Myokardinfarkte (MI) sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Eine rechtzeitige Wiederherstellung des koronaren Blutflusses im ischämischen Myokard reduziert signifikant die Sterblichkeitsrate akuter Infarkte und vermindert das ventrikuläre Remodeling. Überlebende MI-Patienten entwickeln jedoch häufig eine Herzinsuffizienz, die mit einer reduzierten Lebensqualität, hohen Sterblichkeitsrate (10% jährlich), sowie hohen Kosten für das Gesundheitssystem einhergeht. Die Entwicklung der Herzinsuffizienz nach einem MI ist auf den hohen Verlust kontraktiler Kardiomyozyten, während der Ischämie-Reperfusion zurückzuführen. Anschließende komplexe strukturelle und funktionelle Veränderungen resultieren aus Modifikationen des infarzierten und nicht infarzierten Myokards auf molekularer und zellulärer Ebene. Die verbesserte Überlebensrate von Patienten mit akutem MI und das Fehlen effizienter Therapien, die die Entwicklung und das Fortschreiten des ventrikulären Remodelings verhindern, führen zu einer hohen Prävalenz der Herzinsuffizienz. Die kardiale Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine wichtige Methode zur Diagnose und Beurteilung des Myokardinfarktes. Mit dem technologischen Fortschritt wurden die Grenzen der MRT erweitert, so dass es heute möglich ist, auch molekulare und zelluläre Ereignisse in vivo und nicht-invasiv zu untersuchen. In Kombination mit kardialer Morphologie und Funktion könnte die Visualisierung essentieller molekularer und zellulärer Marker in vivo weitreichende Einblicke in den Heilungsprozess infarzierter Herzen liefern, was zu neuen Erkenntnissen für ein besseres Verständnis und bessere Therapien des akuten MI führen könnte. In dieser Arbeit wurden Methoden für die molekulare und zelluläre kardiale MRT-Bildgebung der Inflammation und des Kalziumstroms im Heilungsprozess des akuten Myokardinfarktes in vivo in einem Rattenmodel mit klinischer Relevanz etabliert. / Myocardial infarction (MI) is a leading cause of death worldwide. Timely restoration of coronary blood flow to ischemic myocardium significantly reduces acute infarct mortality and attenuates ventricular remodeling. However, surviving MI patients frequently develop heart failure, which is associated with reduced quality of life, high mortality rate (10% annually), as well as high healthcare expenditures. The main processes involved in the evolution of heart failure post-MI are the great loss of contractile cardiomyocytes during ischemia-reperfusion and the subsequent complex structural and functional alterations, which are rooted in modifications at molecular and cellular levels in both the infarcted and non-infarcted myocardium. However, we still lack efficient treatments to prevent the development and progression of left ventricular remodeling. The improved survival rate of acute MI patients combined with the lack of effective therapy for post-MI remodeling contributes to the high prevalence of heart failure. Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an important tool for diagnosis and assessment of MI. With the advancement of this technology, the frontier of MRI has been extended to probing molecular and cellular events in vivo and non-invasively. In combination with assessment of morphology and function, the visualization of essential molecular and cellular markers in vivo could provide comprehensive, multifaceted views of the healing process in infarcted hearts, which might give new insight for the treatment of acute MI. In this thesis, molecular and cellular cardiac MRI methods were established to visualize and investigate inflammation and calcium flux in the healing process of acute MI in vivo, in a clinically relevant rat model.

An essential step in eukaryotic gene expression is splicing, i.e. the excision of non-coding sequences from pre-mRNA and the ligation of coding-sequences. This reaction is carried out by the spliceosome, which is a macromolecular machine composed of small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) and a large number of proteins. Spliceosomal snRNPs are composed of one snRNA (or two in case of U4/6 snRNPs), seven common Sm proteins (SmD1, D2, D3, B, E, F, G) and several particle-specific proteins. The seven Sm proteins form a ring shaped structure on the snRNA, termed Sm core domain that forms a structural framework of all spliceosomal snRNPs. In the toroidal Sm core domain, the individual Sm proteins are arranged in the sequence SmE-SmG-SmD3-SmB- SmD1-SmD2-SmF from the first to the seventh nucleotide of the Sm site, respectively. The individual positions of Sm proteins in the Sm core domain are not interchangeable. snRNPs are formed in vivo in a step-wise process, which starts with the export of newly transcribed snRNA to the cytoplasm. Within this compartment, Sm proteins are synthesized and subsequently transferred onto the snRNA. Upon formation of the Sm core and further modifications of snRNA, the snRNP is imported into the nucleus to join the spliceosome. Prior to assembly into snRNPs, Sm proteins exist as specific hetero-oligomers in the cytoplasm. The association of these proteins with snRNA occurs spontaneously in vitro but requires the assistance of two major units, PRMT5- and SMN- complexes, in vivo. The early phase of assembly is critically influenced by the assembly chaperone pICln. This protein pre-organizes Sm proteins to functional building blocks and enables their recruitment onto the PRMT5 complex for methylation. Sm proteins are subsequently released from the PRMT5 complex as pICln bound entities and transferred onto the SMN-complex. The SMN complex then liberates the Sm proteins from the pICln-induced kinetic trap and allows their transfer onto the snRNA. Although the principal roles of SMN- and PRMT5 complexes in the assembly of snRNPs have been established, it is still not clear how newly translated Sm proteins are guided