Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--München.

Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Molecular imaging of rats is of great importance for basic and translational research. As a powerful tool in nuclear medicine, SPECT can be used to visualize specific functional processes in the body, such as myocardial perfusion or bone metabolism. Typical applications in laboratory animals are imaging diagnostics or the development of new tracers for clinical use. Innovations have enabled resolutions of up to a quarter of a millimeter with acceptable sensitivity. These advances have recently led to significantly more interest in SPECT both clinically and preclinically. The objective of this thesis was to evaluate the performance of the new U-SPECT5/CT E-Class by MILabs with a dedicated ultra-high resolution multi-pinhole collimator for rats and its potential for in vivo imaging of rats. The unique features of the U-SPECT are the large stationary detectors and the new iterative reconstruction algorithm. In addition, compared to the conventional system, the "E-Class" uses only two detectors instead of three. First, the sensitivity, maximum resolution, and uniformity were determined as performance parameters. Thereafter, CNRs for different activity levels comparable to those of typical in vivo activities were examined. Finally, two example protocols were carried out for imaging with 99mTc-MIBI and 99mTc-HMDP in healthy rats to evaluate the in vivo capabilities. For this purpose, CNR calculations and an image quality assessment were performed. The focus was on image quality as a function of scan time and post-reconstruction filter across a wide range of realistically achievable in vivo conditions. Performance was reasonable compared to other systems in the literature, with a sensitivity of 567 cps/MBq, a maximum resolution of 1.20 mm, and a uniformity of 55.5%. At the lower activities, resolution in phantom studies decreased to ≥1.80 mm while maintaining good image quality. High-quality bone and myocardial perfusion SPECTs were obtained in rats with a resolution of ≥1.80 mm and ≥2.20 mm, respectively. Although limited sensitivity remains a weakness of SPECT, the U-SPECT5/CT E-Class with the UHR-RM collimator can achieve in vivo results of the highest standard despite the missing third detector. Currently, it is one of the best options for high-resolution radionuclide imaging in rats. / Die molekulare Bildgebung bei Ratten hat einen hohen Stellenwert in der Grundlagenforschung und der translationale Forschung. Dabei ist SPECT ein leistungsfähiges Instrument zur Visualisierung spezifischer funktioneller Prozesse im Körper, wie z. B. der Herzmuskeldurchblutung oder des Knochenstoffwechsels. Typische Anwendungsbereiche an Labortieren sind die bildgebende Diagnostik im Rahmen von Studien oder die Entwicklung neuer Tracer für den klinischen Einsatz. Durch Innovationen wurden Auflösungen von bis zu einem Viertelmillimeter bei akzeptabler Empfindlichkeit erreichbar. Diese Fortschritte haben in letzter Zeit zu einem deutlich gestiegenen Interesse an SPECT sowohl im klinischen als auch im präklinischen Bereich geführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Leistung des neuen U-SPECT5/CT E-Class von MILabs mit einem speziellen ultra-hochauflösenden Multi-Pinhole-Kollimator für Ratten und das Potenzial für die In-vivo-Bildgebung bei Ratten zu untersuchen. Dabei sind die Besonderheiten des U-SPECTs die großen stationären Detektoren und der neue iterative Rekonstruktionsalgorithmus. Außerdem verfügt die von uns verwendete „E-Klasse“ im Vergleich zum konventionellen System nur über zwei statt drei Detektoren. Zunächst wurden die Sensitivität, die maximale Ortsauflösung und die Homogenität als Leistungsparameter bestimmt. Anschließend wurde das Kontrast-Rausch-Verhältnis für verschiedene Aktivitätsniveaus, die mit denen typischer In-vivo-Studien vergleichbar sind, untersucht. Schließlich wurden zwei Beispielprotokolle für die Bildgebung mit 99mTc-MIBI und 99mTc-HMDP bei gesunden Ratten durchgeführt, um die In-vivo-Kapazitäten zu erfassen. Zur Bewertung wurden eine Kontrast-Rausch-Analyse und eine Bildqualitätsumfrage genutzt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bildqualität in Abhängigkeit von der Scanzeit sowie dem Postrekonstruktionsfilters für ein breites Spektrum realistisch erreichbarer In-vivo-Bedingungen. Die Leistung war mit einer Sensitivität von 567 cps/MBq, einer maximalen Ortsauflösung von 1,20 mm und einer Homogenität von 55,5% mit anderen in der Literatur beschriebenen Systemen vergleichbar. Bei niedrigeren Aktivitäten verringerte sich die Auflösung in Phantomstudien auf ≥1,80 mm bei gleichbleibend guter Bildqualität. Es wurden hochqualitative Knochen- und Myokardperfusions-SPECTs mit einer Auflösung von ≥1,80 mm bzw. ≥2,20 mm bei Ratten erzielt. Obwohl die begrenzte Empfindlichkeit nach wie vor eine Schwäche der SPECT ist, kann das U-SPECT5/CT E-Class mit dem UHR-RM-Kollimator, trotz des fehlenden dritten Detektors, In-vivo-Ergebnisse auf höchstem Niveau erzielen. Es ist derzeit eine der besten Optionen für die hochauflösende Radionuklid-Bildgebung bei Ratten.

