Several transition metal ions, like Fe2+, Co2+, Ni2+, and Zn2+ complex to the ditopic ligand 1,4-bis(2,2’:6’,2’’-terpyridin-4’-yl)benzene. Due to the high association constant, metal ion induced self-assembly of Fe2+, Co2+, and Ni2+ leads to extended, rigid-rod like metallo-supramolecular coordination polyelectrolytes (MEPEs) even in aqueous solution. Here, the kinetics of coordination and the kinetics of growth of MEPEs are presented. The species in solutions are analyzed by stopped-flow fluorescence spectroscopy, light scattering, viscometry and cryogenic transmission electron microscopy. At near-stoichiometric amounts of the reactants, high molar masses are obtained, which follow the order Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Furthermore, a way is presented to adjust the average molar mass, chain-length and viscosity of MEPEs using the monotopic chain stopper 4’-(phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridine. / Verschiedene Übergangsmetallionen, wie Fe2+, Co2+, Ni2+ und Zn2+ komplexieren an den ditopen Liganden 1,4-Bis(2,2’:6’,2”-terpyridin-4’-yl)benzen. Aufgrund der hohen Bindungskonstanten, führt die metallinduzierte Selbstassemblierung von Fe2+, Co2+ und Ni2+ zu ausgedehnten, stäbchenförmigen metallosupramolekularen Polyelektrolyten (MEPE) in wässriger Lösung. In dieser Arbeit wird die Kinetik der Koordination sowie die Kinetik des Wachstums der MEPE aufgezeigt. Die Spezies in Lösung werden anhand von Stopped-flow-Fluoreszenzspektroskopie, Lichtstreuung, Viskosimetrie und Kryo-Transmittionselektronenmikroskopie analysiert. Bei nahezu stöchiometrischen Mengen der Reaktanden werden hohe molare Massen beobachtet. Dabei gilt: Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Außerdem wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem die mittlere Molmasse, Kettenlänge und Viskosität der MEPE durch Nutzung des monotopen Kettenstoppers 4’-(Phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridin eingestellt werden kann.

Bakterielle und parasitäre MIP-Proteine stellen wichtige Virulenzfaktoren dar, deren Inhibition das Überleben der Erreger sowie deren Penetration in menschliche Zellen stark einschränken kann. In dieser Arbeit standen die MIP-Proteine von Burkholderia pseudomallei (Auslöser der Melioidose) und Legionella pneumophila (Legionärskrankheit) im Fokus. Außerdem wurde das MIP-Protein von Trypanosoma cruzi (Chagas-Krankheit) untersucht. Die strukturverwandten humanen FKB-Proteine FKBP12 und FKBP52 sind relevante „off-targets“, wie Experimente mit Knockout-Mäusen gezeigt haben. Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung von bekannten MIP-Inhibitoren im Hinblick auf ihre Affinität und Selektivität für MIP-Proteine gegenüber den beiden genannten FKB-Proteinen bei gleichzeitig verbesserter Löslichkeit, mit Hilfe von in silico Methoden. Ausgangspunkt waren hierbei zwei von Dr. Christina Juli und Dr. Florian Seufert entwickelte Leitstrukturen, welche ein Pipecolinsäuregrundgerüst aufweisen. Diese Referenzliganden beinhalten einen 3,4,5-Trimethoxyphenylring (TMPR, vgl. Ref_t) bzw. einen Pyridinylring (Ref_p). Beim Vergleich von insgesamt 32 MIP- und FKB-Proteinen konnten in zwei Loop-Bereichen, welche 50er bzw. 80er Loop genannt werden, relevante Unterschiede in der Aminosäuresequenz identifiziert werden. Die Nummerierung bezieht sich stets auf FKBP12. Diese Unterschiede ließen sich zum Design von vergleichsweise selektiv an MIP-Proteine bindenden Molekülen nutzen. Der 50er Loop ist in nahezu allen MIP-Proteinen (jedoch nicht in BpsMIP) im Vergleich zu den FKB-Proteinen um zwei Aminosäuren verkürzt. Dadurch befindet sich das Proteinrückgrat von LpnMIP (Gln49) und TcrMIP (Arg49) näher am Zentrum der Bindetasche (definiert als Ile56, welches durch die Pipecolinsäureesterfunktion der Liganden adressiert wird). MD-Simulationen der beiden Apoproteine belegten, dass die geringere Distanz nicht durch Artefakte beim Modellieren der Strukturen bedingt ist. Aufbauend auf dieser Erkenntnis wurde gezeigt, dass der Pyridinylring von Ref_p eine Wasserstoffbrücke zu Gln49 ausbildet. Experimentell wurde dieser Befund durch eine entsprechende chemische Verschiebung der Aminosäure im NMR-Experiment von Dr. Kristian Schweimer bestätigt. Durch Überbrückung des Pipecolinsäurerings (Ligand 6bp) konnte die Wasserstoffbrücke in MD-Simulationen weiter stabilisiert werden. Durch Rechnungen zur Abschätzung der freien Bindungsenthalpien (mittels LIE und MM/GBSA) wurde eine erhöhte Affinität von 6bp im Vergleich zu Ref_p in LpnMIP ermittelt. Im Laufe der Arbeit wurde anhand von pIC50-Werten, welche von Dr. Mathias Weiwad bestimmt wurden, erkannt, dass Liganden mit Pyridinylring oftmals eine bessere Affinität in LpnMIP aufweisen als die entsprechenden Liganden mit TMPR. Durch MD Simulationen wurde nachgewiesen, dass der TMPR in LpnMIP nur schwer an der in den anderen Proteinen bevorzugten Position binden kann. Grund hierfür ist die Mutation einer Aminosäure (zu Pro57) in diesem Bereich von LpnMIP: Diese verfügt über eine wenig flexible Seiten-kette, an welche sich der TMPR auf Grund seiner Rigidität nicht anpassen kann, was die Interaktion zwischen Protein und Ligand stört. Der Pyridinylring von Ref_p ist hiervon nicht betroffen, da er bevorzugt an einer anderen Stelle (Gln49, s. o.) bindet. Der 80er Loop weist in vielen MIP-Proteinen deutlich hydrophobere Aminosäuren auf als in FKB-Proteinen. Von besonderem Interesse ist die Position 90, da hier in BpsMIP und LpnMIP sterisch weniger anspruchsvolle Aminosäuren (Val, Pro) vorliegen als in den bei-den FKB-Proteinen (Ile, Lys). Dieser Unterschied wurde mit kleinen hydrophoben Substituenten am Phenylring der Liganden adressiert. Bereits im Docking zeigten sich die positiven Effekte der para-Substitution durch Halogenatome oder eine Methylgruppe. Die von Dr. Mathias Weiwad und Dr. Mirella Vivoli ermittelten pIC50- bzw. pKi-Werte bestätigten diesen Trend. Zugleich nahm die Affinität zu FKBP12 deutlich ab. Bei der Untersuchung der Referenzliganden sowie deren Chlor- und Bromderivate in MD-Simulationen zeigte sich, dass der Phenylring der Liganden in den MIP-Proteinen bevorzugt in Richtung des 80er Loops orientiert ist; in den FKB-Proteinen liegt er hingegen um etwa 110° gedreht vor und kann somit schlechter mit der Bindetasche interagieren. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt in FKBP12. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde der Phenylring durch einen 4-Bromo-1H-imidazol-2-ylsubstituenten ersetzt (Ligand 8ap). Dieser ist in der Lage, in der erwarteten Orientierung im Bereich des 80er Loops von BpsMIP zu binden und gleichzeitig eine stabile Wasserstoffbrücke zu Asp37 auszubilden. Hieraus resultiert für den Liganden eine deutlich höhere Affinität in LIE- und MM/GBSA-Rechnungen; in FKBP12 blieb sie auf Grund der dort instabilen Interaktion unverändert. Die berechneten Energien können unmittelbar für einen relativen Vergleich verschiedener Liganden in einer Bindetasche verwendet werden. Für die Vorhersage von pKi- bzw. pIC50-Werten in den verschiedenen Proteinen ist eine Kalibrierung gegen die gemessenen Affinitäten erforderlich. Dies wurde für BpsMIP durchgeführt, indem eine lineare Korrelation zwischen den pKi- bzw. pIC50-Werten und den mit MM/GBSA ermittelten Energien aufgestellt wurde. Für LIE wurde auf publizierte Werte von Lamb et al. zurückgegriffen. Die berechneten Affinitäten stimmen für die bereits getesteten Inhibitoren gut mit den experimentellen pKi- und pIC50-Werten überein. Anhand der Modelle werden für 8ap Werte vorhergesagt, die besser als die experimentellen Affinitäten bekannter Liganden sind. Idealerweise können auch aus den Scores, die durch Docking erhalten werden, bereits Rückschlüsse auf die Affinitäten der Liganden gezogen werden. Für die untersuchten Proteine war dies, auf Grund des engen Bereichs der experimentell ermittelten pKi- und pIC50-Werte, nicht mit hinreichender Richtigkeit möglich. Um die Scores dennoch für die Beurteilung neuer Liganden verwenden zu können, wurden logistische Regressionsmodelle erstellt. Anhand dieser kann abgeschätzt werden, ob ein Molekül in BpsMIP submikromolare Affinität aufweist. Die Richtigkeit dieser Vorhersagemodelle konnte durch die Berücksichtigung dreier weiterer Deskriptoren (Konfiguration am Stereozentrum der Pipecolinsäure, Molekulargewicht und logD-Wert) deutlich verbessert werden, wobei die AUC der entsprechenden ROC-Kurven Werte bis zu 0.9 erreichte. Diese Modelle können für die Postprozessierung eines Dockings angewendet werden, um die vielversprechendsten Kandidaten zu identifizieren und anschließend in rechnerisch anspruchsvolleren MD-Simulationen genauer zu untersuchen. Mit dieser Arbeit wurde zur Weiterentwicklung der Leitstrukturen Ref_t und Ref_p beigetragen. Viele der getesteten Derivate wiesen deutlich verbesserte Löslichkeit bei gleichbleibender Affinität auf. Ferner wurden erstmalig detailliert die Unterschiede in den Bindetaschen zwischen 32 MIP- und FKB-Proteinen evaluiert. Hiervon wurden fünf in MD-Simulationen als Apoprotein und im Komplex mit verschiedenen Inhibitoren verglichen. Anhand dieser Simulationen wurde nachgewiesen, dass jeweils eine Aminosäure in BpsMIP und LpnMIP im Vergleich zum wichtigsten „off-target“ FKBP12 selektiv durch eine Wasserstoffbrücke adressiert werden kann. Durch LIE- und MM/GBSA-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass in diesen hochkonservierten Bindetaschen eine bedeutende Modulation der Affinität zugunsten von BpsMIP möglich ist. / Bacterial and parasitic MIP proteins constitute important virulence factors. Inhibiting these proteins can considerably reduce the survival of the pathogens as well as their penetration into human host cells. The work presented in this thesis focused on the MIP proteins of Burkholderia pseudomallei (the causative agent of melioidosis) and Legionella pneumophila (Legionnaires’ disease). Furthermore, the MIP protein of Trypanosoma cruzi (Chagas disease) was also investigated. The structurally homologous human FKB proteins FKBP12 and FKBP52 were taken into account as relevant off-targets. The aim of this thesis was to improve MIP inhibitors by means of in silico methods with respect to affinity and selectivity (for MIP proteins over FKBP12 and