into the assembly line. In this thesis, I have uncovered a new facet of pICln function in the assembly of snRNPs. I have shown that newly synthesized Sm proteins are retained at the ribosome upon termination of translation. Their release is facilitated by pICln, which interacts with the cognate Sm protein hetero-oligomers at their site of synthesis on the ribosome and recruits them into the assembly pathway. Additionally, I have been able to show that the early engagement of pICln with the Sm proteins ensures the flawless oligomerization of Sm proteins and prevents any non-chaperoned release and diffusion of Sm proteins in the cytoplasm. In a second project, I have studied the mechanism of U7 snRNP assembly. This particle is a major component of the 3’ end processing machinery of replication dependent histone mRNAs. A biochemical hallmark of U7 is its unique Sm core in which the two canonical Sm proteins D1 and D2 are replaced by so-called “like Sm proteins”. The key question I addressed in my thesis was, how this “alternative” Sm core is assembled onto U7 snRNA. I have provided experimental evidence that the assembly route of U7 snRNPs and spliceosomal snRNPs are remarkably similar: The assembly of both particles depends on the same assembly factors and the mechanistic details are similar. It appears that formation of the U7- or spliceosomal- core specific 6S complex is the decisive step in assembly. / Ein wesentlicher Schritt in der eukaryotischen Genexpression ist das Spleißen, welches nicht-kodierende Sequenzen aus prä-mRNA entfernt und kodierende Sequenzen zusammenfügt. Diese Reaktion wird durch das Spleißosom, einer makromolekularen Maschine, die aus kleinen nucleären Ribonukleoproteinpartikeln (snRNPs) und einer großen Anzahl von Proteinen zusammengesetzt ist, durchgeführt. Spleißosomale snRNPs bestehen aus einer snRNA (oder zwei im Falle von U4/6 snRNPs) und zwei Klassen von Proteinen: Die Sm Proteine SmD1, SmD2, SmD3, SmB, SmE, SmF und SmG finden sich in allen snRNPs und sind daher für allgemeine Funktionen der snRNPs verantwortlich. Dem gegenüber stehen die Partikel-spezifischen Proteinen, die für spezifische Funktionen der individuellen snRNPs verantwortlich sind. Die gemeinsamen Sm Proteine umschließen einen einzelsträngigen Bereich der snRNA (Sm-Bindungsstelle) in einer ringförmigen Struktur und bilden so die Sm-Core-Domäne aus. Diese Domäne stellt das strukturelle Grundgerüst aller spleißosomalen snRNPs dar, wobei die einzelnen Sm Proteine in der Reihenfolge SmE-SmG-SmD3-SmB-SmD1-SmD2-SmF von dem ersten zum siebenten Nukleotid der Sm-Bindungsstelle der snRNA angeordnet werden. Die einzelnen Positionen des Sm Proteine in der Sm core Domäne sind nicht austauschbar. Die Biogenese der snRNPs erfolgt in vivo in einem mehrphasigen Prozess, der mit der Transkription der snRNA und deren Export ins Zytoplasma beginnt. In diesem Kompartiment werden Sm Proteine synthetisiert und anschließend auf die snRNA übertragen. Nach der Bildung der Sm-Core-Domäne und diversen Modifikationen der snRNA erfolgt der Kern Transport und die Integration in das Spleißosom. Vor dem Einbau in snRNPs existieren die Sm Proteine als spezifische Hetero-Oligomere im Zytoplasma. Obwohl die Assoziation dieser Proteine mit snRNA in vitro spontan erfolgt, erfordert dieser Prozess in vivo die Unterstützung von zwei großen makromolekularen Funktionseinheiten, den PRMT5-und SMN-Komplexen. Die frühe Phase der Zusammenlagerung von snRNPs wird maßgeblich durch den PRMT5-Komplex, und hier speziell durch seine pICln-Untereinheit beeinflusst. Dieses Protein fungiert als sogenanntes Assembly-Chaperon, da es die Sm Proteine zu funktionellen Bausteinen zusammenfügt ohne selbst ein snRNP Baustein zu sein. Sm Proteine werden anschließend direkt von pICln als vorgefertigte Einheiten auf den SMN-Komplex übertragen. Der SMN-Komplex befreit die Sm Proteine von einer kinetischen Falle, die durch die Bindung von pICln an Sm Proteinen hervorgerufen wird und ermöglicht deren Transfer auf die snRNA. Obwohl die Wirkungsweise von SMN- und PRMT5-Komplexe bei der Zusammenlagerung von snRNPs in Grundzügen verstanden ist, bleibt es noch unklar, wie neu synthetisierte Sm Proteine Zugang zur Zusammenlagerungs-Maschinerie erhalten. In dieser Arbeit habe ich eine neue Facette der Funktion von pICln bei der Zusammenlagerung von snRNPs aufgedeckt. Ich habe gezeigt, dass neu synthetisierte Sm Proteine nach ihrer Synthese am Ribosom gebunden bleiben. Ihre Freisetzung und Weiterverarbeitung im snRNP Biogeneseprozess wird durch pICln unterstützt. Hierbei bindet das Assembly-Chaperon kognate Sm-Hetero-Oligomere am Ribosom und überführt diese direkt in die folgende Zusammenlagerungsphase am PRMT5-Komplex. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die frühe Bindung von pICln an Sm-Proteine deren spezifische Oligomerisierung sicherstellt und somit die Freisetzung ins Zytoplasma in freier, nicht Chaperon gebundener Form verhindert. In einem zweiten Projekt, habe ich den Mechanismus der Zusammenlagerung des U7 snRNPs untersucht. Dieses Partikel ist an der Prozessierung des 3’-Endes von Replikations-abhängigen Histon mRNAs beteiligt. Eine biochemisches Merkmal des U7 snRNPs ist ihre einzigartige Sm-Core-Domäne, in der zwei kanonische Sm Proteine durch sogenannte "Sm-like" Proteine ersetzt werden. In meiner Promotion habe ich der grundsätzliche Frage adressiert wie diese "alternative" Sm-Core-Domäne des U7 snRNPs zusammengebaut wird. Ich konnte den experimentellen Nachweis erbringen, dass die Zusammenlagerung des U7 snRNPs und spleissosomalen snRNPs bemerkenswert ähnlich sind. Die Montage beider Teilchen hängt von den gleichen Faktoren ab und die mechanistischen Details sind ähnlich. Es scheint, dass die Ausbildung des 6S Komplexes, welches U7- beziehungsweise spleissosomale snRNPs spezifiziert, der massgebliche Schritt in der Bildung beider Partikel ist.

