Im Sinne der Bionik (biologisch inspirierte Lösungen für technische Fragestellungen) setzt sich diese Arbeit mit dem Prinzip der Vitrifikation während der Anhydrobiose auseinander. Sie ist durch die temporäre Ausbildung organischer Gläser in biologischen Systemen bei extremer Austrocknung definiert. Das Resultat ist eine Art Dormanzzustand (motorische und metabolische Inaktivität). Diese Glasbildung zeichnet sich ferner durch Reversibilität bei Rehydrierung und den Erhalt der Bioaktivität der verglasten Komponenten aus. Die Applikation der Vitrifikation wurde hinsichtlich der biotechnologischen Trockenstabilisierung (anhydrobiotic engineering) als auch im Rahmen der Nanobiotechnologie (Biosensorik) realisiert. Dadurch liefert diese Arbeit vielversprechende Ansätze für die kosteneffiziente Lagerung von trocknungsempfindlichen Biosystemen (Zellen), einzelnen Biomolekülen (Proteinen) sowie Hybridsystemen (Biosensoren) in der Pharmazie, Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie.<br /> Die Basis bilden biologische Studien zum moderat halophilen Modellorganismus <i>Halomonas elongata</i>, welcher fähig ist die harschen Bedingungen bei Austrocknung (erhöhte Temperaturen und geringe Wasseraktivitäten) zu überleben. Entscheidend für die Überlebensfähigkeit des extremophilen Bakteriums ist offenbar der intrazellulär akkumulierte Glasbildner Hydroxyectoin (vermutlich in Kombination mit Glutamat). Zusätzliche Komponenten (Hydrophiline, Polyphosphate oder anorganische Ionen), die wesentlich zur Glasbildung im halophilen Modellorganismus beitragen könnten, waren experimentell nicht nachweisbar, können jedoch nicht ausgeschlossen werden. <br /> Stabilitätstests belegten, dass Hydroxyectoin-beladene Zellen durch<i>In-vivo</i>-Vitrifikation bis zu sechsfach trockentoleranter sind als Ectoin-beladene Zellen. <i>In-vitro</i>-Studien demonstrierten ferner die Fertigung artifizieller Gläser basierend auf Hydroxyectoin (ähnlich Trehalose und Saccharose), wohingegen Ectoin verstärkt zur Kristallisation tendierte. Das Modellenzym Lactatdehydrogenase konnte so insbesondere durch mikrobiologische Glasbildner (Trehalose, Saccharose, Hydroxyectoin, Glutamat) effektiv bei simultanem Hitze- und Trockenstress geschützt werden. Dies traf nicht für das ungeschützte bzw. Ectoin-modifizierte Enzym zu. Die Approximation natürlicher Gläser durch die zusätzliche Verwendung der Hydrophilin-analogen Peptidstruktur Gelatine resultierte in einer weiteren Steigerung des Stabilisierungseffekts. Durch das Zwei-Komponenten-System aus Hydroxyectoin und Glutamat in Kombination mit Gelatine wurde ein fast vollständiger Erhalt der enzymatischen Aktivität nach mehrstündiger Trocknung erreicht. <br /> Im weiteren Verlauf des bionischen Ansatzes wurde sich auf das technische Problem der Instabilität von Biosensoren bei Trockenlagerung fokussiert. Dazu wurde ein elektrochemischer Glucose-Biosensor auf Basis von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) <i>ad hoc</i> konstruiert. In Trocknungsversuchen zeigte sich, dass Biosensoren, welche mit Hydroxyectoin bzw. mit Hydroxyectoin und Glutamat modifiziert waren, die höchste Aktivität und Stabilität aufwiesen. Es bleibt die Frage offen, ob dies durch einen Stabilisierungseffekt oder durch einen Elektronenfluss begünstigenden Einfluss der Glasbildner auf die MWCNTs bedingt ist. Beides ist für die Konstruktion wirkungsvoller Biosensoren vorteilhaft....
