Since four decades, high-throughput screenings have been conducted in drug discovery, fuelling the identification of potential new drug candidates. This approach, however, often promotes the detection of compounds with undesired physico-chemical properties like poor aqueous solubility or low membrane permeability. Indeed, dissolution and absorption of a drug are prerequisites for systemic exposure and therapeutic effects. Therefore, innovative strategies to optimize unfavourable performance of new drug candidates are in great demand in order to increase drug concentrations at the site of action whilst simultaneously reducing drug variability. In chapter I of this research work, hydrophobic ion pairing (HIP) is discussed as a promising strategy to improve the bioavailability of BCS class III compounds, which have high aqueous solubility and low permeability. The review points out the limitations of poorly absorbable drugs and details the approach of pairing these APIs with hydrophobic counterions. Apart from the motivation to tailor physico-chemical, biopharmaceutical and toxicological properties of BCS class III compounds, the hydrophobic ion pairing facilitates their formulation into drug delivery systems. Besides advantageous effects, disadvantages of the ion pair formation, such as the decreased aqueous solubility of the ions pair, are critically outlined. Finally, the review covers an overview of non-invasive administration routes permitted after ion pair formation, including oral/enteral, buccal, nasal, ocular and transdermal drug administration. Overall, the HIP approach offers substantial benefits regarding the bioavailability enhancement of BCS class III compounds. Chapter II concerns GHQ168 developed by Holzgrabe et al., a BCS class II compound characterized by low aqueous solubility and high permeability. GHQ168 was developed for the treatment of human African trypanosomiasis (HAT), a tropical disease for which novel active compounds are urgently needed. This lead compound was found to be very active against trypanosoma brucei brucei and trypanosoma brucei rhodesiense in cell culture assays, however, the low aqueous solubility prevented further preclinical development. To target this drawback, two different approaches were selected, including (I) the chemical modification and (II) the spray drying of GHQ168. The newly synthesized set of derivatives as well as the spray dried GHQ168 were subjected to a physico-chemical and microbiological characterization. It turned out that both approaches successfully improved aqueous solubility, however, for the derivatives of GHQ168 at the expense of activity. Furthermore, the pharmacokinetic parameters of GHQ168 and of the most active derivatives, GHQ242 and GHQ243, were evaluated. Elimination half-lives between 1.5 to 3.5 h after intraperitoneal administration and modest to strong serum albumin binding for GHQ243 (45%) and GHQ168 (80%) and very high binding (> 99%) for GHQ242 were detected. The spray dried formulation of GHQ168, as well as GHQ242 and GHQ243 were investigated in two in vivo studies in mice infected with t. b. rhodesiense (STIB900), referred to as (I) stringent model and (II) early-treatment model. In the stringent model (2 applications/day on day 3-6 after infection) the mean survival duration (MSD) of mice treated with spray dried GHQ168 exceeded the MSD of the untreated control group (17 days versus 9 days), a difference that was statistically significant. In contrast, no statistical difference was observed for GHQ242 (14 days) and GHQ243 (12 days). GHQ168 was further assessed in the early-treatment model (2 applications/day on day 1-4 after infection) and again a statistically significant improvement of MSD (32 days (end of observation period) versus 7 days) was observed. Finally, exciting antitrypanosomal efficacy for the spray dried formulation of GHQ168 was demonstrated. NADPH oxidases (NOX) were found to be the main source of endothelial reactive oxygen species (ROS) formation. Chapter III reports on the formulation studies on triazolopyrimidine derivatives from the VAS library, a set of NADPH oxidase inhibitors. These were developed for the treatment of elevated ROS levels, which contribute to the development of cardiovascular diseases. Although in vitro