The main objective of this dissertation was the development of a flow sensor which is specialized on flow measurements of plants. Hence, an accessible mobile magnet and the receiver/transfer hardware have been developed. Additionally, software to control the MR-console has been written. The AC-method was advanced to acquire slow flow profiles. This enables acquiring flow in plants. Additionally, in cooperation with the working group “Lipid Motobolism” of the IPK-Gatersleben studies have been carried out to measure the influence of the ear of wheat on the water transport mechanism. Furthermore, a new technique based on the Bloch-Siegert-effect has been developed which reduces the influence of eddy currents. This simplifies flow measurements that suffer heavily from eddy currents. Hardware development An accessible mobile magnet with a field strength of 0.42 T has been build. The field homogeneity is 0.5 ppm in 1 cm³. In comparison to the existing closed magnet system at the chair EP5 this is an improvement of a factor 40. Those enhancements have been achieved by an adjusted design of the magnet which has been optimized by computer simulations. The implementation of ferrite pole shoes reduced the eddy currents by a factor 7 in comparison to the usually used iron pole shoes. Therefore, phase sensitive flow measurements using fast switching magnet field gradients could be carried out. A foldable coil has been refined to achieve an accessible receiver system. This coil has been used as a transmit/receiver unit. Furthermore, the SNR of measurements in thin plant stalks was enhanced by a constructed system that could be directly wrapped around the stalk. Additionally, two systems to reduce noise in plant measurements have been developed. Those systems can reduce the noise by a factor 92. This was necessary because the longish plant stems guides electric noise from outside of the case into the receiver coil. Both noise reduction systems, the electromagnetic shielding and the common mode rejection, removed the noise to the same level. Flow measurement In the present work a refinement of the AC-method [36] enabled for the first time acquiring quantitative flow profiles. Hence, it was possible to measure slow velocity in the range of 200 µm/s. The precondition was the replacement of the sinusoidal gradient profile by a trapezoid gradient shape. Those allowed increasing the slew rate of the gradients and therefore shorten the total duration of the ramp which finally allows higher encoding strengths. Additionally, due to intervals without applied gradients, more efficient RF-pulses can be used and more data points can be acquired in an echo. The measured flow profiles correlated to the simulation results. The accurate flow profiles have been achieved by a new evaluation technique and a phase correction mechanism. The newly developed extension to imaging enabled spatially encoded spectral flow measurements. Therefore, the location of xylem and phloem can be spatially separated. In the measurement of the black alder this becomes apparent. Here the shape of dicotyledonous plants, which is described in chapter 5.1, is visible. Additionally, due to the spatial separation of the flow directions (up/down) qualitative flow measurements are possible. In pixels where opposite flow directions can spatially be resolved the difference between the left and the right side of the flow spectra yields the total flow without static water. Due to the phase corrections technique in combination with the automatically frequency calibration, long term flow measurements were possible. Therefore, the response of plants on influences like changes in the illumination have been observed in measurements over a duration of nine days. Here flow changes below 200 µm/s can be detected. Bloch-Siegert phase encoding In this work a new spatial phase encoding technique (BS-SET) using a B1-gradient in combination with far off-resonant radio frequency pulses has been demonstrated. Based on the Bloch-Siegert Shift an eddy current free B1-gradient was used to encode images and apply flow encoding. The BS-gradient induces a phase shift which depends on B1² using a constant gradient. Therefore, adapted reconstructions have been developed that provide undistorted images using this nonlinear encoding. Alternatively, a B1-gradient has been developed where the profile of the B1-field follows a square root shape. This supplies a linear phase encoding removing the need for an adapted reconstruction and enables using this technique for flow encoding. / Das Ziel der Promotion war die Entwicklung eines Flusssensors mit dem Fokus auf Flussmessungen an Pflanzen. Dazu musste zunächst die Hardware in Form eines räumlich zugänglichen Magneten und einer Sende- und Empfangseinheit entworfen werden. Um die MR-Konsole ansteuern zu können, musste eine Software entwickelt werden. Die AC-Methode wurde für Flussmessungen mit niedrigen Geschwindigkeiten angepasst und die entsprechende Theorie dazu erweitert. Mit dieser weiterentwickelten AC-Methode wurde die Flussmessung an Pflanzen demonstriert. Dafür wurden im Rahmen einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe „Lipid Motobolism“ der IPK-Gatersleben Flussstudien an Weizenpflanzen durchgeführt. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine neue Technik zur Wirbelstromvermeidung bei Permanentmagneten entwickelt, um Problemen mit diesen bei Flussmessungen entgegenzuwirken. Sensorbau Es wurde ein zugänglicher, mobiler Magnet mit einer Feldstärke von 0,42 T gebaut. Die Feldhomogenität beträgt 0,5 ppm in 1 cm³. Im Vergleich zu dem am Lehrstuhl der EP5 bestehenden, geschlossenen, mobilen Magnetsystem erreicht das in dieser Arbeit gebaute System ein 40fach homogeneres Magnetfeld. Erzielt wurden diese Verbesserungen durch ein spezielles Design, welches durch Computersimulationen sukzessiv optimiert wurde. Durch angepasste Polschuhe konnte darüber hinaus die Induktion von Wirbelströmen im Mittel um einen Faktor 7 reduziert werden, wodurch phasensensitive Flussmessungen ermöglicht wurden. Um die Zugänglichkeit zu dem Innenraum der HF-Spulen zu gewährleisten, wurde eine Klappspule weiterentwickelt und als Sende- und Empfangseinheit für den Tomographen gebaut. Ferner wurde ein System gebaut, dass direkt um die Pflanze gewickelt werden kann und sich somit für besonders dünne Pflanzenstängel eignet. Weiterhin wurden zwei Systeme zur Rauschunterdrückung für die Messungen an Pflanzen entwickelt. Dadurch konnte das Rauschen um einen Faktor 92 gesenkt werden. Dies war notwendig, weil die länglichen Pflanzen durch ihre Ausdehnung über das Gehäuse hinweg ein Rauschen in die Empfangsspule induziert haben. Die beiden Rauschunterdrückungssysteme, die elektrische Schirmung und die Gleichtaktunterdrückung, entfernten das Rauschen dabei gleichermaßen. Flussmessung Die im Rahmen der Arbeit erfolgte Weiterentwicklung der AC-Methode [102] erlaubte es erstmals mit der Methode quantitative Flussprofile aufzunehmen. In Folge dessen war es außerdem möglich Geschwindigkeiten unter 200 µm/s zu messen. Die Vorrausetzung dafür war die Implementierung von trapezförmigen Gradienten, welche kürzere Rampzeiten und eine stärkere Kodierung zulassen. Dadurch sind außerdem Intervalle ohne Gradienten realisierbar, die effizientere Refokussierungspulse und die Aufnahme mehrerer Datenpunkte ermöglichen. Die zu erwartenden und simulierten Flussprofile entsprachen den gemessenen Profilen durch die Verwendung einer neuen Auswertungstechnik. Die neu entwickelte Erweiterung zur Bildgebung ermöglicht die ortsaufgelöste, spektroskopische Flussmessung und so können die Bereiche von Xylem und Phloem voneinander getrennt werden. Dies wurde durch Messungen einer Schwarzerle gezeigt, bei der die im Abschnitt 5.1 beschriebene Struktur dikotyler Pflanzen aufgelöst werden konnte. Zusätzlich können qualitativ genauere Aussagen über die Flussgeschwindigkeit getroffen werden. Bei Messungen an Pflanzen konnte mit der optimierten AC-Methode die Flussänderungen aufgrund äußerer Einflüsse, wie der Beleuchtung, beobachtet werden. Langzeitmessungen über 9 Tage zeigten einen der Beleuchtung folgenden Flussverlauf - auch bei sehr geringen mittleren Flussänderungen von unter 200 µm/s. Bloch-Siegert Phasenkodierung Um eine Phasenkodierung ohne die Induktion von Wirbelströmen zu erhalten, wurde im Rahmen der Arbeit die ortsabhängige Phasenkodierung mittels B1-Gradienten entwickelt. Diese Technik basiert auf HF-Wechselfeldern und benutzt den sogenannten BS-Shift um einen B1-feldabhängigen Frequenzshift zu induzieren. Zwei Rekonstruktionstechniken wurden entwickelt, um die Rekonstruktion von entzerrten Bildern zu ermöglichen. Dies war notwendig, da die Kodierung mittels BS-Shift von B1² abhängt. Infolgedessen wird bei der Verwendung von konstanten HF-Gradienten eine vom Quadrat des Ortes abhängige Phasenkodierung induziert. Als Alternative zu diesem Verfahren wurde ein Gradient entwickelt, der einen wurzelförmigen Feldverlauf hat und somit die lineare Kodierung ohne angepasste Rekonstruktionstechniken ermöglicht.