Ziel der Dissertation „Neue zwitterionische Halbschalen als Bausteine für supramolekulare Kapseln“ war die Verknüpfung zweier Guanidiniocarbonylpyrrolcarboxylat-Bindungsmotive von Schmuck über starre, sowohl aromatische als auch nichtaromatische Linker. Die so erhaltenen zwitterionische Halbschalen sollten in Lösung zu supramolekulare Kapseln aggregieren, welche einen Hohlraum ausweisen, in den Gastmoleküle eingelagert werden können. Dieses Bindungsmotiv ist selbstkomplementär und daher in der Lage Homodimere auszubilden. Durch die Kombination aus Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen sind diese selbst in polaren Lösemitteln wie DMSO oder Wasser stabil, im Gegensatz zu Systemen, welche z.B. nur über Wasserstoffbrücken verfügen und in polaren Medien wieder dissoziieren. Zur Synthese wurden zwei Bindungsmotive mittels Tetrahydroxybenzol verbrückt. Die eindeutige Charakterisierung erfolgte über NMR-Spektroskopie, Massen-Spektrometrie und Röntgenstrukturanalyse. Anschließend wurde die Verbindung in die zwitterionische Form überführt und auf Kapselbildung hin untersucht (NMR, DOSY, Masse, Molecular Modelling). Die theoretischen Berechnungen wiesen darauf hin, dass die synthetisierten Halbschalen in der Lage sein sollten, Kapseln zu bilden. Trotz der erfolgreichen Synthese dieses neuartigen zwitterionischen Makrozyklus steht der experimentelle Nachweise auf Grund der schlechten Löslichkeit der Zwitterionen in allen verwendeten Lösemitteln noch aus. Auch wurde Glucoluril als nichtaromatisches Linkermolekül erfolgreich verwendet. Als erstes wurde das 4,4’-Diphenylglucoluril erfolgreich in der Kupplung eingesetzt. Es war möglich, die so erhaltenen cis/trans-Makrozyklen säulenchromatographisch zu isolieren und mittels Röntgenstrukturanalyse zu charakterisieren. Nach Überführung in die Zwitterionen wurden diese wiederum auf die Kapselbildung hin untersucht (NMR, DOSY, Masse, Molecular Modelling). Berechnungen zufolge sollte die Kapselbildung möglich sein, jedoch steht auch hier trotz erfolgreicher Synthese der experimentelle Nachweis auf Grund der Unlöslichkeit noch aus. Zur Verbesserung der Löslichkeit wurden zwei neue Glucolurilderivate entwickelt, welche am Phenylring mit Octyl- bzw. Triethylenglykolketten substituiert waren. Dadurch sollte die Löslichkeit der Zwitterionen in organischen bzw. wässrigen Lösungen erhöht werden. Jedoch zeigte die Einführung dieser Ketten keine wesentliche Verbesserung der Löslichkeit und somit konnte auch bei diesen neuen zwitterionischen Halbschalen keine Kapselbildung nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurden sieben neue zwitterionische makrozyklische Halbschalen synthetisiert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse können als Ausgangspunkt verwendet werden, die Löslichkeit weiter zu verbessern. / The main focus of the thesis „Novel zwitterionic subunits as building blocks for supramolecular capsules“ was to combine two Guanidiniocarbonylpyrrolecarboxylate binding motifs developed by Schmuck by the use of rigid aromatic and non aromatic linkers. The resulting zwitterionic subunits should be able to aggregate in solution to form supramolecular capsules with a cavity large enough to encapsulate guest molecules. The binding motif is self complementary and able to form homodimers. Because of the combination of hydrogen and ionic bonds, this binding motif is able to form stable dimers in polar solvents such as DMSO or water unlike a system containing only hydrogen bonds which dissociates again in polar solvents. For the synthesis, two of these binding motifs were linked together by tetrahydroxybenzene. The characterization was done by NMR-spectroscopy, mass-spectrometry and X-ray crystal structure analysis. Subsequently the compound was converted into the zwitterionic form and the capsule forming abilities were analysed (NMR, DOSY, ESI/MALDI, molecular modelling). The calculated results show that capsule formation should be possible. Despite the successful synthesis of this new zwitterionic macrocycle the experimental detection of the supramolecular capsule has not been successful yet due to the bad solubility of the zwitterions. The second system contained 4,4-diphenylglucolurile as a nonaromatic linker molecule. The cis/trans-mixture of the new macrocycles were separated by column chromatography and characterized by NMR-spectroscopy, mass-spectrometry