data_UMR - Forschungsdatenrepositorium (Philipps-Universität Marburg)
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Untersuchung kapazitiver Feldeffekt-Biosensoren, modifiziert mit Tabakmosaikvirus-Partikeln als Enzymnanoträger
No full textElectrochemical biosensors based on enzymatic reaction mechanisms have the potential to enable precise and selective detection of analytes. This is achieved by converting biological interactions into electrical output signals. Here, the selection of an appropriate enzyme immobilization strategy is of great importance for the functionality of such sensors. For a number of years, tobacco mosaic virus (TMV) particles have been the subject of investigation as an attractive nanoscaffold for enzyme immobilization on biosensors due to their definable nanostructure. The objective of this work was, therefore, to study and optimize the modification of electrolyte-insulator-semiconductor (EISCAP) biosensors with TMV particles as enzyme nanocarriers for the detection of various analytes.
The TMV-immobilization protocol was examined on Ta2O5 (and SiO2) transducer surfaces of EISCAP sensors. On Ta2O5, an increase in TMV density on the sensor surface was observed with an increase in the concentration of the TMV solution from 0.005 to 0.1 μg/μL. Higher concentrations (0.16 μg/μL and 0.32 μg/μL) resulted in a reduction in density, which is likely attributable to side-to-side aggregation of the viral particles. The alteration in the sensor’s surface charge, resulting from TMV immobilization, was effectively demonstrated by capacitive field-effect measurements, which revealed a concentration-dependent shift in the sensor signal following the TMV-immobilization procedure. Additionally, it was established that tailoring of the TMV immobilization on Ta2O5 surfaces enables completion within one hour.
The potential for label-free detection of TMV particles through their intrinsic molecular charge was explored on EISCAP sensors with a SiO2-transducer layer. The sensor demonstrated a sensitivity of about 13 mV/dec to varying TMV concentrations, revealing an increasing TMV-surface density with rising particle concentrations between 0.001 μg/μL and 0.2 μg/μL. Furthermore, the impact of ionic strength on the sensor signal was examined. It was observed that the sensor signal exhibited a decline with an increase in ionic strength.
Moreover, the feasibility of employing a single TMV-modified Ta2O5-EISCAP biosensor for the detection of different analytes was investigated. In a first set of experiments, the enzymes urease and penicillinase were immobilized individually on TMV-modified EISCAP sensors and characterized for the detection of their corresponing analytes (i.e., urea and penicillin). Subsequently, both enzymes were co-immobilized on a single sensor chip, thereby retaining their respective activities, which serves to illustrate the considerable potential of TMV nanocarriers for multi-analyte sensing. Additionally, this type of multi-enzyme biosensor was employed to successfully mimic a XOR-enzyme logic gate.
The potential of TMV-based biosensors for quality control within food industry was studied by TMV-modified EISCAP sensors, functionalized with the enzyme acetoin reductase that catalyzes the reduction of diacetyl to (R)-acetoin and the reduction of racemic acetoin to (R,R)- and meso-2,3-butanediol. The biosensor demonstrated the ability to detect acetoin and diacetyl in beer and wine samples. The sensitivity/selectivity of the sensor towards both substrates was successfully controlled individually by tuning the pH value of the analyte solution, to adjust the enzyme’s pH optimum for the particular conversion of acetoin and diacetyl, respectively.
Moreover, to demonstrate a typical “lab on chip” microfluidic application, a TMV-modified light-addressable potentiometric sensor (LAPS) was combined together with a light-addressable electrode (LAE) as an actuator; in this experiment, penicillinase served as a model enzyme. Here, the activity of penicillinase could be regulated by locally modifying the pH value (using the LAE) within the microfluidic channel, thereby enabling a flexible control of the enzymatic reaction.
Finally, the TMV density on the sensor surface was further improved by the introduction of an intermediate layer comprising the positively charged polyelectrolyte poly(allylamine hydrochloride). This modification resulted in both a notable increase in TMV density on the sensor surface and an enhancement in sensitivity.
The results evidenced the great potential of TMV particles as enzyme nanocarriers for the development of highly sensitive capacitive field-effect biosensors for different fields of application.Elektrochemische Biosensoren, die auf enzymatischen Reaktionsmechanismen basieren, ermöglichen die präzise und selektive Detektion von Analyten durch die Umwandlung biologischer Reaktionen in elektrische Ausgangssignale. Hierbei ist die Auswahl einer geeigneten Enzym-Immobilisierungsstrategie entscheidend für die Leistungsfähigkeit solcher Sensoren. Seit einigen Jahren werden Tabakmosaikviren (TMV)-Partikel aufgrund ihrer definierten Nanostruktur als attraktive Nanogerüste für die Enzymimmobilisierung auf Biosensoren vorgeschlagen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Nutzung von TMV-Partikeln als Enzymnanoträger auf kapazitiven Feldeffektsensoren – sog. EISCAPs (Elektrolyt-Isolator-Halbleiter)-Strukturen – zu untersuchen und zu optimieren.