Introduction Capillarity describes the effects caused by the surface tension on liquids. When considering small amounts ofliquid,thesurfacetension becomes the dominating parameter. In this situation the arising mathematical task is to determine the occurring capillary surface. At the beginning of the research on this topic, problems such as the ascent of fluids in a circular tube, on a vertical wall or on a wedge were some of the first problems scientists were concerned with. At the beginning of the 19th century, scientists like Young1, Laplace2, Taylor 3 and Gauß 4 established the mathematical foundations of this field. For the capillary tube5 they found, by applying variational methods, the so called mean curvature equation or capillary equation with the associated boundary condition. As Finn in [Fin86, Chapter 1] describes, this leads to the following boundary value problem: divTu = u + in , · Tu = cos on @ where Tu = ∇u p 1 + |∇u|2 . is called the Lagrange6 multiplier and is the contact angle, established between the capillary surface and the container wall. In the past, one tried to solve the problem by linearisation – with more or less satisfying results. In the last decades, expedited by the developing of micromechanics and the arising space-technology, capillary effects became more and more significant. Thereby the observed results differed from the predicted. The reason is the strong non-linearity of the problem. Interior molecular forces are responsible for the establishing of equilibrium surfaces. The force, operating between two materials, is called adhesion and cohesion is the molecular force within a medium. Under some specifications there arises a non-negligible force, called disjoining pressure. This pressure causes an additional term in the capillary equation, which 1Thomas Young (*13 June 1773, Milverton; †10 May 1829, London); Englisch polymath; made notable contributions to the fields of vision, light, solid mechanics, energy, physiology, language, musical harmony and Egyptology, found the Young–Laplace equation 2Pierre-Simon (Marquis de) Laplace (28 March 1749, Beaumont-en-Auge; †5 March 1827, Paris); French mathematician and astronomer; found the Young–Laplace equation 3Brook Taylor (*18 August 1685, Edmonton; †29 December 1731, Somerset House/London); English mathematician; experiments in capillary attraction 4Johann Carl Friedlich Gauß (*30 April 1777, Braunschweig; †23 February 1855, G¨ottingen); German mathematician and scientist; contributed significantly to many fields, including number theory, statistics, analysis, differential geometry, geodesy, geophysics, electrostatics, astronomy and optics 5A capillary tube is a container with cross-section and perpendicular container walls, which contains an amount of liquid. 6Joseph-Louis de Lagrange (*25 January 1736, Turin; †10 April 1813, Paris); Italian mathematician and astronomer. 7 is called the disjoining pressure potential, denoted by P(x, u(x)). That is, we are led to the following modified capillary equation, see [MMS08]: divTu = u + P + in , with a similar boundary condition (see Section 1.3 for more details). The main task of this paper is to examine the behaviour of the capillary problem, considering the disturbance P. A generic example for such configurations is vapour nitrogen//liquid nitrogen//quartz, see also [Isr92, Chapter 11] or [MMS08]. The present work with regard to contents is divided in three parts. In the first part, inspired by the work of Concus and Finn [CF74], [FH89], we prove a Comparison Principle. As in the classical context, this principle is a powerful tool to find solutions of the boundary problem. Thus we can see that the disjoining pressure potential is the key for the asymptotic of the solutions. The second part is concerned with the asymptotic behaviour of the solutions for some classical cases. In particular for the capillary tube with circular cross-section (see [Mie93b], [Mie94], [Mie96] for the classical setting) the ascent on a horizontal wall and between two parallel horizontal plates, results are presented. There we are able to specify the asymptotic behaviour up to a constant term. In the last part we observe the solution of the problem on a corner. There it is more difficult to obtain a result. But in return, we gain a better result near the cusp of the edge. In the articles of Miersemann [Mie88], [Mie89], [Mie90] or Scholz [Sch04] some results for the classical setting are given. The formal arrangement is divided into three main chapters. The first of them is a summary of some notations which will be needed in the following chapters and also the physical background is illuminated. The main part, where asymptotic results are presented, is contained in Chapter 2. To afford a better reading, most of the proofs are given in Chapter 3.8

In the presented thesis we elaborated a general agent based model for multicellular populations. We used this model to shed light on the processes that determine the growth of avascular tumor spheroids and studied the key mechanisms of liver regeneration. In order to make such analyses possible, we developed a comprehensive software tool that allowed us to effectively simulate, visualize and analyze the constructed computational model. We started with a minimal model for two-dimensional monolayers which are a common experimental technique for in vitro cell cultures. We successively advanced our model in order to reflect an in vivo situation more closely for example by simulating complex three-dimensional tumor spheroids embedded in granular medium and host tissue. We proposed a biomechanical form of contact inhibition that was able to explain the experimentally observed linear growth of the diameter in monolayer cultures [Bru et al., 1998] [Bru et al., 2003] and their specific proliferation pattern where cells mainly proliferate at the monolayer border. Furthermore, our model could mimic the growth dynamics of monolayer cultures very precisely. Subsequently, we considered three-dimensional cell aggregates by studying substrate detachment whereby normally two-dimensional monolayers due to the failure of certain control mechanisms expand perpendicular to the monolayer plane. Failure of growth control mechanisms is known to play an important role in the development of cancer [Hanahan & Weinberg, 2000]. By additionally introducing nutrient diffusion and consumption, we established a further extended model for three-dimensional tumor spheroids which are a common experimental model in therapeutically oriented cancer research. Surprisingly, we found that the proposed biomechanical form of contact inhibition also explains the growth of these tumor spheroids. Thereby, our model suggests in agreement with experimental data [Freyer & Sutherland, 1985] [Freyer & Sutherland, 1986] that the nutrient concentration in the environment of a growing tumor, which is widely believed to control its growth, only determines the size of its necrotic core. Moreover, also in this three-dimensional situation our model precisely mimicked the growth dynamics and proliferation pattern of tumor spheroids in vitro where the necrotic core is enclosed by an intermediate layer of quiescent cells and an outer layer of proliferating cells [Kunz-Schughart, 1999]. We further advanced our model for the growth of three dimensional cell populations even closer towards in vivo tumors by including aspects from the surrounding tissue. We