Die Malaria und andere Infektionskrankheiten sind immer noch die Haupttodesursache in Entwicklungsländern. Durch das jahrzehntelange Versäumnis, neue Wirkstoffe zu entwickeln, und durch die rasante Ausbreitung von Resistenzen gegen herkömmliche Medikamente sind in vielen Regionen der Erde besorgniserregende Zahlen über Neuinfektionen und Todesfälle zu beobachten. Die Suche nach neuen Wirkstoffen ist daher dringend erforderlich und die Hauptaufgabe des Sonderforschungsbereichs 630 an der Universität Würzburg. An diesem interdisziplinären Projekt beteiligt sich unsere Forschungsgruppe vor allem mit der Naturstoffklasse der Naphthylisochinolin-Alkaloide. Neben ihren interessanten strukturellen Eigenschaften haben mehrere Vertreter dieser Sekundärmetabolite vielversprechende Aktivitäten gegen Plasmodien, Leishmanien und Trypanosomen. Dioncophyllin C (24), das bisher wirksamste Naphthylisochinolin gegen P. falciparum, zeigt nicht nur eine exzellente Aktivität in vitro, sondern auch in vivo. In Kooperation mit der Forschergruppe von K. Baumann (Braunschweig) führte man QSAR-Studien durch, um die für die biologische Wirkung entscheidenden Strukturmerkmale zu identifizieren und neue vereinfachte Analoga der Leistruktur 24 vorzuschlagen. Ziel der vorliegenden Arbeit war aufbauend auf Vorarbeiten in unserer Gruppe die Darstellung von strukturell vereinfachten Derivaten des Naturstoffs 24. Die Ergebnisse der biologischen Untersuchungen sollten ausgewertet und somit neue Struktur-Wirkungs-Beziehungen aufgestellt werden. Weiterhin sollten auch Chinolinium-Salze, die man als Analoga der N,C-verknüpften Naphthylisochinoline ansehen kann, synthetisiert werden und innerhalb des SFB 630 und bei unseren Partnern am Schweizerischen Tropen- und Public-Health-Institut auf ihre biologische Aktivität untersucht werden. Man erhoffte sich neben möglichen antiinfektiven Eigenschaften auch Rückschlüsse auf Struktur-Wirkungs-Beziehungen. Zusätzlich sollte die synthetische und analytische chemische Expertise unseren Kooperationspartnern in zwei Projekten außerhalb des SFB 630 zur Verfügung gestellt werden. Dabei handelte es sich einerseits um die Strukturaufklärung von Biosyntheseintermediaten mit Hilfe der HPLC-NMR-Kopplung und andererseits um die Darstellung langkettiger Aldehyde für die biologische Untersuchung des Prä-Penetrationsprozesses eines getreideschädigenden Pilzes. / Malaria and other infectious diseases are still the most common cause of death in developing countries. Due to the failure of developing new drugs and the increasing resistance there are alarming numbers of new incidences and death cases in many regions of the world. The search for urgently needed drugs is the main task of the Sonderforschungsbereich 630 (SFB 630) of the University of Würzburg. Our research group participates in this interdisciplinary project with the naphthylisoquinoline alkaloids. Besides their interesting structural properties several of these secondary metabolites also have promising activities against plasmodia, leishmania, and trypanosoma. Dioncophylline C (24), the so far most active naphthylisoquinoline alkaloid against P. falciparum, does not only show activity in vitro but also in vivo. In cooperation with the research group of K. Baumann (Braunschweig) QSAR studies were accomplished in order to find the structural features that are important for the biological effect and to suggest new structurally simplified analogs of the lead structure 24. Based on previous work in our group the main task of this thesis was the synthesis of structurally simplified derivatives of the natural product 24. The results of the biological investigations were to be analyzed and new structure-activity relationships were to be established. Furthermore, quinolinium salts, which can be seen as analogs of the N,C-coupled naphthylisoquinolines, were to be synthesized and tested for their biological properties by our external partners of the Swiss Tropical and Public Health Institute and within the SFB 630. Besides the possible antiinfective activities conclusions on structure-activity relationship studies were of interest. In addition the synthetic and analytical expertise was to be offered to two of our external cooperation partners. The projects were on the one hand the structure elucidation of biosynthetic intermediates using the HPLC-NMR technique and on the other hand the synthesis of very-long chain aldehydes for biological investigations of the pre-penetration process of a cereal-damaging fungus.

Die Hälfte der Weltbevölkerung lebt mit dem Risiko, an einer schweren Malaria tropica zu erkranken. Zunehmende Resistenzen von Plasmodium falciparum gegen gängige Therapeutika erschweren eine Behandlung, und es existiert keine Möglichkeit frühzeitig die Wirksamkeit der angewandten Medikation festzustellen. Die Bestimmung der Parasitämie als einzig verfügbarer Parameter kann auch bei erfolgreicher Therapie noch über den ersten Tag ansteigen. Das Ziel dieser Studie war, lichtmikroskopische Parameter zu finden, mit denen der Erfolg einer Therapie frühzeitig festgestellt werden kann. So wurden im Rahmen einer Fallstudie die Plasmodien eines an einer schweren Malaria tropica erkrankten Patienten auf morphologische Veränderungen im Verlauf der Chinin-Therapie untersucht. Die Beurteilung der Plasmodien erfolgte durch eine Einteilung nach ihrer Lage im Erythrozyten und der Kern-Plasma-Relation der Ringformen, anschliessend wurden die Ergebnisse durch eine Vermessung der Plasmodien am Computer verifiziert. Es zeigte sich, dass ein Therapieerfolg anhand der Veränderung in der Morphologie der Ringformen bereits in den ersten Stunden nach Therapiebeginn festgestellt werden kann. So lässt sich innerhalb der ersten drei Stunden ein Wechsel von kleinen Ringformen mit dünnem, homogenem Zytoplasmaband zu vergrösserten Ringformen mit einem verbreiterten und inhomogenen Zytoplasma finden. Im weiteren konnten ab der 7. Therapiestunde eine zunehmende Lageveränderungen der Plasmodien im Erythrozyten aufgezeigt werden. So waren ab diesem Zeitpunkt zunehmend Plasmodien, die die Erythrozyten-Membran hervorwölben (Arbeitstitel „Accentué“-Formen), im peripheren Blutausstrich des Patienten zu sehen. Dass die Änderung der Kern-Plasma-Relation der Ringformen ursächlich einer direkten Medikamentenwirkung zuzuschreiben sind, konnte in einem abschliessenden „in vitro“-Studienteil gezeigt werden, in welchem Plasmodien-Kulturen unter Chinin-Einfluss mit Kontrollkulturen ohne Medikamenteneinfluss verglichen wurden. / This case study examines early morphological changes of Plasmodium falciparum under treatment, visible by light microscopy. A transition from small thin ring shapes to thick rings during the early hours of treatment could be demonstrated, as well as an increase in erythrocyte surface distorsion by the plasmodia, beginning after 7 hours of treatment. These findings could help to recognise resistances to medication within hours of beginning treatment and may save crucial time for patients.

