Für die definierte und konstante Wirkstofffreigabe aus therapeutischen Systemen sind Kenntnisse der Mikrostruktur vonKontrollmembranen von großer Bedeutung. Durch eine Additionsreaktion können Polydimethylsiloxan-Membranen ausvinylendgestoppten linearen Polydimethylsiloxanen und niedermolekularen Si-H-funktionalisierten Polydimethylsiloxanen unterEinfluss eines Platin- Katalysators hergestellt werden. Hierbei ist es durch den Einsatz genau charakterisierterAusgangspolymere möglich, Membranen mit einer statistisch definierten Mikrostruktur zu erhalten. Die Mikrostruktur kanndurch die Netzbogenlänge charakterisiert werden. Der Abschnitt zwischen zwei Verknüpfungspunkten in einem Netzwerk wirdals Netzbogenlänge (NBL) bezeichnet. Diese beschreibt die Anzahl der Dimethyl-siloxan-Einheiten zwischen zweiVerknüpfungen. Die Permeationseigenschaften wurden mit Hilfe des standardisierten Permeationskoeffizienten untersucht. Derstandardisierte Permeationskoeffizient ist von der mittleren Netzbogenlänge der Polydimethylsiloxan-Membranen abhängig. Dieser Zusammenhang wurde an elf Benzoesäure- und Naphthalinderivaten als Modellsubstanzen untersucht und bestätigt.Hierbei wurden Membranen mit den mittleren Netzbogenlängen 65, 99 und 122 Siloxan-Einheiten für die Untersuchungeneingesetzt. Bei allen untersuchten Substanzen stieg der Permeationskoeffizient mit größer werdender Netzbogenlänge derMembranen geringfügig an. Die Permeationskoeffizienten von Membranen mit der Netzbogenlänge 122 waren dabei - mitlediglich vier Ausnahmen - stets statistisch signifikant größer als von Membranen mit der Netzbogenlänge 65. Als mögliche weitere Einflussfaktoren auf die Permeationsgeschwindigkeit wurden der Membran/Wasser-Verteilungskoeffizient, dasDipolmoment und das van der Waals-Volumen der elf Modellsubstanzen untersucht. Es konnte ein Zusammenhang zwischendem Membran/Wasser-Verteilungskoeffizienten und dem Permeationskoeffizienten aufgezeigt werden. Das Volumen deruntersuchten permeierenden Moleküle hat jedoch nur bei Netzbogenlängen kleiner als 122 einen Einfluss auf diePermeationsgeschwindigkeit. Als neue Möglichkeit zur Untersuchung der Diffusionskinetik vor Erreichen des stationärenZustands in Polydimethylsiloxan-Membranen wurde die konfokale Raman-Spektroskopie eingesetzt. Bei derRaman-Spektroskopie wird das Probensystem während der Messung weder zerstört noch verändert. Weiterhin ist es möglich,durch das gekoppelte konfokale Mikroskop gezielt an einem bestimmten Punkt innerhalb der Membran zu messen. Damitkönnen nun dynamische Vorgänge wie der Aufbau eines Konzentrationsgradienten vor Erreichen des stationären Zustandes aneinem bestimmten Punkt in einer Membran über einen längeren Zeitraum gemessen werden. Anhand von Intensitätsänderungencharakteristischer Peaks oder der Verschiebung von Banden werden Konzentrations- und Strukturänderungen der Membranund der permeierenden Moleküle sichtbar. Die Untersuchungen mit der konfokalen Raman-Spektroskopie zeigten, dass dieseMethode geeignet ist, Diffusionskinetiken im nicht stationären Zustand innerhalb der Membranen zu beobachten. / The knowledge of the microstructure of controlling membranes is very important in order to achieve a defined and constantdrug release from therapeutic systems. Poly(dimethylsiloxane) membranes can be prepared by an addition reaction of linearpoly(dimethylsiloxanes) with terminal vinyl groups and low molecular poly(dimethylsiloxanes) with Si-H functional groups. Forthis reaction a Platinum catalyst is used. By using well characterized starting polymers it is possible to get membranes with astatistically defined microstructure. The network chain length can characterize the microstructure. The distance between twopoints of cross-linking within the network is called network chain length (NCL). The network chain length describes the numberof the dimethyl- siloxane-units between two cross-linking points. The properties of permeation were investigated by using the stadardized permeation coefficient. The permeation coefficient is dependent on the average network chain length of thepoly(dimethylsiloxane) membranes. This relationship was confirmed for 11 benzoic acid and hydroxynaphthalene derivates.Membranes with network chain lengths of 65, 99 and 122 were used for these investigations. The permeation coefficient P*increases slightly with rising network chain length for all 11 model substances. The permeation coefficient of the membraneswith network chain length of 122 was found to be higher by a statistically significant amount than those of membranes with anetwork chain length of 65 - having only 4 exceptions. In order to find other factors which influence the permeation rate, the membrane/water-partition coefficient, the dipole moment and the van der Waals volume were investigated. There was amathematically relationship between the membrane/water-partition coefficient and the permeation coefficient. The volume of themoleculeshad only with membranes with a network chain length of 122 an influence on the permeation. ConfocalRaman-spectroscopy was taken as a pioneering method to investigate the kinetics of diffusion before reaching the steady statein poly(dimethylsiloxane) membranes. Up to now it was only possible to investigate the diffusion process in the steady state. The membrane was always taken as a whole. Raman-spectroscopic measurements do not destroy or change the probe system.Because of the coupled confocal microscope it is possible to measure selectively at a defined point in the membrane. Thereforedynamic processes e.g. can be investigated before reaching the steady state flux. The investigations with confocalRaman-spectroscopy show the possibility to observe diffusion processes in and before the steady state flux with this method.

Since four decades, high-throughput screenings have been conducted in drug discovery, fuelling the identification of potential new drug candidates. This approach, however, often promotes the detection of compounds with undesired physico-chemical properties like poor aqueous solubility or low membrane permeability. Indeed, dissolution and absorption of a drug are prerequisites for systemic exposure and therapeutic effects. Therefore, innovative strategies to optimize unfavourable performance of new drug candidates are in great demand in order to increase drug concentrations at the site of action whilst simultaneously reducing drug variability. In chapter I of this research work, hydrophobic ion pairing (HIP) is discussed as a promising strategy to improve the bioavailability of BCS class III compounds, which have high aqueous solubility and low permeability. The review points out the limitations of poorly absorbable drugs and details the approach of pairing these APIs with hydrophobic counterions. Apart from the motivation to tailor physico-chemical, biopharmaceutical and toxicological properties of BCS class III compounds, the hydrophobic ion pairing facilitates their formulation into drug delivery systems. Besides advantageous effects, disadvantages of the ion pair formation, such as the decreased aqueous solubility of the ions pair, are critically outlined. Finally, the review covers an overview of non-invasive administration routes permitted after ion pair formation, including oral/enteral, buccal, nasal, ocular and transdermal drug administration. Overall, the HIP approach offers substantial benefits regarding the bioavailability enhancement of BCS class III compounds. Chapter II concerns GHQ168 developed by Holzgrabe et al., a BCS class II compound characterized by low aqueous solubility and high permeability. GHQ168 was developed for the treatment of human African trypanosomiasis (HAT), a tropical disease for which novel active compounds are urgently needed. This lead compound was found to be very active against trypanosoma brucei brucei and trypanosoma brucei rhodesiense in cell culture assays, however, the low aqueous solubility prevented further preclinical development. To target this drawback, two different approaches were selected, including (I) the chemical modification and (II) the spray drying of GHQ168. The newly synthesized set of derivatives as well as the spray dried GHQ168 were subjected to a physico-chemical and microbiological characterization. It turned out that both approaches successfully improved aqueous solubility, however, for the derivatives of GHQ168 at the expense of activity. Furthermore, the pharmacokinetic parameters of GHQ168 and of the most active derivatives, GHQ242 and GHQ243, were evaluated. Elimination half-lives between 1.5 to 3.5 h after intraperitoneal administration and modest to strong serum albumin binding for GHQ243 (45%) and GHQ168 (80%) and very high binding (> 99%) for GHQ242 were detected. The spray dried formulation of GHQ168, as well as GHQ242 and GHQ243 were investigated in two in vivo studies in mice infected with t. b. rhodesiense (STIB900), referred to as (I) stringent model and (II) early-treatment model. In the stringent model (2 applications/day on day 3-6 after infection) the mean survival duration (MSD) of mice treated with spray dried GHQ168 exceeded the MSD of the untreated control group (17 days versus 9 days), a difference that was statistically significant. In contrast, no statistical difference was observed for GHQ242 (14 days) and GHQ243 (12 days). GHQ168 was further assessed in the early-treatment model (2 applications/day on day 1-4 after infection) and again a statistically significant improvement of MSD (32 days (end of observation period) versus 7 days) was observed. Finally, exciting antitrypanosomal efficacy for the spray dried formulation of GHQ168 was demonstrated. NADPH oxidases (NOX) were found to be the main source of endothelial reactive oxygen species (ROS) formation. Chapter III reports on the formulation studies on triazolopyrimidine derivatives from the VAS library, a set of NADPH oxidase inhibitors. These were developed for the treatment of