In einem ersten Schritt wurde das Protokoll zur Immobilisierung von TMV-Partikeln auf der Ta2O5-Transducerschicht von EISCAP-Sensoren entwickelt und optimiert. Dabei konnte eine Erhöhung der TMV-Dichte auf der Sensoroberfläche mit steigender Konzentration der Viruslösung von 0,005 μg/μL bis 0,1 μg/μL beobachtet werden; höhere Konzentrationen (0,16 μg/μL und 0,32 μg/μL) führten wiederum zu einer Abnahme der TMV-Dichte, vermutlich bedingt durch Seit-zu-Seit-Aggregationen der Viruspartikel. Die durch die TMV-Immobilisierung induzierte Veränderung der Sensoroberflächenladung wurde anhand kapazitiver Feldeffekt-Messungen erfolgreich nachgewiesen; es konnte eine konzentrationsabhängige Verschiebung des Sensorsignals nach der TMV-Abscheidung gezeigt wurde. Zudem konnte das TMV-Immobilisierungsprotokoll dahingehend adaptiert werden, dass die TMV-Immobilisierung auf der Ta2O5-Oberfläche innerhalb einer Stunde abgeschlossen ist.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Möglichkeit einer markierungsfreien Detektion von TMV-Partikeln mittels deren intrinsischer Ladung auf EISCAP-Sensoren, mit einer SiO2-Transducerschicht, untersucht. Die Sensitivität eines solchen „Virus“-Sensors (13 mV/dec) gegenüber unterschiedlicher TMV-Konzentrationen wurde erfolgreich demonstriert, wobei eine steigende Oberflächendichte von TMV-Partikeln mit Erhöhung der Partikel-Konzentration zwischen 0,001 μg/μL und 0,2 μg/μL messtechnisch erfasst werden konnte. Der Einfluss der Ionenstärke auf das Sensorsignal wurde ebenfalls charakterisiert, wobei eine Abschwächung des Signals bei steigender Ionenstärke beobachtet wurde.
Die Funktionalität von TMV-modifizierten Ta2O5-EISCAP-Biosensoren wurde exemplarisch anhand verschiedener Analyte getestet. Urease und Penicillinase wurden zunächst seperat auf TMV-modifizierten EISCAP-Sensoren immobilisiert, um damit Urea und Penicillin nachzuweisen. In einem weiteren Experiment wurden beide Enzyme auf einem Sensor co-immobilisiert, wobei die Aktivität beider Enzyme erhalten blieb, was das hohe Anwendungspotenzial von TMV-Nanoträgern für eine mögliche Multi-Analyt-Sensorik unterstreicht. Mit diesem Multi-Enzym-Biosensor (Co-Immobilisierung Urease/Penicillinase) wurde zudem erfolgreich ein XOR-Enzym-Logikgatter nachgebildet.
Weiterführend wurde die Nutzung des entwickelten TMV-basierten Biosensors zur Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie untersucht. TMV-modifizierte EISCAP-Sensoren konnten Acetoin und Diacetyl in Bier- und Weinproben nachweisen. Die Sensitivität des Biosensors für beide Analyte wurde erfolgreich individuell angesteuert, indem der pH-Wert der Messlösung so angepasst wurde, dass die verwendete Acetoinreduktase jeweils prioritär Acetoin oder Diacetyl umsetzt.
Vor dem Hintergrund miniaturisierter, mikrofluidischer „Lab on Chip“-Systeme wurde die Integration eines lichtadressierbaren potentiometrischen Sensors (LAPS: light-addressable potentiometric sensor) mit TMV-Enzymnanoträgern für den Penicillinnachweis zusammen mit einer lichtadressierbaren Elektrode (LAE: light-addressable electrode) untersucht. Das durchgeführte Experiment konnte belegen, dass die Aktivität des eingesetzten Enzyms Penicillinase durch die lokale Anpassung des pH-Werts (mittels der LAE) innerhalb des Kanals gesteuert werden kann, wodurch eine flexible Kontrolle der enzymatischen Reaktion möglich ist.