Infektionskrankheiten gehören weltweit immer noch zu den häufigsten Todesursachen, und auch wenn die Gefährdung in den Industriestaaten erheblich reduziert werden konnte, nimmt die Bedeutung von übertragbaren Krankheiten wieder zu. Verursacht wird dies zum einen durch die Fähigkeit der Keime gegen die eingesetzten Arzneistoffe verschiedenartige Resistenzmechanismen zu entwickeln, zum anderen auch dadurch, dass neuartige Infektionskrankheiten entstehen. Aus diesem Grund bleibt die Entwicklung neuer Medikamente ein ständiger Wettlauf mit der Anpassungsfähigkeit der Infektionserreger, und gerade dies spielt eine große Rolle für vernachlässigte und armutsassoziierte Krankheiten wie z.B. Tuberkulose, Malaria und HIV/AIDS, die in den Entwicklungsländern große Krankheitslasten und so auch hohen volkswirtschaftlichen Schaden verursachen. Protozoische Parasiten wie die Erreger der Malaria und der Leishmaniose sind besonders trickreich, denn sie wechseln zwischen Vektor (z.B. Mücke) und Wirt (z.B. Mensch) und durchleben so verschiedene Stadien eines komplexen Entwicklungszyklus, von denen sich jedes einzelne Stadium wie ein 'anderer' Organismus verhält. Hierdurch ist die therapeutische Behandlung erschwert, und für die dauerhafte Eradikation der Parasiten und für die Hemmung ihrer Transmission, um letztlich eine Resistenzentwicklung der Medikamente zu verhindern, müssen Wirkstoffe möglichst gegen alle Stadien ähnlich gut wirken. Die Konzeptionierung solcher Verbindungen, ihr strukturelles Design und schließlich ihre Synthesen waren Ziel der hier vorliegenden Arbeit, um neue aktive Vertreter gegen protozoische und bakterielle Erreger und Toxine bereitzustellen. Die Konzeptionierung und Synthese von Hybridmolekülen aus bewährten Arzneistoffen wurde als innovativer Ansatz zur Behandlung der Malaria verfolgt. Eine strukturell neue Wirkstoffklasse mit sehr guten spezifischen Aktivitäten und interessanten Struktur-Aktivitäts-Beziehungen gegen Promastigoten und gegen Amastigoten von L. major wurde entdeckt. Auf der Suche nach neuen Verbindungen, die binäre Toxine von Bacillus anthracis Anthrax-Toxin), Clostridium perfringens (Iota-Toxin) und Clostridium botulinum C2-Toxin) hemmen können, wurden neben 4-Aminochinolin-Verbindungen neue Aminochinolinium-Salze konzipiert, synthetisiert und in Target-basierten Assays durch Titrationsexperimente und Stromfluktuationsanalysen bzw. in In-vitro-Experimenten auf ihre Wirksamkeit getestet. / Infectious diseases still cause a great number of deaths worldwide. Although the risk in industrialized countries could be reduced significantly, the importance of those kinds of diseases demand again more and more attention. This tendency results from the fact that microorganisms are able to develop different mechanisms of resistance, and that new infectious diseases as, for example, avian influenza occur. Thus, it remains difficult for drug discovery to keep up with the adaptability of infectious agents, which is especially problematic in the case of neglected and poverty-related diseases like tuberculosis, malaria and HIV/AIDS all of which appear on a large scale in developing countries and cause ultimately severe economic loss. Protozoan parasites like the pathogens of malaria and leishmaniasis are very tricky because they are able to change between vector (e.g. mosquitoes) and host (e.g. humans) and exist in different biological stages of a complex life cycle. Hence, it seems to be the case that the parasite acts like a 'different organism' in each developmental stage of its life cycle. This fact complicates adequate treatment significantly. In order to reach a permanent eradication of parasites, to inhibit their transmission, and to avoid the development of resistance, drugs should act against all stages in a similar good way. The present thesis aims at the conceptual orientation of such drugs, their structural design as well as their synthesis in order to provide new representatives against protozoan and bacterial agents and toxins. The conceptual design and synthesis of hybrid molecules consisting of established drugs as innovative approaches for the treatment of malaria was realized. A structural new drug class with highly specific activities and rather interesting structure-activity-relationships against promastigotes and amastigotes of L. major was established. In search of new compounds for inhibiting binary toxins of Bacillus anthracis Anthrax-Toxin), Clostridium perfringens (Iota-Toxin) and Clostridium botulinum C2-Toxin), besides new 4-aminoquinoline compounds, novel aminoquinolinium salts were designed, synthesized and tested in target-based assays via titration experiments and current fluctuation analysis respectively in in vitro experiments.

Die Tropenkrankheit Malaria, wird durch eine Infektion mit einzelligen Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht und durch den Stich der weiblichen Anopheles-Mücke von Mensch zu Mensch verbreitet. Dabei kann eine erfolgreiche Übertragung des Parasiten auf den Menschen nur dann stattfinden, wenn der Parasit seine sexuelle Entwicklungsphase im Mitteldarm der Mücke erfolgreich durchläuft. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Wechselwirkungen des Malariaparasiten im Mitteldarm der Mücke in Hinblick auf die Identifizierung möglicher neuer transmissionsblockierender Strategien zu untersuchen. Der Zweck von transmissionsblockierende Strategien ist es, der Verbreitung der Malaria durch die Mücke entgegenzuwirken, indem die Entwicklung des Parasiten in der Mücke unterbunden und dadurch der Lebenszyklus des Parasiten unterbrochen wird. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf insgesamt drei Aspekten. Der erste Aspekt der Arbeit befasste sich mit der Wechselwirkung zwischen dem Para-siten und der mikrobiellen Darmflora der Mücke. Dabei sollte der mögliche Einfluss des Parasiten auf die Darmflora untersucht werden und weiterführend die potentielle Verwendung von Darmbakterien als Vehikel für die Herstellung paratransgener Mücken erforscht werden. Vergleichende16S-rRNA- und DGGE-Analysen an der Darmflora des asiatischen Malariavektors Anopheles stephensi zeigten eine deutliche Reduktion der mikrobiellen Diversität während der Entwicklung vom Ei zur adulten Mücke. Zudem konnte das gram-negative Bakterium Elizabethkingia meningoseptica, das sich stadien- und generationsübergreifend verbreitet, als dominante Darmspezies bei im Labor aufgezogenen weiblichen und männlichen An. stephensi festgestellt werden. Die Dominanz von E. meningoseptica wurde zudem nicht durch die Aufnahme von infiziertem Blut oder einer veränderten Nahrung beeinflusst. Für die Studien wurde sowohl der humanpathogene Parasit P. falciparum als auch der Nagermalariaerreger P. berghei verwendet. Weiterführende Versuche zeigten, dass Extrakte von E. meningoseptica antibakterielle, antifungale und antiplasmodiale Aktivitäten aufwiesen, die ein möglicher Grund für die Dominanz dieser Spezies im Mitteldarm des Vektors waren. Isolate von E. meningoseptica sind im Labor kultivierbar; dadurch stellt das Bakterium einen potentiellen Kandidaten zur Generierung von paratransgenen Anopheles-Mücken dar. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, mögliche Unterschiede in der Genexpression von P. falciparum darzustellen, die in den ersten 30 Minuten nach dessen Übertragung auf die Mücke erfolgen. Dies hatte zum einen zum Zweck, die durch den Wirtswechsel hervorgerufenen Genregulationen besser zu verstehen, und bot zum anderen die Möglichkeit, neue Proteine zu identifizieren, die als potentielle transmissionsblockierende Ziele genutzt werden können. Mittels supression substractive hybridization (SSH) konnten insgesamt 126 Gene identifiziert werden, deren Expression sich während der Gametogenese verändert. Die identifizierten Gene konnten einer Vielzahl von putativen Funktionen wie zum Beispiel in der Signaltransduktion (17,5%), im Zellzyklus (14,3%) oder im Zytoskelett (8,7%) zugeordnet werden. Des Weiteren wurden 7,9% der Gene eine Funktion in der Proteastase und 6,4% in metabolischen Prozessen zugeordnet. 12,7% der Gene kodierten für zelloberflächenassoziierte Proteine. 11,9% der Gene hatten anderen Funktionen, während 20% der Gene keine putative Funktion zugeordnet werden konnte. Etwa 40% der identifizierten Genprodukte waren bisher nicht in Proteomstudien nachgewiesen worden. In weiterführenden Analysen wurden 34 Gene aus jeder ontologischen Gruppe ausgewählt und deren Expressionsveränderung per quantitativer real time RT-PCR im Detail untersucht. Für 29 Gene konnte dabei eine Transkriptexpression in Gametozyten nachgewiesen werden. Zudem wiesen 20 Gene eine erhöhte Expression in Gametozyten im Vergleich asexuellen Stadien auf. Insgesamt zeigten 8 Gene besonders hohe Transkriptlevel in aktivierten Gametozyten, was auf eine Funktion dieser Proteine während der Übertragung des Parasiten auf die Mücke hindeutet und diese somit potentielle Angriffspunkte für transmissionsblockierende Strategien darstellen könnten. Im letzten Teil dieser Arbeit stand die Untersuchung verschiedener antimikrobieller Substanzen in Bezug auf ihre transmissionsblockierenden Eigenschaften im Vordergrund. Die Substanzen waren entweder direkt aus der Hämolymphe verschiedener Insekten isoliert oder rekombinant in transgenem Tabak exprimiert worden. Dabei wurden die rekombinanten Peptide so ausgewählt, dass sie entweder gegen die Mitteldarmstadien des Parasiten wirken oder mückenspezifische Rezeptoren blockieren, die der Parasit für seine weitere Entwicklung benötigt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das antimikrobielle Molekül Harmonin, ein Abwehrmolekül aus der Hämolymphe des asiatischen Marienkäfers Harmonia axyridis, antiplasmodiale als auch transmissions-blockierende Eigenschaften besitzt. Harmonin stellt daher eine potentielle Leitstruktur für die Entwicklung neuer Malariawirkstoffe dar / Malaria is a vector-borne disease caused by the protozoan parasite of the genus Plasmodium and it is transmitted from human to human by female Anopheles mosquitoes during a blood meal. For malaria transmission to occur, the malaria parasite must undergo a crucial developmental sexual phase inside the mosquito midgut. In this study, we sought to investigate the interplay of the malaria parasite in the mosquito midgut with regard to the identification of novel types of transmission blocking intervention strategies. These strategies are aimed at reducing the spread of malaria by blocking the development of the mosquito midgut-specific stages of Plasmodium. We focused on three aspects. The first aspect was to investigate the interplay between mosquito midgut bacteria and malaria parasites in order to determine the potential influence of malaria parasites on the composition of the mosquito gut microbiota and also determine midgut bacteria which could be exploited as vehicles for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. We analyzed the microbial diversity of gut bacteria of the Asian malaria vector Anopheles stephensi during development and under different feeding regimes, including feeds on malaria parasite-infected blood, using the human pathogenic P. falciparum as well as the rodent malaria model P. berghei. 16S rRNA and DGGE analyses demonstrated a reduction in the microbial diversity during mosquito development from egg to adult and identified the gram-negative bacterium Elizabethkingia meningoseptica as the dominant species in the midgut of laboratory-reared male and female mosquitoes. E. meningoseptica is transmitted between generations and its predominance in the mosquito midgut was not altered by diet, when the gut microbiota was compared between sugar-fed and blood-fed female mosquitoes. Furthermore, feeds on blood infected with malaria parasites did not impact the presence of E. men-ingoseptica in the gut. Interestingly, extracts from E. meningoseptica exhibited antibacterial, antifungal and antiplasmodial activities, which may account for its dominance in the midgut of the malaria vector. Isolates of E. meningoseptica were cultivable, making the bacterium a potential candidate vehicle for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. The second aspect of this thesis was to determine transcriptome changes that occur during the first half hour following transmission of P. falciparum to the mosquito vector in order to better understand gene regulation mechanisms important for the change of hosts and determine novel proteins which could be exploited in malaria transmission blocking interventions. We initially used suppression subtractive hybridization (SSH) to compare mRNA levels of P. falciparum gametocytes before and 30 min fol-lowing activation. We identified a total of 126 genes for which transcript expression changed during gametogenesis. Among these, 17.5% had putative functions in signaling, 14.3% were assigned to cell cycle and gene expression, 8.7% were linked to the cytoskeleton or motor complex, 7.9% were involved in proteostasis and 6.4% in metabolism, 12.7% were genes encoding for cell surface associated proteins, 11.9% were assigned to other functions, and 20.6% represented genes of unknown function. For 40% of the identified genes there has as yet not been any protein evidence. We further selected a subset of 34 genes from all the above ontology groups and analyzed the transcript changes during gametogenesis in detail by quantitative realtime RT-PCR. Of these, 29 genes were expressed in gametocytes, and for 20 genes transcript expres-sion in gametocytes was increased compared to asexual blood stage parasites. Transcript levels of eight genes were particularly high in activated gametocytes, pointing at functions downstream of gametocyte transmission to the mosquito which could be exploited in malaria transmission blocking strategies. The last aspect of this thesis was to determine the transmission blocking effect of a range of antimicrobial molecules as transmission blocking agents. The molecules were either isolated from insect hemolymph or recombinantly expressed in tobacco and designed to act either directly on the mosquito midgut stages or cover receptors on mosquito tissues like the midgut epithelium which the parasite would need for transit. We were able to show an antiplasmodial and transmission blocking effect of the anti-microbial molecule harmonine, a defense compound isolated from the hemolymph of the Asian ladybug Harmonia axyridis. Harmonine thus represents a potential lead structure for the development of novel antimalarials.