elevated ROS levels, which contribute to the development of cardiovascular diseases. Although in vitro results from numerous studies indicated promising efficacy and selectivity for the VAS-compounds, the low water solubility impeded the in vivo translation and further preclinical development. For this reason, three derivatives, VAS2870, VAS3947, and VAS4024 were physico-chemically characterized and VAS3947, the most soluble compound, was selected for further formulation studies. These approaches included (I) spray drying, (II) microemulsification and (III) complexation with cyclodextrins in order to develop formulations for oral and parenteral application. Solubility improvement of VAS3947 was successfully demonstrated for all preparations as expressed by supersaturation ratios in comparison to the solubility of the unformulated compound. For seven spray dried formulations, the ratio ranged from 3-9, and the ratio for four microemulsions was 8-19 after 120 min, respectively. The six cyclodextrin formulations achieved the highest supersaturation ratio between 3 and 174 after 20 hours. NMR measurements elucidated the inclusion of VAS3947 within the CD’s cavity as well as the interaction with its outer surface. Ultimately, NOX inhibitors were opened for oral and parenteral administration for the first time. After successful solubility improvement of VAS3947, further investigations towards in vivo studies were conducted including stability studies with a focus on stability in solution and in plasma as presented in chapter IV. Furthermore, permeability and cytotoxicity assays were performed for the first time. It turned out that VAS3947 was instable in buffer and when exposed to light. Moreover, the compound showed decomposition in the presence of mouse microsomes and in human plasma. The VAS compounds contain an oxazol moiety linked to the triazolopyrimidine skeleton via a thioether. This structural element is responsible for the efficacy of the compound class, however it is susceptible to hydrolysis and to further degradation reactions. Moreover, VAS3947 harmed membrane integrity in the cell permeability assays and cytotoxicity investigations in HEK-293 and HEP-G2 cells revealed IC50 values in the same concentration range as reported for efficacy assays. Summarized, it was demonstrated that substances from the VAS library were no appropriate model compounds for ROS investigations nor suitable candidates for further preclinical development. / Seit vier Jahrzehnten werden Hochdurchsatz-Screenings in der Arzneimittelforschung durchgeführt, was die Erkennung von potentiellen Wirkstoffkandidaten vorantreibt. Diese Vorgehensweise begünstigt jedoch häufig die Identifizierung von Substanzen mit unerwünschten physikochemischen Eigenschaften wie geringer Wasserlöslichkeit oder geringer Membranpermeabilität. Der Bioverfügbarkeitstheorie zufolge sind die Auflösung und die Absorption eines Arzneistoffs Voraussetzung für die systemische Verfügbarkeit und die therapeutische Wirkung. Daher werden innovative Strategien, die die ungünstigen Eigenschaften neuer Wirkstoffkandidaten optimieren, dringend benötigt, um die Arzneistoffkonzentration am Wirkort zu erhöhen und gleichzeitig Wirkstoffschwankungen zu reduzieren. In Kapitel I dieser Forschungsarbeit wird die hydrophobe Ionenpaarbildung als vielversprechende Strategie diskutiert, um die Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen zu verbessern, die sich durch hohe Wasserlöslichkeit und geringe Permeabilität auszeichnen. Der Review zeigt die Grenzen von schlecht absorbierbaren Arzneistoffen auf und stellt den Ansatz vor, diese mit hydrophoben Gegenionen zu kombinieren. Abgesehen von der Motivation, die physikochemischen, biopharma-zeutischen und toxikologischen Eigenschaften von BCS Klasse III Substanzen positiv zu beeinflussen, wird die Formulierung der hydrophoben Ionenpaare in Trägersysteme erleichtert. Neben den Vorteilen werden auch die Nachteile der hydrophoben Ionenpaarbildung, wie beispielsweise die geringere Wasserlöslichkeit der Ionenpaare, kritisch dargestellt. Abschließend gibt der Review eine Übersicht über die verschiedenen nicht-invasiven Applikationsrouten, die nach hydrophober Ionenpaarbildung realisierbar sind, was die orale/enterale, bukkale, nasale, okulare und transdermale Arzneistoffgabe umfasst. Insgesamt bietet dieser Formulierungsansatz wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Verbesserung der Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen. Kapitel II befasst sich mit GHQ168, entwickelt von Holzgrabe et al., einer BCS Klasse II Substanz mit geringer Wasserlöslichkeit und hoher Permeabilität. GHQ168 wurde zur Behandlung der afrikanischen Schlafkrankheit entwickelt, einer tropischen Erkrankung, für die neue Arzneistoffe dringend benötigt werden. Diese Leitsubstanz bewies in Zellkulturversuchen sehr hohe Aktivität gegen Trypanosoma brucei brucei und Trypanosoma brucei rhodesiense, die geringe Wasserlöslichkeit verhinderte jedoch die weitere präklinische Entwicklung. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt, zum einen (I) die chemische Modifikation und zum anderen (II) die Sprühtrocknung von GHQ168. Die neu synthetisierten Derivate und das sprühgetrocknete GHQ168 wurden physikochemisch und mikrobiologisch charakterisiert. Beide Ansätze verbesserten erfolgreich die Wasserlöslichkeit, im Fall der Derivate von GHQ168 jedoch zu Lasten der Aktivität. Weiterhin wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften von GHQ168 und den aktivsten Derivaten, GHQ242 und GHQ243, untersucht. Nach intraperitonealer Applikation resultierten Halbwertszeiten zwischen 1.5 und 3.5 Stunden und eine mittlere bis hohe Plasmaproteinbindung für GHQ243 (45%) und GHQ168 (80%) und eine sehr hohe Plasmaproteinbindung für GHQ242 (> 99%). Die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 sowie GHQ242 und GHQ243 wurden in zwei in vivo Studien in Mäusen, die mit t. b. rhodesiense (STIB900) infiziert waren, untersucht, die Modelle werden als (I) stringent model und (II) early-treatment model bezeichnet. Im stringent model (2x tägliche Gabe an Tag 3-6 nach Infektion) war die durchschnittliche Überlebensdauer von Mäusen, die mit sprühgetrocknetem GHQ168 behandelt worden waren, statistisch signifikant höher als die der unbehandelten Kontrollgruppe (17 gegenüber 9 Tagen). Im Gegensatz hierzu wurde kein statistisch signifikanter Unterschied für GHQ242 (14 Tage) und GHQ243 (12 Tage) festgestellt. GHQ168 wurde im early-treatment model (2x tägliche Gabe an Tag 1-4 nach Infektion) weiter untersucht und erneut wurde eine statistisch signifikante Verbesserung der durchschnittlichen Überlebensdauer (32 Tage (Ende der Beobachtungsphase) gegenüber 7 Tagen) bewiesen. Letztendlich konnte für die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 eine erstaunliche Aktivität gegenüber Trypanosomen gezeigt werden. NADPH-Oxidasen (NOX) wurden als Hauptproduzenten von endothelialem reaktivem Sauerstoff erkannt. Kapitel III befasst sich mit Formulierungsstudien von Triazolopyrimidinderivaten aus der VAS-Substanzbibliothek, einer Reihe von NADPH-Oxidase-Inhibitoren. Diese Substanzen wurden zur Behandlung erhöhter reaktiver Sauerstoffspezies Werte entwickelt, denn diese tragen zur Entstehung von kardiovaskulären Erkrankungen bei. Obwohl die in vitro Ergebnisse zahlreicher Studien auf die vielversprechende Wirksamkeit und Selektivität der VAS-Substanzen hinweisen, verhinderte die geringe Wasserlöslichkeit den Übertrag auf in vivo Studien sowie die weitere präklinische Entwicklung. Daher wurden drei Derivate, VAS2870, VAS3947 und VAS4024, physikochemisch charakterisiert und VAS3947, die wasserlöslichste Substanz, wurde für weitere Formulierungsentwicklungen ausgewählt. Die Formulierungsansätze umfassten (I) die Sprühtrocknung, (II) die Herstellung von Mikroemulsionen und (III) die Komplexierung mit Cyclodextrinen, um Formulierungen für die orale und parenterale Verabreichung zu entwickeln. Die Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 konnte für alle Ansätze erfolgreich gezeigt werden und wurde als Übersättigungsrate im Vergleich zur Löslichkeit der unformulierten Substanz dargestellt. Für sieben sprühgetrocknete Formulierungen und für vier Mikroemulsionen ergab sich eine Übersättigungsrate von 3-9, beziehungsweise von 8-19 nach 120 Minuten. Die sechs Cyclodextrin-Formulierungen erreichten mit 3-174 nach 20 Stunden die höchste Übersättigungsrate. Der Einschluss von VAS3947 in die Kavität der Cyclodextrine sowie die Interaktion mit deren Außenseite wurde mittels NMR aufgeklärt. Schließlich wurde erstmals die Möglichkeit der oralen und parenteralen Gabe der NOX-Inhibitoren eröffnet. Nach erfolgreicher Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 wurden weitere Untersuchungen mit dem Ziel von in vivo Studien durchgeführt, was Stabilitätsuntersuchungen mit besonderem Schwerpunkt auf Stabilität in Lösung und in Plasma einschließt, wie im Kapitel IV aufgezeigt. Weiterhin wurden erstmals Permeabilitäts- und Zytotoxizitätsstudien durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass VAS3947 in Puffer und bei Lichtexposition instabil war. Zudem wurde die Substanz in Gegenwart von Maus-Mikrosomen und in menschlichem Plasma abgebaut. Die VAS-Substanzen enthalten eine Oxazol-Ringstruktur, die über einen Thioether mit dem Triazolopyrimidin-Gerüst verbunden ist. Diese Strukturelemente sind für die Wirksamkeit der Substanzklasse verantwortlich, sind jedoch auch hydrolyseempfindlich und anfällig für weitere Abbaureaktionen. Zudem schädigte VAS3947 die Membranintegrität in den Permeabilitätsversuchen und die Zytotoxizitätsuntersuchungen in HEK-293 und HEP-G2 Zellen ergaben IC50-Werte im gleichen Konzentrationsbereich wie in Aktivitätsuntersuchungen berichtet. Zusammenfassend wurde aufgezeigt, dass die VAS-Substanzen weder ein geeignetes Modell für die Untersuchung reaktiver Sauerstoffspezies sind, noch geeignet für die weitere präklinische Entwicklung.