and X-ray crystal structure analysis. The transformation into the zwitterionic form yielded two new macrocyclic zwitterionic half shells which should be able to form stable supramolecular capsules in solution. Due to the bad solubility in all used solvents the experimental detection of the supramolecular capsules has not been successful yet. The introduction of octyl and triethyleneglycole groups to enhance the solubility was successful but led to no significant change in the solubility. Despite the fact that the capsule formation could not yet be detected experimentally, seven novel macro cyclic zwitterionic half shells where synthesised and the hereby obtained knowledge can be used as a basis for the future synthesis of soluble building blocks for supramolecular capsules.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein multivalenter Rezeptor auf Basis von Guanidiniocarbonylpyrrolen zur Komplexierung von biologisch relevanten (poly)- anionischen Substraten wie Citrat, Malat und Tatrat dargestellt werden. Der Rezeptor bindet Citrat selbst in Gegenwart eines 1000fachen Überschusses an NaCl und einem 10fachen Überschuss an Bis-tris Puffer mit einer hohen Bindungskonstante von KAss = 86000 M-1 in Wasser. Wenn man Rezeptoren auf Metall- und Boronsäurebasis nicht berücksichtigt, handelt es sich nach meinem Wissen um den besten Citrat-Rezeptor, der in der Literatur bisher publiziert ist. Außerdem zeigt der Rezeptor mit einem Faktor von mindestens 8 eine hohe Selektivität für Citrat gegenüber anderen biologisch relevanten Dicarboxylaten wie Malat und Tatrat. Mithilfe von Bindungsstudien und Molecular Modeling Rechnungen konnte hergeleitet werden, welchen Einfluss die verschiedenen nicht-kovalenten Wechselwirkungen auf die Bindungskonstante haben. Dabei konnte gezeigt werden, dass Flexibilität, Hydroxy-Funktionen, pi-Stacking und Symmetrie bei den Substraten Einfluss auf die Bindungskonstanten zeigen, wobei vor allem die unpolaren Wechselwirkungen und die zusätzliche Hydroxy-Funktionen einen hohen Anteil an der Bindung zu haben scheinen. Neben der selektiven Erkennung von Citrat durch den Rezeptor konnte zusätzlich ein Sensorsystem mit Carboxyfluorescein auf Basis eines indicator displacement assays entwickelt werden, mit dem die Anwesenheit von Citrat im Gegensatz zu anderen Carboxylaten mit dem bloßen Auge (naked eye) erkannt werden kann. Neben den Polycarboxylaten zeigt der Rezeptor außerdem noch hohe Bindungskonstanten für polyanionische Zucker. So konnten z.B. für Glucophosphate mit UV-Spektroskopie Bindungskonstanten von KAss = ca. 20000 M-1 in dem sehr polaren Lösemittelgemisch 10 % DMSO/Wasser (pH = 4, Acetat-Puffer) gefunden werden. / In the course of this work a multivalent receptor based on guanidiniocarbonyl-pyrrolcations for the complexation of biologically relevant (poly)-anionic substrates like citrate, malate or tatrate was synthesised. The receptor binds citrate in the presence of a 1000fold excess of NaCl and a 10fold excess of bis-tris buffer with a high binding constant of KAss = 86000 M-1 in water. To the best of my knowledge is hence the most efficient receptor for the binding of citrate in water reported so far, if receptors on metall- and boronic acid-basis are neglected. Furthermore receptor shows a high selectivity with a factor of at least 8 for citrate against other biologically relevant dicarboxylates like malate or tartrate. With the aid of binding studies and molecular modeling calculations could be determined, which influence the different non covalent interactions have on the binding constant. It was demonstrated in this way, that flexibility, hydroxyfunctions,pi-stacking and symmetry of the substrates have a major influence on the binding constant. Especially unpolar interactions and interactions with the hydroxy group seem to play a major role in the binding mode. In addition to the selective recognition of citrate with the receptor a sensor system with carboxyfluoresceine based on an indicator displacement assay (ida) could be developed. With this ida it was possible to detect citrate in contrast to other biologically relevant substrates with the naked eye. Furthermore the receptor showed high binding constants for anionic sugars. In a solvent mixture of 10 % DMSO/Water (pH = 4, acetate buffer) bindings constants of KAss = ca. 20000 M-1 were measured for the glucophosphates.