Transmission of the malaria parasite from man to the mosquito requires the formation of sexual parasite stages, the gametocytes. The gametocytes are the only parasite stage that is able to survive in the mosquito midgut and to undergo further development – gamete formation and fertilization. Numerous sexual stage-specific proteins have been discovered, some of which play crucial roles for parasite transmission. However, the functions of many sexual stage proteins remain elusive. Amongst the sexual stage-specific proteins are the proteins of the PfCCp proteins family, which exhibit numerous adhesion domains in their protein structures. For four members of the protein family, PfCCp1 to PfCCp4 gene-disruptant parasite lines had been already studied. Amongst these, PfCCp2 and PfCCp3 showed an important role for development of the parasites in the mosquito. In the present work the study of gene-disrupted parasites of the PfCCp Protein family was completed. PfCCp5-KO and PfFNPA-KO parasite lines were characterized to a great extent and many properties were similar to those of other PfCCp proteins. The co-dependent expression previously reported to be a phenomenon of PfCCp proteins was also observed in these two mutants, although to lesser extent. When either PfCCp5 or PfFNPA were absent, all other proteins were detected in reduced abundance only. Co-dependent expression manifests exclusively on the protein level. Transcript levels were not altered as RT-PCR showed. Amongst PfCCp proteins numerous proteinproteins interactions are taking place. The previously described multimeric protein complexes also include further sexual stage-specific proteins like Pfs230, Pfs48/45 and Pfs25. Recently, a new component of PfCCp-based multimeric protein complexes had been identified. The protein was named PfWLP1 (WD repeat protein-like protein 1) due to its possession of several WD40 repeats. In the present study expression of this uncharacterized protein was investigated via indirect IFA. It was expressed in asexual blood stages and gametocytes. Upon gamete formation and fertilization its expression ceased. Another sexual stage protein studied in this work was PfactinII. It was shown to be exclusively expressed in sexual stages. In gametocytes it co-localizes with Pfs230 and correct localization of PfactinII depends on presence of Pfs230. Transcript analysis by means of RT-PCR revealed the expression of several components of the IMC in gametocytes. Furthermore, five or six myosin genes encoded in the P. falciparum genome were detected in gametocytes. Gametocyte egress was studied on the ultrastructural level via transmission electron microscopy and an inside-out type of egress was observed. Firstly, the membrane of the parasitophorous vacuole (PVM) was lysed and only thereafter the membrane of the red blood cell (RBCM) ruptured. Furthermore, a new inductor of gametogenesis was identified: The K+/H+ ionophore nigericin induced gametocytes activation in the absence of xanthurenic acid (XA), which is responsible for gamtetocyte activation in the mosquito midgut. Selective permeabilization of RBCM and PVM by the mild detergent saponin, showed that in the absence of these membranes male gametocytes were still able to perceive both XA and the drop in temperature. Thus, the receptors for both factors signaling the parasite transmission to the mosquito, seem to be of parasitic origin. LC/MS/MS analysis confirmed the ability of RBCs to take up XA. With malaria eradication on the agenda of malaria research targeting the sexual stages becomes a crucial part of intervention strategies. The sexual stages are especially attractive target as they represent a population bottleneck. The here reported findings on P. falciparum gametocytes provide several potential candidate proteins for developing tools to interrupt transmission from man to mosquito. Such tools might include Transmission blocking vaccines and drugs. / Die Übertragung der Malaria vom menschlichen Wirt auf die Überträgermücke erfordert die Bildung von Sexualstadien, der Gametozyten. Dieses Parasitenstadium ist in der Lage im Mitteldarm der Mücke zu überleben und sich zu Gameten zu entwickeln, gefolgt von Befruchtung und ygotenbildung. Eine Vielzahl von in den Sexualstadien exprimierter Proteine wurde bereits entdeckt. Einige von diesen haben essentielle Funktionen für die Transmission der Parasiten auf die Mücke. Die Rolle der meisten dieser spezifisch exprimierter Protein ist jedoch ungeklärt. Zu den sexualstadienspezifischen Proteinen gehören die Proteine der PfCCp-Proteinfamilie. Für vier Proteine diese Proteinfamilie wurden bereits KO-Mutanten untersucht. Zwei Mutanten, PfCCp2-KO und PfCCp3-KO besitzen eine wichtige Funktion während der Entwicklung der Parasiten in der Mücke. In der vorliegenden Arbeit wurde die Studie der PfCCp-Proteine komplettiert. PfCCp5- und PfFNPA-defiziente Parasitenlinien wurden zu einem Großteil charakterisiert. Viele Eigenschaften dieser beiden Parasitenlinien wiesen Ähnlichkeiten zu den bisher untersuchten PfCCp-KO-Mutanten auf. Die ko-abhängige Expression welche in der PfCCp-Proteinfamilie vorkommt, wurde auch in diesen beiden Mutanten beobachtet, wenngleich in geringerem Ausmaß. In den Mutanten, in welchem entweder PfCCp5 oder PfFNPA fehlten, waren alle übrigen PfCCp-Proteine nur in reduzierter Menge nachzuweisen. Diese ko-abhängige Expression ist ausschließlich auf dem Proteinlevel zu beobachten. Die Transkription der jeweiligen Gene hingegen ist unbeeinflusst. Zahlreiche Protein-Protein-Interaktionen finden zwischen den Proteinen der Proteinfamilie statt. The zuvor beschriebenen multimeren Proteinkomplexe schließen auch weitere sexualstadienspezifische Proteine ein, wie Pfs230, Pfs48/45 und Pfs25. Kürzlich wurde eine neue Komponente der PfCCp-basierten Multiproteinkomplexe identifiziert. Dieses Protein wurde PfWLP1 (WD repeat protein-like protein 1) genannt, da es mehrere WD40 repeat Domänen besitzt. In der vorliegenden Arbeit wurde das bisher unbeschriebene Protein mittels indirekter immunfluoreszenzstudien charakterisiert. PfWLP1 ist sowohl in asexuellen Blutstadien als auch in Gametozyten exprimiert. Nach der Gametenbildung und Fertilisation nimmt die Expression des Proteins ab. Ein weiteres Protein der Sexualstadien, welches in dieser Arbeit untersucht wurde, ist PfactinII. Es wurde gezeigt, dass dieses Protein ausschließlich in den Sexualstadien vorliegt. In Gametozyten ko-lokalisiert es mit Pfs230 und die korrekte Lokalisierung ist abhängig von der Anwesenheit von Pfs230. Mittels RT-PCR wurden mehrere Komponenten des inneren Membrankomplexes in Gametozyten nachgewiesen. Weiterhin wurden Transkripte für fünf der sechs Myosin-Gene, welche im Genom von P. falciparum exprimiert sind, nachgewiesen. Der Austritt der Gametozyten aus der Wirtszelle wurde auf ultrastruktureller Ebene mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Hierbei wurde gezeigt, dass die Lyse der den Parasiten umgebenden Membranen von innen nach außen geschieht. Das heißt, dass zunächst die Membran der parasitophoren Vakuole (PVM) lysiert wird, und erst anschließend die Erythrozyten-Plasmamembran (RBCM). Als neuer Induktor der Gametozytenaktivierung wurde Nigericin identifiziert. Nigericin ist ein K+/H+-Ionophor, welcher in Abwesenheit von XA in der Lage ist, die Gametenbildung zu identifizieren. Die selektive Permeabilisierung der beiden den Gametozyten umgebenden Membranen, PVM und RBCM, zeigte, dass männliche Gametozyten nach Entfernung der beiden Membranen, in der Lage sind, den Temperaturabfall und XA zu perzipieren. Somit kann geschlussfolgert werden, dass die Rezeptoren beider Stimuli parasitischen Ursprungs sind. LC/MS/MS-Analysen bestätigten, dass Erythrozyten in der Lage sind, XA aufzunehmen. Die Sexualstadien des Malariaparasiten nehmen mehr und mehr an Bedeutung zu, da langfristig nicht nur eine Eindämmung der Malaria in endemischen Gebieten sondern die Auslöschung der Malaria angestrebt wird. Die Sexualstadien sind ein attraktiver Angriffspunkt aufgrund ihrer Bedeutung für die Transmission der Krankheit. Zum anderen ist die auf den Vektor übertragene Parasitenanzahl vergleichsweise gering. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen mehrere potentielle Kandidatenproteine auf, welche für die Entwicklung von Interventionsstrategien von Bedeutung sein könnten. Als Interventionsstrategien wären sowohl transmissionsblockierenden Vakzine als auch transmissionsblockierende Wirkstoffe denkbar.

