Zur Bestimmung der Bindungsaffinität von Liganden zu den Plasmaproteinen, insbesondere Albumin, wurden über die Jahre zahlreiche Methoden entwickelt. Die Grundlage dieser Arbeit war die Bestimmung der Plasmaproteinbindung der Ephedra-Alkaloide unter Verwendung einzelner dieser etablierten Methoden. Aufgrund ihres Anwendungsgebiets als Notfallmedikation bei Anästhesie-bedingter Hypotonie und den damit verbundenen Anforderungen an die Pharmakokinetik, sollten die Ephedra-Alkaloide niedrig-affine Liganden der Plasmaproteine darstellen. In der Literatur und in vorhergehenden Arbeiten wurden für die Ephedra-Alkaloide jedoch sehr unterschiedliche, teilweise der Indikation widersprechende Affinitäten bestimmt. Daher sollte im Rahmen dieser Arbeit das Ausmaß der Plasmaproteinbindung der Ephedra-Alkaloide weiter untersucht und die Affinität zu Albumin bzw. anderen Plasmaproteinen im humanen Serum bestimmt werden. Neben der Affinität sollte auch die Stereoselektivität der Bindung genauer betrachtet werden, die bei der Bindung vieler Wirkstoffe eine Rolle spielt. Als Referenzmethode diente die kontinuierliche Ultrafiltration, die auch schon bei Hörst verwendet wurde. Folgende Schlussfolgerungen konnten aus den Ergebnissen dieser Arbeit gezogen werden: 1) Die Ergebnisse der kontinuierlichen Ultrafiltration zeigten, dass die Ephedra-Alkaloide, Ephedrin und Pseudoephedrin, ein nur geringes Ausmaß an Plasmaprotein-bindung von 4 – 9 % gegenüber bovinem und humanem Serumalbumin zeigen. Eine deutlich höhere Plasmaproteinbindung von 19 – 37 % konnte hingegen bei der Verwendung von humanem Serum bestimmt werden. Die Affinität von Pseudoephedrin war dabei jeweils geringer als die von Ephedrin. 2) Diese Ergebnisse mit humanem Serum und die Tatsache, dass Albumin vorwiegend saure Stoffe bindet, legen nahe, dass die Ephedra-Alkaloide vermehrt an andere Plasmaproteine in Serum binden. Erste Messergebnisse mit saurem α1 Glykoprotein bestätigen diese Vermutung. 3) Eine Stereoselektivität konnte nur in geringem Maß bei (+) Ephedrin beobachtet werden, wobei der Unterschied nur im Serum signifikant ist. Pseudoephedrin dagegen zeigte keinerlei Stereoselektivität. Diese Beobachtung passt zu den Schlussfolgerungen der Pfeiffer‘schen Regel zur Stereoselektivität einer Bindung. 4) Andere Sympathomimetika mit einer zusätzlichen Phenolgruppe im Molekül zeigen eine ähnlich niedrige Affinität zu Albumin von ca. 10 %. Eine zusätzliche Phenolgruppe scheint die sauren Eigenschaften des Liganden nicht ausreichend zu erhöhen, um die Affinität zu Albumin signifikant zu steigern. 5) Das tertiäre Kohlenstoffatom am Stickstoff des Ephedrins scheint in gewisser Weise an der Bindung zu Albumin beteiligt zu sein. Sympathomimetika mit einer zusätzlichen Methylgruppe an diesem Kohlenstoffatom, wie Ephedrin, Pseudoephedrin und Oxilofrin, zeigen eine größere Streuung der Messergebnisse. Eine zusätzliche Methylgruppe in dieser Position scheint die Bindung daher sterisch zu hindern. 6) Die Ergebnisse der diskontinuierlichen Ultrafiltration bestätigen weitestgehend die Ergebnisse der kontinuierlichen Ultrafiltration 7) Eine Bestimmung des Ausmaßes der Plasmaproteinbindung von niedrig-affinen Stoffen ist mit den anderen orthogonalen Methoden ACE, NMR und iTC nicht möglich. Diese drei verwendeten Methoden trennen nicht wie die klassischen Methoden den gebundenen vom ungebundenen Wirkstoff, sondern beruhen auf einer Veränderung bestimmter Messparameter: bei der ACE die Migrationszeit, bei der NMR-Spektroskopie die chemische Verschiebung der Signale bzw. der Diffusionskoeffizient und bei der iTC die frei werdende Bindungswärme. Bei allen drei Methoden war die Änderung der Messgröße aufgrund der niedrigen Plasmaproteinbindung zu gering, um auswertbar zu sein. 8) Eine Störgröße bei die orthogonalen Methoden war vielfach auch das Albumin selbst bzw. dessen Eigenschaften. Bei der Affinitäts-Kapillarelektrophorese sind