Dem Endothel, welches die luminale Oberfläche aller Blutgefäße auskleidet, kommt eine wichtige Barrierefunktion zwischen Blut und Gewebe zu. Nur durch eine bedarfsgerechte Justierung dieser Barriere, die den Durchtritt von Molekülen und Zellen reguliert, kann die Gewebehomöostase aufrechterhalten werden. Dabei ist das Endothel nicht nur passive Barriere, sondern auch an dieser dynamischen Regulation aktiv beteiligt. Störungen oder Fehlregulationen dieser Prozesse führen zu Pathologien, z.B. Arteriosklerose. Es ist seit längerem bekannt, dass Carcinoembryonic antigen–related cell adhesion molecule-1 (CEACAM1), ein Mitglied der Immunglobulin-Superfamilie, die Bildung und Morphogenese neuer Blutgefäße beeinflusst. Die spontane Entwicklung kleiner Arteriosklerose-ähnlicher Läsionen in CEACAM1 knockout (Cc1-/-) Mäusen zeigt, dass CEACAM1 auch für die Homöostase ausgereifter Blutgefäße von Bedeutung ist. Ziel dieser Dissertationsarbeit war daher, den Einfluss von CEACAM1 auf wesentliche Aspekte der Endothelfunktion in Aorten in situ bzw. in Endothelzellkulturen in vitro zu analysieren. Es konnte zunächst gezeigt werden, dass CEACAM1-defiziente Endothelzellen im Vergleich zu Wildtyp (WT) Endothelzellen eine rundlichere Zellmorphologie mit meanderförmigen Zellgrenzen und interzellulären Lücken aufweisen. Diese morphologischen Unterschiede stimmen mit Befunden in situ an Aorten von WT und Cc1-/- Mäusen überein. Weiterhin wurde eine Translokation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) von der Zellmembran in den peri-nukleären Bereich bei CEACAM1-Defizienz festgestellt. Die erhobenen Daten bieten zwei mögliche Erklärungen dafür. Einerseits könnte CEACAM1 durch Interaktion mit eNOS als Membrananker fungieren. Daneben wiesen CEACAM1-defiziente Endothelzellen eine erhöhte Expression des Enzyms APT1 auf, welches eNOS depalmitoyliert. Die daraus resultierende, ebenfalls nachgewiesene geringere Palmitoylierung könnte auch zur verminderten Membran-lokalisation von eNOS beitragen. Zur endothelialen Funktion gehört, die Adhäsion von Blutzellen an die Gefäßwand weitestgehend zu beschränken. CEACAM1-defiziente Endothelzellen zeigten im Vergleich zu WT Endothelzellen eine verstärkte Adhäsivität gegenüber murinen und humanen Monozyten. Ähnliche Unterschiede wurden für Aortenexplantate aus WT und Cc1-/- Mäusen festgestellt. Dies ist einerseits mit einer verstärkten Expression des Zelladhäsionsmoleküls ICAM-1 bei CEACAM1-Defizienz erklärbar. Darüber hinaus vermittelt die Glykokalyx anti-adhäsive Eigenschaften. Aus Vorbefunden war bekannt, dass die endotheliale Glykokalyx in der Aorta von Cc1-/- Mäuse reduziert ist. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies auf eine verstärkte Expression der Glykokalyx-degradierenden Enzyme MMP9, Chondroitinase sowie Hyaluronidase-2 in Cc1-/- Endothelzellen zurückgeführt werden. Eine erhöhte Permeabilität stellt einen Indikator für ein dysfunktionales Endothel, eines der initialen Schritte in der Pathogenese der Arteriosklerose, dar. Zur Analyse der aortalen Permeabilität wurde ein modifizierter Miles-Assay etabliert. Unter Verwendung etablierter muriner Arteriosklerosemodelle konnte gezeigt werden, dass dieser Assay eine Störung der vaskulären Permeabilität bereits vor Auftreten makroskopischer Veränderungen zuverlässig detektiert. Im Rahmen der folgenden Analysen an WT und Cc1-/- Mäusen zeigte sich ein altersabhängiger Effekt von CEACAM1 auf die Gefäßpermeabilität: Aorten von 3 Monate alten Cc1-/- Mäuse wiesen eine im Vergleich zum WT erhöhte Gefäßpermeabilität auf, welche wahrscheinlich Folge einer verzögerten Gefäßreifung ist. Im Alter von 9 Monaten zeigte sich dagegen ein entgegengesetztes Bild. Dies wurde auf eine verstärkte Expression des die Barriere schädigenden Inflammationsmediators TNF-α in 9 Monate alten WT Mäusen zurückgeführt. Außerdem modulierte CEACAM1 die TNF-α-vermittelte Lockerung der endothelialen Barriere, indem es die Phosphorylierung von Adherens Junction Proteinen beeinflusste. Basal stabilisierte CEACAM1 die endotheliale Barriere durch Hemmung der Phosphorylierung von Caveolin-1, welches Adherens Junctions destabilisiert. Unter Einfluss von TNF-α war CEACAM1 verstärkt im Bereich von Adherens Junctions lokalisiert und rekrutierte dort Src-Kinase. Src-Kinase wiederum destabilisierte Adherens Junctions durch Phosphorylierung von β-Catenin, was in verstärkter Gefäßpermeabilität resultierte. Dagegen führte TNF-α in CEACAM1-defizienten Endothelzellen zu einer Dephosphorylierung von Caveolin-1 und β-Catenin, wodurch Adherens Junctions und damit die endotheliale Barriere stabilisiert wurden. Diese CEACAM1-abhängige differenzielle Regulation der Stabilität von Adherens Junctions unter TNF-α trägt wahrscheinlich maßgeblich zu den Unterschieden der vaskulären Permeabilität in 3 bzw. 9 Monate alten WT und Cc1-/- Mäusen bei. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass CEACAM1 zentrale Funktionen des Endothels und hierüber die Homöostase reifer Gefäße beeinflusst. Da eine Expression von CEACAM1 auch in arteriosklerotischen Plaques nachgewiesen werden konnte, soll in weiteren Untersuchungen auch der Beitrag von CEACAM1 zur arteriosklerotischen Plaquebildung analysiert werden. / The endothelium forms the inner surface of blood vessels and therefore is critically involved in forming a barrier between the intraluminal blood and the surrounding tissue. Adequate regulation of this barrier regarding extravasation of molecules and cells is mandatory to maintain tissue homeostasis. Thereby the endothelium is not only a passive barrier but regulates barrier function in an active and dynamic manner. Malfunction and dysregulation of these processes promote pathologies, i.e. atherosclerosis. It is known, that Carcinoembryonic antigen–related cell adhesion molecule-1 (CEACAM1), a member of the immunoglobulin superfamily, modulates the formation and morphogenesis of new blood vessels. In addition, spontaneous development of small atherosclerosis-like lesions within the aorta of CEACAM1-deficient (Cc1-/-) mice indicates the involvement of CEACAM1 in homeostasis of mature blood vessels. Therefore, the aim of this study was to analyze the effect of CEACAM1 on central aspects of endothelial function in situ (aortic tissue) and in vitro (endothelial cell cultures). First it was shown, that CEACAM1-deficient endothelial cells display a rather round cellular morphology with meandering cell boundaries and inter-cellular gaps compared to CEACAM1-expressing cells. These morphologic differences are in agreement with in situ observations in WT and Cc1-/- mice. Furthermore, CEACAM1 deficiency resulted in translocation of endothelial NO-Synthase (eNOS) from the cell membrane towards the peri-nuclear compartment within endothelial cells. Analysis of the underlying mechanisms suggests two scenarios. On the one hand, CEACAM1 might serve as a membrane anchor due to physical interaction with eNOS. On the other hand, expression of the de-palmitoylating enzyme APT1 is upregulated and eNOS palmitoylation is reduced in CEACAM1-deficient endothelial cells. This might also contribute to its reduced location at the cell membrane. Under physiological conditions the endothelium limits adhesion of blood cells to the vascular wall. However, adhesion of murine and human monocytes to cultured endothelial cells was increased when endothelial CEACAM1 was absent. Similar results were obtained using aortic explants of WT and Cc1-/- mice. This was attributed to the increased expression of cell adhesion molecule ICAM-1 in Cc1-/- endothelial cells. Furthermore, the glycocalyx of endothelial cells greatly contributes to anti- adhesive properties. Based on preliminary results which showed a reduced endothelial glycocalyx in aortae from Cc1-/- mice compared to WT mice, we found a higher expression of the glycocalyx-degrading enzymes MMP-9, chondroitinase and hyaluronidase-2 in Cc1-/- compared to WT endothelial cells. Enhanced vascular permeability indicates a dysfunctional endothelium, which is the initial step in the pathogenesis of atherosclerosis. To analyze aortic permeability a modified Miles-assay was established. Using well-characterized murine atherosclerosis models, it was shown that this assay reliably detects alterations in vascular permeability prior to macroscopically visible morphological alterations. CEACAM1 had an age-dependent effect on vascular permeability: aortae from 3 months old Cc1-/- mice showed increased vascular permeability for Evans blue compared to aortae from age-matched WT mice most likely due to delayed vascular maturation. Interestingly, this situation was completely reversed at the age of 9 months. This was attributed to enhanced