Malaria is a challenging infection with increasing and wide-spread treatment failure risk due to resistance. With a estimated death toll of 1-3 Million per year, most cases of Malaria affect children under the age of five years in Sub-Saharan Africa. In this thesis, I analyse the current status of malaria control (focussing on diagnosis and therapy) in Burkina Faso to show how this disease burdens public health in endemic countries and to identify possible approaches to improvement. MB is discussed as a therapeutic option under these circumstances. Burkina Faso is used as a representative example for a country in Sub-Saharan Africa with high endemicity for malaria and is here portrayed, its health system characterised and discussed under socioeconomic aspects. More than half of this country’s population live in absolute poverty. The burden that malaria, especially treatment cost, poses on these people cannot be under-estimated. A retrospective study of case files from the university pediatric hospital in Burkina Faso’s capital, Ouagadougou, shows that the case load is huge, and especially the specific diagnosis of severe malaria is difficult to apply in the hospital’s daily routine. Treatment policy as proposed by WHO is not satisfactorily implemented neither in home treatment nor in health services, as data for pretreatment clearly show. In the face of growing resistance in malaria parasites, pharmacological combination therapies are important. Artemisinins currently are the last resort of malaria therapy. As I show with homology models, even this golden bullet is not beyond resistance development. Inconsidered mass use has rendered other drugs virtually useless before. Artemisinins should thus be protected similar to reserve antibiotics against multi-resistant bacteria. There is accumulating evidence that MB is an effective drug against malaria. Here the biological effects of both MB alone and in combination therapy is explored via modeling and experimental data. Several different lines of MB attack on Plasmodium redox defense were identified by analysis of the network effects. Next, CQ resistance based on Pfmdr1 and PfCRT transporters as well as SP resistance were modeled in silico. Further modeling shows that MB has a favorable synergism on antimalarial network effects with these commonly used antimalarial drugs, given their correct application. Also from the economic point of view MB shows great potential: in terms of production price, it can be compared to CQ, which could help to diminuish the costs of malaria treatment to affordable ranges for those most affected and struk by poverty. Malaria control is feasible, but suboptimal diagnosis and treatment are often hindering the achievment of this goal. In order to achieve malaria control, more effort has to be made to implement better adjusted and available primary treatment strategies for uncomplicated malaria that are highly standardised. Unfortunately, campaigns against malaria are chronically underfinanced. In order to maximize the effect of available funds, a cheap treatment option is most important, especially as pharmaceuticals represent the biggest single matter of expense in the fight against malaria. / Malaria ist eine Krankheit, die uns vor große Herausforderungen stellt. Insbesondere die weltweit verbreiteten Resistenzen, die viele Therapieoptionen nutzlos werden lassen, haben den Kampf gegen die Malaria in den letzten Jahrzehnten deutlich verkompliziert. Schätzungen gehen davon aus, dass Malaria jährlich 1 bis 3 Millionen Todesopfer fordert. Mortalität und Morbidität der Erkrankung konzentrieren sich dabei in besonderer Weise auf Kinder unter fünf Jahren in Afrika südlich der Sahara. In der hier vorgestellten Doktorarbeit analysiere ich den aktuellen Stand der Malaria-Kontrolle in Burkina Faso und zeige beispielhaft auf, warum diese Krankheit eine derart große Bürde für die Volksgesundheit darstellt und wo Ansatzpunkte zur Verbesserung der Kontrollmaßnahmen zu sehen sind, mit einem besonderen Fokus auf Diagnostik und Therapieoptionen. Dabei wird MB als Therapieoption genauer beleuchtet. Um die besonderen Gegebenheiten eines Landes wie Burkina Faso - welches hier als repräsentatives Beispiel für einen Staat mit hoher Endemizität für Malaria herangezogen wird - aufzuzeigen, wird ein Porträt des Landes und seines Gesundheitssystems insbesondere unter Sozio- Ökonomischen Gesichtspunkten gezeichnet. Burkina Faso ist ein sehr armes Land, über die Hälfte seiner Bevölkerung lebt unterhalb der Armutsgrenze. Die Kosten von Malaria sind für diese Menschen gigantisch, und insbesondere die Kosten von Medikamenten wiegen schwer. Eine retrospektive Studie aus Fallakten des Universitäts-Kinderkrankenhauses in Burkina Fasos Hauptstadt Ouagadougou zeigt vor allem, dass allein die Fallzahlen überwältigend sind, und vor allem die spezifische Diagnose der schweren Verlaufsform der Malaria ist unter den vorherrschenden Bedingungen eine Mammutaufgabe. Die Behandlungsvorschriften wie von der WHO vorgegeben werden weder vom Gesundheitssystem noch von der Therapie zu Hause erfüllt, wie in den präsentierten Daten für die Vorbehandlung zeigen. Die zur Verfügung stehenden Malaria-wirksamen Therapeutika sind leider dank Resistenzentwicklung - oft durch unbedachten Masseneinsatz verursacht - sehr begrenzt. Artemisinine sind momentan das einzige Mittel gegen welches noch keine Resistenzen im Feld nachgewiesen wurden. Mittels Homologie-Modellierung zeige ich auf wie einfach eine solche Resistenzentwicklung jedoch denkbar wäre. Artemisinine sollten daher durch sehr gezielten Einsatz als ”letzter Trumpf” möglichst lange vor Resistenzentwicklung geschützt werden, ähnlich wie Reserveantibiotika gegen Multi-resistente Keime. MB ist ein hervorragender Kandidat für eine Kombinationsbehandlung gegen Malaria und eventuell eine Option, Artemisinine länger zu ”schonen”. Hier wird dieses Medikament mit bioinformatischen Mitteln genauer in seinen Wirkmechanismen beleuchtet und in Kombination mit anderen Medikamenten getestet mittels einer experimentell gestützten bioinformatischen Pathway-Modellierung. Durch diese Netzwerk-Analyse wurden verschiedene Angriffspunkte von MB auf das Redox-Netzwerk der Malariaerreger identifiziert. Daraufhin wurden CQ und SP-Resistenzen in silico simuliert. Weitere Analysen zeigten dabei, dass MB synergisitische Wirkungen mit anderen Therapeutika gegen Malaria aufzeigt, wenn sie zielgerichtet eingesetzt werden. Finanziell gesehen hat MB Potenzial, ein zweites CQ zu werden, und somit endlich wieder die Kosten der Behandlung für Menschen die in Armut leben erschwinglich zu machen. Malaria Kontrolle ist erreichbar, aber suboptimale Diagnosestellung und Behandlung behindern das Erreichen dieses Zieles. Hierfür muss eine angepasste, dezentrale und hochgradig standardisierte Primärbehandlung unkomplizierter Malaria implementiert werden und für eine bessere Verfügbarkeit dieser gesorgt werden. Leider leidet die Finanzierung der Kampagnen gegen Malaria an chronischer Unterversorgung. Um den maximalen Nutzen aus den vorhandenen Mitteln ziehen zu können ist eine günstigere medikamentöse Therapie ein entscheidender Beitrag, zumal Medikamente den größten Einzelbetrag im Kampf gegen Malaria verbrauchen.

