occurrence of N,C-coupled naphtylisoquinolines proved that these structurally exceptional alkaloids are quite common in this liana family. B: The role of the phloem during the propagation of pathogen-mediated signals: • Within the scope of the project B8 of the SFB 567, investigations on the role of the phloem during the propagation of long-distance signals after infection of plants of Arabidopsis thaliana with virulental or avirulental strains of Pseudomonas syringae pv. tomato were carried out. For this purpose initially an analytical method for the main metabolites – the glucosinolates – of A. thaliana applicable at a nL-scale was developed. Using this sensitive method, many known but also some new glucosinolates (8-methylsulfonyl-n-octyl-, 2-hydroxy-4-methylsulfinyl-n-butyl-, 2-hydroxy-4-methylsulfonyl-n-butyl-, and 4-hydroxy-benzoyloxymethyl-glucosinolate) were identified in plant extracts of A. thaliana. Furthermore, MS/MS analyses of the glucosinolates were carried out to verify their structures. Next to some typical fragments of the thiosugar moiety a few characteristic fragments of the different side chain structures (e.g. methylsulfinyl-n-alkyl- or methylthio-n-alkyl structure) were detected. Unfortunately, not all of the different types of side chaines led to typical fragmentation pattern. • In the phloem sap of entirely untreated plants, only methoxyglucobrassicin (73) and a phosphate 87 (1-glycero-1-myo-inositolphosphate), which was not kown so far to be located in plants, were identified in the course of the analysis of the phloem exudates. In the phloem saps of all the differently treated plants (infiltrated with MgCl2, virulental or avirulental Pseudomonas strain) all of the main leaf metabolites occurred. Solely a slight but not significant increase of the concentration of methoxyglucobrassicin (73) was measured in the phloem exudates of plants infected with avirulental pathogens. One has to be extremely careful with respect to the observed increase since it is possible that the enhanced glucosinolate concentration was the result of the strong mechanical stimulus of the infiltration procedure. Furthermore, slight changes in the concentration of other metabolites could be superimposed by signals caused by the infiltration procedure. C: Structural elucidation of polyketidic secondary metabolites from microorganisms • The structures of two low-molecular natural products isolated in the working group of Prof. H.-P. Fiedler (University of Tübingen) from the extremophilic Streptomyces strain KC 1030 were elucidated. One of them was the already known frigocyclinone (89) and the other one was the new angucyclinone 88 with a fridamycine E core structure. Moreover, from the Streptomyces strain AK 671, two new (97, 98) and three known (96, 99, 100) biosynthetically interesting secondary metabolites were isolated.