showed that the biomechanical properties of an embedding tissue have a major impact on the growth dynamics and morphology of growing cell populations by systematically varying the biophysical properties of the embedding tissue. Our model predicts Saffman-Taylor-like instabilities leading to fractal interfaces and an increased ability of cells to invade harsh environments if the motility of the embedding cells is small. We additionally observed large wavelength instabilities as a consequence of decreased density, increased elasticity, strong adhesion or 5. Summary 160 increased cell size of the embedding tissue or granular medium. Interestingly, we found a nearly complete inhibition of tumor growth for specific properties of the embedding tissue which, if experimentally validated, could have direct therapeutical implications. Furthermore, we achieved a remarkable agreement with experimental data on tumor growth dynamics by [Helmlinger et al., 1997] and [Galle et al., 2006]. However, the large variety of complex influences predicted by our model strongly indicates that the widespread experimental technique of embedding growing tumor spheroids in agarose gels [Helmlinger et al., 1997] [Galle et al., 2006] [Cheng et al., 2009] may not be sufficient to realistically capture all the biomechanical effects of an embedding tissue. Effects due to the granularity of the surrounding tissue, for example, are missing in experiments like those performed in [Helmlinger et al., 1997]. In contrast to chapter three where we mainly compared our model to published in vitro data, in chapter four we investigated a particular in vivo situation and studied the fascinating process of liver regeneration after intoxication with CCl4, a prototypical substance for drugs inducing pericentral liver damage. We established a procedure to use three-dimensional confocal laser scans to reconstruct in vivo tissues by image processing and image analysis. We then combined this very detailed and quantitative information with a further advanced version of our repeatedly experimentally validated model. We started with a minimal two-dimensional model for the regenerating liver lobule that nevertheless led to first impressions of the specific impact of the various factors that influence liver regeneration. On that basis we extended our model and created the first threedimensional agent-based model of the regenerating liver lobule. By capturing a 16 day regeneration process, our model underlined the importance of the complex columnar microarchitecture within the liver lobules, which is formed by hepatocytes and sinusoids. This microarchitecture ensures optimal exchange of metabolites between blood and hepatocytes. The model unambiguously predicted a so far unrecognized mechanism, the alignment of daughter hepatocytes along the orientation of the closest sinusoid, which we named hepatocyte-sinusoid alignment (HSA), as essential for liver regeneration. Only if HSA was included into the model the simulated tissue architecture was in agreement with the experimentally obtained data and no other likely mechanism could replace it. In order to experimentally validate the model prediction of HSA, we analyzed the orientation of daughter hepatocytes in relation to the sinusoids in three-dimensions. The results of this analysis clearly confirmed the model prediction and thus verified HSA as a yet unknown key mechanism of liver regeneration. During this analysis we introduced novel techniques that made currently experimentally not accessible information available by image processing and analysis of volumetric datasets obtained by confocal laser scanning microscopy. In addition to the three-dimensional analysis of HSA, we used a similar approach to obtain further currently not experimentally available information on the average 5. Summary 161 contact area between hepatocytes and sinusoids. Surprisingly, we found this parameter to allow for an automatic differentiation between normal liver tissue and hepatocellular carcinoma. The further pursuit of this finding will be interesting. In summary, in this thesis we present an interdisciplinary approach to combine microscopic imaging, image processing and analysis and computational modeling - all in three dimensions. The integration of methods and results from different scientific fields like cell biology, physics and computer science enabled us to obtain new insights in cancer research and hepatology. We therefore consider the presented interdisciplinary approach and the corresponding procedures exemplary and widely applicable in the systems biology of tissues in general.

Die Thematik der Arbeit ist in der Schuranalysis angesiedelt. Angeregt durch die Bedurfnisse von Elektrotechnik und Signalubertragungstechnik entwickelte sich dieses mathematische Gebiet, welches Matrix- und Operatorversionen von Interpolations- und Momentenproblemen behandelt. Die vorliegende Dissertation beschafgt sich mit dem "J{Potapovproblem\, einem Interpolationsproblem furFu ntionen der J{Potapovklasse, welche in einer Umgebung von Null holomorph sind. Eine nahere Untersuchung dieser Funktionenklasse zeigt, dass deren Taylorkoe zientenfolgen zur Klasse der J{Potapovfolgen gehoren. Diese Folgen sind der Ausgangspunkt fur die Konstruktion von Matrixpolynomen, mit deren Hilfe sich die Losungsmenge des J{Potapovproblems als gebrochenlineare Transformation darstellen lasst. In Kapitel 1 werden zunachst J{Potapovfolgen und J{Potapovfunktion eingefuhrt sowie das J{Potapovproblem formuliert. Dabei werden wichtige Eigenschaften und Resulate vorgestellt sowie verdeutlicht, dass das J{Potapovproblem eine Verallgemeinerung des in der Literatur ausgiebig behandelten Schurproblems ist. Daraus entsteht die Zielstellung, wohlbekannte, aus Schurfolgen gebildete, Matrixpolynome auf den J{Potapovfall zu ubertragen. Eine besondere Rolle in der Losungsmenge des J{Potapovproblems spielt die zentrale J{ Potapovfunktion, denn eine Quotientendarstellung zentraler J{Potapovfunktionen ermoglicht auch eine Analyse der allgemeinen Losung. In Kapitel 2 erfolgt die Herleitung einer solchen Darstellung sowie die Untersuchung der damit verbundenen Folgen und Matrixpolynome. Dabei werden wichtige Identitaten und Beziehungen bewiesen, welche bei der Behandlung des J{Potapovproblems eine Schlusselrolle spielen. In Kapitel 3 erfolgt eine Verallgemeinerung der Arov{Krein{Matrixpolynome des Schurproblems auf die J{Potapovklasse. Dabei wird zunachst der nichtdegenerierte Fall untersucht, bevor eine Erweiterung der Ergebnisse auf den degenerierten Fall vorgenommen wird. Ausgangspunkt fur die Untersuchungen des vierten Kapitels ist die Beobachtung, dass mit den gegebenen Daten eines J{Potapovproblems ein spezielles Stein-Tripel und damit im nichtdegenerierten Fall ein J (:= diag(J;