Eine weitere Steigerung der TMV-Dichte auf der Oberfläche von EISCAP-Sensoren sollte höhere enzymatische Belegungsdichten erlauben. Der diesbezüglich verfolgte Ansatz basiert auf der Einführung einer Zwischenschicht (zwischen TMV-Partikel und Sensoroberfläche) aus dem positiv geladenen Polyelektrolyt Poly(allylamin-hydrochlorid). Die Modifikation führte zu einer deutlichen Steigerung der TMV-Dichte auf der Sensoroberfläche und einer Erhöhung der Sensitivität
Collection Digitization at Philipps-University Marburg 3 - Metadata for Collections
No full textDie Philipps-Universität Marburg entwickelt derzeit ein Konzept zur digitalen Präsentation ihrer wissenschaftlichen Sammlungen. Hierbei verfolgt ein im Rahmen der Landesinitiative HeFDI vom Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Forschung, Kunst und Kultur (HMWK) gefördertes Projekt den Auftrag, Daten-bankmanagementsysteme zur Integration wissenschaftlicher Sammlungen anzu-passen. Neben der Konzeptionierung und Implementierung einer langfristig trag-fähigen Datenbank hat das Projekt die Pilotierung der Sammlungsdigitalisierung an der Philipps-Universität zur Aufgabe. Der Projektfortschritt wird über die Projektseite (https://uni-marburg.de/DFpFGf) dokumentiert.
Die nachfolgenden Ausführungen sind Bestandteil von Projektpublikationen, die sukzessive über die Fortschritte und Ergebnisse informieren und über den Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg bereitgestellt werden.
Die vorliegende Publikation behandelt das Thema Metadaten für Sammlungs-repositorien. Sie besteht einerseits aus einer Markanalyse über zu verwendende Austauschformate, Datenmodelle, die Verwendung kontrollierter Vokabulare und Normdaten. Andererseits wird den Sammlungen der Philipps-Universität Marburg die Verwendung eines gemeinsamen Metadatenschemas vorgeschlagen, welches bei der Umsetzung eines sammlungsübergreifenden Objektportals verwendet werden sollte.The Philipps University of Marburg is currently developing a concept for the digital presentation of its scientific collections. A project funded by the Hessian Ministry of Science and Research, Art and Culture (HMWK) as part of the HeFDI state initiative aims to adapt database management systems to integrate scientific collections. In addition to the conception and implementation of a long-term sustainable database, the project's task is to pilot the digitization of collections at the Philipps University. The project's progress is documented on the project website (https://uni-marburg.de/DFpFGf).
The following statements are part of project publications that gradually provide information on the progress and results and are made available via the publication server of the Marburg University Library.
This publication deals with the topic of metadata for collection repositories. On the one hand, it consists of a market analysis of exchange formats to be used, data models, the use of controlled vocabularies and standard data. On the other hand, the collections of the Philipps University of Marburg are proposed to use a common metadata schema, which should be used in the implementation of a cross-collection object portal
Evaluation of the usability of different cellulose ethers for the production of peroral dosage forms using fused deposition modeling (FDM) 3D printing
No full textDer „One size fits all“-Ansatz der medizinisch-pharmazeutischen Industrie basiert auf standardisierten Dosierungen und Arzneiformen und berücksichtigt nicht die individuellen Bedürfnisse von Patienten. Dies führt oft zu unzureichendem Therapieerfolg oder unerwünschten Nebenwirkungen. Besonders bei Wirkstoffen mit enger therapeutischer Breite ist die Standarddosierung problematisch. Des Weiteren ist die konventionelle Arzneimittelherstellung auf Massenproduktion optimiert und kaum flexibel genug, um personalisierte Arzneiformen in kleinen Chargen oder variabler Dosierung überhaupt zu produzieren. Zielsetzung dieser Arbeit war es die Palette an nutzbaren Hilfsstoffen für eine aufstrebende
Herstellungstechnologie von personalisierten Arzneiformen, das Fused Deposition Modeling 3D-Druckverfahren, zu erweitern, um eine flexiblere Formulierungsentwicklung von individuellen Darreichungsformen zu ermöglichen.