Besides HIV and tuberculosis, malaria still is one of the most devastating infectious diseases especially in developing countries, with Plasmodium falciparum being responsible for the frequently lethal form of malaria tropica. It is a major cause of mortality as well as morbidity, whereby pregnant women and children under the age of five years are most severely affected. Rapidly emerging drug resistances and the lack of an effective and safe vaccine hamper the combat against malaria by chemical and pharmacological regimens, and moreover the poor socio-economic and healthcare conditions in malaria-endemic countries are compromising the extermination of this deadly tropical disease to a large extent. Malaria research is still questing for druggable targets in the parasitic protozoan which pledge to be refractory against evolving resistance-mediating mutations and yet constitute affordable and compliant antimalarial chemotherapeutics. The parasite kinome consists of members that represent most eukaryotic protein kinase groups, but also contains several groups that can not be assigned to conservative ePK groups. Moreover, given the remarkable divergence of plasmodial kinases in respect to the human host kinome and the fact that several plasmodial kinases have been identified that are essential for the intraerythrocytic developmental cycle, these parasite enzymes represent auspicious targets for antimalarial regimens. Despite elaborate investigations on several other ePK groups, merely scant research has been conducted regarding the four identified members of the cyclin-dependent kinase-like kinase (CLK) family, PfCLK-1-4. In other eukaryotes, CLKs are involved in mRNA processing and splicing by means of phosphorylation of serine/arginine-rich (SR) proteins, which are crucial components of the splicing machinery in the alternative splicing pathway. All four PfCLKs are abundantly expressed in asexual parasites and gametocytes, and stage-specific expression profiles of PfCLK-1 and PfCLK-2 exhibited nucleus-associated localization and an association with phosphorylation activity. In the course of this study, PfCLK-3 and PfCLK-4 were functionally characterized by indirect immunofluorescence, Western blot analysis and kinase activity assays. These data confirm that the two kinases are primarily expressed in the nucleus of trophozoites and both kinases possess in vitro phosphorylation activity on physiological substrates. Likewise PfCLK-1 and PfCLK-2, reverse genetic studies exhibited the indispensability of both PfCLKs on the asexual life cycle of P. falciparum, rendering them as potential candidates for antiplasmodial strategies. Moreover, this study was conducted to identify putative SR proteins as substrates of all four PfCLKs. Previous alignments revealed a significant homology of the parasite CLKs to yeast SR protein kinase Sky1p. Kinase activity assays showed in vitro phosphorylation of the yeast Sky1p substrate and SR protein Npl3p by precipitated PfCLKs. In addition, four homologous plasmodial SR proteins were identified that are phosphorylated by PfCLKs in vitro: PfASF-1, PFSRSF12, PfSFRS4 and PfSR-1. All four parasite SR splicing factors are predominantly expressed in the nuclei of trophozoites. For PfCLK-1, a co-localization with the SR proteins was verified. Finally, a library of human and microbial CLK inhibitors and the antiseptic chlorhexidine (CHX) was screened to determine their inhibitory effect on different parasite life cycle stages and on the PfCLKs specifically. Five inhibitors out of 63 compounds from the investigated library were selected that show a moderate inhibition on asexual life cycle stages with IC50 values ranging between approximately 4 and 8 µM. Noteworthy, these inhibitors belong to the substance classes of aminopyrimidines or oxo-β-carbolines. Actually, the antibiotic compound CHX demonstrated an IC50 in the low nanomolar range. Stage-of-inhibition assays revealed that CHX severely affects the formation of schizonts. All of the selected CLKs inhibitors also affect gametocytogenesis as well as gametogenesis, as scrutinized in gametocyte toxicity assays and exflagellation assays, respectively. Kinase activity assays confirm a specific inhibition of CLK-mediated phosphorylation of all four kinases, when the CLK inhibitors are applied on immunoprecipitated PfCLKs. These findings on PfCLK-inhibiting compounds are initial attempts to determine putative antimalarial compounds targeting the PfCLKs. Moreover, these results provide an effective means to generate chemical kinase KOs in order to phenotypically study the role of the PfCLKs especially in splicing events and mRNA metabolism. This approach of functionally characterizing the CLKs in P. falciparum is of particular interest since the malarial spliceosome is still poorly understood and will gain further insight into the parasite splicing machinery. / Neben HIV und Tuberkulose stellt Malaria vor allem in Entwicklungsländern immer noch eine der verheerendsten Infektionskrankheiten dar, wobei Plasmodium falciparum für die oft tödlich verlaufende Form der Malaria tropica verantwortlich ist. Sie ist eine der Hauptgründe für Mortalität und Morbitität, von der vor allem schwangere Frauen und Kinder unter fünf Jahren am schlimmsten betroffen sind. Das Fehlen eines effektiven und ungefährlichen Impfstoffes und sich schnell ausbreitende Medikamentenresistenzen erschweren die Bekämpfung von Malaria mit Arzneimitteln. Darüber hinaus beeinträchtigen die schlechten sozioökonomischen Bedingungen und der mangelhafte Zustand des Gesundheitssystems in Malaria-endemischen Ländern die Elimination dieser tödlichen Tropenkrankheit in hohem Maße. Die Malariaforschung ist immer noch auf der Suche nach vielversprechenden Angriffspunkten im Parasiten, die widerstandsfähig gegenüber sich entwickelnden resistenz-vermittelnden Mutationen sind und dennoch erschwingliche und verträgliche Chemotherapeutika gegen Malaria darstellen. Das Kinom des Parasiten besteht aus Vertretern der meisten eukaryotischen Proteinkinase-Gruppen und enthält zudem einige Gruppen, die keiner der konventionellen Gruppen zuordenbar sind. Darüber hinaus stellen Kinasen vielversprechende Angriffspunkte für Malariamedikamente dar, da das Parasitenkinom bemerkenswerte Divergenzen gegenüber dem Wirtskinom aufweist und zudem einige Parasitenkinasen identifiziert wurden, die unerlässlich für den Replikationszyklus von asexuellen Parasiten sind. Trotz umfangreicher Untersuchungen anderer Kinasegruppen des Parasiten wurden die vier identifizierten Vertreter der Zyklin-abhängige-Kinase-ähnlichen Kinasen (cyclin-dependent kinase-like kinases, CLKs) bisher kaum untersucht. In anderen Eukaryoten sind CLKs an der mRNA-Prozessierung und am Spleißen durch die Phosphorylierung von Serin/Arginin-reichen (SR-) Proteinen beteiligt, welche wiederum Komponenten der Spleißmaschinerie sind. Alle vier PfCLKs sind abundant exprimiert in asexuellen Parasiten sowie Gametozyten, und stadien-spezifische Expressionsprofile von PfCLK-1 und PfCLK-2 zeigten eine Kern-assoziierte Expression sowie Phosphorylierungsaktivität in in vitro-Aktivitätsstudien. Im Verlauf dieser Studie wurden PfCLK-3 und