The platelet cytoskeleton ensures normal size and discoid shape under resting conditions and undergoes immediate reorganization in response to changes in the extracellular environment through integrin-based adhesion sites, resulting in actomyosin-mediated contractile forces. Mutations in the contractile protein non-muscle myosin heavy chain IIA display, among others, macrothrombocytopenia and a mild to moderate bleeding tendency in human patients. It is insufficiently understood which factors contribute to the hemostatic defect found in MYH9-related disease patients. Therefore, a better understanding of the underlying biophysical mechanisms in thrombus formation and stabilization is warranted. This thesis demonstrates that an amino acid exchange at the positions 702, 1424 and 1841 in the heavy chain of the contractile protein non-muscle myosin IIA, caused by heterozygous point mutations in the gene, resulted in macrothrombocytopenia and increased bleeding in mice, reflecting the clinical hallmark of the MYH9-related disease in human patients. Basic characterization of biological functions of Myh9 mutant platelets revealed overall normal surface glycoprotein expression and agonist-induced activation when compared to wildtype platelets. However, myosin light chain phosphorylation after thrombin-activation was reduced in mutant platelets, resulting in less contractile forces and a defect in clot retraction. Altered biophysical characteristics with lower adhesion and interaction forces of Myh9 mutant platelets led to reduced thrombus formation and stability. Platelets from patients with the respective mutations recapitulated the findings obtained with murine platelets, such as impaired thrombus formation and stiffness. Besides biological and biophysical characterization of mutant platelets from mice and men, treatment options were investigated to prevent increased bleeding caused by reduced platelet forces. The antifibrinolytic agent tranexamic acid was applied to stabilize less compact thrombi, which are presumably more vulnerable to fibrinolysis. The hemostatic function in Myh9 mutant mice was improved by interfering with the fibrinolytic system. These results show the beneficial effect of fibrin stabilization to reduce bleeding in MYH9-related disease. / Das thrombozytäre Zytoskelett gewährleistet eine normale Zellgröße und diskoide Form unter ruhenden Bedingungen. Als Reaktion auf Veränderungen in der extrazellulären Umgebung wird das Zytoskelett durch Integrin-basierte Adhäsionsstellen reorganisiert, was zu Aktomyosin-vermittelten kontraktilen Kräften führt. Mutationen in der schweren Kette des kontraktilen nicht-muskulären Proteins Myosin IIA führen bei Patienten u. a. zu einer Makrothrombozytopenie und einer leichten bis mittelschweren Blutungsneigung. Es ist unzureichend geklärt, welche Faktoren zum hämostatischen Defekt bei Patienten mit MYH9-bedingter Erkrankung beitragen. Daher ist ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden biophysikalischen Mechanismen bei der Thrombusbildung und -stabilisierung erforderlich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Austausch von einzelnen Aminosäuren an den Positionen 702, 1424 und 1841 im kontraktilen Protein Myosin IIA, hervorgerufen durch Punktmutationen im kodierenden Gen, zu einer Makrothrombozytopenie und zu einer verlängerten Blutungszeit in Mäusen führt. Dies spiegelt die klinischen Merkmale der MYH9-assoziierte Erkrankungen bei Patienten wider. Die basale Charakterisierung der biologischen Funktionen von Myh9-mutierten Thrombozyten im Vergleich zu Wildtyp-Thrombozyten ergab eine insgesamt normale Oberflächenglykoproteinexpression und Agonisten-induzierte Aktivierung. Interessanterweise war die Phosphorylierung der leichten Myosinkette in den mutierten Thrombozyten nach Aktivierung reduziert, was zu einer geringeren Kontraktionskraft und damit zu einem Defekt beim Zusammenziehen des Gerinnsels führte. Mit Hilfe von biophysikalischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass geringere Adhäsions- und Interaktionskräfte von Thrombozyten mit Punktmutationen im Myh9 Gen zu einer verminderten Thrombusbildung und -stabilität führen. Thrombozyten von Patienten mit den entsprechenden Mutationen rekapitulierten die mit murinen Thrombozyten erhaltenen Ergebnisse, wie z. B. eine beeinträchtigte Thrombusbildung und -steifigkeit. Neben der biologischen und biophysikalischen Charakterisierung der Thrombozyten von Mäusen und Menschen mit den Punktmutationen wurden Behandlungsmöglichkeiten untersucht, um die erhöhte Blutungsneigung aufgrund der verminderten Thrombozytenkräfte zu verhindern. Das Antifibrinolytikum Tranexamsäure wurde eingesetzt, um weniger kompakte Thromben zu stabilisieren, die vermutlich anfälliger für Fibrinolyse sind. Die hämostatische Funktion von Mäusen mit Myh9-Mutationen konnte durch die Gabe von Tranexamsäure verbessert werden. Diese Ergebnisse zeigen die positive Wirkung der Fibrinstabilisierung zur Verringerung von Blutungsneigungen bei MYH9-assoziierte Erkrankungen.

This thesis aimed at searching for new effective agents against Multidrug-Resistant Enterobacteriaceae. This is necessitated by the urgent need for new and innovative antibacterial agents addressing the critical priority pathogens prescribed by the World Health Organization (WHO). Among the available means for antibiotics discovery and development, nature has long remained a proven, innovative, and highly reliable gateway to successful antibacterial agents. Nevertheless, numerous challenges surrounding this valuable source of antibiotics among other drugs are limiting the complete realization of its potential. These include the availability of good quality data on the highly potential natural sources, limitations in methods to prepare and screen crude extracts, bottlenecks in reproducing biological potentials observed in natural sources, as well as hurdles in isolation, purification, and characterization of natural compounds with diverse structural complexities. Through an extensive review of the literature, it was possible to prepare libraries of plant species and phytochemicals with reported high potentials against Escherichia coli and Klebsiella pneumnoniae. The libraries were profiled to highlight the existing patterns and relationships between the reported antibacterial activities and studied plants’ families and parts, the type of the extracting solvent, as well as phytochemicals’ classes, drug-likeness and selected parameters for enhanced accumulation within the Gram-negative bacteria. In addition, motivations, objectives, the role of traditional practices and other crucial experimental aspects in the screening of plant extracts for antibacterial activities were identified and discussed. Based on the implemented strict inclusion criteria, the created libraries grant speedy access to well-evaluated plant species and phytochemicals with potential antibacterial activities. This way, further studies in yet unexplored directions can be pursued from the indicated or related species and compounds. Moreover, the availability of compound libraries focusing on related bacterial species serves a great role in the ongoing efforts to develop the rules of antibiotics penetrability and accumulation, particularly among Gram-negative bacteria. Here, in addition to hunting for potential scaffolds from such libraries, detailed evaluations of large pool compounds with related antibacterial potential can grant a better understanding of structural features crucial for their penetration and accumulation. Based on the scarcity of compounds with broad structural diversity and activity against Gram-negative bacteria, the creation and updating of such libraries remain a laborious but important undertaking. A Pressurized Microwave Assisted Extraction (PMAE) method over a short duration and low-temperature conditions was developed and compared to the conventional cold maceration over a prolonged duration. This method aimed at addressing the key challenges associated with conventional extraction methods which require long extraction durations, and