physiologische HSA-Konzentrationen wegen des starken Basislinienrauschens nicht messbar. Zudem bewirkt der Albuminzusatz im Trennpuffer eine Viskositätsänderung, die den EOF verlangsamt und so die Messung stört. Bei der NMR-Spektroskopie können wegen der Überlagerung der Signale durch die breiten Albuminbanden weder Veränderungen in der chemischen Verschiebung noch des Diffusionskoeffizienten zuverlässig bestimmt werden. In der iTC erschwerte die Schaumbildung der Lösung, die durch die Oberflächenaktivität des Albumins verursacht wird, die Messung. In dieser Arbeit konnte somit das Ausmaß der Plasmaproteinbindung der Ephedra-Alkaloide mit verschiedenen Methoden erfolgreich bestimmt werden. Damit bestätigte diese Arbeit, dass die Ephedra-Alkaloide, wie deren Indikation vermuten lässt, zu den niedrig affinen Liganden des Albumins zählen. Um genauer eingrenzen zu können durch welche Plasmaproteine im Blutserum die Ephedra-Alkaloide transportiert werden, sollten die Untersuchungen zum sauren α1-Glykoprotein fortgesetzt und gegebenenfalls durch weitere Bestimmungen mit anderen Plasmaproteinen ergänzt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben auch gezeigt, dass viele der unzähligen Methoden zur Untersuchung der Plasmaproteinbindung bei der Bestimmung von niedrig affinen Liganden ihre Grenzen haben. Nach wie vor sind zur Bestimmung einer niedrigen Bindungsaffinität weiterhin die klassischen Methoden, wie die kontinuierliche Ultrafiltration, Mittel der Wahl. Nicht zuletzt deshalb erfreuen sich diese Methoden auch heute noch großer Beliebtheit. / Over the years many methods have been developed to determine the binding affinity of ligands towards the plasma proteins, especially to albumin. The focus of this thesis was the determination of the plasma protein binding of the Ephedra alkaloids using several of those long established methods. Due to their application as emergency drugs for anaesthetic induced hypotension and the associated demands on pharmacokinetics, Ephedra alkaloids should display a low binding affinity towards plasma proteins. Yet in literature and in previous studies the Ephedra alkaloids showed a great variety of binding affinities, in parts even contradictory to their indication. Therefore the Ephedra alkaloids’ extent of plasma protein binding was further examined and the affinity towards albumin and other plasma proteins in human serum determined in the course of this study. Next to its affinity the bindings’ stereoselectivity was analysed as well, playing an important role in the binding of many drugs. The continuous ultrafiltration served as a reference method formerly also used by Hörst. The following conclusions can be drawn from the results of this study: 1. The results of the continuous ultrafiltration experiments show that the Ephedra alkaloids, ephedrine and pseudoephedrine, only have a low extent of 4 – 9 % of plasma protein binding towards bovine and human serum albumin. However using human serum a significantly higher plasma protein binding of 19 – 37 % can be measured. The affinity of pseudoephedrine was lower than ephedrine each time. 2. These results with human serum and the fact that albumin mainly binds acidic substances leads to the conclusion that Ephedra alkaloids principally bind to other plasma proteins in serum. First findings with α1 acid glycoprotein corroborate this hypothesis. 3. A minor stereoselectivity was observed only for (+) ephedrine, although the difference was merely significant in human serum. Pseudoephedrine on the other hand didn’t display any kind of stereoselectivity. These observations coincide with the reasoning of Pfeiffer’s rule regarding the stereoselectivity of binding. 4. Other sympathomimetics with an additional phenolic group in the molecule demonstrate a similar low binding affinity towards albumin of approx. 10 %. An additional phenolic group doesn’t seem to elevate the acidity of the ligand sufficiently in order to increase the affinity towards albumin significantly. 