aortic expression of the permeability promoting inflammatory mediator TNF-α in 9 month old WT mice compared to age-matched Cc1-/- mice. Moreover, CEACAM1 modulated the TNF-α-dependent increase in vascular permeability by affecting adherens junction phosphorylation. Under basal conditions CEACAM1 stabilizes endothelial barrier by inhibition of caveolin-1 phosphorylation known to destabilize adherens junctions. In the presence of TNF-α, CEACAM1 translocate to endothelial adherens junctions and recruits Src kinase which destabilizes adherens junctions by phosphorylation of β-catenin resulting in enhanced vascular permeability. In contrast, in CEACAM1-deficient endothelial cells TNF-α promotes dephosphorylation of caveolin-1 and β-catenin thus stabilizing adherens junction complexes and endothelial barrier. This CEACAM1-dependent differential regulation of adherens junction complex stability presumably contributes substantially to the differences in vascular permeability observed in WT and Cc1-/- mice at the age of 3 and 9 months, respectively. In summary, this study shows that CEACAM1 influences central aspects of endothelial functions and thereby affects homeostasis of mature blood vessels. Since expression of CEACAM1 was observed in endothelium covering atherosclerotic plaques, further studies will investigate the contribution of CEACAM1 to atherosclerotic plaque formation.

Ziel dieser Arbeit war es, die Permeationseigenschaften von Polysiloxan-Membranen im Hinblick auf ihre definierte Mikrostruktur näher zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Mikrostruktur der Membranen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die Permeationsgeschwindigkeit der untersuchten Substanzen hat. Zum besseren Verständnis der Permeation wurden auch die Diffusionsvorgänge innerhalb der Membran untersucht. Durch den Einsatz der Konfokalen Raman-Spektroskopie ist es gelungen, den Aufbau eines Konzentrationsgradienten innerhalb der Membran zu zeigen. Weiterhin konnte der Einfluss der Mikrostruktur der Membranen auf die Geschwindigkeit des Aufbaus dieses Gradienten nachgewiesen werden. / It was the aim of this project to find out how the permeability of a given molecule through a polysiloxane membrane with defined microstructure is determined by its physico-chemical properties. It turned out that the network chain length takes a statistically significant influence on the permeability of the tested compounds. Confocal Raman-spectroscopy was taken as a pioneering method to investigate the kinetics of diffusion within a membrane before the steady state has been reached. It was able to show the formation of the concentration gradient of ß-carotene in polysiloxane membranes. Additionally the influence of the microstructure before reaching steady state conditions could be observed.

Cuticles cover all above-ground primary plant organs and are lipoid in nature consisting of a cutin matrix with cuticular waxes embedded within or deposited on its surface. The foremost function of the plant cuticle is the limitation of transpirational water loss into the surrounding atmosphere. Transpiration of water vapour from plants differs between stomatal and cuticular transpiration. Stomatal closure minimises the stomatal water loss and the remaining, much lower water transpiration occurs through the plant cuticle. Temperature influence on the transpiration barrier properties of intact leaves is not yet known, despite the importance of the cuticular transpiration especially under drought and heat conditions. The present study focuses on the temperature-dependent minimum water permeability of whole leaves, in comparison to the temperature effect on the cuticular permeance of isolated, astomatous cuticles (Chapter I - III). The minimum water permeability was determined gravimetrically from leaf drying curves and represents the cuticular water permeability of intact, stomatous leaves under conditions of complete stomatal closure. The temperature effect on the transpiration barrier of the desert plant Rhazya stricta and the Mediterranean sclerophyll Nerium oleander exposed a continuous increase of minimum water permeabilities with an increase in temperature. In contrast to other published studies, no abrupt and steep increase of the water permeability at high temperatures was detected. This steep increase indicates structural changes of the barrier properties of isolated cuticular membranes with a drastic decrease of efficiency. A stabilising impact of the cell wall on the plant cuticle of intact leaves was proposed. This steadying effect was confirmed with different experimental approaches measuring the cuticular water permeability of Prunus laurocerasus intact leaves. Physiological analysis of water transport on isolated, astomatous leaf cuticles indicated a drastic decline of the barrier properties at elevated temperatures for Prunus laurocerasus but not for Nerium oleander. Cuticular components were quantitatively and qualitatively analysed by gas chromatography with a flame ionisation detector and a mass spectrometric detector, respectively. A high accumulation of pentacyclic triterpenoids as cuticular wax components in relation to the cutin monomer coverage was detected for Nerium oleander and for Rhazya stricta leaves, too. Accordingly, reinforcing of the cutin matrix by triterpenoids was proposed to improve the mechanical strength and to reduce the extensibility of plant cuticles. Thus, structural changes of the cuticular barrier properties were potentially suppressed at elevated temperatures. The function of the cuticular wax amount and/or wax composition and its relation with the cuticular water permeability remains to be elucidated. In the second part of this work the cuticular wax quantity and quality as well as its impact on the transpiration barrier properties was analysed in order to deduce a potential relation between chemistry and function of plant cuticles (Chapter IV - V). Chemical analyses of the cuticular wax components of a wide range of plant species, including one tropical (Vanilla planifolia), temperate (Juglans regia, Plantago lanceolata), Mediterranean (Nerium oleander, Olea europaea) and one desert (Rhazya stricta) plant species, were conducted. The cuticular wax compositions of nine characteristic plant species from xeric limestone sites naturally located in Franconia (Southern Germany) were determined for the first time. The corresponding minimum or cuticular water permeabilities of both stomatous and astomatous leaf surfaces were measured to detect a potential relationship between the cuticular wax amount, wax composition and the cuticular barrier properties. It was demonstrated that abundant cuticular wax amounts did not constitute more efficient transpiration barriers. However, 55% of the cuticular barrier function can be attributed to the very-long-chain aliphatic wax coverages. These new findings provide evidence that the acyclic wax constituents play a pivotal role establishing efficient transpiration barriers. Additionally, these findings strengthen the hypothesis that cyclic components, such as pentacyclic triterpenoids, do not hinder the water diffusion through plant cuticles as effectively as acyclic constituents. For the first time a relationship between the cuticular wax composition and the transpiration barrier properties of a wide range of plant species proved insights into the potential relation between chemistry and function of plant cuticles. / Die Kutikula bedeckt die Epidermis aller primären oberirdischen Pflanzenorgane. Diese lipophile Membran besteht aus dem Polymer Kutin und ein- bzw. aufgelagerten kutikulären Wachsen. Die wichtigste Aufgabe der Kutikula ist der Schutz der Pflanze vor Austrocknung, indem der unkontrollierte Wasserverlust in die Atmosphäre reduziert wird. Spaltöffnungen unterbrechen die kontinuierliche Schutzschicht, wobei die stomatäre Transpiration durch Spaltenschluss minimiert wird und die verbleibende, stark reduzierte Transpiration ausschließlich durch die pflanzliche Kutikula erfolgt. Der Temperatureinfluss auf die Transportbarriere intakter Blätter ist bislang unerforscht, obwohl die kutikuläre Transpiration vor allem an trockenen und heißen Standorten eine wichtige Rolle spielt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die temperaturabhängige kutikuläre Wasserpermeabilität ganzer Blätter und isolierter Kutikularmembranen verglichen (Kapitel I - III). Die minimale Wasserpermeabilität wurde gravimetrisch mittels Blattaustrocknungskurven bestimmt. Sie ist ein Maß für die kutikuläre Wasserdurchlässigkeit intakter, stomatärer Blätter bei geschlossenen Spaltöffnungen. Die minimale Wasserpermeabilität intakter