MicroRNAs sind kurze, nicht-kodierende Ribonukleinsäuren, die eine wichtige Rolle bei der Genregulation spielen. Sie sind an vielen physiologischen Prozessen beteiligt und werden als vielversprechende Kandidaten für eine neue Generation von Biomarkern gehandelt. Die Quantifizierung von miRNAs aus Blut oder anderen Körperflüssigkeiten verspricht eine frühe Diagnose verschiedener Krankheitsbilder. Dazu zählen neben zahlreichen Krebsformen unter anderem auch Autoimmun- oder Herz-Kreislauferkrankungen. Um diese Biomarker schnell, sensitiv und spezifisch detektieren zu können, werden geeignete Detektionssysteme benötigt. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Point-of-Care-Systemen, die eine automatisierte Durchführung mit einfacher Handhabung verlangen. Mikrochips können als leistungsfähige technische Hilfsmittel für eine robuste und miniaturisierte Signalerfassung an biochemischen Grenzflächen dienen. Auf der Grundlage eines CMOS-Chips mit einem Sensorarray aus interdigitalen Gold-Elektroden sollte in dieser Arbeit eine quantitative und multiplexfähige miRNA-Detektionsmethode mit elektrochemischer Signaltransduktion entworfen und untersucht werden. Weitere wichtige Zielfaktoren waren eine einfache und schnelle Durchführbarkeit, eine hohe Spezifität und eine gute Sensitivität bei gleichzeitigem Verzicht auf Amplifikation und Vormarkierung des Ausgangsmaterials. Es wurden verschiedene Methoden entworfen, überprüft, untersucht, optimiert und weiterentwickelt. Das beste Ergebnis wurde letztlich mit einem als Sandwich-Ligations-Methode bezeichneten Verfahren erzielt. Dabei wird zunächst ein aus zwei doppelsträngigen Assay-Komponenten und der Ziel-miRNA bestehender dreiteiliger Hybridisierungskomplex gebildet, der eine beidseitige spezifische Ligation der miRNA mit einem auf der Sensoroberfläche immobilisierten Fängerstrang und einem enzymmarkierten Reporterstrang vermittelt. Durch einen anschließenden Waschschritt werden alle überschüssigen Markierungen vom Detektionsbereich entfernt, so dass bei der Detektion nur Reporterenzyme ausgelesen werden, die über die Ziel-miRNA kovalent mit dem immobilisierten Strang verbunden sind. Dieses Signal ist daher proportional zur Ausgangskonzentration der gesuchten miRNA. Die Methode wurde mit Hilfe von synthetischen miRNAs etabliert und optimiert. Sie erreichte eine analytische Sensitivität von unter 1 pM Ziel-Nukleinsäure bei einer Gesamt-Versuchsdauer von nur 30 Minuten. Konzentrationsreihen demonstrierten einen linearen dynamischen Messbereich zwischen 1 pM und 1 nM, der eine verlässliche Quantifizierung der detektierten miRNAs in diesem Bereich ermöglicht. Die sehr gute Spezfifität des Assays zeigte sich bei der Untersuchung des Einflusses verschiedener IsomiRs auf das Messergebnis sowie im Rahmen von Experimenten mit miRNAs der let-7-Familie. Dabei konnten Ziel-Nukleinsäuren mit Einzelbasenunterschieden klar differenziert werden. Die Multiplexfähigkeit der vorgestellten Methode wurde durch die gleichzeitige Quantifizierung von bis zu acht miRNAs auf einem CMOS-Chip demonstriert, zuzüglich Kontrollen. Die Validierung der Detektionsmethode erfolgte mit Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblutproben. Dazu wurde ein kardiales Panel aus acht miRNAs, die auf Basis von Studien zu zirkulierenden miRNAs bei Herzerkrankungen ausgewählt wurden, festgelegt. Mit Hilfe der entsprechenden optimierten Detektionskomponenten wurden aus Spenderblut gewonnene endogene miRNAs analysiert. Dabei zeigte sich für fünf der acht Kandidaten sowohl eine solide Korrelation zwischen eingesetzter Gesamt-RNA-Menge und Messsignal, als auch eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Konzentrationen der übrigen drei miRNAs lagen nah am unteren Detektionslimit und lieferten daher keine verlässlichen Daten. Mit Hilfe sogenannter branched DNA zur Signalamplifikation könnte bei Bedarf die Sensitivität des Assays noch verbessert werden, was durch weitere Experimente dieser Arbeit demonstriert wurde. Ein Vergleichsexperiment zwischen der Sandwich-Ligations-Methode und qRT-PCR zeigte nur eine schwache Korrelation der Messergebnisse. Dies ist jedoch konsistent mit anderen Studien zur Vergleichbarkeit unterschiedlicher Detektionsmethoden. Abschließend wurden die miRNAs des kardialen Panels in Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblut von Herzinfarktpatienten und Kontrollen mit der entwickelten Detektionsmethode analysiert und die Ergebnisse verglichen. Dabei konnten Abweichungen in den Konzentrationen von miR-15a und miR-425 aufgedeckt