5. The tertiary carbon atom bound to the nitrogen in ephedrine appears to be involved in the binding to albumin in some way. Measured results display a higher variance for sympathomimetics with an additional methyl group in this position like ephedrine, pseudoephedrine and oxilofrine. The additional methyl group seems to hinder the binding sterically. 6. The results of the discontinuous ultrafiltration confirm the results of the continuous ultrafiltration experiments for most parts. 7. The determination of the extent of plasma protein binding is not feasible with the other orthogonal methods ACE, NMR and iTC for low affinity ligands. Those three methods don’t rely on the separation of bound and unbound drug as the classical methods do. Instead they are based on the alteration of certain measuring parameters: for the ACE it’s the migration time, in NMR spectroscopy it’s the chemical shift or the diffusion coefficient and using iTC it’s the released binding heat. For all three methods the change of those parameters was too low to be evaluable. 8. One disturbance with the orthogonal methods was often albumin itself or its properties. In affinity capillary electrophoresis physiological HSA concentrations are not measureable due to the high background noise caused by albumin. Furthermore the addition of albumin in the background electrolyte leads to a change in viscosity, slowing the EOF and thus falsifying the measurement. Using NMR spectroscopy neither changes in the chemical shift nor the diffusion coefficient can be reliably determined due to overlap of the albumin and ligand signals. During iTC experiments the foaming of the solution caused by the surface activity of albumin itself hinders the measurement. In summary the extent of plasma protein binding was successfully determined for the Ephedra alkaloids using different measuring techniques. Thereby this study confirmed that the Ephedra alkaloids are low affinity ligands of albumin as was suggested by their current use in drug therapy. To narrow down by which plasma proteins the Ephedra alkaloids are transported in serum further analysis with α1 acid glycoprotein and if applicable with other plasma proteins is necessary. The results of this study also show that countless methods for determining the extent of plasma protein binding fail to produce reliable results for low affinity ligands. After all the classical methods such as continuous ultrafiltration are still the methods of choice when it comes to determine low affinity binding. If nothing else this is the reason why those methods are still so popular to date.

The aim of this work was to investigate older, established drugs. The extent of the protein binding of chiral ephedra alkaloids to AGP and of ketamine to albumin was determined. Since enantiomers of these drugs are individual available, the focus was on possible enantioselective binding and structural moieties involved in the binding. Previously published work suggested that ephedrine and pseudoephedrine can bind stereoselectively to proteins other than albumin in serum. For the determination of the extent of protein binding, the established ultrafiltration with subsequent chiral CE analysis was used. To determine the influence of basicity on binding, the drugs methylephedrine and norephedrine were also analyzed. Drug binding to AGP increased with increasing basicity as follows: norephedrine < methylephedrine < ephedrine < pseudoephedrine. pKaff was determined both graphically using the Klotz plot and mathematical indicating a low affinity of the ephedra alkaloids to AGP. Using STD-NMR spectroscopy experiments the aromatic protons and the C-CH3 side chain were shown to be most strongly involved in binding, which could be confirmed by molecular docking experiments in more detail. For all drugs, van der Waals-, π π , cationic interactions, hydrogen bonds, and a formation of a salt bridge were observed. The individual enantiomers showed no significant differences and thus the binding of ephedra alkaloids to AGP is not significant. In contrast to the ephedra alkaloids, the possible enantioselective binding to albumin was investigated for R and S ketamine. Again, ultrafiltration followed by CE analysis was performed. The binding of ketamine to one main binding site could be identified. A non-linear fit was used for the determination of pKaff. Using the NMR methods STD-NMR, waterLOGSY-NMR, and CPMG-NMRspectroscopy: the aromatic protons as well as the protons of the NCH3 methyl group showed the largest signal intensity changes, while the cyclohexanone protons showed the smallest changes. pKaff was also determined by the change in the chemical shift at different drug-protein ratios. These obtained values confirm the values obtained from ultrafiltration. Based on this, ketamine is classified as a low-affinity ligand to albumin. There were no significant differences between the individual enantiomers and thus the binding of ketamine to albumin is not a stereoselective process. Using statistical design of experiments an efficient chiral CE method for determining the extent of protein binding of R and S ketamine to albumin was developed and validated according to ICH Q2 (R1) guideline. The stability of ketamine was also investigated because a yellowish discoloration of an aqueous solution of ketamine developed under heat. XRPD investigations showed the same crystal structure for all batches examined. An untargeted screening using LC HRMS as well as LC UV measurements showed no degradation of ketamine or the presence of impurities in stress and non-stressed ketamine solutions, confirming the stability of ketamine under the stress conditions investigated. The lower the quality of the water used in the stress tests, the more intense the yellow discoloration occurred. The impurity or the mechanism that causes the yellow discoloration could not be identified. / Ziel dieser Arbeit war es ältere, etablierte Arzneistoffe zu untersuchen. Das Ausmaß der Proteinbindung von chiralen Ephedra-Alkaloiden an AGP und von Ketamin an Albumin wurde bestimmt. Da Enantiomere dieser Wirkstoffe individuell verfügbar sind, lag der Fokus auf möglichen enantioselektiven Bindungen und strukturellen Funktionalitäten, die an der Bindung beteiligt sind. Zuvor veröffentlichte Arbeiten deuteten darauf hin, dass Ephedrin und Pseudoephedrin stereoselektiv an andere Proteine als Albumin im Serum binden können. Zur Bestimmung des Ausmaßes der Proteinbindung wurde die etablierte Ultrafiltration mit anschließender chiraler CE-Analyse eingesetzt. Um den Einfluss der Basizität auf die Bindung zu bestimmen, wurden auch die Wirkstoffe Methylephedrin und Norephedrin analysiert. Die Bindung des Wirkstoffs an AGP nahm mit zunehmender Basizität wie folgt zu: Norephedrin < Methylephedrin < Ephedrin < Pseudoephedrin. pKaff wurde sowohl grafisch mit Hilfe des Klotz-Plots als auch mathematisch bestimmt, was auf eine geringe Affinität der Ephedra-Alkaloide zu AGP hinweist. Mittels STD-NMR Spektroskopie Experimenten konnte gezeigt werden, dass die aromatischen Protonen und die C-CH3-Seitenkette am stärksten an der Bindung beteiligt sind, was durch molekulare Docking-Experimente detailliert bestätigt werden konnte. Für alle Wirkstoffe wurden van-der-Waals-, π π , kationische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und die Bildung einer Salzbrücke beobachtet. Die einzelnen Enantiomere zeigten keine signifikanten Unterschiede, so dass die Bindung von Ephedra-Alkaloiden an AGP nicht signifikant ist. Im Gegensatz zu den Ephedra-Alkaloiden wurde die mögliche enantioselektive Bindung an Albumin für R und S Ketamin untersucht. Auch hier wurde eine Ultrafiltration mit anschließender CE-Analyse durchgeführt. Die Bindung von Ketamin