Blätter von Rhazya stricta und Nerium oleander zeigte einen kontinuierlichen Anstieg mit zunehmender Temperatur. Im Gegensatz zu anderen Veröffentlichungen wurde kein abrupter, steiler Anstieg der Wasserpermeabilität bei erhöhten Temperaturen detektiert, welcher auf strukturelle Veränderungen der Transpirationsbarriere isolierter Kutikularmembranen und auf eine damit einhergehende, stark verminderte Effizienz hindeutet. Dies kann auf einen stabilisierenden Einfluss der Zellwand auf die pflanzliche Kutikula zurückgeführt werden. Verschiedene experimentelle Ansätze zur Bestimmung der temperaturabhängigen kutikulären Wasserpermeabilität von Prunus laurocerasus Blättern konnten dies bestätigen. Bei erhöhten Temperaturen wiesen die isolierten, astomatären Kutikularmembranen von Prunus laurocerasus Blättern eine starke Abnahme der Barrierefunktion auf, die isolierten Kutikularmembranen von Nerium oleander Blättern jedoch nicht. Die kutikulären Wachs- und Kutinkomponenten wurden quantitativ mittels Gaschromtograph mit Flammenionisationsdetektor und qualitativ mittels Gaschromatograph gekoppelt mit Massenspektrometer analysiert. Ein sehr hoher Gehalt an pentazyklischen Triterpenoiden im kutikulären Wachs in Bezug auf den Kutingehalt wurde sowohl für die Blätter von Nerium oleander als auch für Rhazya stricta bestimmt. Triterpenoide erhöhen möglicherweise die mechanische Festigkeit und reduzieren die Dehnbarkeit der Kutikula, indem sie die Kutinmatrix verstärken. Hierdurch könnten strukturelle Veränderungen der Transpirationsbarriere bei erhöhten Temperaturen herabgesetzt werden. Die weit verbreitete Ansicht, dass die Wasserpermeabilität von der kutikulären Wachsmenge und/oder der Wachszusammensetzung bestimmt wird, konnte bislang nicht bestätigt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden chemisch-analytische Methoden angewandt, um den Einfluss der Wachskomponenten auf die Transpirationsbarriere zu ermitteln, und somit einen potentiellen Zusammenhang zwischen der Chemie und der Funktion der pflanzlichen Kutikula abzuleiten (Kapitel IV - V). Um Hinweise auf die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung der Kutikula auf die Transpirationsbarriere zu erhalten, wurden die kutikulären Wachse eines breiten Artenspektrums analysiert, darunter eine tropische Pflanzenart (Vanilla planifolia), mediterrane Arten (Nerium oleander, Olea europaea), Pflanzenarten der gemäßigten Zone (Juglans regia, Plantago lanceolata) und eine Wüstenpflanze (Rhazya stricta). Zusätzlich wurde die kutikuläre Wachszusammensetzung von neun charakteristischen Pflanzenarten des Mainfränkischen Trockenrasens erstmals untersucht. Die entsprechende minimale oder kutikuläre Wasserpermeabilität von stomatären und astomatären Blattoberflächen dieser Pflanzenarten wurde bestimmt, um einen möglichen Zusammenhang zwischen der Wachschemie mit der Barrierefunktion aufzuklären. Es konnte gezeigt werden, dass hohe Wachsmengen keine effizienteren Transpirationsbarrieren bilden. Jedoch konnten rund 55% der Barrierefunktion dem Anteil an langkettigen aliphatischen Komponenten zugeordnet werden. Diese neuen Erkenntnisse erbringen den Nachweis, dass die kutikuläre Transpirationsbarriere entscheidend von azyklischen Wachskomponenten beeinflusst wird. Zudem konnte bestätigt werden, dass zyklische Wachskomponenten die Wasserpermeabilität weniger stark beeinflussen als azyklische Bestandteile. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal einen Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung der kutikulären Wachse und der kutikulären Transportbarriere anhand eines breiten Artenspektrums.

The cuticle, a complex lipidic layer synthesized by epidermal cells, covers and protects primary organs of all land plants. Its main function is to avoid plant desiccation by limiting non-stomatal water loss. The cuticular properties vary widely among plant species. So far, most of the cuticle-related studies have focused on a limited number of species, and studies addressing phylogenetically related plant species are rare. Moreover, comparative studies among organs from the same plant species are still scarce. Thus, this study focus on organ-specificities of the cuticle within and between plant species of the Solanaceae family. Twenty-seven plant species of ten genera, including cultivated and non- cultivated species, were investigated to identify potential cuticular similarities. Structural, chemical and functional traits of fully expanded leaves, inflated fruiting calyces, and ripe fruits were analyzed. The surface morphology was investigated by scanning electron microscopy. Leaves were mainly amphistomatic and covered by an epicuticular wax film. The diversity and distribution of trichomes varied among species. Only the leaves of S. grandiflora were glabrous. Plant species of the Leptostemonum subgenus had numerous prickles and non-glandular stellate trichomes. Fruits were stomata-free, except for S. muricatum, and a wax film covered their surface. Last, lenticel- like structures and remaining scars of broken trichomes were found on the surface of some Solanum fruits. Cuticular water permeability was used as indicators of the cuticular transpiration barrier efficiency. The water permeability differed among plant species, organs and fruit types with values ranging up to one hundred-fold. The minimum leaf conductance ranged from 0.35 × 10-5 m s-1 in S. grandiflora to 31.54 × 10-5 m s-1 in S. muricatum. Cuticular permeability of fruits ranged from 0.64 × 10-5 m s-1 in S. dulcamara (fleshy berry) to 34.98 × 10-5 m s-1 in N. tabacum (capsule). Generally, the cuticular water loss of dry fruits was about to 5-fold higher than that of fleshy fruits. Interestingly, comparisons between cultivated and non-cultivated species showed that wild species have the most efficient cuticular transpiration barrier in leaves and fruits. The average permeability of leaves and fruits of wild plant species was up to three-fold lower in comparison to the cultivated ones. Moreover, ripe fruits of P. ixocarpa and P. peruviana showed two-times lower cuticular transpiration when enclosed by the inflated fruiting calyx. The cuticular chemical composition was examined using gas chromatography. Very-long-chain aliphatic compounds primarily composed the cuticular waxes, being mostly dominated by n- alkanes (up to 80% of the total wax load). Primary alkanols, alkanoic acids, alkyl esters and branched iso- and anteiso-alkanes were also frequently found. Although in minor amounts, sterols, pentacyclic triterpenoids, phenylmethyl esters, coumaric acid esters, and tocopherols were identified in the cuticular waxes. Cuticular wax coverages highly varied in solanaceous (62- fold variation). The cuticular wax load of fruits ranged from 0.55 μg cm−2 (Nicandra physalodes) to 33.99 μg cm−2 (S. pennellii), whereas the wax amount of leaves varied from 0.90 μg cm−2 (N. physalodes) to 28.42 μg cm−2 (S. burchellii). Finally, the wax load of inflated fruiting calyces ranged from 0.56 μg cm−2 in P. peruviana to 2.00 μg cm−2 in N. physalodes. For the first time, a comparative study on the efficiency of the cuticular transpiration barrier in different plant organs of closely related plant species was conducted. Altogether, the cuticular chemical variability found in solanaceous species highlight species-, and organ-specific wax biosynthesis. These chemical variabilities might relate to the waterproofing properties of the plant cuticle, thereby influencing leaf and fruit performances. Additionally, the high cuticular water permeabilities of cultivated plant species suggest a potential existence of a trade-off between fruit organoleptic properties and the efficiency of the cuticular transpiration barrier. Last, the high cuticular water loss of the solanaceous dry fruits might be a physiological adaptation favouring seed dispersion. / Die Kutikula, eine von Epidermiszellen gebildete, komplexe Lipidschicht, bedeckt und schützt die primären Organe niederer und höherer Landpflanzen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Austrocknung der Pflanzen zu vermeiden, indem der nicht-stomatäre Wasserverlust an die Atmosphäre begrenzt wird. Ihre Eigenschaften können je nach Pflanzenart stark variieren, dennoch wurden kutikuläre Charakteristika unter phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten bisher wenig diskutiert. Die meisten Studien im Zusammenhang mit der Kutikula fokussierten sich auf eine begrenzte Anzahl von Pflanzenarten. Vergleichsstudien zwischen Organen derselben Pflanzenart sind kaum vorhanden. Die vorliegende Studie konzentriert sich daher auf die Kutikula von Pflanzenarten aus der Familie der Solanaceae und deren Organe. Die