results from numerous studies indicated promising efficacy and selectivity for the VAS-compounds, the low water solubility impeded the in vivo translation and further preclinical development. For this reason, three derivatives, VAS2870, VAS3947, and VAS4024 were physico-chemically characterized and VAS3947, the most soluble compound, was selected for further formulation studies. These approaches included (I) spray drying, (II) microemulsification and (III) complexation with cyclodextrins in order to develop formulations for oral and parenteral application. Solubility improvement of VAS3947 was successfully demonstrated for all preparations as expressed by supersaturation ratios in comparison to the solubility of the unformulated compound. For seven spray dried formulations, the ratio ranged from 3-9, and the ratio for four microemulsions was 8-19 after 120 min, respectively. The six cyclodextrin formulations achieved the highest supersaturation ratio between 3 and 174 after 20 hours. NMR measurements elucidated the inclusion of VAS3947 within the CD’s cavity as well as the interaction with its outer surface. Ultimately, NOX inhibitors were opened for oral and parenteral administration for the first time. After successful solubility improvement of VAS3947, further investigations towards in vivo studies were conducted including stability studies with a focus on stability in solution and in plasma as presented in chapter IV. Furthermore, permeability and cytotoxicity assays were performed for the first time. It turned out that VAS3947 was instable in buffer and when exposed to light. Moreover, the compound showed decomposition in the presence of mouse microsomes and in human plasma. The VAS compounds contain an oxazol moiety linked to the triazolopyrimidine skeleton via a thioether. This structural element is responsible for the efficacy of the compound class, however it is susceptible to hydrolysis and to further degradation reactions. Moreover, VAS3947 harmed membrane integrity in the cell permeability assays and cytotoxicity investigations in HEK-293 and HEP-G2 cells revealed IC50 values in the same concentration range as reported for efficacy assays. Summarized, it was demonstrated that substances from the VAS library were no appropriate model compounds for ROS investigations nor suitable candidates for further preclinical development. / Seit vier Jahrzehnten werden Hochdurchsatz-Screenings in der Arzneimittelforschung durchgeführt, was die Erkennung von potentiellen Wirkstoffkandidaten vorantreibt. Diese Vorgehensweise begünstigt jedoch häufig die Identifizierung von Substanzen mit unerwünschten physikochemischen Eigenschaften wie geringer Wasserlöslichkeit oder geringer Membranpermeabilität. Der Bioverfügbarkeitstheorie zufolge sind die Auflösung und die Absorption eines Arzneistoffs Voraussetzung für die systemische Verfügbarkeit und die therapeutische Wirkung. Daher werden innovative Strategien, die die ungünstigen Eigenschaften neuer Wirkstoffkandidaten optimieren, dringend benötigt, um die Arzneistoffkonzentration am Wirkort zu erhöhen und gleichzeitig Wirkstoffschwankungen zu reduzieren. In Kapitel I dieser Forschungsarbeit wird die hydrophobe Ionenpaarbildung als vielversprechende Strategie diskutiert, um die Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen zu verbessern, die sich durch hohe Wasserlöslichkeit und geringe Permeabilität auszeichnen. Der Review zeigt die Grenzen von schlecht absorbierbaren Arzneistoffen auf und stellt den Ansatz vor, diese mit hydrophoben Gegenionen zu kombinieren. Abgesehen von der Motivation, die physikochemischen, biopharma-zeutischen und toxikologischen Eigenschaften von BCS Klasse III Substanzen positiv zu beeinflussen, wird die Formulierung der hydrophoben Ionenpaare in Trägersysteme erleichtert. Neben den Vorteilen werden auch die Nachteile der hydrophoben Ionenpaarbildung, wie beispielsweise die geringere Wasserlöslichkeit der Ionenpaare, kritisch dargestellt. Abschließend gibt der Review eine Übersicht über die verschiedenen nicht-invasiven Applikationsrouten, die nach hydrophober Ionenpaarbildung realisierbar sind, was die orale/enterale, bukkale, nasale, okulare und transdermale Arzneistoffgabe umfasst. Insgesamt bietet dieser Formulierungsansatz wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Verbesserung der Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen. Kapitel II befasst sich mit GHQ168, entwickelt von Holzgrabe et al., einer BCS Klasse II Substanz mit geringer Wasserlöslichkeit und hoher Permeabilität. GHQ168 wurde zur Behandlung der afrikanischen Schlafkrankheit entwickelt, einer tropischen Erkrankung, für die neue Arzneistoffe dringend benötigt werden. Diese Leitsubstanz bewies in Zellkulturversuchen sehr hohe Aktivität gegen Trypanosoma brucei brucei und Trypanosoma brucei rhodesiense, die geringe Wasserlöslichkeit verhinderte jedoch die weitere präklinische Entwicklung. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt, zum einen (I) die chemische Modifikation und zum anderen (II) die Sprühtrocknung von GHQ168. Die neu synthetisierten Derivate und das sprühgetrocknete GHQ168 wurden physikochemisch und mikrobiologisch charakterisiert. Beide Ansätze verbesserten erfolgreich die Wasserlöslichkeit, im Fall der Derivate von GHQ168 jedoch zu Lasten der Aktivität. Weiterhin wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften von GHQ168 und den aktivsten Derivaten, GHQ242 und GHQ243, untersucht. Nach intraperitonealer Applikation resultierten Halbwertszeiten zwischen 1.5 und 3.5 Stunden und eine mittlere bis hohe Plasmaproteinbindung für GHQ243 (45%) und GHQ168 (80%) und eine sehr hohe Plasmaproteinbindung für GHQ242 (> 99%). Die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 sowie GHQ242 und GHQ243 wurden in zwei in vivo Studien in Mäusen, die mit t. b. rhodesiense (STIB900) infiziert waren, untersucht, die Modelle werden als (I) stringent model und (II) early-treatment model bezeichnet. Im stringent model (2x tägliche Gabe an Tag 3-6 nach Infektion) war die durchschnittliche Überlebensdauer von Mäusen, die mit sprühgetrocknetem GHQ168 behandelt worden waren, statistisch signifikant höher als die der unbehandelten Kontrollgruppe (17 gegenüber 9 Tagen). Im Gegensatz hierzu wurde kein statistisch signifikanter Unterschied für GHQ242 (14 Tage) und GHQ243 (12 Tage) festgestellt. GHQ168 wurde im early-treatment model (2x tägliche Gabe an Tag 1-4 nach Infektion) weiter untersucht und erneut wurde eine statistisch signifikante Verbesserung der durchschnittlichen Überlebensdauer (32 Tage (Ende der Beobachtungsphase) gegenüber 7 Tagen) bewiesen. Letztendlich konnte für die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 eine erstaunliche Aktivität gegenüber Trypanosomen gezeigt werden. NADPH-Oxidasen (NOX) wurden als Hauptproduzenten von endothelialem reaktivem Sauerstoff erkannt. Kapitel III befasst sich mit Formulierungsstudien von Triazolopyrimidinderivaten aus der VAS-Substanzbibliothek, einer Reihe von NADPH-Oxidase-Inhibitoren. Diese Substanzen wurden zur Behandlung erhöhter reaktiver Sauerstoffspezies Werte entwickelt, denn diese tragen zur Entstehung von kardiovaskulären Erkrankungen bei. Obwohl die in vitro Ergebnisse zahlreicher Studien auf die vielversprechende Wirksamkeit und Selektivität der VAS-Substanzen hinweisen, verhinderte die geringe Wasserlöslichkeit den Übertrag auf in vivo Studien sowie die weitere präklinische Entwicklung. Daher wurden drei Derivate, VAS2870, VAS3947 und VAS4024, physikochemisch charakterisiert und VAS3947, die wasserlöslichste Substanz, wurde für weitere Formulierungsentwicklungen ausgewählt. Die Formulierungsansätze umfassten (I) die Sprühtrocknung, (II) die Herstellung von Mikroemulsionen und (III) die Komplexierung mit Cyclodextrinen, um Formulierungen für die orale und parenterale Verabreichung zu entwickeln. Die Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 konnte für alle Ansätze erfolgreich gezeigt werden und wurde als Übersättigungsrate im Vergleich zur Löslichkeit der unformulierten Substanz dargestellt. Für sieben sprühgetrocknete Formulierungen und für vier Mikroemulsionen ergab sich eine Übersättigungsrate von 3-9, beziehungsweise von 8-19 nach 120 Minuten. Die sechs Cyclodextrin-Formulierungen erreichten mit 3-174 nach 20 Stunden die höchste Übersättigungsrate. Der Einschluss von VAS3947 in die Kavität der Cyclodextrine sowie die Interaktion mit deren Außenseite wurde mittels NMR aufgeklärt. Schließlich wurde erstmals die Möglichkeit der oralen und parenteralen Gabe der NOX-Inhibitoren eröffnet. Nach