an eine Hauptbindungsstelle konnte identifiziert werden. Für die Bestimmung von pKaff wurde eine nichtlineare Anpassung verwendet. Mit den NMR-Methoden STD-NMR, waterLOGSY NMR und CPMG-NMR Spektroskopie zeigten sowohl die aromatischen Protonen als auch die Protonen der NCH3-Methylgruppe die größten Änderungen der Signalintensität, während die Cyclohexanon-Protonen die geringsten Änderungen afuwiesen. pKaff wurde auch durch die Änderung der chemischen Verschiebung bei verschiedenen Wirkstoff-Protein-Verhältnissen bestimmt. Die Werte bestätigen die durch die Ultrafiltration erhaltenen Werte. Auf dieser Grundlage wird Ketamin als Ligand mit niedriger Affinität zu Albumin eingestuft. Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Enantiomeren und somit ist die Bindung von Ketamin an Albumin kein stereoselektiver Prozess. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurde eine effiziente chirale CE-Methode zur Bestimmung des Ausmaßes der Proteinbindung von R und S Ketamin an Albumin entwickelt und gemäß der ICH Q2 (R1) Richtlinie validiert. Die Stabilität von Ketamin wurde ebenfalls untersucht, da sich unter Hitze eine gelbliche Verfärbung einer wässrigen Ketaminlösung entwickelte. XRPD-Untersuchungen zeigten für alle untersuchten Chargen die gleiche Kristallstruktur. Ein nicht zielgerichtetes Screening mittels LC HRMS sowie LC UV-Messungen zeigte keinen Abbau von Ketamin oder das Vorhandensein von Verunreinigungen in Stress- und nicht gestressten Ketaminlösungen, was die Stabilität von Ketamin unter den untersuchten Bedingungen bestätigt. Je schlechter die Qualität des in den Stresstests verwendeten Wassers war, desto intensiver trat die Gelbverfärbung auf. Die Verunreinigung oder der Mechanismus, der die gelbe Verfärbung verursacht, konnte nicht identifiziert werden.

München, Techn. Univ., Diss., 2009.

Der Hen´s Egg Test for Micronucleus-Induction (HET-MN) wurde bereits mehrfach als ein alternatives, versuchstierfreies Testsystem für in-vivo Mutagenitätstests am Nager unter Verwendung von angebrüteten Hühnereiern vorgestellt (Wolf and Luepke 1997; Wolf, Niehaus-Rolf et al. 2002; Wolf, Niehaus-Rolf et al. 2003; Wolf, Niehaus-Rolf et al. 2008). Während der häufig verwendete in-vivo Micronucleustest am Nager aufgrund seines komplexen in-vivo Stoffwechsel für die Bewertung von Mutagenen sehr gute Ergebnisse liefert (Wolf 2003), können Alternativen zur Testung am Tier, zum Beispiel in-vitro Micronucleustests, die Vorteile der in-vivo Testung nicht erreichen, weshalb sie häufig zu sensitiv sind. Gegenüber herkömmlichen in-vitro Tests stellt die Komplexität des angebrüteten Hühnereis, welches sowohl toxikodynamische als auch toxikokinetische Wirkungen der Prüfsubstanz aufzeigen kann, einen besonderen Vorteil dar, so dass der HET-MN unter anderem nicht nur direkte Mutagene sondern auch Promutagene detektieren kann. Mit Hilfe von zehn ausgewählten Substanzen wurde in dieser Arbeit die Prädiktivität des HET-MN weiter untersucht. Hierzu gehörten, neben den in-vitro und in-vivo negativen Stoffen Ephedrin-HCl und Ampicillin-Natrium und den in-vitro und in-vivo positiven Substanzen para-Chloranilin, Carbendazim und Vinorelbintartrat, auch die fünf so genannten irrelevant positiven Substanzen Isophoron, 2,4-Dichlorphenol, Phthalsäureanhydrid, Menthol und Malathion, für die uneinheitliche in-vivo und in-vitro Daten vorliegen, die aber aufgrund validierter Testverfahren als in-vivo negativ eingestuft werden. Die im HET-MN ermittelten Ergebnisse zeigen für alle zehn Substanzen, im Vergleich zu den gängigen Einstufungen auf Grundlage validierter Tests, eine vollständige Übereinstimmung und damit eine sehr hohe Prädiktivität des HET-MN. Die Ergebnisse stärken daher die Position des HET-MN als einen zuverlässigen in-vitro Test mit besonderen metabolischen Fähigkeiten, der darüber hinaus dazu beitragen kann, so genannte irrelevant positive Substanzen besser einzustufen.