FKBP52) as well as solubility. The starting point for this task were two lead structures with a pipecolic acid scaffold from the work of Dr. Christina Juli and Dr. Florian Seufert. These reference ligands contain a 3,4,5-trimethoxyphenyl ring (TMPR, cf. Ref_t) or a pyridinyl ring (Ref_p). By comparison of 32 MIP and FKB proteins major differences with regard to the amino acid sequence could be identified in two loop regions, the so called 50s and 80s loop (numbering always with respect to FKBP12). It was possible to utilise these differences for the design of molecules with preferential binding to MIP proteins. The 50s loop is truncated by two amino acids in nearly all MIP proteins compared to the FKB proteins, except for BpsMIP. Thus, the protein backbone of LpnMIP (Gln49) and TcrMIP (Arg49) is located closer to the centre of the binding pocket. The centre is defined as Ile56, which is binding to the pipecolic ester function of the ligands. MD simulations of both apoproteins proved that the smaller distance is not caused by artefacts introduced during modelling of the structures. Expanding on this knowledge, it could be shown that the pyridinyl ring of Ref_p forms a hydrogen bond to Gln49. This finding was proven ex-perimentally by a corresponding chemical shift of the amino acid in an NMR experiment conducted by Dr. Kristian Schweimer. The hydrogen bond was stabilised further in MD simulations via bridging of the pipecolic acid ring (ligand 6bp). Calculations by MM/GBSA and LIE, estimating the binding free energies of the ligands, yielded im-proved affinity for 6bp compared to Ref_p in LpnMIP. It was noted in the course of this work, based on pIC50 measurements conducted by Dr. Mathias Weiwad, that ligands containing a pyridinyl ring often exhibit better affinity in LpnMIP than their corresponding counterparts with a TMPR. It could be shown with MD simulations that the TMPR is barely able to bind to LpnMIP at the position preferred in the other proteins. This is caused by mutation of an amino acid (to Pro57) in this region of LpnMIP. Due to its rigidity, the TMPR is not able to adjust to the hardly flexible side chain of proline. Consequently, the interaction between protein and ligand is disrupted. The pyridinyl ring of Ref_p is not affected by this mutation since it binds at another position (Gln49, see above). The 80s loop contains more hydrophobic amino acids in MIP proteins than in FKB proteins. Position 90 is of particular interest, as there are sterically less demanding amino acids in BpsMIP and LpnMIP (Val, Pro) than in both FKB proteins (Ile, Lys). This difference was addressed with small hydrophobic substituents at the ligands’ phenyl ring. The favourable effects of the substitution in para-position by halogen atoms or a methyl group could be observed in initial docking experiments. pIC50 and pKi values measured by Dr. Mathias Weiwad und Dr. Mirella Vivoli confirmed this trend. Furthermore, the affinity for FKBP12 clearly decreased. MD simulations of both reference ligands as well as their derivatives substituted with chlorine or bromine showed that the phenyl ring preferentially adopts a conformation pointing towards the 80s loop in MIP proteins. In contrast, the phenyl ring is rotated by approximately 110° in FKB proteins, leading to decreased interactions with the binding pocket. This effect is especially pronounced in FKBP12. Based on these results, the phenyl ring was substituted by 4-Bromo-1H-imidazol-2-yl (ligand 8ap). A ligand containing this substituent can bind next to the 80s loop of BpsMIP maintaining the previously described orientation and simultaneously form a stable hydrogen bond to Asp37. Hence, a considerably higher binding affinity of this ligand to BpsMIP was predicted via LIE and MM/GBSA calculations. There were no changes in affinity for FKBP12 due to the instable interaction in this protein. The calculated energies can directly be used to rank different ligands in a binding pocket. In order to predict pIC50 and pKi values in different proteins, these energies require calibration versus experimentally measured affinities. Such a calibration was carried out for BpsMIP by linearly correlating pIC50 and pKi values with energies gained from MM/GBSA calculations. For the LIE method, parameters published by Lamb et al. were used. Both computational approaches yielded affinities in good agreement with experimentally measured pIC50 and pKi values of known ligands. The affinities predicted by these models for 8ap are better than the inhibition constants of all currently known inhibitors. Ideally, scores obtained by docking can directly be used to gain insights into the ligands’ affinities. However, sufficient accuracy for the proteins investigated could not be gained, due to the narrow range of the experimental pIC50 and pKi values. Consequently, logistic regression models were created to allow for assessment of the ligands based on their score. These models predict whether a ligand is likely to show submicromolar affinity in BpsMIP. The accuracy of these models was considerably increased by implementing three other descriptors (configuration at the stereo centre of the pipecolic acid, molecular weight and logD value). Thus, AUCs up to 0.9 could be achieved in the corresponding ROC curves. The models can be used for postprocessing a docking calculation in order to identify the most promising ligands and subsequently investigating them with computationally more demanding MD simulations. This work contributed to the improvement of the lead structures Ref_t and Ref_p. Many of the tested derivatives exhibited increased solubility while affinity was maintained. Furthermore, differences in the binding pockets of 32 MIP and FKB proteins were evaluated in detail for the first time. Five of these proteins were compared in MD simulations, both as apoproteins as well as complexed with different inhibitors. It was proven by these simulations that one amino acid in BpsMIP as well as in LpnMIP can selectively be addressed with a hydrogen bond. These interactions cannot be formed in the most prominent off-target FKBP12. LIE and MM/GBSA calculations proved that considerable modulation of the binding affinity towards BpsMIP is possible in these highly conserved binding pockets.

Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia, and currently, there is no treatment to cure or halt disease progression. Because the one-target strategy focusing on amyloid-β has failed to generate successful pharmaceutical treatment, this work studies natural products with pleiotropic effects focusing on oxidative stress and neuroinflammation as key drivers of disease progression. The central part of this work focused on flavonoids as neuroprotectants. 7-O-Esters of taxifolin and cinnamic or ferulic acid were synthesized and investigated towards their neuroprotective potential addressing aging and disease. 7-O-Feruloyl- and 7-O-cinnamoyltaxifolin showed overadditive effects in oxidative stress-induced assays in the mouse neuronal cell line HT22 and proved to be protective against neuroinflammation in microglial BV-2 cells. The overadditive effect translated to animals using an Aβ25-35-induced memory-impaired AD mouse model where the compounds were able to ameliorate short-term memory defects. While the disease-modifying effects in vivo were observed, the detailed mechanisms of action and intracellular targets of the compounds remained unclear. Hence, a chemical probe of the neuroprotective flavonoid ester 7-O-cinnamoyltaxifolin was developed and applied in an activity-based protein profiling approach. SERCA and ANT-1 were identified as potential targets. Further, chemical modifications on the flavonoids taxifolin, quercetin, and fisetin were performed. The achievements of this work are an important contribution to the use of secondary plant metabolites as neuroprotectants. Chemical modifications increased the neuroprotective effect of the natural products, and distinct intracellular pathways involved in the neuroprotective mechanisms were identified. The results of this work support the use of secondary plant metabolites as potential therapeutics and hint towards new pharmacological targets for the treatment of neurodegenerative disorders. / Morbus Alzheimer ist die häufigste Form der Demenz und derzeit unheilbar. Die auf das Amyloidprotein fokussierte Medikamentenforschung konnte nicht zu einer erfolgreichen Therapie führen. In dieser Arbeit wurden Naturstoffe mit pleiotropischer Wirkung untersucht, die oxidativen Stress und Neuroinflammation als Schlüsselrollen für den Fortschritt der Krankheit adressieren. Das Flavonoid Taxifolin wurde in Position 7 mit Ferula- oder Zimtsäure verestert und hinsichtlich der neuroprotektiven Eigenschaften untersucht. Die Substanzen zeigten in Untersuchungen zu oxidativem Stress in der hippocampalen Mauszelllinie HT22 und in Untersuchungen neuronaler Entzündungsprozesse in BV-2 Mikroglia Zellen überadditive protektive Wirkung. Diese ließ sich auch auf ein Tiermodell übertragen. In einem Alzheimer Mausmodell konnten Beeinträchtigungen des Kurzzeitgedächtnisses durch die Verabreichung der Taxifolin-Zimtsäure- und -Ferulasäureester behoben werden. Trotz des krankheitsmodifizierenden Effekts in vivo sind die molekularen Mechanismen der Wirkung und die intrazellulären Zielstrukturen der Substanzen weitgehend unbekannt. Um dieses Problem zu adressieren, wurde eine chemische Sonde des Taxifolin-Zimtsäureesters entwickelt und synthetisiert, um Interaktionen der Substanz mit intrazellulären Proteinen mittels der sogenannten Activity Based Protein Profiling Methode aufzuklären. Hierbei konnten SERCA und ANT-1 als potenzielle Interaktionspartner identifiziert werden. Des Weiteren wurden chemische Modifikationen an den Flavonoiden Taxifolin, Quercetin und Fisetin durchgeführt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit leisten einen wichtigen Beitrag zu der Verwendung von pflanzlichen Sekundärmetaboliten als Substanzen mit neuroprotektiven Eigenschaften. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die Entwicklung naturstoffbasierter Therapeutika, die dringend benötigt werden, um neue Strategien für die Behandlung komplexer, neurodegenerativer Erkrankungen hervorzubringen.