use more energy and solvents, in addition to larger quantities of plant materials. Furthermore, the method was intended to replace the common use of high temperatures in most of the current MAE applications. Interestingly, the yields of 16 of 18 plant samples under PMAE over 30 minutes were found to be within 91–139% of those obtained from the 24h extraction by maceration. Additionally, different levels of selectivity were observed upon an analytical comparison of the extracts obtained from the two methods. Although each method indicated selective extraction of higher quantities or additional types of certain phytochemicals, a slightly larger number of additional compounds were observed under maceration. The use of this method allows efficient extraction of a large number of samples while sparing heat-sensitive compounds and minimizing chances for cross-reactions between phytochemicals. Moreover, findings from another investigation highlighted the low likelihood of reproducing antibacterial activities previously reported among various plant species, identified the key drivers of poor reproducibility, and proposed possible measures to mitigate the challenge. The majority of extracts showed no activities up to the highest tested concentration of 1024 µg/mL. In the case of identical plant species, some activities were observed only in 15% of the extracts, in which the Minimum Inhibitory Concentrations (MICs) were 4 – 16-fold higher than those in previous reports. Evaluation of related plant species indicated better outcomes, whereby about 18% of the extracts showed activities in a range of 128–512 μg/mL, some of the activities being superior to those previously reported in related species. Furthermore, solubilizing plant crude extracts during the preparation of test solutions for Antibacterial Susceptibility Testing (AST) assays was outlined as a key challenge. In trying to address this challenge, some studies have used bacteria-toxic solvents or generally unacceptable concentrations of common solubilizing agents. Both approaches are liable to give false positive results. In line with this challenge, this study has underscored the suitability of acetone in the solubilization of crude plant extracts. Using acetone, better solubility profiles of crude plant extracts were observed compared to dimethyl sulfoxide (DMSO) at up to 10 %v/v. Based on lacking toxicity against many bacteria species at up to 25 %v/v, its use in the solubilization of poorly water-soluble extracts, particularly those from less polar solvents is advocated. In a subsequent study, four galloylglucoses were isolated from the leaves of Paeonia officinalis L., whereby the isolation of three of them from this source was reported for the first time. The isolation and characterization of these compounds were driven by the crucial need to continually fill the pre-clinical antibiotics pipeline using all available means. Application of the bioautography-guided isolation and a matrix of extractive, chromatographic, spectroscopic, and spectrometric techniques enabled the isolation of the compounds at high purity levels and the ascertainment of their chemical structures. Further, the compounds exhibited the Minimum Inhibitory Concentrations (MIC) in a range of 2–256 µg/mL against Multidrug-Resistant (MDR) strains of E. coli and K. pneumonia exhibiting diverse MDR phenotypes. In that, the antibacterial activities of three of the isolated compounds were reported for the first time. The observed in vitro activities of the compounds resonated with their in vivo potentials as determined using the Galleria mellonella larvae model. Additionally, the susceptibility of the MDR bacteria to the galloylglucoses was noted to vary depending on the nature of the resistance enzymes expressed by the MDR bacteria. In that, the bacteria expressing enzymes with higher content of aromatic amino acids and zero or positive net charges were generally more susceptible. Following these findings, a plausible hypothesis for the observed patterns was put forward. The generally challenging pharmacokinetic properties of galloylglucoses limit their further development into therapeutic agents. However, the compounds can replace or reduce the use of antibiotics in livestock keeping as well as in the treatment of septic wounds and topical or oral cavity infections, among other potential uses. Using nature-inspired approaches, a series of glucovanillin derivatives were prepared following feasible synthetic pathways which in most cases ensured good yields and high purity levels. Some of the prepared compounds showed MIC values in a range of 128 – 512 μg/mL against susceptible and MDR strains of Klebsiella pneumoniae, Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium (VRE). These findings emphasize the previously reported essence of small molecular size, the presence of protonatable amino groups and halogen atoms, as well as an amphiphilic character, as crucial features for potential antibacterial agents. Due to the experienced limited success in the search for new antibacterial agents using purely synthetic means, pursuing semi-synthetic approaches as employed in this study are highly encouraged. This way, it is possible to explore broader chemical spaces around natural scaffolds while addressing their inherent limitations such as solubility, toxicity, and poor pharmacokinetic profiles. / Ziel dieser Arbeit war die Suche nach neuen wirksamen Antiinfektiva gegen multiresistente Enterobacteriaceae. Grund dafür ist der dringende Bedarf an neuen und innovativen antibakteriellen Wirkstoffen gegen die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als vorrangig eingestuften Krankheitserreger. Unter den verfügbaren Methoden zur Entdeckung und Entwicklung von Antibiotika ist die Natur seit langem ein bewährtes, innovatives und äußerst zuverlässiges Mittel, um erfolgreich zu antibakteriellen Wirkstoffen zu gelangen. Dennoch stehen dieser wertvollen Quelle von Antibiotika und anderen Arzneimitteln zahlreiche Herausforderungen gegenüber, die die vollständige Ausschöpfung ihres Potenzials einschränken. Dazu gehören die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Daten über die hochpotenten natürlichen Quellen, Einschränkungen bei den Methoden zur Herstellung und zum Screening von Rohextrakten, Engpässe bei der Reproduktion des in natürlichen Quellen beobachteten biologischen Potenzials sowie Hürden bei der Isolierung, Reinigung und Charakterisierung von Naturstoffen mit unterschiedlicher struktureller Komplexität. Mittels einer umfassenden Durchsicht der Literatur war es möglich, Bibliotheken mit Pflanzenarten und Phytochemikalien zu erstellen, die ein hohes Potenzial gegen Escherichia coli und Klebsiella pneumnonia aufweisen. Die Bibliotheken wurden profiliert, um die bestehenden Muster und Beziehungen zwischen den berichteten antibakteriellen Aktivitäten und den untersuchten Pflanzenfamilien und -teilen, der Art des Extraktionslösungsmittels sowie den Klassen der Phytochemikalien, der Wirkstoffähnlichkeit und ausgewählten Parametern für eine verstärkte Akkumulation in den gramnegativen Bakterien aufzuzeigen. Darüber hinaus wurden Motivationen, Ziele, die Rolle traditioneller Methoden und andere wichtige experimentelle Aspekte beim Screening von Pflanzenextrakten auf antibakterielle Aktivitäten identifiziert und diskutiert. Auf der Grundlage der strengen Aufnahmekriterien bieten die erstellten Bibliotheken einen