<strong>Investigation of microbial glass-formers for biostabilisation and biomimetic application in a biosensor</strong><br /> In terms of bionics (biologically inspired solution for technical problems) this work investigates the principle of vitrification during anhydrobiosis. This natural phenomenon is defined as temporal formation of an organic glass in biological systems in response to extreme desiccation. It results in a kind of dormant state (motor and metabolic inactivity). The glassy state is further characterized by reversibility through rehydration and the simultaneous maintenance of bioactivity of vitrified components. Vitrification was applied with regard to biotechnological dry stabilisation (<i>anhydrobiotic engineering</i>) and in the context of nanobiotechnology (biosensorics). As a result this works provides promising approaches for cost-effective storage of dry sensitive biosystems (cells), single biomolecules (proteins) and hybrid systems (biosensors) in pharmaceutical, agricultural and food industry. <br /> This work is based on biological studies about the moderate halophilic model organism <i>ad hoc</i> which is able to survive the extreme conditions during desiccation (elevated temperatures and low water activities). Obviously the intracellular accumulation of the glass former hydroxyectoine is crucial for the survivability of this extremophilic bacterium (presumably in combination with glutamate). Although additional components (hydrophilins, polyphosphates or inorganic ions), which could also contribute to formation of a bioprotective glass in the halophilic model organism, were experimentally not detectable, they cannot exclusively be neglected. <br /> Stability assays pointed out that hydroxyectoine loaded cells show six times higher dry resistance through <i>ad hoc</i> vitrification in comparison to primary ectoine loaded cells. <i>ad hoc</i>studies further demonstrated the artificial glass-formation of hydroxyectoine (similar to glasses of trehalose and sucrose). In contrast ectoine strongly tends to crystallisation. The model enzyme lactate dehydrogenase was efficiently stabilised against simultaneous heat and dehydration stress by application of microbial glass-formers (trehalose, sucrose, hydroxyectoine, glutamate). In contrast the unstabilised and ectoine-modified enzyme was fast inactivated. The approximation of natural glasses by additional application of a hydrophilin-like peptide structure (gelatine) further increases the stabilisation effect. Best results were obtained using the two-component system hydroxyectoine and glutamate combined with gelatine. Such glasses resulted in almost complete maintenance of enzymatic bioactivity after several hours of drying. <br /> Finally the bionic research was focused on the technical problem of instability of biosensor during dry storage. For this purpose an electrochemical biosensor based on multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) was <i>ad hoc</i> constructed. Drying experiments indicated that hydroxyectoine and hydroxyectoine-glutamate modified biosensors show the highest activity and stability. It remains questionable whether this was caused by a stabilising effect or by an improvement of electron transfer. Both are advantageous for the construction of effective biosensors....

Road surveys along line transects were conducted at different times during the dry season. Puku occurred in small to large groups. They preferred grassland where estimated population densities were 36.15 puku/km² in Kasanka ...

This thesis deals with application of modern theoretical methods for studying enzymatic reactivity as well as with the efficient implementation of second analytical energy derivatives on the self-consistent field (SCF) theory level. The enzymatic mechanisms were investigated in the framework of electronic structure theory with special accent put on kinetics, proton-coupled electron transfer and theoretical support of EPR and Mössbauer experiments. <br /> In particular, cytochrome c nitrite reductase (CcNiR) enzyme mechanism was under consideration. The possible role of second-sphere active site amino acids as proton donors was investigated by taking different possible protonation states and geometrical conformations into account. It was found that the most probable proton donor is His₂₇₇, whose spatial orientation and fine-tuned acidity lead to energetically feasible, low-barrier protonation reactions. However, substrate protonation may also be accomplished by Arg₁₁₄. The