In dieser Arbeit konnte ein weiterer und möglicherweise entscheidender Schritt zur Aufklärung des Kriechmechanismus von Gips gemacht und darauf aufbauend Kriterien, Wege und Strategien aufgezeigt werden, um neue Antikriechmittelsubstanzen zu identifizieren oder vorhandene Kriechmittel gezielt zu verbessern. Die Gültigkeit und Praxistauglichkeit der Kriterien wurde exemplarisch nachgewiesen. Die Basis der Untersuchungen wurde gelegt mit der Errichtung standardisierter Messaufbauten und Verfahren sowie Parameterauswahl für eine beschleunigte und reproduzierbare Darstellung des Kriechphänomens, wobei zunächst im Abgleich sichergestellt wurde, dass das beschleunigte Phänomen mit dem langsam über einen Zeitraum von Jahren erzeugten Phänomen deckungsgleich ist. Darauf aufbauend wurden innovative Untersuchungsmethoden entwickelt, um das Kriechverhalten zu charakterisieren und qualitativ sowie quantitativ zu analysieren. Hierzu wurde zunächst ein Aufbau und eine Messroutine entwickelt und eingeführt, um morphologische Veränderungen während des Kriechvorgangs im Rasterelektronenmikroskop nachzuverfolgen. Im Weiteren wurden Versuchsaufbauten für statische 3-Punkt-Biegeversuche in verschiedenen Lösungen realisiert und diese ergebnisabhängig optimiert. Hierdurch konnte der Einfluss der Löslichkeit von Gips in den entsprechenden Medien auf das Kriechverhalten untersuchen werden. Mittels Laserscanning-Mikroskop wurden wiederum diese Ergebnisse untermauert. Als vorherrschender Kriechmechanismus von Gips wurde damit das Abgleiten einzelner Gipskristalle bedingt durch einen Lösungs-Abscheide-Mechanismus an Orten hoher mechanischer Belastung identifiziert und bestätigt. / In this work, a further and possibly decisive step could be taken towards clarifying the creep mechanism of gypsum and, based on this, ways and strategies could be identified in order to identify new anti-creep agents or to specifically improve existing anti-creep agents. The validity and practicability of the selection criteria for new anti-creep agents was demonstrated by several examples of selections of chemical moieties, to date unknown with respect to their activity as anti-creep agent for gypsum. The fundament of the investigations was laid with the establishment of standardised measurement setups and procedures as well as with the selection of parameters for an accelerated and reproducible representation of the creep phenomenon, whereby it was ensured that the accelerated creep is comparable to natural, slow creep which usually takes up to several years in gypsum materials. On this basis, innovative investigation methods were developed to characterise the creep behaviour and to analyse it qualitatively and quantitatively. Firstly, a setup and a measuring routine were developed and introduced to track morphological changes during the creep process via scanning electron microscopy. Secondly, test setups for static 3-point bending tests were realized in different solutions and optimized. This enabled the investigation of the correlation between the solubility of gypsum in different media and the resulting creep behaviour. These results were substantiated further by means of laser scanning microscopy. Using these methods, it was possible to identify and confirm the slippage of individual gypsum crystals due to a solution deposition mechanism at locations of high mechanical stress as the predominant creep mechanism of gypsum. The creep of gypsum is thus decisively determined by an increased humidity in the pores of gypsum, which results in an enlargement of the water layer in the space between the gypsum crystals in the polycrystalline structure. Thus, gypsum crystals can slide more easily against each other under load via the mechanism of the so-called "pressure solution creep". This mechanism could be confirmed by creep tests with different large gypsum crystals in the polycrystalline gypsum body. Thus, the creep velocity results primarily from the number and size of the contact points of the gypsum crystal as well as the solubility of the crystals at these interfaces in the pore liquid. Particulate, hydraulic and surface-active additives were tested to influence the creep behaviour of gypsum. In particular, the industrial anti-creep agent sodium trimetaphosphate (STMP) was investigated in detail. The mode of action of STMP as a state-of-the-art creeping agent was demonstrated by EDX mappings and transmission electron micrsocopy. The decisive influencing variables for anti-creep agents were identified to be the following ones: • A good solubility in water, which makes it possible to employ the anti-creep agent of choice in the mixing water used to form the gypsum material. • A moderate complex formation with calcium ions in the size range around log (KB) = 2.5. This moderate complex stability does significantly not hinder the crystal formation of the gypsum crystals on the one hand, but on the other hand enables a complex formation on the gypsum crystal surfaces. The surface coating which is thereby obtained, reduces the dissolution rate of gypsum in water. This is achieved by a surface coating on only certain crystal surfaces. In this thesis, the (100) and (001) planes were identified to be most preferentially complexed / coated with anti-creep agent. • A reinforcement of the gypsum matrix by "sticking" the crystals, as observed in-situ via transmission electron microscopy, also plays a role. This reinforcement may ultimately also be a reason for the increased dimensional stability. Based on these mechanisms which were identified for the state-of-the-art anti-creep agent STMP, novel chemical moieties as potential anti-creep agent candidates were selected. Surface-active additives such as poly(acrylic acid-co-maleic acid) (PAMA) were identified as a promising alternative to STMP. They are water-soluble, contain complexing centres for calcium ions with the same complexing constant as STMP and are toxicologically harmless. Ultimately, in the laboratory, these polymers, based on experiments with pure FGD gypsum, could well compete with the performance of STMP with regard to hinder creep of gypsum.

The aim of this study was to determine the potential of some Ghanaian underutilized legumes in helping to reduce the problems of poverty, hunger and malnutrition among the vulnerable group of the Ghanaian population. The study looked into the functional properties, fat and fatty acid distribution, raffinose, sucrose, glucose, fructose, calcium, magnesium, sodium, potassium, iron, copper, manganese, zinc, cyanide and isoflavone contents of raw and processed seed flours of Cajanus cajan, Canavalia ensiformis, Canavalia gladiata, Mucuna pruriens, Parkia biglobosa, Phaseolus lunatus and Vigna subterranea. The parameters mentioned above were also determined for raw fruit flour of Dialium guineense. In addition to these, the study also looked into the crude protein and starch contents of the raw and processed seed flours of Canavalia gladiata, Parkia biglobosa and Vigna subterranea. The obtained results suggest that the legumes may have untapped potential, which may be exploited to help assist in reducing hunger, malnutrition and poverty in Ghana. Results of the functional properties reveal that the legumes may serve useful roles in various food products. For instance, velvet tamarind (Dialium guineense) flour may be useful in infant food formulations because of it high solubility and low bulk density. African Locust bean (Parkia biglobosa) flour had the highest fat content among the studied flours, recording a fat content of approximately 14%. It may therefore be economical to express the oil and use the oil as an edible oil or for industrial applications for products such as soaps, shampoos, paints, etc. This means the properties of the oil of African Locust bean flour need to be studied to know the uses of the oil. Unsaturated fatty acids in the cis configuration formed more than 50% of the fatty acids in all the legumes. This observation coupled with the low sodium content of all the legumes suggest that these legumes may be suitable for consumption to prevent cardiovascular diseases. The daily nutrient needs of individuals can be met by the consumption of the appropriate amounts of these legumes. For example, 375.25 g of processed velvet beans (Mucuna pruriens) flour may be able to meet the adequate intake (AI) of 350 mg/day magnesium for adult males. / Ziel dieser Studie war es, das Potenzial einiger selten genutzter ghanaischer Hülsenfrüchte zur Verringerung der Probleme von Armut, Hunger, und Unterernährung in der gefährdeten Gruppe der ghanaischen Bevölkerung zu ermitteln. Die Hülsenfruchtproben wurden von Bauern in Ejura in der Gemeinde Ejura-Sekyedumase in der Ashanti-Region in Ghana erhalten. Aus den Hülsenfrüchten wurde ohne und mit vorausgehender Prozessierung Mehle hergestellt, die für die Bestimmung der funktionellen Eigenschaften sowie Rohfettgehalt und Fettsäureprofil, Stärke (3 Leguminosen), Zuckergehalt, Asche und Mineralstoffgehalt, freisetzbares Cyanid, Isoflavon (3 Mehle) und Rohprotein (3 Legumonosen) bestimmt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Hülsenfrüchte möglicherweise bisher ungenutztes Potenzial haben. Die Ergebnisse der funktionellen Eigenschaften zeigen, dass die Hülsenfruchtmehle in verschiedenen Lebensmittelprodukten nützliche Funktionen erfüllen können. Zum Beispiel kann Samttamarindenmehl (Dialium guineense) aufgrund seiner hohen Löslichkeit und geringen Schüttdichte in der Formulierung von Säuglingsnahrung nützlich sein. Afrikanisches Johannisbrotmehl (Parkia biglobosa) wies mit etwa 14% den höchsten Fettgehalt unter den untersuchten Mehlen auf. Es kann daher wirtschaftlich sein, das Öl auszupressen und als Speiseöl oder für industrielle Anwendungen für Produkte wie Seifen, Shampoos, Farben usw. Dies bedeutet, dass die Eigenschaften des Öls von afrikanischen Johannisbrotkernmehl (Parkia biglobosa) untersucht werden müssen, um die Verwendung des Öls zu kennen. Ungesättigte Fettsäuren bilden mehr als 50% der Fettsäuren in allen Hülsenfrüchten. Diese Beobachtung in Verbindung mit dem niedrigen Natriumgehalt aller Hülsenfrüchte legt nahe, dass der Verzehr dieser Hülsenfrüchte Herz-Kreislauf-Erkrankungen vorbeugen könnte. Der tägliche Mineralstoffbedarf des Einzelnen kann durch den Verzehr entsprechender Mengen dieser Hülsenfrüchte gedeckt werden (Beispielsweise können 375,25 g verarbeitetes Samtbohnenmehl in der Lage sein, den angemessene Zufuhr für erwachsene Männer zu decken, während für erwachsene Frauen 321,65 g verarbeitetes Samtbohnenmehl ihren Bedarf an einer angemessenen Zufuhr decken können. Auch der Verzehr von 1,63 - 3,66 g verarbeitetem afrikanischen Johannisbrotkernmehl kann in der Lage sein, die Empfohlene Nahrungsaufnahme von Eisen zu erreichen, die zwischen 8 - 18 mg / Tag liegen). Afrikanisches Johannisbrotmehl (Parkia biglobosa) hatte einen sehr hohen Kalzium- und Magnesiumgehalt und ist möglicherweise sehr gut geignet, um Knochen und den Zähnen Festigkeit zu verleihen und kann aufgrund seines vergleichsweise hohen Eisengehalts sehr gut zur Vorbeugung von Eisenmangel beitragen. Außer Samttamarinde (Dialium guineense) haben alle anderen Hülsenfrüchte einen sehr geringen Zuckergehalt und damit gut für Diabetiker geeignet. Sehr geringe Mengen an Cyanid [von 0 in verarbeitetem Mehl von Straucherbsen (Cajanus cajan), Samtbohnen (Mucuna pruriens) und Afrikanischer Johannisbrotbohne (Parkia biglobosa) bis zu 2,94 mg/100 g in Bambara-Erdnüssen (Vigna subterranea)] wurden aus dem freigesetzt Hülsenfrüchte Mehle. Werden die Hülsenfrüchte vor der Herstellung von Mehlen prozessiert (z.B. Kochen) kann die freisetzbare Cyanidmenge um 71-93% [Jackbohne (Canavalia ensiformis), Schwertbohne (Canavalia gladiata), Limabohne (Phaseolus lunatus) und Bambara-Erdnuss (Vigna subterranea)] reduziert werden. Für einen Teil der Leguminosen [Straucherbse (Cajanus cajan), Samtbohnen (Mucuna pruriens) und afrikanischer Johannisbrotbohne (Parkia biglobosa)] kann daraufhin in den Mehlen kein freisetzbares Cyanid mehr nachgeweisen werden. Die Ergebnisse weisen auf die Notwendigkeit hin, diese Hülsenfrüchte richtig zu verarbeiten, um die Cyanid vollständig zu beseitigen und eine langfristige Exposition von Zyaniden bei regelmäßigen Verzehr dieser Hülsenfrüchte zu vermeiden. Diese Studie lieferte auch quantitative Daten zum Isoflavongehalt der verarbeiteten Mehle von Straucherbse (Cajanus cajan), Afrikanischer Johannisbrotbohne (Parkia biglobosa) und Bambara-Erdnuss (Vigna subterranea). Die Mengen an daidzein, genistein, daidzin und genistin in den verarbeiteten Mehlen von Straucherbse (Cajanus cajan), Johannisbrot (Parkia biglobosa) und Bambara-Erdnuss (Vigna subterranea) sind im Vergleich zu denen in Sojabohnen sehr gering. Obwohl die biologischen Aktivitäten der wichtigsten Soja-Isoflavone (daidzein und genistein) sehr gut untersucht sind, ist über die Wirkung dieser Stoffklasse auf Männer und Frauen in Subsahara Afrika wenig bekannt. Daher kann über, die Wirkung der Isoflavone in dieser Bevölkrungsgruppe kein verlässliche Aussage getroffen werden. Quantitative Daten zum Rohprotein- und Stärkegehalt der Mehle von Schwertbohne (Canavalia gladiata), Afrikanischer Johannisbrot (Parkia biglobosa) und Bambara-Erdnuss (Vigna subterranea) zeigen, dass diese Hülsenfrüchte potenziell zur Vermeidung von Unterernährung (beispielsweise durch Proteinmangel) beitragen können. Es wird empfohlen, die Bioverfügbarkeit der Nährstoffe in den untersuchten Hülsenfruchtmehlen anhand von Tiermodellen zu bestimmen. Es besteht Bedarf an weiterer Forschung an diesen Hülsenfrüchten, um weitere Potenziale zu entdecken. Die richtige Nutzung dieser Hülsenfrüchte könnte nicht nur einen Beitrag zur gesunden Ernährung der ghanaischen Bevölkerung leisten, sondern darüber hinaus umweltpolitisch und wirtschaftlich von großem Nutzen sein.