kutikulären Eigenschaften von 27 Pflanzenarten aus zehn verschiedenen Pflanzengattungen wurden untersucht, einschließlich Wild- und Kulturarten. Strukturelle, chemische und funktionelle Merkmale wurden für vollständig entwickelte Blätter, vergrößerte Blütenkelche und reife Früchte vergleichend analysiert. Die Oberflächenmorphologie wurde mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Strukturell wiesen die meisten Blätter eine amphistomatische Oberfläche auf, die mit einem epikutikulären Wachsfilm bedeckt war, wobei einfache Trichome und Trichome mit Drüsen eine artspezifische Verteilung und Vielfalt aufzeigten. Bei den meisten Blättern der Untergattung Leptostemonum wurden Stacheln und zahlreiche sternenförmige Trichome beobachtet. Allein Solandra grandiflora hatte eine Blattoberfläche ohne Trichome. Früchte zeichneten sich hauptsächlich durch einen epikutikulären Wachsfilm aus, der ihre Oberfläche bedeckte. Als einzige Pflanzenart besaß Solanum muricatum auf der Fruchtoberfläche Stomata, dennoch wurden Lentizellen und Fragmente von Trichomen auf der Fruchtoberfläche von Solanum tuberosum, Solanum quitoense und Solanum lycopersicum gefunden. Für die Effizienzbestimmung der kutikulären Transpirationsbarriere von Oberflächen mit und ohne Stomata wurden die minimale Wasserleitfähigkeit unter Bedingungen des maximalen Stomaschlusses beziehungsweise die kutikuläre Wasserpermeabilität untersucht. Dieses ergab ein art-, organ- und fruchttypspezifisches Muster. Die Werte variierten zwischen den Pflanzenarten bis zu hundertfach und lagen zwischen 10-6 m s-1 und 10-4 m s-1. Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Studien zeigte der Vergleich der Wasserpermeabilität von verschiedenen Organen derselben Pflanzenarten, dass eine höhere Wasserpermeabilität für Blätter oder für Früchte gefunden werden kann oder dass sie für beide Organe nahezu gleich sein kann. Die minimale Wasserleitfähigkeit der Blätter lag im Bereich von 0.35 × 10–5 m s–1 für S. grandiflora bis 31.54 × 10–5 m s–1 für S. muricatum. Die kutikuläre Wasserpermeabilität lag im Bereich von 0.64 × 10–5 m s –1 für fleischige Früchte von Solanum dulcamara bis 34.98 × 10–5 m s–1 für Kapselfrüchte von Nicotiana tabacum. Allgemein zeigte sich, dass trockene Früchte eine etwa fünffach höhere kutikuläre Wasserpermeabilität als fleischige Früchte besaßen. Interessanterweise zeigten Vergleiche zwischen Wild- und Kulturarten, dass Wildarten eine wirksamere kutikuläre Transpirationsbarriere der Blätter und Früchte aufwiesen, da ihre Wasserpermeabilität etwa zwei- bis dreifach niedriger war als die der kultivierten Pflanzenarten. Des Weiteren zeigten Physalis ixocarpa und Physalis peruviana, deren Früchte von einem vergrößerten Blütenkelch umschlossen waren, einen schützenden Einfluss dieses Blütenkelches auf die reife Frucht. Eine Reduktion der kutikulären Wasserpermeabilität um den Faktor zwei wurde nachgewiesen. Die chemische Zusammensetzung der kutikulären Transpirationsbarriere wurde mit Hilfe der Gaschromatographie detektiert. Die Analysen ergaben art- und organspezifische Mengen und Zusammensetzungen der kutikulären Wachse, die vor allem aus sehr langkettigen aliphatischen Verbindungen bestanden. Bis zu 80% der kutikulären Wachszusammensetzung bildete die Stoffklasse der n-Alkane. Andere häufig identifizierte Stoffklassen waren primäre Alkanole, Alkansäuren, Alkylester sowie iso- und anteiso-Alkane. Obwohl in geringen Mengen, wurden in den meisten kutikulären Wachsen auch alicyclische und aromatische Stoffklassen gefunden. Hauptsächlich handelte es sich um Phytosterole, pentacyclische Triterpenoide, Phenylmethylester, Cumarsäureester, Tocopherole und Flavonoide. Die kutikuläre Wachsschicht variierte zwischen den Pflanzenarten bis zu 62-fach und betrug zwischen 0.55 μg cm-2 für Nicandra physalodes und 33.99 μg cm-2 für Solanum pennellii, wobei sowohl niedrigste als auch höchste kutikuläre Wachsmenge für Früchte gefunden wurde. Die kutikulären Wachse der Blätter reichten von 0.90 μg cm-2 für N. physalodes bis 28.42 μg cm-2 für Solanum burchellii. Die kutikuläre Wachsmenge der vergrößerten Blütenkelche lag zwischen 0.56 μg cm-2 für P. peruviana und 2.00 μg cm-2 für N. physalodes. Zum ersten Mal wurde eine umfangreiche Studie zur Effizienz der kutikulären Transpirationsbarriere verschiedener Pflanzenorgane von phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten durchgeführt. Insgesamt zeigt die vergleichende Untersuchung innerhalb der Familie der Solanaceae die funktionelle und chemische Variabilität der kutikulären Wasserpermeabilität und der kutikulären Wachsbiosynthese. Die art- und organspezifische Divergenz kann dabei einen Einfluss auf die hydrophoben Eigenschaften der Kutikula haben und wichtige Konsequenzen für die Blatt- und Fruchtleistung mit sich führen. Darüber hinaus deuten diese Ergebnisse auf einen Kompromiss zwischen Fruchteigenschaften und Oberflächenschutz bei den Kulturarten hin. Es wird auch vermutet, dass die verringerte kutikuläre Barriereleistung der trockenen Früchte eine physiologische Anpassung an die Samenausbreitung dieser Pflanzenarten ist.

In dieser Arbeit werden verschiedene Verfahren vorgestellt, um Saturnpartikel herzustellen. Es wird die Selbstanordnung von erfolgreich hergestellten Saturnpartikeln untersucht. Im ersten Teil werden durch ein äquatoriales Ätzverfahren Saturnpartikel mit hydrophoben Kappen sowie einem hydrophilen Gürtel aus hydrophob beschichteten sphärischen Partikeln hergestellt. Mit einer Monolage dieser Saturnpartikel können Membranen aus Wasser (sogenannte Pickering-Membranen) stabilisiert werden. Die Pickering-Membranen sind über einen Zeitraum von mehreren Tagen stabil und lassen Permeabilitätsuntersuchungen zu. Diese Pickering-Membranen können als ein Spezialfall einer Supported Liquid Membrane angesehen werden. Es werden die Permeabilitätsunterschiede von Kohlenstoffdioxid gegen Luft sowie Luft gegen Schwefelhexafluorid betrachtet. Die resultierenden Werte stimmen in zufriedenstellender Weise mit theoretisch – nach dem für Supported Liquid Membranes gängigen Löslichkeits-Diffusionsmodell – berechneten Werten überein. Im zweiten Teil werden Partikel über Float-casting in Membranen eingebettet und dadurch rundherum – nicht jedoch an den Polkappen – äquatorial maskiert. Anschließend wird Gold aufgedampft und die maskierende Membran entfernt, sodass Saturnpartikel zurück bleiben. Die Saturnpartikel weisen hydrophile Kappen sowie einen hydrophoben Gürtel auf. An einer Öl-Wasser-Grenzfläche kommt es zu einer Selbstanordnung dieser Saturnpartikel durch Verknüpfung ihrer Gürtel in Form von zweidimensionalen Netzwerken. In diesen Netzwerken können einfache geometrische Formen gefunden werden. Es ist dabei nicht möglich, die Partikel durch einen Krafteintrag in einem flächendeckenden Muster zu organisieren. Die Untersuchung erfolgt durch konfokale Fluoreszenzspektroskopie. Die Goldkappen der Saturnpartikel zeigen ein Fluoreszenzsignal.:Bibliographische Beschreibung und Referat Danksagung Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretischer Teil 2.1 Januspartikel 2.1.1 Herstellungsmöglichkeiten 2.1.1.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung 2.1.1.2 Phasenseparation zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten 2.1.1.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung 2.1.2 Anwendung 2.2 Saturnpartikel 2.2.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung 2.2.2 Herstellung durch Phasenseparation von nicht mischbaren Flüssigkeiten 2.2.