activation barriers for the various proton and electron transfer steps were estimated in the framework of Marcus theory. <br /> The cd₁ nitrite reductase (NIR) enzyme was also investigated. NIR is a key enzyme in the denitrification process that reduces nitrite to nitric oxide (NO). There are three residues at the “distal” side of the active site heme (Tyr₁₀, His₃₂₇ and His₃₆₉) and in this work the focus was set on the identification and characterization of possible H-bonds they can form with the NO, thereby affecting the stability of the complex. It was shown that the NO in the nitrosyl d₁-heme complex of cd₁ NIR forms H-bonds with Tyr₁₀ and His₃₆₉ whereas the second conserved histidine, His₃₂₇, appears to be less involved in NO H-bonding. Moreover, it was shown that the H-bonding network within the active site is dynamic and that a change in the protonation state of one of the residues does affect the strength and position of the H-bonds formed by the others. <br /> The electronic structure of the [4Fe-3S] cluster in Hydrogenase I (Hase I) was considered. The cluster performs two redox transitions within a very small potential range, forming a super-oxidized state above +200 mV vs SHE. The field-dependent ⁵⁷Fe-Mössbauer and EPR data for Hase I is presented, which in conjunction with spectroscopically calibrated DFT calculations, reveal the distribution of Fe valences and spin-coupling schemes for the iron-sulfur clusters. <br /> The theory part of the thesis includes conventional implementation of SCF second derivatives into ORCA set of programs combined with efficient approximations. The second derivatives of electronic energy are the base for the calculation of force constants, harmonic vibration frequencies, infra red (IR) and Raman intensities. To speed up the evaluation of the hessian, in particular the two-electron integrals and their derivatives, the resolution of the identity (RI) and the Chain of Spheres (COS) approximations can be applied. As part of the present work, the RI and COS approximations are introduced at various stages of the molecular Hessian evaluation procedure, e.g., the reference energy calculation, various steps of the coupled-perturbed SCF procedure, and the final integral derivative evaluation. The performance of the approximations and possible errors introduced are discussed in details. The applicability of the Hessian program was also greatly extended by the additional functionality such as effective core potentials (ECP), Van der Waals corrected second derivatives and QM/MM hessian....

Sämtliche lebenden Zellen sind von Biomembranen umschlossen, höhere Zellen weisen auch einen sehr großen Anteil an inneren Membranen auf. Diese Membranen bestehen aus einer flüssigen Lipid-Doppelschicht mit sehr vielen eingebetteten Proteinen. Biomembranen erfüllen vielfältige biologische Funktionen, für deren Untersuchung die selektive Inkorporation künstlicher oder chemisch veränderter Membranmoleküle ein entscheidender Schritt ist. Die vorliegende Dissertation behandelt die Etablierung sowie Charakterisierung eines neuartigen Liposomen-Fusionssystems (die sogenannten fusogenen Liposomen) zur Interkalation fluoreszenzmarkierter Lipide in zelluläre Membranen. Dieses Interkalationssystem wurde eingesetzt, um biologisch aktive Phospholipide, Mikrodomänen-assoziierte Lipide sowie synthetische, amphipatische Moleküle effizient in Plasmamembranen einzuschleußen und deren Diffusion mittels zeitlich hochauflösender, lichtmikroskopischer Methoden zu analysieren. Dabei stand insbesondere die Analyse dieser Moleküle in proteinreichen, adhärierten Membranbereichen, den sogenannten Fokaladhäsionen, im Fokus. Fusogene Liposomen wurden 2009 am Institute of Complex Systems (ICS-7) entwickelt und wurden in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal für biologische Fragestellungen eingesetzt. Diese Liposomen fusionieren schnell und effizient mit Plasmamembranen. Sie bestehen aus neutralen und positiv geladenen Lipiden sowie Aromat-haltigen, amphipatischen Molekülen in einem bestimmten Mischungsverhältnis. Ein erweitertes Fusionssystem, bei dem ein synthetisches, amphipatisches und aromatisches Molekül (DiIC₁₈(7)) die Fusion auslöst und dadurch die Interkalation biologisch relevanter Lipide über einen breiten Konzentrationsbereich ermöglicht, wurde erstmals in meiner Diplomarbeit vorgestellt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde dieses System verwendet, um fluoreszenzmarkierte Glycerophospholipide, Sphingolipide, Glycosphingolipide