Die photolytische Stickstoffabspaltung aus Azoalkanen vom DBH-Typ verläuft stereoselektiv unter bevorzugter Bildung des invertierten Hausans. Bei cyclopentenannelierten DBH-Derivaten kann die Selektivität in Abhängigkeit von den Brückenkopfsubstituenten auch umgekehrt sein. Bei der Photolyse von Azoalkan DBH-d2 zeigt sich, dass das Verhältnis von Inversions- zu von der Viskosität des Lösungsmittels abhängig ist. Die Viskosität wird sowohl durch Verwendung einer Serie von Alkoholen verschiedener Viskosität als auch durch Variation der Temperatur in n-Butanol geändert. Der Wert für die Photolyse in Acetonitril fügt sich in die Reihe der alkoholischen Solventien ein, womit eine Beteiligung von Wasserstoffbrücken ausgeschlossen ist. Der Viskositätseffekt ist mit einem schrittweisen Mechanismus der Stickstoffabspaltung vereinbar, der über ein unsymmetrisches Singulettdiazenyldiradikal verläuft. Die Abweichung der Viskositätprofile des kinv/kret-Verhältnisses für die Viskositätsänderung durch Lösungsmittel- und Temperaturvariation lässt einen kleinen aber messbaren Unterschied in der Aktivierungsenergie für den Inversions- und Retentionsprozess ableiten. Das kinv/kret-Verhältnis bei der Photolyse von DBH-d2 wird auch in Abhängigkeit vom Druck in superkritischem Ethan und Kohlendioxid untersucht, wofür zunächst eine spezielle Apparatur aufgebaut werden musste. Die Analyse der beobachteten Druckabhängigkeit im Hinblick auf Stoß- (Selbstdiffusionskoeffi-zient) und Reibungseffekte (Viskosität) lässt schließen, dass eine Behinderung des Inversionsprozesses durch Reibung mit Mediummolekülen die experimentellen Beobachtungen am besten erklärt. Dies entspricht den Beobachtungen in flüssiger Phase und bestätigt den Mechanismus. In einer vergleichenden Untersuchung der Photolyse (bei + 25 °C) von Azaolkan Ib und der thermischen (bei +25 °C) syn-zu-anti-Isomerisierung des entsprechenden Hausans IIb wird festgestellt, dass die kinv/kret-Verhältnisse bei der Photolyse des Azoalkans in einer Serie von Alkoholen und die Geschwindigkeitskonstanten kiso der Isomerisierung in der gleichen Reihe von Lösungsmitteln einer sehr ähnlichen Viskositätsabhängigkeit gehorchen. Daraus wird geschlossen, dass die Bewegung bei der Gerüstinversion in beiden Fällen durch Reibung mit Lösungsmittelmolekülen gehemmt und damit die Stereoselektivität bestimmt wird. Die Photolyse von DBH-d2 in Isooctan/Nujol-Gemischen zeigt die gleiche Viskositätsabhängigkeit des kinv/kret-Verhältnisses wie die in alkoholischen Medien. Aus dem Unterschied der absoluten kinv/kret-Werte der beiden Serien und durch die Verwendung weite-rer aprotischer Lösungsmittel wird eine Beeinflussung der Selektivität durch die "bulk" Polarität des Mediums festgestellt. Fazit: Durch die Untersuchung des Einflusses der Viskosität und Polarität des Lösungsmittels auf die Stereoselektivität bei der Photolyse von bicyclischen Azoalkanen und die thermi-sche Isomerisierung der entsprechenden Hausane wird das Auftreten eines Diazenyldiradi-kals als Schlüsselintermediat bestätigt und dynamische Effekte werden ausgeschlossen. Bei der Photolyse der cyclopentenannelierten Azoalkane Ic,d mit n-Propyl- und Acetoxy-methylsubstituenten an den Brückenkopfpositionen (Schema IV) entstehen unter Singulettbedingungen (direkte Photolyse bei höherer Temperatur) unter Retention hauptsächlich die anti-IIc,d Hausane. Unter Triplettbedingungen (direkte Photolyse bei tiefer Temperatur oder sensibilisierte Photolyse) wird das Inversionsprodukt syn-IIc,d bevorzugt. Die favorisierte Inversion beim Triplettweg wird mit der unsymmetrischen Natur der Brückenkopfsubstituenten n&#64979;Propyl und Acetoxymethyl bei der Rotation um die Brückenkopfposition des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal erklärt. Die rotationsunsymmetrischen Brückenkopfsubstituenten stehen in ihrer Konformation niedrigster Energie (AM1-Rechnungen) auf der gegenüberliegenden Seite des Diylrings als der annelierte Cyclopentenring. Nach ISC führt der Ringschluss aufgrund sterischer Wechselwirkungen zwischen den Brückenkopfsubstituenten und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke bevorzugt zum syn-Hausan. Beim Vergleich des Verhältnisses von Inversion zu Retention bei der Photolyse des ungesät-tigten und gesättigten Azoalkans Ie und If (Schema IV) zeigt sich, dass bei beiden Derivaten unter Singulettbedingungen das syn-Hausan in etwa gleichem Ausmaß entsteht. Unter Triplettbedingungen führt die Photolyse zum Retentionsprodukt anti-IIe,f als Hauptdiastereomer, aber mit einem beträchtlichen Unterschied im syn/anti-Hausan-Verhältnis für Ie (38 : 62) und If (6 : 94). Dieser signifikante Unterschied der anti-Stereoselektivität im Triplettweg wird mechanistisch durch weitreichende sterische Wechselwirkungen zwischen dem annelierten Ring und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke während des Ringschlusses nach ISC des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikals gedeutet. Im Gegensatz dazu ist die Denitrogenierung des intermediären Diazenyldiradikals Ie,f-1DZ (analog zu Ia-1DZ) im SH2-Prozess (Inversion) des Singulettwegs relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten zwischen den entfernten Substituenten. Fazit: Bei der Photolyse von fünfringannelierten Azoalkanen wirken sich kleinere strukturelle Variationen (rotationsunsymmetrische Brückenkopfsubstituenten oder die Hydrierung der Doppelbindung im annelierten Ring) vor allem im Triplettweg über sterische Wechselwirkungen im planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal auf das Verhältnis der entstehenden syn/anti-Hausane aus. Der SH2-Prozess im Singulettweg ist relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten. / The photolytic deazetation of DBH-type azoalkanes leads with stereoselective preference to the inverted housane. On cyclopentane annellation, the selectivity may also be of the reverse sense, which depends on bridgehead substitution. In the photolysis of azoalkane Ia a dependence of the ratio of inversion to retention product is observed on solvent viscosity. The viscosity is varied both by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature in n-butanol. The data for the photolysis in acetonitrile fit in well with those of the alcohols, which shows that hydrogen-bonding effects are not responsible for the observed viscosity dependence. The viscosity effect is consistent with a stepwise denitrogenation mechanism through an unsymmetrical singlet diazenyl diradical Ia-1DZ. The observed influence of the viscosity on the kinv/kret ratio is rationalized in terms of the free-volume model, where frictional effects between substrate molecule and the medium influence the product distribution. The differences in the viscosity profiles of kinv/kret by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature accounts for a small but measurable difference of the activation energies for the inversion and retention channels. Also the dependence of the kinv/kret ratio in the photolysis of DBH-d2 on pressure in supercritical ethane and carbon dioxide has been investigated. For this purpose, a special apparatus had to be designed to measure the kinv/kret ratio in the pressure range from 40 to 200 bar. Analysis of the observed pressure dependence in terms of collisional (self-diffusion coefficient) and frictional effects discloses that the latter impositions by the supercritical medium account best for the experimental observations. This is consistent with the results in the liquid phase and confirms the mechanism. In a comparative study of the photolysis (at + 25 °C) of the azoalkane Ib and the thermal (at +25 °C) syn-to-anti isomeriza-tion of the corresponding housane IIb it has been found that the kinv/kret ratios for the azoalkane photolysis and the rate constants kiso of isomerization in the same set of alcohol solvents follow a similar viscosity dependence. From this it is concluded that in both cases the skeletal inversion is inhibited by friction with solvent molecules, which determines the stereoselectivity. Since the intervention of non-statistical species may be excluded in the thermal isomerization, the similar dependence discloses that dynamic effects do not play a significant role in the photolysis. The photolysis of DBH-d2 in isooc-tane/nujol-mixtures shows the same viscosity dependence of the kinv/kret ratios as in alcohols. The observed difference in the absolute kinv/kret values for both series and the use of additional aprotic solvents indi-cates the influence of bulk polarity. Conclusion: The influence of viscosity and bulk polarity of the solvent on the stereoselectivity in the photolysis of bicyclic azoalkanes and on the thermal isomerization of the corresponding housanes confirms the intervention of a diazenyl diradical as key intermedi-ate, whereas dynamic effects are unlikely. In the singlet photolysis (direct photolysis at elevated temperature) of the cyclopentene-annellated azoalkanes Ic,d with n-propyl and acetoxymethyl substituents at the bridgehead positions, mainly the anti-IIc,d housanes are formed with retention. Under triplet conditions (direct low-temperature photolysis or sensitized photolysis) the inversion product syn-IIc,d is preferred. The favored inversion in the triplet pathway is rationalized in terms of the unsymmetric nature of the n&#64979;propyl and acetoxymethyl substituents on their rotation about the bridgehead position in the planar cyclopentane-1,3-diyl triplet diradical. In their lowest-energy conformation (AM1 calculation), the rotationally unsymmetric bridgehead substituents orient themselves towards the opposite side to the annellated cyclopentene ring such that after ISC, the ring closure leads preferably to the syn housane. The steric repulsion between the bridgehead substituents and the gem-dimethyl-substituted methylene bridge are responsible for this directing effect. The comparison of the inversion/retention ratio in the photolysis of the unsaturated and satu-rated azoalkanes Ie and If shows that in both cases the syn housane is formed in about the same amount under singlet conditions. In contrast, under triplet conditions the photolysis leads to the retained product anti-IIe,f as major isomer, but with a substantial difference in the syn/anti-housane ratio for Ie (38 : 62) and If (6 : 94). This significant difference of anti stereoselectivity in the triplet pathway is interpreted mechanistically in terms of long-range steric interactions between the annellated cyclopentane ring and the gem-dimethylsubstituted methylene bridge during the ring closure of the planar cyclopentane-1,3 diyl diradical after ISC. In contrast, the denitrogenation of the intermediary singlet diazenyl diradical Ie,f-1DZ (analogous to Ia-1DZ) is quite insensitive to such remote steric effects in the SH2 process (Inversion). Conclusion: In the photolysis of azoalkanes with an annellated five-membered ring, small structural variations (rotationally unsymmetric bridgehead substituents or saturation of the double bond in the annellated ring) show pronounced effects on the syn/anti ratio of hou-sanes mainly in the triplet pathway due to steric interactions. Such steric effects are of minor consequence in the SH2 process for the singlet pathway.

Muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) are involved in signal transmission at the synapses of the parasympathetic nervous system. The five subtypes of mAChRs regulate various body functions such as heart function, gland secretion, memory, and learning. For the development of drugs with the least side-effects possible, the molecular causes of subtype selectivity and signalling bias are under investigation. In this context, the study of dualsteric ligands binding simultaneously to the orthosteric and the allosteric binding sites of the receptor is of high interest. To date, dualsteric ligands were synthesised as hybrids of full agonists or superagonists being the orthosteric element, linked to known subtype selective allosteric fragments. In this work, the existing library was expanded to hybrid ligands based on the partial agonist pilocarpine. A suitable linker attachment point to pilocarpine was investigated. For this aim, pilocarpine (2), isopilocarpine (15), pilosinine (16) and desmethyl pilosinine (35) were synthesised as orthosteric ligands and orthosteric fragments for the construction of the hybrid molecules (Figure 42). Pilocarpine was liberated from the commercial hydrochloride or nitrate salt and isopilocarpine was generated by epimerisation of pilocarpine. Pilosinine was synthesised in a Michael addition reaction of a dithiane carrying the imidazole moiety 82 onto the lactone precursor furan-2(5H)-one (83) followed by complete deprotection (Figure 43a).[133] The desmethyl pilosinine (35) was obtained in a newly developed synthetic route based on a Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) reaction to build the methylene bridge between the imidazole aldehyde and the precursor of the lactone moiety 57 (Figure 43b). All four orthosters were converted to the respective dualsteric compounds with a naphmethonium fragment as allosteric moiety. The four orthosteric fragments and the four hybrid molecules with a linker length of six methylene units were tested for their dose dependent G protein recruitment at the receptor subtypes M1–5 using a mini-G nanoBRET assay. The study of the orthosteric ligands revealed that pilocarpine has the highest ability of all four orthosters to induce activity at all receptor subtypes. A change of the cis- to a trans-configuration of the lactone substituents or a complete removal of the ethyl substituent provoked a significant reduction of activity. Removal of the methyl substituent of the imidazole moiety led to improved receptor activation. The efficacies of the hybrid ligands show that the linker attachment at the imidazole moiety of pilocarpine and its analogues does not abolish activity and hybrid formation of isopilocarpine even improved receptor activation. Thus, the linker attachment point seems a valid choice, but linker length might not be optimum. In contrast to the orthosters, the trans-substitution of the lactone was advantageous for receptor activation of the hybrid ligands. The hybrid without a methyl substituent at the imidazole (69) had an increased efficacy. Additionally, the naphmethonium fragment lowered the maximum effect of pilocarpine, whereas the activity of isopilocarpine was increased. The intensity of both effects was influenced by the subtype selectivity produced by naphmethonium leading, in the case of the pilocarpine hybrid, to less decreased responses or, in the case of the isopilocarpine hybrid, to more increased responses at the M2 and M4 receptors. The results generally lead to the assumption that the allosteric moiety strongly influences the binding poses of the hybrid ligands so that the orthosteric fragments do not interact with the binding site in the same way as the orthosters alone. A second project was based on molecular dynamics simulations of the binding pose of pilocarpine,[73] leading to the hypothesis that the partial agonism of pilocarpine results from an equilibrium between an agonistic and an antagonistic binding pose at the orthosteric binding site of the receptor. The ratio of occupancy of both binding poses determines the observed efficacy of pilocarpine. The orthosteric binding site provides more space for the ethyl substituent in the supposed antagonistic pose than in the agonistic binding pose. This hypothesis was tested by the synthesis and pharmacological evaluation of pilocarpine analogues with alkyl substituents of different sizes at the lactone (16, 31a, c, d) (Figure 44). The analogues with larger alkyl residues are expected to shift the equilibrium towards the antagonistic binding pose, the analogues with smaller residues should have the inverse effect. The synthesis of the pilocarpine analogues was first attempted as a mixture of stereoisomers which were supposed to be separated at the end of the synthetic route. The racemic mixture of the thermodynamically more stable trans-isomers of the target compounds was prepared in a one-pot Michael-addition–alkylation reaction of a dithiane imidazole onto furan-2(5H)-one similarly to the synthesis of pilosinine (Figure 45). The resulting enolate was quenched by an iodoalkane to achieve alkylation of the lactone and subsequent complete deprotection yielded the racemic trans-analogues of pilocarpine.[133] After unsuccessful attempts of chiral resolution, the mixture of trans-isomers was converted to a mixture of all four possible diastereomers in a kinetic epimerisation reaction.[95] A separation of the stereoisomers was not possible in this project so only the racemic molecule 16 (pilosinine, R = H) was obtained from this synthetic route. For the selective synthesis of the cis-isomers following a patent from Reimann,[146] both stereocenters of the target molecules were produced in the last synthetic step by a syn-hydrogenation of the α,β-unsaturated precursor (Figure 46). The racemic pilocarpine analogues, except the butyl derivative (31d), were purified by crystallisation as their nitrate salts. This provided the racemic mixtures with less than 8% of the trans-isomers as impurity. The racemic pilocarpine (2), itself, was obtained with 15% trans-impurity and was used as reference compound. Additionally, the possibility of chiral resolution by chromatographic methods was demonstrated in the case of the methyl derivative (31a). The pharmacological testing of the desired enantiomer of 31a is in progress. / Muskarinische Acetylcholinreceptoren (mAChRs) sind in den Synapsen des parasympathischen Nervensystems an der Signalübertragung beteiligt. Die fünf Subtypen der mAChRs regulieren verschiedenste Körperfunktionen, wie z.B. die Herzfunktion, die Sekretbildung, das Gedächtnis und Lernprozesse. Zur Entwicklung möglichst nebenwirkungsarmer Wirkstoffe werden die Ursachen von Subtypen- und Signalwegselektivität auf molekularer Ebene erforscht. Ein wichtiger Ansatz hierfür ist die Verwendung von dualsteren Hybridliganden, die gleichzeitig an die orthostere und die allostere Bindungsstelle des Rezeptors binden. Bisher wurden Vollagonisten und Superagonisten als orthostere Fragmente in Kombination mit bekannten subtypenselektiven allosteren Fragmenten zum Aufbau von Hybridliganden verwendet. In dieser Arbeit wurde die vorhandene Bibliothek um den Partialagonisten Pilocarpin erweitert. Dazu sollte eine geeignete Verknüpfungsstelle von Pilocarpin mit dem Linker gefunden werden. Hierzu wurden Pilocarpin (2), Isopilocarpin (15), Pilosinin (16) und Desmethylpilosinin (35) als orthostere Liganden und orthostere Fragmente für den Aufbau der Hybridliganden verwendet (Abbildung 47). Pilocarpin wurde aus dem kommerziell erhältlichen Hydrochlorid oder Nitratsalz freigesetzt und Isopilocarpin durch Epimerisierung von Pilocarpin erhalten. Pilosinin wurde in einer Michael-Additions-Reaktion eines Imidazoldithians 82 an Furan-2(5H)-on (83) gefolgt von vollständiger Entschützung mit Raney-Nickel hergestellt (Abbildung 48a).[133] Das Desmethylpilosinin (35) entstand in einer im Zuge dieser Arbeit neu entwickelten Synthese basierend auf einer Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (HWE-Reaktion) zum Aufbau der Methylenbrücke zwischen Imidazol und Lakton (Abbildung 48b). Alle vier Orthostere wurden zu den entsprechenden dualsteren Molekülen mit einem Naphmethoniumfragment als allostere Einheit umgesetzt. Die vier orthosteren Liganden und die vier Hybridmoleküle mit einer Linkerlänge von sechs CH2-Gruppen wurden in einem mini-G nanoBRET Assay zur Bestimmung der dosisabhängigen G-Protein-Rekrutierung an den Rezeptorsubtypen M1 bis M5 getestet. Bei der Untersuchung der orthosteren Liganden zeigte sich, dass Pilocarpin von allen Orthosteren alle Rezeptorsubtypen am besten aktivieren konnte. Eine Änderung der cis- zu einer trans-Konfiguration der Laktonsubstituenten oder ein Entfernen der Ethylgruppe hatte signifikante Aktivitätsverluste zur Folge. Ein Entfernen des Methylsubstituenten des Imidazolrings führte zu einer verbesserten Rezeptoraktivierung. Die Aktivität der Hybridliganden belegt, dass eine Verknüpfung des Linkers mit dem Imidazol nicht zu einem kompletten Aktivitätsverlust führt und eine Hybridbildung mit Isopilocarpin die Aktivität sogar verbessert. Deshalb erscheint die Verknüpfungsstelle des Linkers sinnvoll gewählt zu sein, aber die Linkerlänge entsprach möglicherweise noch nicht dem Optimum. Bei den Hybridliganden war im Gegensatz zu den Orthosteren eine trans-Substitution des Lactonrings für die Rezeptoraktivierung von Vorteil. Zudem resultiert ein Verzicht auf den Methylsubstituenten des Imidazols in einer Steigerung des maximalen Effekts. Außerdem zeigte sich eine Verringerung der Aktivität von Pilocarpin durch die Verknüpfung mit dem Naphmethoniumfragment, jedoch eine Aktivitätssteigerung im Zusammenspiel des Allosters mit Isopilocarpin. Beide Effekte wurden in ihrer Intensität durch die Subtypenselektivität von Naphmethonium geprägt. So war die Aktivität des Pilocarpinhybrids an den Rezeptoren M2 und M4 weniger reduziert als an den übrigen Rezeptorsubtypen sowie die Aktivitätssteigerung der Isopilocarpinhybride an M2 und M4 am stärksten ausgeprägt. Insgesamt ergibt sich die Vermutung, dass das allostere Fragment die Bindungspose der Hybridliganden maßgeblich beeinflusst, sodass die Orthostere in einer veränderten Weise mit der orthosteren Bindungsstelle wechselwirken. Ein zweites Projekt basierte auf molekulardynamischen Computersimulationen zur Bindungspose von Pilocarpin.