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung 2.3 Partikelstabilisierte Membranen 2.4 Aktuelle Fortschritte in der Gastrennung Mittels Gestützter Flüssigmembranen 2.4.1 Gestützte Flüssigmembranen (Supported Liquid Membranes) 2.4.2 Flüssigkeiten 2.4.2.1 Nicht-Ionische Flüssigkeiten 2.4.2.2 Ionische Flüssigkeiten 2.4.2.3 Stark Eutektische Lösemittel 2.4.3 Matrixmaterialien 2.4.4 Träger 2.4.5 Trennaufgaben 2.4.5.1 CO2/N2 2.4.5.2 CO2/CH4 2.4.5.3 Alken/Alkan 2.4.5.4 Andere Trennaufgaben 2.4.6 Einfluss von Temperatur und Druck 2.4.7 Stabilität 2.4.8 Simulationen 2.4.9 Zusammenfassung und Ausblick des Kapitels 2.5 Grenzflächen 2.5.1 Grenzflächenspannung 2.5.2 Kontaktwinkel und Benetzung 2.5.3 Partikelassistierte Benetzung 2.5.3.1 Float-casting 2.6 Modifizierung von Oberflächen durch Selbstorganisierende Monoschichten 2.6.1 Silanisierung von Oberflächen 2.6.2 Thiolisierung von Oberflächen 2.7 Fluoreszenz 2.8 Netzwerkanalyse 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Herstellung von Saturnpartikeln durch schrittweises Einsinken in ein Polymer 3.2 Herstellung von Saturnpartikeln mit geätztem Ring mit Ätzzelle 3.2.1 Beschreibung der Ätzzelle 3.2.2 Optimierung des Verfahrens 3.2.2.1 Einlegen der Thermoplastischen Folien in Ethanol 3.2.2.2 Einführung eines Luer-Lock-Systems 3.2.2.3 Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit bei der Reinigung 3.2.3 Beschreibung der erhaltenen Saturnpartikel 3.3 Pickering-Membranen stabilisiert durch Saturnpartikel mit geätztem Ring 3.3.1 Permeabilitätsuntersuchungen von Pickering-Membranen 3.3.1.1 Theoretische Permeanzen 3.3.1.2 Experimentelle Permeanzen 3.4 Herstellung von Saturnpartikeln durch Beschichtung mit Gold und graduelles Ätzen 3.5 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting 3.5.1 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Glaspartikel 3.5.2 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Siliziumdioxidpartikel 3.5.3 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Silsesquioxanpartikel 3.5.3.1 Bestimmung der Schichtdicke des Goldes 3.5.3.2 Membranherstellung mit Silsesquioxanpartikel über Floatcasting 3.5.3.3 Oberflächenmodifizierung der Goldkappen 3.6 Selbstanordnung von Saturnpartikeln unter dem Konfokalmikroskop 3.6.1 Erste Anordnungen 3.6.2 Einsatz von Zinkbromidlösungen 3.6.3 Fluoreszenz von Saturnpartikeln bei verschiedenen Flüssigkeitsgemischen 3.6.4 Fluoreszenz der Goldkappen 3.6.5 Flüssigkeitsmeniskus in den Probengefäßen 3.6.6 Messung an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche 3.6.7 Schallunterstützte Anordnung 3.6.8 Mathematische Beschreibung der Saturnpartikelnetzwerke 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Eingesetzte Chemikalien 5.2 Verwendete Geräte 5.3 Partikelsynthese und -oberflächenmodifikation 5.3.1 Herstellung von Siliziumdioxidpartikeln im Submikrometermaßstab 5.3.2 Herstellung von Polystyrolpartikeln im Mikrometermaßstab 5.3.3 Oberflächenmodifizierung von Glaspartikeln mit Silanen 5.4 Saturnpartikel durch schrittweises Einsinken in ein Polymer 5.5 Saturnpartikel durch Beschichtung mit Gold und graduelles Ätzen 5.6 Saturnpartikel mit geätztem Ring mit Ätzzelle 5.6.1 Pickering-Membranen in einem Rollrandgläschen 5.6.2 Pickering-Membranen in der Permeationsapparatur und Permeationsuntersuchungen 5.7 Saturnpartikeln über Float-Casting 5.7.1 Glaspartikel, Supelco Glass Beads 5.7.2 Siliziumdioxidpartikel, Stöberpartikel 5.7.3 Silsesquioxanpartikel, Tospearls 5.8 Kontaktwinkelmessungen 5.8.1 Kontaktwinkel von Partikeln 5.8.2 Kontaktwinkel von planaren Substraten 5.9 Konfokalmikroskopieaufnahmen 5.9.1 Fluoreszenzlösungen 5.9.2 Konfokalmikroskopieprobengefäße 5.9.3 Subwoofer 5.9.4 Messungen am Konfokalmikroskop 5.10 Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen 5.11 Plasmaätzen Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

No description available.

With a surface area of about 10,000 km², the Salar de Uyuni is the largest salt flat in the world. It is located at an altitude of 3,653 m on the Altiplano, a high plateau in the south of the Bolivian Andes. The Salar de Uyuni consists of an alternating sequence of highly porous salt layers (mainly composed of halite) and lacustrine clay sediments. The pore volume of the uppermost salt layer which has a thickness of up to 11 m is filled by brine. The brine contains high amounts of Mg, K, Li and B. The element lithium is an especially important raw material for the production of batteries. Thus, it plays an important role for the development of the electric mobility. With this background, extensive hydrogeological exploration activities were carried out at the Salar de Uyuni in the context of this dissertation. The hydraulic properties of the uppermost salt crust and the physical properties (density and viscosity) of the brine must be characterized. In order to do this, several core drillings were made, observation wells were installed, brine samples were taken and pumping tests were conducted between 2009 and 2012. The stratigraphic documentation of the obtained sediment cores provided insights about the deposit structure and the upper salt layer thickness. The determination of the salt core porosity was carried out by three different methods: (a) by using X-ray computed tomography, (b) gravimetrically by saturation with 2-octanol and (c) by completion of the core volume with plasticine and calculation of the porosity under consideration of the particle density of the salt. The laboratory investigations showed a depth-dependent porosity distribution in the upper salt layer. The uppermost 2 m were characterized by very high porosity values between 30 and 39%. However at greater depth, the total porosity decreases on average to 13.5%. Geochemical analyses of brine samples confirmed the general spatial distribution of the lithium concentrations as already published by previous studies. On the basis of the lithium distribution in the brine, the thickness of the upper salt layer and the depth-dependent porosity distribution, the total lithium deposit in the Salar de Uyuni was calculated to be about 7 million tons. The evaluation of the pumping tests under consideration of the density and viscosity of the pumped brine showed that the salt has a very high permeability in the horizontal direction. In contrast, flow-through experiments on drill cores indicated a clear vertical anisotropy of the permeability. This is caused by the inhomogeneous sediment stratification for instance by interbedded fine gypsum or clay lamina. Thus, horizontal brine movements are possible, but a deep vertical flow component can hardly be expected. This assumption is confirmed by radiocarbon dating the brine samples from different salt depths. The influence of annual floods during the rainy season could be observed by long-term brine level measurements. Throughout the time-series analysis, distinct periodic brine fluctuations of a few centimeters per day could be identified during the dry season. These daily fluctuations indicated an impermeable crust probably formed by the evaporation of near-surface brine and subsequent crystallization of salts in the pore volume. Thus, daily temperature and atmospheric pressure changes could directly affect the brine level. Due to the extensive hydrogeological investigations, this dissertation contributes to the essential understanding of the hydraulic conditions in the Salar de Uyuni. / Mit einer Fläche von rund 10.000 km² ist der Salar de Uyuni die größte Salz-Ton-Ebene der Welt. Er befindet sich in einer Höhe von 3653 m NN im Altiplano, einer Hochebene im Süden der bolivianischen Anden. Der Salar de Uyuni besteht aus einer Wechsellagerung von hochporösen Salzschichten (überwiegend aus Halit bestehend) und lakustrinen Tonsedimenten. Die Porenräume der obersten bis zu 11 m mächtigen Salzschicht sind mit einer Sole gefüllt, die hohe Gehalte an Mg, K, Li und B aufweist. Insbesondere das Element Lithium ist ein wichtiger Rohstoff u.a. für die Herstellung von Batterien und spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Elektromobilität. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation umfassende hydrogeologische Erkundungsarbeiten am Salar de Uyuni durchgeführt, um die hydraulischen Eigenschaften der obersten Salzkruste sowie die physikalischen Eigenschaften (Dichte und Viskosität) der Sole zu charakterisieren. Dazu wurden zwischen 2009 und 2012 zahlreiche Kernbohrungen abgeteuft, Beobachtungsbrunnen installiert, Soleproben entnommen und Pumpversuche durchgeführt. Die stratigraphische Dokumentation der gewonnenen Bohrkerne lieferte Erkenntnisse zur Ablagerungsstruktur und zur Mächtigkeitsverteilung der obersten Salzschicht. Die Bestimmung der Porosität der Salzkerne erfolgte mit drei verschiedenen Methoden: (a) mittels Computertomographie, (b) gravimetrisch durch Aufsättigung mit 2-Oktanol und (c) durch Volumenergänzung der Kernproben mit Plastilin und Berechnung der Porosität unter Einbeziehung der Reindichte des Salzes. Die Laboruntersuchungen zeigten eine tiefenabhängige Porositätsverteilung in der obersten Salzschicht. Während die obersten 2 m durch sehr hohe Porositäten zwischen 30 und 39% gekennzeichnet sind, nimmt die Gesamtporosität in größerer Tiefe auf durchschnittlich 13.5% ab. Geochemische Analysen von Soleproben bestätigten die grundsätzliche räumliche Verteilung der Lithium-Konzentrationen, wie sie bereits durch frühere Studien veröffentlicht wurde. Auf Basis der Lithium-Verteilung in der Sole, der Mächtigkeit der oberen Salzschicht sowie der tiefenabhängigen Porositätsverteilung wurde ein Lithium-Vorkommen im Salar de Uyuni von rund 7 Millionen Tonnen berechnet. Die Auswertung der Pumpversuche unter Berücksichtigung der Dichte und Viskosität der geförderten Sole zeigte, dass das Salz eine sehr hohe Permeabilität in horizontaler Richtung aufweist. Allerdings zeigten Durchströmungsversuche an Bohrkernen