PfCLK-4 mittels indirekter Immunfluoreszenzstudien, Western Blot-Analysen und Kinaseaktivitätsassays funktionell charakterisiert. Die Ergebnisse bestätigen, dass beide Kinasen vorrangig im Nukleus von P. falciparum-Trophozoiten lokalisiert sind und Phosphorylierungsaktivität gegenüber physiologischen Substraten in vitro aufweisen. Ähnlich wie für PfCLK-1 und PfCLK-2 konnte in Reverse-Genetik-Studien gezeigt werden, dass sowohl PfCLK-3 als auch PfCLK-4 essentiell für den asexuellen Replikationszyklus von P. falciparum sind. Dieser Umstand macht beide Kinasen zu potenziellen Angriffspunkten für antiplasmodiale Bekämpfungsstrategien. Des Weiteren wurde diese Studie ausgeführt, um mögliche Interaktionspartner aller vier PfCLKs zu identifizieren. Vorangegangene Sequenzabgleiche brachten eine bemerkenswerte Homologie der Parasiten-CLKs zur SR-Proteinkinase Sky1p der Bäckerhefe zu Tage. Kinaseaktivitätsassays zeigten Phosphorylierung des Sky1p-Substrates und SR-Proteins Npl3p durch präzipitierte PfCLKs in vitro. Außerdem wurden vier homologe plasmodiale SR-Proteine bzw. mutmaßliche Spleißfaktoren identifiziert, die ebenso von den PfCLKs in vitro phosphoryliert werden: PfASF-1, PFSRSF12, PfSFRS4 und PfSR-1. Alle vier Parasiten-Spleißfaktoren sind vorwiegend in Kernen von Trophozoiten exprimiert. Für PfCLK-1 konnte eine Ko-Lokalisation mit den SR-Proteinen nachgewiesen werden. Abschließend wurden eine Sammlung humaner und mikrobieller CLK-Inhibitoren sowie das Antiseptikum Chlorhexidin (CHX) auf ihren hemmenden Effekt auf verschiedene Lebenszyklusstadien von P. falciparum und gezielt auf die PfCLKs überprüft. Es wurden fünf Inhibitoren aus einer Sammlung von 63 Substanzen auserwählt, die eine moderate Hemmung auf asexuelle Lebenszyklusstadien aufwiesen, mit IC50-Werten zwischen ungefähr 4 und 8 µM. Das Antibiotikum CHX zeigte sogar einen IC50-Wert im niedrigen nanomolaren Bereich. Nachfolgende Stage-of-Inhibition-Assays deckten auf, dass CHX die Entwicklung von Schizonten enorm beeinträchtigt. Wie in Gametozyten-Toxizitätsassays und Exflagellationsassays ermittelt wurde, hemmen alle ausgewählten CLK-Inhibitoren ferner sowohl die Gametozytogenese als auch die Gametogenese. Kinaseaktivitätsassays bestätigen eine spezifische Hemmung der CLK-vermittelten Phosphorylierung aller vier Kinasen, wenn die CLK-Inhibitoren auf immunopräzipitierte PfCLKs angewendet wurden. Diese Erkenntnisse über PfCLK-hemmende Substanzen sind erste Ansätze, um mögliche Wirkstoffe gegen Malaria zu finden, die die PfCLKs als Angriffspunkte haben. Zudem stellen diese Resultate ein wirksames Mittel zur Verfügung, um chemische Kinase-Knockout-Parasiten zu generieren. Diese können dann verwendet werden, um die Rolle der PfCLKs vor allen in Bezug auf Spleißvorgänge und mRNA-Metabolismus phänotypisch zu untersuchen. Der Ansatz, die CLKs des Parasiten funktionell zu charakterisieren, ist von besonderem Interesse, da das Spleißosom des Malariaparasiten immer noch nicht ausreichend erforscht ist. Dadurch können weitere Erkenntnisse über die Spleißmaschinerie des Parasiten gewonnen werden.

Although the prevalence of substandard and counterfeit pharmaceutical products is a global problem, it is more critical in resource-constrained countries. The national medicines regulatory authorities (MNRA) in these countries have limited resources to cater for regular quality surveillance programmes aimed at ensuring that medicines in circulation are of acceptable quality. Among the reasons explained to hinder the implementation of these strategies is that compendial monographs are too complicated and require expensive infrastructures in terms of environment, equipment and consumables. In this study it was therefore aimed at developing simple, precise, and robust HPLC and HPTLC methods utilizing inexpensive, readily available chemicals (methanol and simple buffers) that can determine the APIs, other API than declared one, and which are capable of impurity profiling. As an outcome of this study, three isocratic and robust HPLC and two HPTLC methods for sulfadoxine, sulfalene, pyrimethamine, primaquine, artesunate, as well as amodiaquine have been developed and validated. All HPLC methods are operated using an isocratic elution mode which means they can be implemented even with a single pump HPLC system and standard C18 columns. The densitometric sulfadoxine/sulfalene and pyrimethamine method utilizes standard TLC plates as well as inexpensive, readily available and safe chemicals (toluene, methanol, and ethyl acetate), while that for artesunate and amodiaquine requires HPTLC plates as well as triethylamine and acetonitrile due to challenges associated with the analysis of amodiaquine and poorly the detectable artesunate. These HPTLC methods can be implemented as alternative to those requiring HPLC equipment e.g. in countries that already have acquired densitometer equipment. It is understood that HPTLC methods are less sensitive, precise and accurate when compared to HPLC methods, but this hindrance can easily be addressed by sending representative samples to third party quality control laboratories where the analytical results are verified using compendial HPLC methods on a regular basis. It is therefore anticipated that the implementation of these methods will not only address the problem of limited resources required for medicines quality control but also increase the number of monitored targeted antimalarial products as well as the number of resource- constrained countries participating in quality monitoring campaigns. Moreover, the experiences and skills acquired within this work will be applied to other API groups, e. g. antibiotics, afterwards. / Trotz der weltweiten Verbreitung gefälschter Arzneimittel und solcher, die nicht die deklarierte Menge an Wirkstoff enthalten, sind vor allem Entwicklungs- und Schwellenländer von dieser Problematik betroffen. Die Arzneimittelüberwachungs- bzw. Zulassungsbehörden dieser Länder verfügen nur über eingeschränkte Möglichkeiten, die Arzneimittelqualität regelmäßig zu überwachen und somit sicherzustellen, dass die im Markt befindlichen Medikamente eine gute Qualität aufweisen. Einer der Gründe hierfür ist unter anderem, dass die in Arzneibüchern beschriebenen Methoden oftmals sehr komplex sind und eine umfassende Laborausstattung, spezielle Geräte oder teure Chemikalien benötigen. In dieser Arbeit wurden einfache, genaue und robuste flüssigchromatographische Methoden entwickelt, die lediglich günstige, überall verfügbare Chemikalien (z. B. Methanol oder einfache Puffersalze) benötigen und mit denen der Gehalt des deklarierten Arzneistoffes, Arzneistoffverwechslungen sowie das Verunreinigungsprofil bestimmt werden kann. Es konnten drei isokratische, robuste flüssigchromatographische sowie zwei dünnschichtchromatographische Methoden zur Bestimmung von Sulfadoxin, Sulfalen, Pyrimethamin, Primaquin, Artesunat sowie Amodiaquin entwickelt und validiert werden. Alle flüssigchromatographischen Methoden arbeiten isokratisch, folglich können sie auch mit sehr einfachen HPLC-Geräten mit beispielsweise nur einem Pumpenkopf genutzt werden. Zudem werden nur einfache, kommerziell erhältliche C18-Säulen benötigt. Die