[73] Die Ergebnisse lassen vermuten, dass der Partialagonismus von Pilocarpin dadurch erklärt werden kann, dass Pilocarpin in einem Gleichgewicht zwischen einer agonistischen und einer antagonistischen Bindungspose an der orthosteren Bindungsstelle des Rezeptors gebunden ist. Das Verhältnis zwischen beiden Bindungsposen bestimmt den beobachteten Maximaleffekt. Da dem Ethylrest des Pilocarpins in der vermuteten antagonistischen Bindungspose mehr Raum zur Verfügung steht als in der agonistischen Bindungspose, sollte diese Hypothese experimentell durch Synthese und pharmakologische Untersuchung von Pilocarpinanaloga mit veränderter Raumfüllung des Alkylsubstituenten am Lakton (16, 31a, c, d) überprüft werden (Abbildung 49). Die Erwartung war, dass die Analoga mit größerem Alkylrest das Gleichgewicht zwischen den Bindungsposen zu Gunsten der antagonistischen Pose verschieben. Die kleineren Reste sollten das Gegenteil bewirken. Die Synthese der Pilocarpinanaloga sollte zunächst als Gemisch der Stereoisomere erfolgen, um diese am Ende der Syntheseroute voneinander zu trennen. Die thermodynamisch stabileren trans-Isomere der Pilocarpinanaloga wurden in einer Eintopf-Michael-Addition-Alkylierungs-Reaktion analog zur Synthese von Desmethylpilosinin hergestellt (Abbildung 50).[133] Nach vergeblichen Versuchen der Racematspaltung wurden die racemischen Mischungen der trans-Isomere einer kinetischen Epimerisierungsreaktion[95] unterzogen, um die gewünschten cis-Isomere herzustellen. Dadurch wurde jeweils ein Gemisch aller vier möglichen Stereoisomere erhalten. Eine Auftrennung war in diesem Projekt nicht möglich. Aus diesem Grund konnte nur das Analogon 16 (Pilosinin, R = H) als Racemat aus dieser Syntheseroute erhalten werden. Zur selektiven Synthese der cis-Isomere wurden, nach einem Patent von Reimann,[146] beide Stereozentren der Zielmoleküle im letzten Reaktionsschritt durch die heterogenkatalytische syn-Hydrierung der α,β-ungesättigten Vorstufe erzeugt (Abbildung 51). Die racemischen Pilocarpinanaloga mit Ausnahme des Butylderivats (31d) konnten anschließend durch Kristallisation als Nitratsalz aufgereinigt werden und wurden als Racemate mit einer Verunreinigung durch die trans-Isomere von nicht mehr als 8% erhalten. Das racemische Pilocarpin (2) wurde mit einem Anteil von 15% der trans-Isomere zur Verwendung als Referenzsubstanz hergestellt. Zudem wurde die Möglichkeit einer Racematspaltung durch chromatographische Methoden anhand des Methylderivats (31a) demonstriert. Die pharmakologische Testung des gewünschten Enantiomers von 31a ist in Arbeit.

The first is via direct dissociation and the second likely involves a barrier slowing down dissociation. Chlorine-containing hydrocarbons pose a great risk for the environment and especially for the atmosphere. In this thesis I present the photodissociation dynamics of multiple chlorine-containing molecules. The method of velocity map imaging was utilized for gaining information on the kinetic energy distribution of the fragments generated in the photodissociation reactions. First, the photodissociation of benzoyl chloride after excitation to the S1, S2 and the S3 state between 279 nm and 237 nm was studied. This stable molecule was an ideal candidate for demonstrating a new ionization scheme for chlorine atoms. It was shown that benzoyl chloride dissociates statistically from the ground state. Afterwards, the results from experiments on the radicals trichloromethyl and dichlorocarbene are presented in the range of 230 to 250 nm. These radicals remain after the dissociation of carbon tetrachloride and have not been studied in detail because of their instability. Trichlormethyl dissociates via two paths: The loss of a chlorine atom to dichlorocarbene and by decaying to CCl and a chlorine molecule. The dissociation to dichlorocarbene involves a barrier. If the photon exciting the molecule has enough energy to surpass the barrier, which is the case starting at around 235 nm, trichlormethyl dissociates rapidly resulting in an anisotropic VMI. However, if the the excitation energy is lower, the dissociation takes longer than a rotational period and the anisotropy is lost.The path to CCl is a statistical dissociation. Dichlorocarbene dissociates to CCl and Cl via to separate channels. The first is via direct dissociation and the second likely involves a barrier slowing down dissociation. / Kohlenwasserstoffe, die Chlor enthalten, stellen ein erhebliches Risiko für die Umwelt, insbesondere für die Atmosphäre, da. In dieser Arbeit werden die Photodissoziationsdynamiken mehrerer chlorhaltiger Moleküle beleuchtet. Dabei wurde Velocity-Map-Imaging eingesetzt, um die kinetischen Energieverteilungen der Fragmente, die in den Photodissoziationsreaktionen entstehen, zu ermitteln. Als erstes wird die Photodissoziation von Benzoylchlorid nach Anregung in den S1, S2 und S3 zustand zwischen 279 nm und 237 nm vorgestellt. Dieses Stabile Molekül diente der Demonstration eines neuen Ionisationsweges für Chloratome. Es wurde gezeigt, dass Benzoylchlorid statistisch aus dem Grundzustand zerfällt. Danach werden die Ergebnisse von Studien zu den Radikalen Trichlormethyl und Dichlorcarben vorgestellt, die in zwischen 230 und 250 nm angeregt wurden. Diese Radikale bleiben nach dem Zerfall von Tetrachlorkohlenstoff übrig und wurden wegen ihrer Instabilität bisher nur wenig studiert. Trichlormethyl verfällt über zwei Pfade: Die Abgabe von einem Chloratom zu Dichlorcarben und durch den Zerfall zu CCl und einem Chlormolekül. Der Zerfall zu Dichlorcarben erfolgt über eine Barriere. Wenn die Anregungsenergie ausreicht, was etwa ab 235 nm der Fall ist, zerfällt Trichlormethyl schnell und ein anisotropes VMI ist sichtbar. Ist die Anregungsenergie jedoch niedriger, dauert die Dissoziation länger als die Rotationsperiode von Trichlormethyl und die Anisotropie geht verloren. Der Pfad zu CCl ist eine statistische Dissoziaton. Dichlorocarbene zerfällt zu CCl und Cl über zwei verschiedene Kanäle. Der Erste ist eine direkte Dissoziaton während der Zweite mit hoher Wahrscheinlichkeit über eine Barriere erfolgt, die die Dissoziation bremst.

Synthetic bone replacement materials have their application in non-load bearing defects with the function of (re-)construction or substitution of bone. This tissue itself represents a biological composite material based on mineralized collagen fibrils and combines the mechanical strength of the mineral with the ductility of the organic matrix. By mimicking these outstanding properties with polymer-cement-composites, an imitation of bone is feasible. A promising approach for such replacement materials are dual setting systems, which are generated by dissolution-precipitation reaction with cement setting in parallel to polymerization and gelation of the organic phase forming a coherent hydrogel network. Hereby, the high brittleness of the pure inorganic network was shifted to a more ductile and elastic behavior. The aim of this thesis was focused on the development of different dual setting systems to modify pure calcium phosphate cements’ (CPCs’) mechanical performance by incorporation of a hydrogel matrix. A dual setting system based on hydroxyapatite (HA) and cross-linked 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) via radical polymerization was advanced by homogenous incorporation of a degradable cross-linker composed of poly(ethylene glycol) (PEG) as well as poly(lactic acid) (PLA) with reactive terminal methacrylate functionalities (PEG-PLLA-DMA). By integration of this high molecular weight structure in the HEMA-hydrogel network, a significant increase in energy absorption (toughness) under 4-point bending testing was observed. An addition of only 10 wt% hydrogel precursor (referred to the liquid phase) resulted in a duplication of stress over a period of 8 days. Additionally, the calculated elasticity was positively affected and up to six times higher compared to pure HA. With a constantly applied force during compressive strength testing, a deformation and thus strain levels of about 10 % were reached immediately after preparation. For higher degradability, the system was modified in a second approach regarding organic as well as inorganic phase. The latter component was changed by brushite forming cement that is resorbable in vivo due to solubility processes. This CPC was combined with a hydrogel based on PEG-PLLA-DMA and other dimethacrylated PEGs with different molecular weights and concentrations. Hereby, new reaction conditions were created including a shift to acidic conditions. On this ground, the challenge was to find a new radical initiator system. Suitable candidates were ascorbic acid and hydrogen peroxide. that started the polymerization and successful gelation in this environment. These highly flexible dual set composites showed a very high ductility with an overall low strength compared to HA-based models. After removal of the applied force during compressive strength testing, a complete shape recovery was observed for the samples containing the highest polymeric amount (50 wt%) of PEG-PLLA-DMA. Regarding phase distribution in the constructs, a homogenously incorporated hydrogel network was demonstrated in a decalcifying study with ethylenediaminetetraacetic acid. Intact, coherent hydrogels remained after dissolution of the inorganic phase via calcium ion complexation. In a third approach, the synthetic hydrogel matrix of the previously described system was replaced by the natural biopolymer gelatin. Simultaneously to brushite formation, physical as well as chemical cross-linking by the compound genipin was performed in the dual setting materials. Thanks to the incorporation of gelatin, elasticity increased significantly, in which concentrations up to 10.0 w/v% resulted in a certain cohesion of samples after compressive strength testing. They did not dissociate in little pieces but remained intact cuboid specimens though having cracks or fissures. Furthermore, the drug release of two active pharmaceutical ingredients (vancomycin and rifampicin) was investigated over a time frame of 5 weeks. The release exponent was determined according to Korsmeyer-Peppas with n = 0.5 which corresponds to the drug liberation model of Higuchi. A sustained release was observed for the antibiotic vancomycin encapsulated in composites with a gelatin concentration of 10.0 w/v% and a powder-to-liquid ratio of 2.5 g/mL. With respect to these developments of different dual setting systems, three novel approaches were successfully established by polymerization of monomers and cross-linking of precursors forming an incorporated, homogenous hydrogel matrix in a calcium phosphate network. All studies showed an essential transfer of mechanical performance in direction of flexibility and bendability. / Synthetische Knochenersatzmaterialien finden ihre Anwendung im Bereich nicht lasttragender Defekte zum Wiederaufbau und Ersatz von defekter oder verlorener Knochensubstanz. Diese