eine deutliche vertikale Anisotropie der Permeabilität, was auf die inhomogene Sedimentschichtung durch z.B. eingeschaltete feine Gips- oder Tonschichten zurückzuführen ist. Somit sind zwar horizontale Solebewegungen möglich, jedoch ist kaum mit einer tiefgreifenden vertikalen Strömungskomponente in der Salzschicht zu rechnen. Diese Vermutung wird durch 14C-Altersdatierungen von Soleproben aus unterschiedlichen Tiefen des Salzes bestätigt. Der Einfluss der jährlichen Überschwemmungen während der Regenzeit konnte anhand von Langzeitmessungen des Solespiegels beobachtet werden. Im Zuge der Zeitreihen-Analyse zeigten sich zudem ausgeprägte periodische Tageschwankungen von einigen Zentimetern während der Trockenzeit. Diese deuten darauf hin, dass durch Verdunstung oberflächennaher Sole und damit einhergehender Kristallisation von Salzen im Porenraum eine undurchlässige Kruste entsteht. Dadurch haben tägliche Temperatur- und Luftdruckschwankungen direkten Einfluss auf den Solespiegel. Die vorliegende Dissertation trägt aufgrund der umfangreichen hydrogeologischen Untersuchungen wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Verhältnisse im Salar de Uyuni bei. / Con una superficie de aproximadamente 10.000 kilómetros cuadrados el Salar de Uyuni es el mayor lago de sal en el mundo. Se encuentra a una altura de 3.653 m sobre el nivel del mar en el altiplano en el sur de los Andes bolivianos. El Salar de Uyuni consiste en una alternancia de capas de sal altamente porosa (que consiste predominantemente de halita) y lacustre sedimentos de arcilla. La capa superior de sal tiene un espesor de hasta 11 metros. Los espacios de poros del sal se llenan con una salmuera que contiene altos contenidos de Mg, K, Li y B. En particular, el elemento litio constituye una importante materia prima para la producción de baterías que son utilizadas en la construcción de vehículos eléctricos. Bajo estos antecedentes y en el contexto de la presente tesis, se han desarrollado extensas actividades de exploración hidrogeológica en el Salar de Uyuni. Las propiedades hidráulicas de la corteza de sal superior y las propiedades físicas (densidad y viscosidad) de la salmuera debían caracterizadas. Para ello, entre 2009 y 2012 se realizaron varios perforaciones con la finalidad de obtener muestras de núcleos, se instalaron pozos de supervisión, se realizaron pruebas de bombeo y se tomaron muestras de salmuera. La documentación estratigráfica de los núcleos de perforacíon proporciona conocimientos para la estructura de los depósitos y para el espesor del superior capa de sal. La porosidad de los núcleos de sal fue determinada por medio de tres métodos diferentes: (a) por tomografía computarizada (TC), (b) gravimétricamente mediante la saturación con 2-octanol y (c) mediante de compleción del volumen del núcleo con plastilina y computacíon de la porosidad en atención a la densidad real del sal. Las investigaciones de laboratorio demostraron una distribución de la porosidad dependiente de la profundidad en la capa superior de sal. Mientras que la parte superior 2 m se caracterizan por altas porosidades entre el 30 y 39%, la porosidad total decrese en una profundidad mayor a un promedio de 13,5%. Los análisis geoquímicos de muestras de salmuera confirmaron la distribución espacial fundamental de las concentraciones de litio, como ya se ha publicado por estudios anteriores. A base de la distribución de litio en la salmuera, el espesor de la capa superior de sal, y la porosidad dependiente de la profundidad determinaron que todos los recursos minerales de litio en el salar de Uyuni son alrededor de 7 millones de toneladas. La evaluación de las pruebas de bombeo en consideración de la densidad y la viscosidad de la salmuera transmitido mostró que la sal generalmente tiene una permeabilidad muy alta. Pero, las pruebas de flujo en muestras de núcleo mostró una anisotropía significativa de la permeabilidad con la profundidad, que se debe a una estratificación de sedimentos no homogénea debido las láminas finas de yeso o arcilla intercaladas. Por lo tanto, es correcto que los movimientos de salmuera horizontales son posibles, pero es poco probable que movimientos verticales de salmuera ocurran. Esta hipótesis se ve confirmada por la datación por radiocarbono de muestras de salmuera de diferentes profundidades de la sal. El impacto de las inundaciones anuales durante la estación lluviosa se puede observar a partir de las mediciones a largo plazo del nivel de salmuera. En el curso del análisis de series de tiempo también mostraron pronunciadas variaciones diarias periódicas de unos pocos centímetros en la estación seca. Esto sugiere que hay una corteza impermeable que se forma por evaporación de salmuera cerca de la superficie y la cristalización de sales en el espacio de los poros. En esta manera, las fluctuaciones diarias de temperatura y de preción de aire influyen directamente el nivel de salmuera. Gracias a las extensas investigaciones hidrogeológicas realizadas, la presente tesis contribuye significativamente a la comprensión de las condiciones hidráulicas en el Salar de Uyuni.

The primary purpose of this thesis is to find out the mechanism of cracking formation during filtration as well as improve the dewatering efficiency of Limestone and Vietnam coal. They are both fine materials, which negatively affect the filtration process. Experiments are executed by changing parameters like solid volume fraction of initial suspension, the height of filter cake and the applied pressure difference using the conventional pressure filtration. Permeability ratio is used as the relevance output parameter to quantify the degree of cracking. Otherwise, saturation and residual moisture content on filter cake are also calculated to evaluate the extent of dewatering. Almost the mechanism of cracking is assumpted and proved. Countermeasures are suggested to prevent the probability and degree of cracking on filter cake. Otherwise, steam pressure filtration is applied as a new method allow improve the dewatering efficiency and reduce the cracking.:Contents Abstract iii Acknowledgment v Contents vi List of Figure viii List of Tables xvi List of Symbols xvii Abbreviation xix 1. Background 1 1.1. The Filtration process 1 1.2. Conventional pressure filtration and steam pressure filtration 3 1.3. Filtration theory 6 1.4. Cake deliquoring - immiscible fluid displacement in porous media 16 1.5. Tensile stress between particles 20 1.6. Coal processing/ washing 24 2. Literature review 34 2.1. Cracking on filter cake and the dewatering process with and without cracking 34 2.2. Summary and focus of research 47 3. Material, methods and the result of capillary pressure curve and tensile stress versus saturation 51 3.1. Material used 51 3.1.1. Limestone 51 3.1.2. Vietnam Coal 52 3.2. Conventional filtration rig and steam pressure filtration rig 55 3.2.1. Conventional filtration rig 55 3.2.2. Steam pressure filtration rig 57 3.3. Filtration experimental 58 3.4. Relevant parameter 59 3.5. Analyze technique 65 3.6. Tensile stresses depend on saturation during deliquoring 66 4. The influence of operating parameters on cracks formation in case of limestone 69 4.1. Capillary pressure curve and tensile stress during the filtration in the case of limestone 69 4.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 76 4.2.1. Particle size distribution effect 76 4.2.2. The solid volume fraction of suspension effect 82 4.2.3. Height of filter cake (filter cake deep/ filter cake thickness) effect 92 4.2.4. Pressure difference effect 101 4.3. The difference in the crack formation by using steam pressure filtration 111 4.4. General conclusion 116 5. The influence of operating parameters on cracks formation in the case of Vietnam coal 118 5.1. Capillary pressure curve and tensile stress during filtration in case of Vietnam coal 118 5.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 122 5.2.1. The influence of the solid volume fraction on crack formation and saturation 122 5.2.2. The influence of the height of filter cake on crack formation and saturation 127 5.2.3. The influence of pressure difference on crack formation and saturation 134 5.3. Estimate the efficiency dewatering as well as the crack formation using steam pressure filtration 139 5.4. General conclusion 146 6. Overall conclusion and recommendation 148 6.1. Overall conclusion 148 6.2. Recommendation 150 References 152 Appendices 156 Appendix A: Data from CCWP. 156 Appendix B: Data from the crack formation with various operation parameters using conventional pressure filtration (CPF). 159 Appendix C: Data from steam pressure filtration. 167 Appendix D: Miscellaneous Information. 177