erfolgreicher Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 wurden weitere Untersuchungen mit dem Ziel von in vivo Studien durchgeführt, was Stabilitätsuntersuchungen mit besonderem Schwerpunkt auf Stabilität in Lösung und in Plasma einschließt, wie im Kapitel IV aufgezeigt. Weiterhin wurden erstmals Permeabilitäts- und Zytotoxizitätsstudien durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass VAS3947 in Puffer und bei Lichtexposition instabil war. Zudem wurde die Substanz in Gegenwart von Maus-Mikrosomen und in menschlichem Plasma abgebaut. Die VAS-Substanzen enthalten eine Oxazol-Ringstruktur, die über einen Thioether mit dem Triazolopyrimidin-Gerüst verbunden ist. Diese Strukturelemente sind für die Wirksamkeit der Substanzklasse verantwortlich, sind jedoch auch hydrolyseempfindlich und anfällig für weitere Abbaureaktionen. Zudem schädigte VAS3947 die Membranintegrität in den Permeabilitätsversuchen und die Zytotoxizitätsuntersuchungen in HEK-293 und HEP-G2 Zellen ergaben IC50-Werte im gleichen Konzentrationsbereich wie in Aktivitätsuntersuchungen berichtet. Zusammenfassend wurde aufgezeigt, dass die VAS-Substanzen weder ein geeignetes Modell für die Untersuchung reaktiver Sauerstoffspezies sind, noch geeignet für die weitere präklinische Entwicklung.

Die humane afrikanische Trypanosomiasis (Schlafkrankheit, HAT) wird durch die Parasiten Trypanosoma brucei rhodesiense und Trypanosoma brucei gambiense ausgelöst und führt unbehandelt zum Tod. Wegen begrenzter Therapiemöglichkeiten sowie vernachlässigter Kontrollprogramme ist HAT eine gegenwärtige Bedrohung, was die Suche nach neuen Wirkstoffen notwendig macht. Ausgangspunkt für die Leitstrukturfindung war das 7-Amino-4-chinolon-3-carboxamid IV mit einem IC50-Wert (T. b. brucei) von 1.2 µM. Die 4-Chinolon-3-carboxamid-Grundstrukturen wurden unter Verwendung der Gould-Jacobs- (1-Alkyl-Derivate) bzw. der Grohe-Heitzer-Synthese (1-Aryl-Derivate) aufgebaut und anhand strukturierter Variation der Substituenten in Pos. 1, 3 und 7 die für die antitrypanosomale Wirksamkeit essenziellen Strukturelemente identifiziert: Pos.1: Die Alkylkettenverlängerung von Ethyl zu n-Butyl bewirkte eine stetige Aktivitätssteigerung, welche auch einem Aryl-Rest in dieser Position überlegen war. Pos.3: Benzylamide mit HBD-Funktionen führten zur Aktivitätsabnahme, während HBA-Funktionen und unsubstituierte Reste zur Steigerung der Wirksamkeit, teilweise in den nanomolaren Konzentrationsbereich, beitrugen. Pos.7: Neben cyclischen sek. Aminen wurden auch aliphatische prim. Amine via konventioneller oder Mikrowellen-unterstützter SNAr eingeführt. Dabei zeigten sich die sek. Amine mit einer antitrypanosomalen Aktivität im teilweise submikromolaren Bereich den acyclischen Aminen deutlich überlegen. Vor allem der Morpholin-Rest bewirkte eine sprunghafte Wirksamkeitsverbesserung. Durch Kombination der Einzelresultate konnte schließlich die den Lipinski’s „Rule of 5“ entsprechende Leitstruktur 33 mit vielversprechender antitrypanosomaler Wirksamkeit (IC50 (T. b. brucei) = 47 nM, IC50 (T. b. rhodesiense) = 9 nM) und geringer Zytotoxizität erhalten werden (SI = 19000). Erste Untersuchungen zur Identifikation des Targets der 4-Chinolon-3-carboxamide ergaben folgende Erkenntnisse: Fluoreszenzmikroskopieuntersuchungen zeigten eine deutliche Veränderung der Morphologie des Mitochondriums bei behandelten BSF-T. b. brucei-Zellen. Anhand einer Zellzyklus-Analyse wurde die Beeinträchtigung der Segregation des Kinetoplasten beobachtet, was zu einem Segregationsdefekt führte. Die Topoisomerase (TbTopoIImt) wurde durch ein „Knockdown“-Experiment als Haupt-Target ausgeschlossen. Trotz der bemerkenswerten biologischen Aktivität war eine In-vivo-Untersuchung der Leitstruktur wegen zu geringer Wasserlöslichkeit nicht möglich, welche auf eine hochgeordnete Schichtgitterstruktur zurückzuführen war. Da die Löslichkeit im Wesentlichen eine Funktion der Lipophilie und der intermolekularen Wechselwirkungen ist, wurden zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit pharmazeutisch-technische Methoden angewandt sowie chemische Strukturmodifikationen vorgenommen: Es wurde eine Lipid-basierte, selbstemulgierende Formulierung entwickelt. Durch Ausbildung stabiler Emulsionen war 33 bis zu einer Konzentration