sowie Sterole in Plasmamembranen tierischer Zellen zu interkalieren und deren intrazelluläre Lokalisation, Transport- und Abbauwege zu betrachten. Es konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten, biologisch aktiven Lipide effizient und schonend in die zelluläre Plasmamembranen eingebracht werden konnten. Von der Plasmamembran ausgehend reicherten sie sich entsprechend ihrer natürlichen, intrazellulären Lokalisation in unterschiedlichen Organellen an. Das Transportsystem beeinflusst demnach nicht die intrazelluläre Verteilung der untersuchten Lipide. Darüber hinaus zeigten sich Unterschiede in der Kinetik des membranständigen Signals. Das synthetische, amphipatische Molekül, welches die Fusion auslöst, wurde innerhalb weniger Stunden von der Plasmamembran ins Endomembransystem transportiert und dort innerhalb 24 Stunden lysosomal abgebaut. Phospholipide und Sterole mit freien Hydroxylgruppen hingegen sind bis zu 48 h in der Plasmamembran detektierbar. Zellvitalität sowie Proliferationsrate wurden nicht durch fusogene Liposomen verändert. Im nächsten Schritt wurde erstmals systematisch untersucht, welchen Einfluss die chemische Natur der beteiligten Moleküle auf die Effizienz des Transfers hat. Zur Quantifizierung der Effizienz wurde Durchflusszytometrie verwendet. Deren Ergebnisse wurden mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie überprüft. Die einzelnen Lipid-Komponenten, neutrales Lipid, positiv geladenes Lipid und Aromat-haltiges, amphipatisches Molekül wurden systematisch gegen Lipide mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgetauscht. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die positive Ladung als auch das delokalisierte π-Elektronensystem unabdingbar für die Membranfusion sind. Liposomen, welche nur aus positiv geladenen sowie fluoreszenzmarkierten Lipiden bestehen, fusionierten ebenfalls mit der Plasmamembran, allerdings bildeten sich hier kurz nach Fusion strukturelle Veränderung der Membran. Nur Liposomen, bei denen das neutrale Lipid eine Phosphoethanolamin-Kopfgruppe besitzt, waren zur Membranfusion fähig. Der Sättigungsgrad der Fettsäurekette hatte keinen nennenswerten Einfluss auf die Fusogenität. Meine Experimente zeigten, dass bestimmte molekulare Gruppen in neutralen sowie den positiv geladenen Lipiden (Ethylgruppen am Glycerin-Rückgrat; Cholin-Kopfgruppen) eine für die Fusion wahrscheinlich wichtige Wechselwirkung zwischen positiver Ladung und Fluorophor verhindern, beziehungsweise negativ beeinflussen. In der Literatur wurde postuliert, dass invers-kubische (Q_II) und invers-hexagonale (H_II) Phasen der beteiligten Membranen als Übergangszustände entscheidend für die Membranfusion seien. Diese Hypothese wird durch die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse voll und ganz unterstützt. Im dritten Versuchsteil wurde schließlich die Diffusion von fluoreszenzmarkierten Phospholipiden, Mikrodomänen-assoziierten Lipiden und synthetischen, amphipatischen Molekülen in zellulären Plasmamembranen und Modellmembranen mittels der Fluoreszenz-Korrelations-Spektoskopie (FCS) untersucht. Das Ziel dieser Arbeiten war es zu untersuchen, inwieweit die in Modellmembranen wohl etablierte flüssig-geordnete/flüssig-ungeordnete (L_O/L_D) Phasenseparation zur Erklärung der in Zellmembranen beschriebenen Mikrodomänen dienen kann. Die fusogenen Liposomen wurden so angepasst, dass fluoreszente Lipide in einem für FCS-Messungen optimalen Konzentrationsbereich eingebaut werden konnten. Es konnte bewiesen werden, dass die Mikrodomänen-assoziierten Lipide Sphingomyelin sowie Gangliosid GM1 in zellulären Fokaladhäsionen eine signifikant verlangsamte Diffusion im Vergleich zu nicht-adhärierten Membranbereichen besitzen. Cholesterol, Phosphatidylcholin sowie das synthetische, amphipatische Molekül zeigten keine Verlangsamung. Anhand der Versuche an phasenseparierten Riesenvesikeln konnte der Einfluss der höheren Membranordnung in Fokaladhäsionen, also die Anwesenheit einer flüssig-geordneten Domäne, als alleiniger Grund für die beobachtete, langsamere Diffusion von Sphingomyelin und GM1 widerlegt werden. Die Ergebnisse deuten insgesamt auf eine spezifische Protein-Lipid-Wechselwirkung sowie eine mögliche Anreicherung in kurzlebigen, sub-mikroskopischen Membrandomänen hin. Ingesamt gelang es in der vorliegenden Arbeit das 2009 entdeckte Membranfusions-System weiterzuentwickeln, Hinweise auf den zugrunde liegenden Mechanismus zu finden sowie es erstmals zur Untersuchung membran-physikochemischer Fragen einzusetzen....