schnellen Zugang zu gut bewerteten Pflanzenarten und Phytochemikalien mit potenziellen antibakteriellen Aktivitäten. Auf diese Weise können weitere Studien in noch unerforschten Richtungen mit den angegebenen oder ähnlichen Arten und Verbindungen durchgeführt werden. Darüber hinaus spielt die Verfügbarkeit von Substanzbibliotheken, die sich auf verwandte Bakterienarten konzentrieren, eine große Rolle bei den laufenden Bemühungen, die Regeln für die Penetration und Akkumulation von Antibiotika zu entwickeln, insbesondere bei gramnegativen Bakterien. Neben der Suche nach potenziellen Molekülgerüsten aus solchen Bibliotheken können detaillierte Bewertungen großer Pools von Verbindungen mit antibakteriellem Potenzial ein besseres Verständnis der strukturellen Merkmale ermöglichen, die für ihre Penetration und Akkumulation entscheidend sind. Da es kaum Verbindungen mit breiter struktureller Vielfalt und Aktivität gegen gramnegative Bakterien gibt, ist die Erstellung und Aktualisierung solcher Bibliotheken nach wie vor ein mühsames, aber wichtiges Unterfangen. Es wurde eine schnelle mikrowellenunterstützte Extraktionsmethode unter Druck (PMAE) und bei niedrigen Temperaturen entwickelt und mit der herkömmlichen Kaltmazeration mit längerer andauernd verglichen. Mit der PMAE-Methode sollten die wichtigsten Probleme herkömmlicher Extraktionsmethoden gelöst werden, die eine lange Extraktionsdauer erfordern, mehr Energie und Lösungsmittel verbrauchen und zudem größere Mengen an Pflanzenmaterial benötigen. Darüber hinaus sollte die Methode die übliche Verwendung hoher Temperaturen in den meisten der derzeitigen MAE-Anwendungen ersetzen. Interessanterweise lag die Ausbeute von 16 der 18 Pflanzenproben bei der 30-minütigen PMAE zwischen 91 und 139 % der jenigen, die bei der 24-stündigen Extraktion durch Mazeration erzielt wurde. Darüber hinaus wurden bei einem analytischen Vergleich der mit den beiden Methoden gewonnenen Extrakte unterschiedliche Selektivitätsgrade festgestellt. Obwohl jede Methode eine selektive Extraktion größere Mengen oder zusätzlicher Arten bestimmter Phytochemikalien anzeigte, wurde bei der Mazeration eine etwas größere Anzahl an Verbindungen beobachtet. Die Anwendung dieser PMAE-Methode ermöglicht eine effiziente Extraktion einer großen Anzahl von Proben, wobei hitzeempfindliche Verbindungen geschont werden und die Wahrscheinlichkeit von Kreuzreaktionen zwischen Phytochemikalien minimiert wird. Die weitere Untersuchung von Pflanzenextraktionen haben die geringe Reproduzierbarkeit von antibakteriellen Aktivitäten, die zuvor für verschiedene Pflanzenarten berichtet wurden, aufgedeckt, die Hauptursachen für die schlechte Reproduzierbarkeit identifiziert und mögliche Maßnahmen zur Minimierung dieser Herausforderung vorgeschlagen. Die Mehrheit der Extrakte zeigte bis zur höchsten getesteten Konzentration von 1024 µg/ml keine Aktivitäten. Bei identischen Pflanzenarten wurden nur bei 15 % der Extrakte gewisse Aktivitäten beobachtet, wobei die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) um das Vier- bis 16-fache höher waren als in früheren Berichten. Die Auswertung verwandter Pflanzenarten zeigte geringfügig bessere Ergebnisse, wobei etwa lagen 18 % der Extrakte Aktivitäten in einem Bereich von 128-512 µg/ml aufwiesen; dabei einige der Aktivitäten über denen, die zuvor bei verwandten Arten berichtet wurden. Darüber hinaus wurde die Löslichkeit von Pflanzenrohextrakten bei der Herstellung von Testlösungen für die Bestimmung der Antimikrobischen Suszeptibilität (AST) als eine der größten Herausforderungen bezeichnet. Bei dem Versuch, diese Herausforderung zu bewältigen, wurden in einigen Studien bakterientoxische Lösungsmittel oder allgemein inakzeptable Konzentrationen gängiger Lösungsvermittler verwendet. Beide Ansätze können zu falsch-positiven Ergebnissen führen. Deshalb hat diese Studie die Eignung von Aceton für die Solubilisierung von Pflanzenrohextrakten unterstrichen. Bei Verwendung von Aceton wurden eine bessere Löslichkeit der Pflanzenrohextrakten im Vergleich zu Dimethylsulfoxid (DMSO) bei bis zu 10 % v/v beobachtet. Aufgrund der fehlenden Toxizität gegen viele Bakterienarten bei bis zu 25 % v/v wird die Verwendung von Aceton für die Solubilisierung schwer wasserlöslicher Extrakte, insbesondere solcher aus weniger polaren Lösungsmitteln, befürwortet. In der nachfolgenden Untersuchung wurden vier Galloylglucosen aus den Blättern von Paeonia officinalis L. isoliert, wobei von drei Substanzen aus dieser Quelle zum ersten Mal berichtet wurde. Die Isolierung und Charakterisierung dieser Verbindungen wurden durch die dringende Notwendigkeit vorangetrieben, die präklinische Antibiotika-Pipeline mit allen verfügbaren Methoden zu füllen. Die Anwendung der bioautographisch gesteuerten Isolierung und einer Matrix aus extraktiven, chromatographischen, spektroskopischen und spektrometrischen Techniken ermöglichte die Isolierung der Verbindungen mit hohem Reinheitsgrad und die Bestimmung ihrer chemischen Strukturen. Darüber hinaus wiesen die Verbindungen minimale Hemmkonzentrationen (MHK) in einem Bereich von 2-256 µg/ml gegen multiresistente (MDR) Stämme von E. coli und K. pneumonia auf, die verschiedene MDR-Phänotypen aufweisen. Über die antibakteriellen Aktivitäten von drei der isolierten Verbindungen wurde zum ersten Mal berichtet. Die beobachteten In-vitro-Aktivitäten der Verbindungen stimmten mit ihren In-vivo-Potenzialen überein, die anhand des Galleria mellonella-Larvenmodells ermittelt wurden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Empfindlichkeit der MDR-Bakterien gegenüber den Galloylglucosen von der Art der von den MDR-Bakterien exprimierten Resistenzenzyme abhängt. So waren die Bakterien, die Enzyme mit einem höheren Gehalt an aromatischen Aminosäuren und null oder positiven Nettoladungen exprimieren, im Allgemeinen anfälliger. Nach diesen Erkenntnissen wurde eine plausible Hypothese für die beobachteten Muster aufgestellt. Die allgemein schwierigen pharmakokinetischen Eigenschaften von Galloylglucosen schränken ihre weitere Entwicklung als therapeutischen Wirkstoffen ein. Die Verbindungen können jedoch den Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung sowie bei der Behandlung von septischen Wunden und Infektionen der Haut oder der Mundhöhle ersetzen oder reduzieren, neben anderen potenziellen Anwendungen. Mit von der Natur inspirierten Ansätzen wurde eine Reihe von Glucovanillin-Derivaten synthetisch hergestellt. Einige der neuen Verbindungen wiesen MHK-Werte im Bereich von 128 - 512 μg/ml gegen empfindliche und MDR-Stämme von Klebsiella pneumoniae, Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistentem Enterococcus faecium (VRE) auf. Diese Ergebnisse unterstreichen die bereits früher berichtete Bedeutung einer kleinen Molekülgröße, des Vorhandenseins protonierbarer Aminogruppen und Halogenatome sowie eines amphiphilen Charakters als entscheidende Merkmale für potenzielle antibakterielle Wirkstoffe. Da die Suche nach neuen antibakteriellen Wirkstoffen mit rein synthetischen Mitteln bisher nur begrenzt erfolgreich war, sind halbsynthetische Ansätze, wie sie in dieser Studie verwendet wurden, sehr zu empfehlen. Auf diese Weise ist es möglich, größere chemische Räume um natürliche Molekülgerüste herum zu erforschen und gleichzeitig deren inhärente Einschränkungen wie Löslichkeit, Toxizität und schlechte pharmakokinetische Profile zu überwinden.

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