von 10 mg/ml im Wässrigen löslich und somit für die In-vivo-Untersuchung zugänglich. Nach 4-tägiger peroraler Behandlung von NMRI-Mäusen mit einer wässrigen 1:1-Verdünnung der Formulierung konnte keine In-vivo-Aktivität festgestellt werden. Die Sprühtrocknung von 33 resultierte in amorpher Modifikation, welche in Gegenwart von PVP bzw. Eudragit®L100 stabilisiert wurde. Beide Partikel ermöglichten die Übersättigung von 33 im Wässrigen, was im Fall der Eudragit®L100-Partikel zu 200-facher Löslichkeitssteigerung gegenüber der kristallinen Wirkstoffmodifikation führte und somit die In-vivo-Untersuchung ermöglichte. Zusammen mit ersten Metabolismus-Untersuchungen von 33, welche die Berechnung einer Abbau-Kinetik bzw. Clearance ermöglichte, konnte mittels der Software Simcyp® ein Plasmakonzentrationsprofil der Verbindung 33 (Eudragit®L100-Partikel) erstellt werden. Basierend auf diesem Studiendesign wurde die In-vivo-Untersuchung von 33 an mit T. b. rhodesiense infizierten Mäusen durchgeführt und zeigte nach 8-tägiger Behandlung einen deutlichen Rückgang der Parasitämie. Im Fokus der chemischen Strukturmodifikation stand das Einführen polarer und ionisierbarer Strukturelemente, um 4-Chinolon-3-carboxamid-Derivate mit erhöhter Hydrophilie (logP 1 - 3) bzw. Salz- und Co-Kristall-Strukturen zu erhalten. Sämtliche Strukturvariationen trugen zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit und der „drug-like“ Eigenschaften im Vergleich zu Verbindung 33 bei, waren allerdings von Aktivitätsverlusten gegenüber T. b. brucei begleitet. Anhand der „ligand efficiency“- und „lipophilic ligand efficiency“-Analyse wurden schließlich die vielversprechendsten Derivate (94 und 96) für die weitere Untersuchung ausgewählt. Mit IC50 (T. b. rhodesiense)-Werten von 4 nM (94) und 33 nM (96) und geringer Zytotoxizität wurden Selektivitätsindizes bis zu 25000 gefunden, welche jene von 33 übertrafen. Aufgrund einer Löslichkeit im millimolaren Bereich, einer moderaten Membranpermeabilität und einer Plasmastabilität von > 2 h können die Verbindungen 94 und 96 somit als erste Wirkstoffkandidaten angesehen werden. Die vollständige physiko-chemische Charakterisierung wurde mittels eines Sirius-T3-Titrationssystems durchgeführt. Unter Verwendung dieser Parameter wurden für die Derivate 94 und 96 je zwei Plasmakonzentrationsprofile mit der Software Simcyp® simuliert. Basierend auf diesem Studiendesign wurde jeweils die hohe Dosis beider Derivate im Mausmodel (T. b. rhodesiense) untersucht. Während nach 5-tägiger Behandlung mit 94 und 96 bei sämtlichen Tiere keine Parasiten mehr nachweisbar waren, wurde ein leichter Rückfall in beiden Versuchsgruppen an Tag 8 beobachtet. Gegenwärtig wird die Behandlung mit beiden Derivaten fortgesetzt. / The human African trypanosomiasis (HAT, sleeping sickness) is caused by the human pathogenic subspecies Trypanosoma brucei gambiense and Trypanosoma brucei rhodesiense which are transmitted by the the bite of the tsetse fly. Without medical treatment patients fall into coma and finally die. Due to limited therapeutic options and neglected surveillance programs HAT is a current threat and makes the search for new easy accessible active compounds inescapable. The lead identification step was based on the 7-amino-4-quinolone-3-carboxamide-derivative IV showing an IC50 value of 1.2 µM against T. b. brucei. Thus, the 4-quinolone-motif was build up by either using the Gould-Jacobs-(1-alkyl-4-quinolone-derivatives) or the Grohe-Heitzer-procedure (1-aryl-4-quinolone-derivatives) followed by SAR (substituents in pos. 1, 3 and 7) to identify essential structural elements: pos.1: Prolongation of the aliphatic chain from ethyl to n-butyl led to increased antitrypanosomal activity which also surpassed the aromatic substituent. pos.3: Benzylamides with HBD-functions decreased the activity, while HBA-functions and unsubstituted benzylamides increased the antitrypanosomal potency, partially to submicromolar concentration range. pos.7: Cyclic sec. and aliphatic prim. amines were introduced in pos. 7 by conventional and microwave-assisted SNAr. In comparison, sec. amines showed higher activity, especially a morpholine residue led to an strong rise in potency. The SAR analysis on the one hand revealed lead structure 33 with promising antitrypanosomal