The atmosphere is a strongly nonlinear and infinite-dimensional dynamical system acting on a multitude of different time and space scales. A possible problem of numerical weather prediction and climate modeling using ...

Complex network comprised of interconnected oscillatory systems are investigated in various contexts in the natural sciences. It is an important goal to understand in which way synchronization phenomena in such networks ...

Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier verschiedene Rezeptorstrukturen zur Erkennung von Monosacchariden entworfen und Synthesewege zu den Zielstrukturen ausgearbeitet. Bei allen Rezeptoren wurde das BINOL als Erkennungseinheit ...

The present study proves that the mannose receptor (MR) bears beside its function as endocytic receptor a second responsibility namely the induction of tolerance. <br /> The results of our experiments show that the decision, whether this immune-suppressive effect is carried out depends on the inflammatory status of the surrounding milieu. Whereas at steady-state conditions the MR has a tolerogenic effect during activation of CD8⁺ T cells, this suppressive phenotype is overcome under inflammatory conditions. Thereby, the MR resembles a molecular switch between tolerance induction on the one hand and allowance or even mediating immunity by antigen-uptake on the other hand.<br /> The investigations of this thesis shed light into the underlying molecular mechanism of the MR-mediated induction of tolerance. The MR on DCs can bind to the tyrosine phosphatase CD45 on the T cell surface. This interaction leads to inhibition of its phosphatase activity, which is responsible for a reduced cytotoxic capacity of activated CD8⁺ T cells. The executive molecule in this process is the inhibitory protein cytotoxic T-lymphocyte antigen 4 (CTLA-4), being up-regulated upon inactivation of CD45. <br /> After maturation of the DCs with the inflammatory molecule CpG, the immune suppressive effect of the MR is overcome and a robust immune response is initiated. The findings of this study pinpoint this effect to the abolished expression of CTLA-4. It is furthermore shown that signaling events via the co-stimulatory molecule CD28 are sufficient to suppress CTLA-4 up-regulation. Hence, a potent cytotoxic CD8⁺ T cell response is induced.<br /> Finally, it can be demonstrated that the tolerogenic effect of the MR as well as its molecular mechanism also holds true in vivo....

Secreted class-III semaphorins exert their effects in axon guidance and neuronal migration by binding with receptors, such as plexins and neuropilins. Neuropilins are insufficient to convey signals of their own; rather, they form complexes with plexins to propagate signals of semaphorins into the cells. Though the role of class-III semaphorins in governing fasciculation, axon growth and cell migration has been studied previously, it is far away from our understanding how their receptors (plexin-As and neuropilins) take part in the axonal guidance of cranial and spinal motor neurons. It has been demonstrated that plexin-A2 and neuropilin-2 (Npn-2) control the motor somal positioning in the chick spinal cord. However, it is still unknown whether they are involved in the regulation of cranial motor neurons. For this purpose, we first analyzed the expression of plexin-A1, plexin-A2, plexin-A4 and Npn-1 and Npn-2 in the motor neuronal groups within the chick hindbrain. Our results demonstrated that all analyzed plexins and neuropilins were selectively expressed by hindbrain motor neurons. For instance, plexin-A1, plexin-A2 and Npn-1 were expressed by both dorsal and ventral exiting cranial motor neurons, whereas plexin-A4 and Npn-2 only by dorsal exiting cranial motor neurons. Based on the expression data, we selected plexin-A2 and Npn-2 genes for knockdown experiments by in ovo-electroporation of short hairpin RNA (shRNA) constructs into the ventral neural tube at the post-otic hindbrain level, from which motor neurons of the vagus (nX), accessory (nXI) and hypoglossal (nXII) nerves originated. Unlike the spinal cord, where loss of function of either plexin-A2 or Npn-2 induced ectopic migration of motor neuron somata along the ventral root, only Npn-2 in the hindbrain induced ectopic migration of motor somata but along the dorsal root. In addition, inhibition of function of Npn-2 resulted in misrouting and severe defasciculation of dorsal exiting (vagus and accessory) motor axons. Furthermore, knockdown of plexin-A2 led to the significant (P<0.001) reduction of motor neuron population in the ventral neural tube and impaired fasciculation of ventral exiting (hypoglossal) motor axons. These results indicate that plexin-A2 and Npn-2 act independently in the axonal guidance of cranial nerves in chick embryos....