densitometrischen Methoden für Sulfadoxin/Sulfalen sowie Pyrimethamin benötigen standardisierte Dünnschichtchromatographie-Platten sowie günstige, überall verfügbare und wenig toxische Chemikalien wie beispielsweise Toluol, Methanol oder Ethylacetat. Für die Methode zur Bestimmung von Artesunat und Amodiaquin werden Hochleistungsdünnschichtchromatographie-Platten und Triethylamin sowie Acetonitril benötigt. Dieser Umstand ist der Tatsache geschuldet, dass Amodiaquin und Artesunat sich anderweitig nur ungenügend trennen ließen. Die dünnschichtchromatographischen Protokolle können als Alternative zur HPLC eingesetzt werden, beispielsweise überall dort, wo bereits die entsprechenden Gerätschaften vorhanden sind. Natürlich weisen dünnschichtchromatographische Methoden im Vergleich zur Flüssigchromatographie eine geringere Sensitivität, Präzision und Richtigkeit auf, dies kann jedoch dadurch umgangen werden, die entsprechenden Methoden nur zum Screening zu verwenden und die zu analysierenden Proben anderweitig, z. B. in externen Laboratorien, detailliert zu untersuchen. Dort können beispielsweise Methoden aus gängigen Arzneibüchern verwendet werden. Durch die Implementierung der neu entwickelten Methoden kann zum einen das Problem schlecht verfügbarer Chemikalien umgangen werden und gleichzeitig die Anzahl an untersuchten Arzneimitteln erhöht werden. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Qualitätskontrolle in Ländern mit eingeschränkten Infrastrukturen.

Our overall research goal is focused on the development of a malaria transmission-blocking vaccine (TBV). The antigenic target, Pfs48/45 protein, is expressed on Plasmodium gametocytes, which are stages responsible for establishing parasite infection in the mosquito vector. The epitopes recognized by functional antibodies targeting Pfs48/45 are disulfide-bond (S-S) constrained, conformational epitopes. As Pfs48/45 protein has not been crystallized, precise location of the S-S bonds and the topology of epitopes are unknown. It has been shown previously that the ability to reduce S-S in antigens can greatly influence the epitopes presented by antigen-presenting cells (APCs) and thus influence induction of effective immune responses. Gamma-interferon-inducible lysosomal thiol reductase (GILT) is an enzyme expressed in APCs that mediates reduction of S-S bonds contained within antigens, for subsequent display of peptides on MHC molecules. Using non-reduced (NR) and reduced/alkylated (RA) Pfs48/45 antigens, we sought to investigate the role of GILT on induction of protective immunity. We hypothesized that the ability to reduce S-S bonds in Pfs48/45 will impact the generation of T cell epitopes, and thus influence helper T cell responses required for B cell stimulation and production of protective antibody. We conducted immunogenicity studies in wild type (WT) and GILT-/- (KO) mice using the two structural forms of Pfs48/45 and analyzed immune responses to full length Pfs48/45, five overlapping fragments and 39 overlapping peptides. Results indicated that generation of Pfs48/45 antibodies is not significantly impacted by the availability of GILT, however there was uniquely Th2-biased T and B cell responses in the KO mice, and a contrasting Th1 bias in WT mice. Results also revealed possible effects of GILT on induction of long-lived plasma cells and memory B cells responsible for resting and antigen-recall responses to Pfs48/45. Data presented also shows reduced immunogenicity of the RA Pfs48/45 antigen and immune responses differed in magnitude and specificity between male and female animals. Overall, we aimed to gain a better understanding of the immunological mechanisms critical to generate protective and lasting immunity against Pfs48/45. These and future studies will contribute significantly to our understanding of antigenic features of Pfs48/45 important for use as a TBV. / acase@tulane.edu

Infectious diseases are the second leading cause of deaths in the world with malaria being responsible for approximately the same amount of deaths as cancer in 2012. Despite the success in malaria prevention and control measures decreasing the disease mortality rate by 45% since 2000, the development of single-dose therapeutics with radical cure potential is required to completely eradicate this deadly disease. Targeting multiple stages of the malaria parasite is becoming a primary requirement for new candidates in antimalarial drug discovery and development. Recently, 4(1H)-pyridone, 4(1H)-quinolone, 1,2,3,4-tetrahydroacridone, and phenoxyethoxy-4(1H)-quinolone chemotypes have been shown to be antimalarials with blood stage activity, liver stage activity, and transmission blocking activity. Advancements in structure-activity relationship and structure-property relationship studies, biological evaluation in vitro and in vivo, as well as pharmacokinetics of the 4(1H)-pyridone and 4(1H)-quinolone chemotypes is discussed in the first chapter of the dissertation. Convenient synthetic approaches to 3-aryl-4(1H)-quinolones via metal-catalyzed and metal-free arylation of β-keto carbonyl compounds is addressed in Chapter 2. A clean arylation protocol of ethyl acetoacetate was developed by using hypervalent diaryl iodonium salts under mild and metal-free conditions. The scope of the reaction, using symmetric and unsymmetric iodonium salts varying in sterics and electronics was examined. This method has been applied for the synthesis of antimalarial compound ELQ-300, which is currently in preclinical development. Additionally, a first gram scale synthesis of ELQ-300 and its structurally related 4(1H)-quinolone P4Q-391 using operationally simple and highly yielding metal-catalyzed conditions have been shown. Despite of 3-aryl-4(1H)-quinolone chemotypes displaying potent antimalarial activities against Plasmodium species in vitro and in vivo, their development is also associated with risks. 4(1H)-quinolones are known to be poorly soluble and thus represent challenging drug candidates for pharmacokinetic and bioavailability reasons. Disrupting of molecular crystal packing and prodrug approaches were employed to overcome solubility and bioavailability issues in current series. Quantum mechanics torsion profile calculations, 13C T1 spin-lattice relaxation experiments as well as X-ray studies were conducted with the objective to determine possible effects improving key physicochemical properties such as solubility and stability. As a backup strategy, a prodrug approach was developed enabling the 4(1H)-quinolone scaffold to be functionalized at the quinolone's oxygen. In order to avoid any enzymatic dependences, an approach was developed in which the prodrug moiety was removed via a pH-triggered decay. Additionally, phosphate prodrugs regenerating the active compound via extrahepatic enzymes such as the ubiquitous alkaline phosphatase were investigated. The development of orally bioavailable prodrugs enabled an advance overcoming in vivo efficacy limitations and has been confirmed by pharmacokinetic profiling studies. The herein presented approaches present viable options for any pyridone quinolone antimalarial chemotype which are currently studied.