stellt aufgrund ihres Aufbaus aus mineralisierten Kollagen-Fibrillen selbst ein biologisches Komposit-Material dar, welches die mechanische Festigkeit des Minerals mit der Duktilität der organischen Matrix kombiniert. Eine Nachahmung dieser herausragenden Eigenschaften des Knochens wird im Sinne eines Ersatzmaterials durch geeignete Polymer-Zement-Komposite ermöglicht. Ein vielversprechender Ansatz für solche Komposite sind hierbei dual härtende Systeme, bei denen die Lösungs-Fällungs-Reaktion der Zementbildung parallel zur Polymerisation oder Gelierung der organischen Phase zu einem kohärenten Hydrogelnetzwerk abläuft. Die hohe Sprödigkeit und Bruchanfälligkeit rein anorganischer Netzwerke sollte dabei durch die Integration elastischer Polymerkomponenten hin zu mehr Flexibilität und Elastizität modifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene dual härtende Hybrid-Materialien entwickelt, um etablierte Calciumphosphatzemente durch Einbringen von zusätzlicher Hydrogel-Matrizes bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. In ein dual härtendes System aus Hydroxylapatit (HA) und radikalisch vernetztem 2-Hydroxyethlymethacrylat (HEMA), wurde ein abbaubarer Cross-linker aus Polyethylenglykol (PEG) und Polymilchsäure (PLA)-Einheiten homogen inkorporiert, der mittels einer Reaktion der terminalen Methacrylatfunktionen (PEG-PLLA-DMA) zur Ausbildung der Vernetzungen führte und mittels PLLA hydrolytisch labile Esterbindungen ins System integrierte. Durch Einbringen dieser hochmolekularen Polymere in das engmaschige HEMA-Hydrogelnetzwerk kam es zu einer signifikanten Erhöhung der Energieaufnahme des Konstruktes unter 4-Punkt-Biegebelastung im Vergleich zum bereits etablierten System. Durch Zusatz von 10 Gew% hochmolekularem Hydrogel Präkursor (bezogen auf die flüssige Phase) konnte über einen Zeitraum von acht Tagen ein zweifach höherer Bruchwiderstand erhalten werden, verbunden mit einer bis zu sechsfach höheren Elastizität gegenüber reinem HA Zement. Zur Steigerung der Bioabbaubarkeit wurde in einem zweiten Ansatz durch Austausch der anorganischen Komponente mit einem in vivo leichter resorbierbaren Bruschit Zement das dual härtende System modifiziert. Dabei wurden dimethacrylierte PEGs verschiedener Molekulargewichte in unterschiedlichen Konzentrationen mit dem Zementpulver kombiniert. Die Reaktionsbedingungen im sauren Milieu erforderten den Austausch des radikalischen Initiator-Systems, wobei sich eine Kombination aus Ascorbinsäure und Wasserstoffperoxid als geeignet erwies. Die so erhaltenen dual härtenden Komposite zeigten eine sehr hohe Duktilität und Flexibilität bei insgesamt niedriger Festigkeit im Vergleich zu HA-basierenden Systemen. So fand im Druckversuch eine vollständige Relaxation zu den Ausgangsabmessungen des Prüfkörpers bei einem hohen Polymeranteil an PEG-PLLA-DMA (50 Gew%) statt. Die homogene Verteilung der inkorporierten Polymerphase wurde mittels Decalcifizierung durch Ethylendiamintetraessigsäure bewiesen. Hierbei wurden durchgängige Hydrogele nach Herauslösen der anorganischen Phase durch Komplexierung von Calcium-Ionen erhalten. Abschließend wurde die auf synthetischen Polymeren basierende Hydrogel-Matrix durch das natürliche Biopolymer Gelatine ersetzt. Neben der Bruschit-bildenden Zement-Reaktion wurde das Polymernetzwerk sowohl durch eine physikalische Gelierung als auch eine chemische Vernetzung mit Genipin stabilisiert. Durch die zusätzliche organische Phase wurden die Eigenschaften des Zementes hinsichtlich Elastizität erhöht, wobei bei einer Gelatine-Konzentration von 10,0 Gew% eine erneute Kohäsion der Prüfkörper nach mechanischer Druckbelastung beobachtet werden konnte. Diese zerfielen nicht in einzelne Teile, sondern wurden trotz Auftreten von Rissen als weitestgehend intakte Quader zusammengehalten. Weiterhin wurde die Wirkstoff-Freisetzung zweier antibiotisch aktiver Substanzen (Vancomycin und Rifampicin) über einen Zeitraum von fünf Wochen untersucht. Mittels Bestimmung des Freisetzungsexponenten nach Korsmeyer-Peppas konnte eine verzögerte Wirkstoffliberation für das Antibiotikum Vancomycin gemäß Wurzel-t-Kinetik (Higuchi-Modell) mit n = 0,5 für ein Pulverflüssigkeitsverhältnis von 2,5 g/mL bei einer Gelatinekonzentration von 10,0 Gew% erhalten werden. Im Hinblick auf die Entwicklung verschiedener Formulierungen als dual härtende Systeme wurden in der vorliegenden Arbeit drei Varianten etabliert, die durch Polymerisation von Monomeren beziehungsweise Hydrogel-Präkursoren zu einer inkorporierten, homogenen Hydrogel-Matrix im Calciumphosphatnetzwerk führten. Bei allen Ansätzen wurde ein wesentlicher Transfer der mechanischen Eigenschaften in Richtung Flexibilität und Biegsamkeit erzielt.

In the „Position Paper of the Division of Clinical Pharmacy of the German Pharmaceutical Society (DPhG)” clinical pharmacy is defined as the science and practice of the rational use of drugs1, which includes the individualization of drug therapy. Clinical pharmacists therefore need a profound knowledge of the pharmacokinetic properties of relevant drugs, and clinical factors that are influencing these properties. Against the background of individualizing drug therapy, pharmacokinetic and clinical factors are studied in this thesis. In order to obtain an overview of the existing data on the pharmacokinetics of imipenem / cilastatin and meropenem in critically ill patients, a literature review for each of these carbapenem antibiotics was performed. These reviews included studies in critically ill patients as well as studies in healthy volunteers. While the reported results of studies in healthy volunteers had a small variability, studies in critically ill patients show significant differences in the resulting pharmacokinetics. These differences were not only between, but also within these studies, resulting in a high variability of the pharmacokinetic parameters of the carbapenems in critically ill patients. Furthermore, the results of studies in critically ill patients indicate that clinical factors and in particular renal function have different effects on the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin. A therapeutic drug monitoring (TDM) program for antibiotics was initiated in an intensive care unit. The calculation of the pharmacokinetics of imipenem / cilastatin and meropenem was carried out with a population pharmacokinetic approach (POP-PK) and in addition with a non-compartmental approach (NCA). The POP-PK analysis showed that the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin could be described adequately with a 1-compartment model. The resulting mean total body clearance (CL) of imipenem and cilastatin was 11.6 L/h (4.24 to 27.5) and 6.14 L/h (0.520 to 26.6 L/h). The nonrenal clearance was estimated to be 5.30 L / h (24.9% CV) for imipenem and 0.138 L / h (33.3% CV) for cilastatin. The results of the NCA were in good agreement with the results of the POP-PK approach, as the NCA resulted in an imipenem clearance of 15.5 ± 7.3 L / hr and cilastatin clearance of 10.1 ± 9.9 L / h. The individual clearances resulting from the different pharmacokinetic approaches were in good correlation showing correlation coefficients (r) of 0.882 (p <0.001) and 0.908 (p <0.001) for imipenem and cilastatin. In summary, this study identified and quantified significant differences between the individual clearance mechanisms of imipenem and cilastatin. This is particularly true for patients with impaired renal function and sepsis. As imipenem / cilastatin is only available in a fixed dose combination, those patients might be treated inadequately with this combination. The great variability in the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin in septic patients underscores the importance of a TDM program of both substances. For meropenem, a PK/PD model was developed that predicts the concentration gradients of meropenem, serum creatinine, C-reactive protein and procalcitonin simultaneously. A non-linear relationship between the clearance of creatinine and meropenem was identified and the resulting equation for the calculation of the total body clearance of meropenem (for a 70 kg patient) was: 0.480 L/h + 9.86 L/h. (CLCR/6L/h)0.593, with 0.480 L/h representing the nonrenal clearance of meropenem. The resulting mean meropenem clearance of the NCA was 11.9 ± 8.7 L/h. The individual clearances resulting from the different pharmacokinetic approaches were poorly correlated showing a correlation coefficient (r) of 0.502 (p <0.001). In summary, this study showed a non-linear relationship of meropenem clearance and creatinine clearance. The model shows that the renal function may change rapidly and to a significant extent in patients with sepsis and septic shock, which in turn, underscores that creatinine concentrations are not in steady state in these patients. Conversely, dose adjustment based on creatinine values might lead to inappropriate therapy. This underlines the importance of a TDM program for meropenem in critically ill patients. The two most important considerations when choosing an antibiotic for the prophylaxis of postoperative bone infections are its activity against the whole spectrum of bacteria, which might be involved in bone infections, and its ability to penetrate bone tissue and thus to achieve concentrations above the minimum inhibitory concentration (MIC) of the corresponding pathogens. In order to gain information on this data, a study was conducted which investigated the pharmacokinetics of ampicillin / sulbactam in plasma, cortical and cancellous bone. Pharmacokinetic parameters in plasma were determined using NCA. The bone penetration represents the ratio of the concentration in the bone tissue to plasma concentration at the time of bone removal. The resulting half-life of ampicillin and sulbactam in plasma was 1.60  0.37 h and 1.70  0.42 h. The elimination of both substances was in a good correlation with creatinine clearance and resulted in correlation coefficients (r) of 0.729 (p = 0.003) for ampicillin and 0.699 (p = 0.005) for sulbactam. The mean clearance and the mean volume of distribution of ampicillin and sulbactam were 10.7  3.9 and 10.3  3.3 L/h, and 23.9  7.9 and 24.3  6.8 L. The mean concentrations of ampicillin in the cortical and cancellous bone were 6.60  4.22 and 10.15  7.40 µg/g, resulting in bone penetration ratios of 9.1  5.7 and 16.2  16.9 %. For sulbactam the corresponding concentrations were 3.91  2.52 and 5.73  4.20 µg/g, resulting in bone penetration ratios of 10.6  6.3 and 17.5  16.1 %. In summary, this study shows that the bone penetration of both substances is on average rather unsatisfactory and has a high variability, which