<strong>Die Rolle von Plexin-A2 und Neuropilin-2 bei der axonalen Wegfindung von Hirnnerven im Vogelembryo</strong><br /> Sezernierte Klasse-III Semaphorine entfalten ihre Wirkung auf die Wegfindung der Axone und die Wanderung der Neurone durch Bindung an Rezeptoren wie z.B. die Plexine und Neuropiline. Damit Semaphorine ein Signal in die Zelle hinein abgeben können, reicht die Bindung an Neuropiline nicht aus, vielmehr müssen diese dafür einen Komplex mit Plexinen bilden. Obwohl die Rolle der Klasse-III Semaphorine bei der Bündelung und dem Wachstum der Axone wie auch der Zellmigration bereits vielfach untersucht worden ist, ist noch wenig über Bedeutung der Rezeptoren (Plexine-A und Neuropiline) für die Wegfindung der Axone kranialer und spinaler Motoneurone bekannt. Es ist bereits gezeigt worden, dass Plexin-A2 und Neuropilin-2 (Npn-2) die Lage der motorischen Somata im Rückenmark des Hühnchens kontrollieren, es war aber nicht bekannt, ob dies auch für die kranialen Motoneurone gilt. Daher analysierten wir zunächst die Expression von Plexin-A1, Plexin-A2, Plexin-A4 sowie Npn-1 und Npn-2 in Motoneuron Gruppen des Rhombencephalons des Hühnchens. Unsere Ergebnisse zeigten, dass alle Plexine und Neuropiline selektiv in bestimmten Motoneuronen exprimiert werden. So werden zum Beispiel Plexin-A1, Plexin-A2 und Npn-1 von Motoneuronen exprimiert, die sowohl dorsal wie auch ventral austreten, während Plexin-A4 und Npn-2 nur von dorsal austretenden Motoneuronen exprimiert werden. Auf der Grundlage dieser Daten haben wir zwei Gene ausgewählt, Plexin-A2 und Npn-2, mit denen knockdown Experimente durch in ovo- Elektroporation von short hairpin RNA (shRNA) in das ventrale Neuralrohr in Höhe des post-otischen Rhombencephalons durchgeführt wurden, wo die Motoneurone des Nervus vagus, des Nervus akzessorius und des Nervus hypoglossus entstehen. Anders als im Rückenmark, wo die Ausschaltung von Plexin-A2 wie auch Npn-2 ektopische Migration der neuronalen Somata entlang der ventralen Wurzeln induziert, verursachte lediglich der Verlust von Npn-2 eine ektopische Migration, allerdings entlang der dorsalen Wurzel. Darüber hinaus verursachte die Hemmung von Npn-2 eine Fehlleitung und deutliche Aufhebung der Bündelung dorsal austretender Axone des Nervus vagus und Nervus akzessorius. Demgegenüber führte ein knockdown von Plexin-A2 zu einer signifikanten Reduktion der Anzahl von Motoneuronen im ventralen Neuralrohr (P<0.001) und beeinträchtigte die Bündelung ventral austretender motorischer Axone des Nervus hypoglossus. Diese Befunde zeigen, dass Plexin-A2 und Npn-2 unabhängig voneinander die axonale Wegfindung kranialer Nerven im Hühnchen Embryo beeinflussen....