activity (IC50 (T. b. brucei) = 47 nM, IC50 (T. b. rhodesiense) = 9 nM), drug-like properties (Lipinski’s rule of five are fulfilled), and noncritical cytotoxicity (SI = 19000). On the other hand some 1-aryl-derivatives with aliphatic, prim. or sec. amine residues and increased lipophilicity (logP 4 - 5, i. e. 49) showed growing polypharmacological properties which gave new insights in the cytotoxic potential of this molecules crucial for further lead optimization steps. To identify the target of 4-quinoline-3-carboxamide-derivatives first investigations were accomplished: Fluorescence microscopy based screening revealed significant change in the morphology of the mitochondrium for treated BSF-T. b. brucei cells. Interference of kinetoplast segregation was observed in a cell cycle analysis which resulted in a segregation defect. By means of knockdown-experiments the topoisomerase (TbTopoIImt) was excluded as main target for 4-quinolone-3-carboxamide-derivatives. Fluorescence dye labeling of 33 did not reveal further information about the target. Despite promising potency of 33, in-vivo-investigation failed due to very low water solubility caused by a highly ordered layer lattice crystal structure. Since solubility is a function of lipophilicity and intermolecular interactions, approaches from the fields of pharmaceutics and chemical structure modifications were used to overcome the problem: A lipid-based, self-emulsifying formulation was developed (SEDDS). The formation of stable emulsions enabled a drug concentration in aqueous solution of 10 mg/ml. Thus, the formulation was selected for in vivo investigation of 33 with T. b. rhodesiense infected NMRI mice. Unfortunately, the daily peroral application of a 1:1 dilution with a drug concentration of 5 mg/ml did not show any activity after four days of treatment. Spray drying of 33 in the presence of PVP and Eudragit®L100 respectively, resulted in amorphous modification confirmed by means of XRPD (ASDD). Both ASDDs enabled the supersaturation of 33 in aqueous media which in case of Eudragit®L100-ASDD contributed to a 200 fold enhanced solubility compared to the crystalline modification. Based on these results (Eudragit®L100-particle) a pharmacokinetic profile was simulated by means of the software Simcyp® (version 12.0.79.0) using a dose of 0.20 µmol/250 µl/12 h over a period of 4 d and a hepatic clearance value calculated from metabolic degradation data of compound 33. Evaluation of in vivo efficacy of 33 (ASDD-Eudragit®L100) in T. b. rhodesiense infected NMRI mice using the Simcyp® simulation revealed significant reduction of parasitaemia after 8 days of treatment. Thus, in vivo investigation is still ongoing. The main focus of the chemical modification approach was the introduction of polar and ionizable structural elements in order to decrease lipophilicity (logP 1 - 3) and to achieve 4-quinolone-3-carboxamide derivatives as salts or co-crystals. The obtained derivatives showed improved water solubility and better drug-like properties compared to 33, associated with less antitrypanosomal activity against T. b. brucei. According to ligand efficiency and lipophilic ligand efficiency analysis two promising compounds (94 and 96) were selected for further investigations. Both compounds showed IC50 values against T. b. rhodesiense in the low nanomolar concentration range (94: 4 nM, 96: 33 nM) and low in vitro cytotoxicity resulting in selectivity indices up to 25000 surpassing those of 33. Due to aqueous solubility in the millimolar range, moderate membrane permeability (Caco-2-assay) and plasma stability of > 2 h (stability-assay), both compounds were considered as potential drug candidates which were subjected to a complete physico-chemical characterization (pKa, logP, intrinsic solubility) by means of the Sirius-T3-instrument. Subsequently, these parameters were used to simulate two pharmacokinetic profiles (Simcyp®) for each compound (low dose: 0.20 µmol/250 µl/12 h, high dose: 1.00 µM/250 µl/12 h). Based on these simulations the in vivo investigations of 94 and 96 (high dose) revealed significant reduction of parasitaemia after 5 days of treatment but in both cases relapse was observed on day 8. Nevertheless in vivo investigations of 94 and 96 are currently ongoing.