werden. Eine entsprechende diagnostische Untersuchung mit der hier vorgelegten und validierten Detektionsmethode könnte eine Alternative oder Ergänzung zu aktuell eingesetzten proteinbasierten Tests bieten. / MicroRNAs are short, non-coding ribonucleic acids that play an important role in gene regulation. They are involved in many physiological processes and therefore considered as auspicious candidates for a new generation of biomarkers. The quantification of miRNAs from blood or other body fluids promises early diagnosis of various diseases, including autoimmune disorders, cardiovascular disease as well as different types of cancer. For a fast, sensitive and specific detection of these biomarkers, suitable detection systems are needed. A particular focus is thereby on the development of point-of-care systems, which require an automatized work-flow with easy handling. Microchips are powerful technical tools for a robust and miniaturized signal acquisition at biochemical interfaces. Based on a CMOS chip providing an array of interdigitated gold electrode sensors, a quantitative multiplex miRNA detection method with electrochemical readout should be designed and investigated in this work. A fast and easy workflow, a high specificity and a good sensitivity without amplification or prelabeling of the target material were additional important goals. Several approaches were designed, tested, investigated, optimized and refined. In the end a method labeled as Sandwich Ligation Assay provided the best results. In this procedure, a tripartite hybridization complex is created by two double-stranded assay components and the target nucleic acid. This formation mediates a specific both-sided ligation of the miRNA to an immobilized capture strand on the sensor surface and to an enzyme-linked reporter strand. A subsequent washing step removes all excessive label conjugates from the sensor array. Thus only reporter enzymes that are covalently bound to the immobilized capture strand via the target miRNA are measured during detection. The acquired signal is therefore proportional to the initial concentration of the respective target. The Sandwich Ligation Assay was established and optimized using synthetic miRNAs. A sensitivity of less than 1 pM nucleic acid target could be achieved at a time to result of only 30 minutes. Generated concentration curves showed a linear dynamic range between 1 pM and 1 nM allowing a reliable quantification of detected miRNAs in this scope of measurement. Experiments with miRNAs of the let-7 family that exhibited only one or two nucleotide differences demonstrated a very good specificity of the presented method, as did the investigation of the influence of IsomiRs on the measurement signal. The ability of multiplex measurement was verified by the simultaneous quantification of up to eight miRNAs plus controls on one CMOS chip. The detection method was validated using total RNA extracts gained from whole blood samples. Therefore a cardiac panel composed of eight miRNA candidates was assorted by leveraging the results of studies about circulating miRNAs in heart disease. The optimized corresponding detection components were used to analyze endogenous miRNAs from donor blood. Five of the eight candidates showed a solid correlation between the applied amount of total RNA and the measurement signal as well as a good reproducibility of results with CV values ranging from 0.04 to 0.13. The concentrations of the three remaining miRNAs were too close to the lower detection limit and hence didn’t provide reliable data. A signal amplification using so-called branched DNA can be integrated into the measurement procedure to further enhance the sensitivity of the assay, if required. This was demonstrated by additional experiments of this thesis. A comparison between the Sandwich Ligation Assay and qRT-PCR showed only weak correlation of measurement results, which is in line with previous studies about interplatform comparability. Finally, the miRNAs of the cardiac panel were analyzed in total RNA samples extracted from whole blood of patients with myocardial infarction and controls using the established detection method. By comparison of the results dysregulations of the particular miRNAs miR-15a and miR-425 could successfully be identified. A respective diagnostic test using the proposed measurement procedure could provide an alternative or a complement to the currently applied immunoassays.

Zugl.: Marburg, Univ., Diss., 2005

Regensburg, Univ., Diss., 2007

Würzburg, Univ., Diss., 2008