can lead to inadequate bone concentrations for the prophylaxis of bone infections. One factor that could be identified for the penetration of both substances into cancellous bone was the period between the application of the drug and the removal of the bone. Therefore, a time interval between the administration of the antibiotic and the incision should be considered. Immunosuppression is a risk factor for the development of various malignancies, including hematologic diseases. While the relationship between the use of immunosuppressive therapy with methotrexate and the development of an Epstein-Barr virus (EBV) associated lymphoproliferative disease (LPD) has been well established, this connection is less evident for immunosuppressive therapy with azathioprine. The patient presented by us was immunosuppressed with azathioprine for autoimmune hepatitis. The development of an EBV-associated Hodgkin-like lymphoma under this immunosuppressive therapy and especially the regression of the lymphoma after cessation of azathioprine confirms the relationship between this immunosuppressant, EBV-infection and the development of Hodgkin-like lymphoma. Therefore, albeit in rare cases, azathioprine-related lymphomas may respond to mere cessation of immunosuppressive therapy without need for chemotherapy. Apart from viral infections, drugs are a major cause of acute liver failure. Due to the lack of specific symptoms or tests, it is difficult to diagnose a drug-induced liver injury. We report a case of a young patient in whom different antibiotics, the analgesic and antipyretic acetaminophen or a combination of these drugs may have led to DILI resulting in life-threatening ALF. Based on this case report, we describe a procedure to exclude non-drug related causes and discuss the hepatotoxic potential of the involved drugs in this case. / Im Positionspapier der Fachgruppe für Klinische Pharmazie der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft (DPhG) wird Klinische Pharmazie als Wissenschaft und Praxis vom rationalen Arzneimitteleinsatz definiert1. Dies schließt auch die Therapie- und Dosisindividualisierung ein. Grundlage hierzu sind profunde Kenntnisse insbesondere der pharmakokinetischen Eigenschaften eines Arzneimittels, sowie klinischer Faktoren, welche diese beeinflussen. In dieser Dissertation werden pharmakokinetische und klinische Einflussfaktoren untersucht, welche als Entscheidungsgrundlage für eine Dosis- und Therapie- Individualisierung dienen können. Um einen Überblick über bereits existierende Daten zur Pharmakokinetik der Carbapenem-Antibiotika Imipenem / Cilastatin und Meropenem bei kritisch kranken Patienten zu erhalten, wurde für beide Carbapeneme eine Literaturübersicht erstellt, welche sowohl Studien an kritisch kranken Patienten, als auch an gesunden Probanden einbezieht. Während die Studien an gesunden Probanden zu relativ ähnlichen Ergebnissen bei den pharmakokinetischen Parametern führten, ergaben die Studien an kritisch kranken Patienten zum Teil erhebliche Unterschiede in der resultierenden Pharmakokinetik. Diese Unterschiede zeigten sich nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb der Studien, was in einer hohen Variabilität der pharmakokinetischen Parameter bei kritisch kranken Patienten resultierte. Des Weiteren deuten die Ergebnisse der Studien an Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion darauf hin, dass klinische Faktoren wie insbesondere die Nierenfunktion, einen unterschiedlichen Einfluss auf die Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin haben, welche ausschließlich in fixer Kombination verabreicht werden. Im Folgenden wurde die Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin bei kritisch kranken Patienten untersucht, deren Imipenem / Cilastatin Blutspiegel im Rahmen eines Therapeutischen Drug Monitoring (TDM) Programms bestimmt wurden. Die Berechnung der Pharmakokinetik erfolgte hier sowohl mit einem populationspharmakokinetischen Ansatz (POP-PK), als auch mit einer nicht-kompartimentellen Analyse (NCA). Die POP-PK Analyse ergab, dass die Pharmakokinetik beider Substanzen mit einem 1-Kompartiment Modell hinreichend beschrieben werden kann. Für die Gesamt-Clearance (CL) ergaben sich Werte von 11.6 L/h (4.24 – 27.5) für Imipenem und 6.14 L/h (0.520 – 26.6) für Cilastatin. Für die nicht-renale Clearance ergab sich ein Wert von 5.30 L/h (24.9% CV) für Imipenem und 0.138 L/h (33.3% CV) für Cilastatin. Die Ergebnisse der NCA waren in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des POP-PK Ansatzes. Für die Clearance von Imipenem und Cilastatin ergaben sich hier 15.5 ± 7.3 L/h bzw. 10.1 ± 9.9 L/h. Aus der Korrelation der Clearances beider PK-Analyse-Methoden ergaben sich Korrelationskoeffizienten (r) von 0.882 (p<0.001) und 0.908 (p<0.001) für Imipenem bzw. Cilastatin. In Zusammenfassung identifizierte diese Untersuchung deutliche Unterschiede der einzelnen Clearance-Mechanismen von Imipenem und Cilastatin und quantifizierte diese. Diese Unterschiede kommen bei Patienten zum Tragen, deren Nierenfunktion eingeschränkt ist, insbesondere wenn diese Patienten septisch sind. Die große Variabilität der Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin bei septischen Patienten unterstreicht die Bedeutung eines TDM-Programms beider Substanzen. Bei Patienten mit stark beeinträchtigter Nierenfunktion kann die Verwendung der fixen Kombination von Imipenem / Cilastatin aufgrund der unterschiedlichen Pharmakokinetik ungeeignet sein. In einem gesonderten Ansatz wurde die Pharmakokinetik von Meropenem bei kritisch kranken Patienten untersucht, deren Meropenem Blutspiegel ebenfalls im Rahmen des genannten TDM-Programms bestimmt wurden. Wie bei Imipenem / Cilastatin erfolgte die pharmakokinetische Analyse hier ebenfalls zuerst mit einem POP-PK Ansatz, der dann mit einem NCA-Ansatz nachvollzogen wurde. Für Meropenem wurde ein PK/PD-Modell entwickelt, welches gleichzeitig die Konzentrationsverläufe von Meropenem, Serumkreatinin, C-reaktivem Protein und Procalcitonin vorhersagt. Dadurch konnte ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Clearance von Meropenem und Kreatinin identifiziert werden. Die Gesamt-Clearance von Meropenem (für einen 70 kg Patienten) lässt sich anhand des Modells abschätzen nach: 0.480 L/h + 9.86 L/h . (CLCR/6 L/h)0.593, wobei 0.480 L/h die nicht-renale Clearance von Meropenem repräsentiert. Der NCA-Ansatz ergab eine Meropenem Clearance von 11.9 ± 8.7 L/h, wobei die Korrelation zum POP-PK Ansatz mit einem Korrelationskoeffizienten (r) von 0.502 (p<0.001) wesentlich schwächer war, als bei Imipenem und Cilastatin. In Zusammenfassung zeigte diese Untersuchung einen nicht-linearen Zusammenhang der Meropenem-Clearance und der Kreatinin-Clearance. Das entwickelte Modell zeigt, dass sich die Nierenfunktion bei Patienten mit Sepsis und septischem Schock rapide und in erheblichem Ausmaß verändern kann, was wiederum dazu führt, dass sich die Kreatinin-Konzentrationen bei diesen Patienten in keinem Steady-State-Zustand befinden. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine Dosisanpassung anhand der Kreatinin-Werte zu einer inadäquaten Therapie führen kann. Dies unterstreicht die Bedeutung eines TDM-Programms für Meropenem bei kritisch kranken Patienten. Die zwei bedeutsamsten Überlegungen bei der Auswahl eines Antibiotikums zur Prophylaxe einer postoperativen Knocheninfektion sind dessen Aktivität gegen das in Frage kommende Erregerspektrum, sowie die Fähigkeit des Antibiotikums Gewebe und insbesondere Knochengewebe zu penetrieren und damit Konzentrationen zu erreichen, welche über der minimalen Hemm-Konzentration (MHK) entsprechender Erreger liegen. Um eine Entscheidungsgrundlage für diese Fragestellung zu liefern, wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der die Pharmakokinetik von Ampicillin / Sulbactam in Plasma, kortikalem und spongiösem Knochen untersucht wurde. Die pharmakokinetischen Parameter im Plasma wurden dabei mittels einer nicht-kompartimentellen Analyse bestimmt. Die Knochenpenetration stellt das Verhältnis der Konzentration im Knochengewebe zur Konzentration im Plasma zum Zeitpunkt der Knochenentnahme dar. Im Plasma ergab sich eine Halbwertszeit von 1.60  0.37 h für Ampicillin und 1.70  0.42 h für Sulbactam. Die Elimination beider Substanzen war damit in einer guten Korrelation mit der Kreatinin-Clearance, was in Korrelationskoeffizienten (r) von 0.729 (p=0.003) für Ampicillin und 0.699 (p=0.005) für Sulbactam resultierte. Die mittlere Clearance und das mittlere Verteilungsvolumen von Ampicillin bzw. Sulbactam waren 10.7  3.9 bzw. 10.3  3.3 L/h, und 23.9  7.9 bzw. 24.3  6.8 L. Die mittleren Konzentrationen von Ampicillin im kortikalen und spongiösen Knochen waren 6.60  4.22 und 10.15  7.40 µg/g, was in einer Knochenpenetration von 9.1  5.7 und 16.2  16.9 % resultierte. Für Sulbactam betrugen die entsprechenden Konzentrationen 3.91  2.52 und 5.73  4.20 µg/g, was in einer Knochenpenetration von 10.6  6.3 und 17.5  16.1 % resultierte. In Zusammenfassung zeigt diese Untersuchung auf, dass die Knochenpenetration beider Substanzen im Mittel eher ungenügend ist und eine hohe Variabilität besitzt, wodurch es zu inadäquaten Knochenkonzentrationen kommen kann. Ein Faktor, der zumindest für die Penetration in den spongiösen Knochen identifiziert werden konnte, war die Zeitspanne zwischen der Applikation und der Entnahme des Knochens, was eine Administration des Antibiotikums in zeitlichem Abstand zur Inzision sinnvoll erscheinen lässt. Immunsuppression ist ein Risikofaktor für die Entwicklung verschiedener maligner Erkrankungen inklusive hämatologischer Erkrankungen. Während der Zusammenhang zwischen einer immunsuppressiven Therapie mit Methotrexat und der Entwicklung einer Eppstein-Barr-Virus (EBV) assoziierten lymphoproliferativen Erkrankung (LPD) durch die Datenlage gut belegt ist, ist dieser Zusammenhang für eine immunsuppressive Therapie mit Azathioprin weniger evident. Anhand eines Fallberichtes wird die Entwicklung eines Hodgkin-Lymphoms unter Therapie einer Auto-Immunhepatitis mit Azathioprin beschrieben, welches durch alleiniges Absetzen der immunsuppressiven Therapie reversibel war. Neben viralen Erkrankungen sind Arzneimittel eine der Hauptursachen für akutes Leberversagen. Aufgrund des Fehlens spezifischer Symptome oder Tests ist es jedoch schwierig, eine Arzneimittel-induzierte Lebertoxizität zu diagnostizieren. Anhand eines Fallberichtes, welcher die Entwicklung eines akuten Leberversagens unter Therapie mit verschiedenen Antibiotika und Paracetamol beschreibt, wird ein Vorgehen zum Ausschluss sonstiger Ursachen beschrieben, sowie das lebertoxische Potential der beteiligten Arzneistoffe diskutiert.