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren stellen für einen Großteil der zugelassenen Arzneistoffe die Zielstruktur dar und haben somit eine herausragende therapeutische Relevanz. Um detailliertere Informationen über die Interaktion zwischen Ligand und Rezeptor zu erhalten und damit die Suche nach neuartigen Arzneimitteln zu erleichtern, werden neben potenten und selektiven Substanzen auch potente fluoreszenzmarkierte Liganden benötigt, die beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt werden können. Diese fluoreszenzmarkierten Liganden sollten neben hoher Affinität insbesondere auch Photostabilität aufweisen, um bei einem längeren Beobachtungszeitraum nicht auszubleichen. Die Klasse der BODIPY-Derivate erfüllt diesen Anspruch. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher funktionalisierte BODIPY-Derivate entwickelt, die im Vergleich zu den kommerziell erhältlichen BODIPY-Derivaten deutlich kleiner und leicht derivatisierbar sind und damit bioisoster in den Pharmakophor eingebaut werden können. Neben den bereits zu einem früheren Zeitpunkt entwickelten Bromalkyl- und Aminoalkyl-Derivaten, wurden BODIPY-Derivate, die über eine Iod-, Carboxyl-, Methoxyester-, terminale Alken-, Thioester- oder Thiol-Funktion verfügen, dargestellt. Desweiteren konnten BODIPY-Derivate mit α,Α-Dibromfunktionalisierung, Methoxy- und Dihydroxy-Funktionalität erhalten werden. In einigen Fällen ist es möglich, dass die Einführung der BODIPY-Fluorophore, durch ihre hohe Lipophilie zu einer geringen Löslichkeit der Liganden in den gängigen Pufferlösungen der Testsysteme führt. Daher wurden BODIPY-Derivate entwickelt, die durch die Einführung von Sulfonsäuregruppen wasserlöslich sind. Alle dargestellten Fluorophore wiesen exzellente spektroskopische Eigenschaften auf. Exemplarisch wurden für ein BODIPY-Derivat (Verbindung 3) Stabilitätsuntersuchungen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die synthetisierten Verbindungen unter basischen, reduktiven und oxidativen Bedingungen sehr stabil sind. Lediglich unter sauren Bedingungen erfolgte eine teilweise Zersetzung des Fluorophors. Ein entstandenes Nebenprodukt konnte anhand von LC-MS Spektren postuliert werden.<br /> Mit Hilfe der neu dargestellten BODIPY-Derivate wurden fluoreszenzmarkierte Adenosinrezeptorliganden dargestellt. Es gelang fünf fluoreszierende Adenosinrezeptorliganden (Verbindungen 56 - 60) in guten Ausbeuten zu erhalten. Die so dargestellten fluoreszierenden Liganden wurden daraufhin pharmakologisch in Radioligand-Bindungsstudien und in funktionellen Studien hinsichtlich ihrer Affinitäten, Aktivitäten und Selektivitäten untersucht. Die fluoreszierenden Adenosinrezeptorliganden zeigten Affinität zum A₁-, A_2A- und A₃-Rezeptor im mittleren nanomolaren bis hin zum unteren mikromolaren Bereich. Erwartungsgemäß konnte keine Bindung an A_2B-Rezeptoren beobachtet werden. Die affinste Verbindung am A₁-Rezeptor war Verbindung 57 mit einer mittleren Alkylkettenlänge. Am A_2A-Rezeptor zeigte Verbindung 59 die größte Affinität. Am A₃-Rezeptor konnte Verbindung 58 als affinste Substanz identifiziert werden. Mit einem Ki-Wert von 211 nM war 58 damit auch die affinste Verbindung dieser Serie. In cAMP-Akkumulationsexperimenten konnte gezeigt werden, dass alle fluoreszenz-markierten Verbindungen am humanen A_2A-Rezeptor Vollagonisten sind. Die Testsubstanzen 57-60 wirkten am humanen A₃-Rezeptor ebenfalls als Vollagonisten. Die Verbindungen 56 zeigte hingegen partiell agonistisches Verhalten. Die hier synthetisierten und in radioaktiven Bindungs- und funktionellen Studien pharmakologisch untersuchten Derivate stellen somit wichtige Werkzeuge für die Entwicklung fluoreszenzbasierter Assays oder für Fragestellungen, die mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht werden können, dar.<br /> Obwohl in den letzten Jahren eine Vielzahl von Adenosin-Rezeptor-Liganden entwickelt wurden, sind derzeit sehr wenige selektive Adenosin-Rezeptor-Liganden auf dem Markt. Ein Grund für den langsamen Fortschritt bei der Entwicklung von Arzneistoffen, die selektiv Adenosin-Rezeptoren adressieren, sind möglicherweise die ungünstigen pharmakokinetischen Eigenschaften und die geringe Wasserlöslichkeit sowie die damit einhergehende schlechte Bioverfügbarkeit vieler sehr lipophiler Verbindungen. Daher wurde in einem weiteren Projekt auf der Suche nach neuen, potenten und selektiven Liganden eine Serie von Adenosin-Derivaten pharmakologisch untersucht, die Modifikationen in Position 2 und/oder 5’ aufwiesen. Eine Unterserie orientierte sich dabei an der zur Zeit sich in klinischen Studien befindlichen Verbindung Binodenoson, welche als Diagnostikum bei koronaren Herzerkrankungen Einsatz finden soll. Das Hauptpotential von potenten und selektiven A_2A-Adenosinrezeptor Agonisten liegt begründet in ihren antiinflammatorischen und immunsuppresiven Eigenschaften. Weitere mögliche Anwendungsgebiete potenter A_2A-Agonisten liegen in der Behandlung von Psychosen und von Chorea Huntington. Die Anwendung ist allerdings wegen hypotensiver Effekte bedingt durch die Aktivierung von A_2A-Rezeptoren im Herzen und der Blutgefäße eingeschränkt. Daher wurde in unserem Arbeitskreis mit Verbindung 75 (PSB-0777) eine hochpolare, nicht-absorbierbare Substanz entwickelt, die lokale, antiinflammatorische Eigenschaften besitzt und beispielsweise bei der Behandlung von chronisch entzündlichen Darmkrankheiten wie Morbus Crohn, Colitis ulcerosa oder dem Reizdarmsyndrom unter Vermeidung systemischer Effekte Einsatz finden könnte. Weiterführende ex-vivo-Studien mit dieser Verbindung zeigten in entzündeten Ratten Ileum/Jejunumpräparaten diesbezüglich vielversprechende Ergebnisse. <br /> Es konnten außerdem mehrere Derivate mit hoher Affinität und Selektivität zu Adenosin-Rezeptor-Subtypen identifiziert werden. Einige Verbindungen dieser Serie zeigten in cAMP-Akkumulationsexperimenten agonistisches Verhalten, sodass neue Leitstrukturen für die Entwicklung selektiver A_2A- und A₃-Agonisten gefunden wurden. <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurden desweiteren antagonistische Derivate, die auf den Grundstrukturen der 1H-Purin-6,8-dion und 8H-Purin-8-on beruhen, in-vitro-pharmakologisch in Radioligand-Rezeptor-Bindungsstudien hinsichtlich ihrer Affinität zu Adenosinrezeptoren untersucht. Es konnten mehrere Verbindungen mit Ki-Werten im mittleren bis unteren nanomolaren Bereich sowohl am A₁- und A_2A- als auch am A_2B-Rezeptor identifiziert werden. Für den A₃-Radioligandrezeptor wurden mehrere hochpotente Substanzen gefunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Verbindung 168 ein hochpotenter und gegenüber den anderen Subtypen selektiver Antagonist am humanen A₃-Rezeptor identifiziert, der aufgrund der exzellenten Affinität und Selektivität als pharmakologisches Tool bei Untersuchungen an nativen Geweben genutzt werden kann. Obwohl in den letzten Jahren einige potente und selektive A₃-Antagonisten entwickelt wurden, befindet sich derzeit keine dieser Substanzen in der klinischen Entwicklung. Mit der Identifizierung von Verbindung 168 als hochaffiner Antagonist am A₃-Rezeptor ist im Rahmen dieser Arbeit ein vielversprechender Kandidat gefunden worden, der in weiterführenden Studien hinsichtlich der Eignung für klinische Studien untersucht werden muss....