Das Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem ein thermoplastisches Material schichtweise aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen. Dabei wird ein Filament erhitzt, durch eine Düse extrudiert und präzise auf eine Bauplattform aufgebracht, wo es abkühlt und aushärtet. In dieser Arbeit wurden verschiedene pharmazeutische Polymere (u.a. verschiedene Hydroxyethylcellulosen (HEC) und Hydroxypropylcellulosen (HPC)) und weitere Hilfsstoffe auf ihre Nutzbarkeit im FDM untersucht. Hierzu wurden sie zunächst auf verschiedene thermische Eigenschaften (Glasübergangs-, Schmelz- und Zersetzungstemperatur) untersucht und anschließend mittels Heißschmelzextrusion (HSE) in Filamente extrudiert. Nachfolgend wurden die Reinstofffilamente auf 3D-Druck-relevante Eigenschaften (u.a. Flexibilität,
Oberflächenbeschaffenheit, Durchmesser) untersucht und im 3D-Druck auf ihre Druckbarkeit getestet. Binäre sowie ternäre Mischungen der untersuchten Polymere mit weiteren, weichmachenden Hilfsstoffen wurden ebenfalls extrudiert und unter gleichen 3D-Druck-relevanten Gesichtspunkten analysiert. Abgeschlossen wurde der experimentelle Teil mit der Inkorporation von zwei verschiedenen
Wirkstoffmodellen (Diclofenac-Natrium und Fischsperma DNA) in quaternären Mischungen. Diese wurden extrudiert, auf ihre Verwendbarkeit im 3D-Druck analysiert und resultierende 3D-gedruckte Tabletten auf ihre Wirkstofffreisetzung aus den hergestellten Arzneiformen untersucht. Die Untersuchung zeigten, dass sich Celluloseether hervorragend für die Anwendung in der HSE und
im FDM 3D-Druck eignen. Sie können als Reinstoffe bei moderaten Temperaturen zwischen 120 – 155 °C extrudiert werden und bieten des Weiteren auch vielfältige Möglichkeiten in der Formulierungsentwicklung in Kombination mit weiteren weichmachenden Hilfsstoffen wie Glycerol oder Triethylcitrat, so dass eine Extrusion sogar bei Temperaturen unterhalb von 100 °C möglich ist. Die resultierenden Filamente besaßen eine gute Oberflächenbeschaffenheit bei konstantem
Durchmesser und guter Flexibilität. In Kombination mit thermosensitiver DNA, welche stellvertretend für Nukleinsäure-basierte Wirkstoffe als Model genutzt wurde, zeigte sich jedoch, dass der Einsatz im 3D-Druck mit Celluloseethern limitiert ist. Aufgrund der unterschiedlichen technischen Beschaffenheit
von Heißschmelzextruder und 3D-Drucker waren die benötigten 3D-Drucktemperaturen für die Formulierungen mit 180 °C deutlich höher als bei der zuvor erwähnten Extrusion und sorgten dafür, dass der Wirkstoff thermisch degradierte. Die Formulierungsentwicklung für das thermisch resistentere
Diclofenac-Natrium hingegen verdeutlichte, das Potential von HEC und HPC für den 3D-Druck. So konnten in ternären Mischungen aus verschiedenen HEC-Varianten mit 20 % (w/w) HPC SSL und 5 % (w/w) Diclofenac-Natrium Filamente mit konstantem Durchmesser, guter Oberflächenbeschaffenheit und teilweise hervorragenden mechanischen Eigenschaften extrudiert werden, die im Anschluss bei 195 °C – 200 °C in reproduzierbare Tabletten verdruckt werden konnten. Darüber hinaus verdeutlichten die Ergebnisse der Freisetzungsuntersuchungen, dass die unterschiedlichen HEC-Varianten eine Steuerung der Freisetzungsdauer und -geschwindigkeit ermöglichen und somit für kontrollierte Freisetzungssysteme aus dem 3D-Drucker mit individualisierbarer Dosierung hervorragend geeignet sind.The "one size fits all" approach in the medical-pharmaceutical industry relies on standardized dosages and drug formulations, failing to consider the individual needs of patients. This often results in insufficient therapeutic success or undesirable side effects. Standardized dosing is particularly problematic for drugs with a narrow therapeutic index. Furthermore, conventional pharmaceutical
manufacturing processes are optimized for mass production and lack the flexibility to produce personalized drug formulations in small batches or with variable dosages. The objective of this study was to expand the range of excipients usable in an emerging manufacturing technology for personalized drug formulations, the Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing process, enabling more flexible
formulation development of individualized dosage forms. Fused Deposition Modeling (FDM) is an additive manufacturing process in which a thermoplastic
material is applied layer by layer to create a three-dimensional object. A filament is heated, extruded through a nozzle, and precisely deposited onto a build platform, where it cools and solidifies. In this study, various pharmaceutical polymers (e.g., different hydroxyethyl celluloses (HEC) and hydroxypropyl celluloses (HPC)) and other excipients were evaluated for their usability in FDM. These materials were first analyzed for thermal properties (glass transition, melting, and decomposition
temperatures) and then extruded into filaments using hot-melt extrusion (HME). Subsequently, the pure filaments were examined for 3D-printing-relevant properties (e.g., flexibility, surface quality, diameter) and evaluated for printability using a 3D printer. Binary and ternary mixtures of the investigated polymers with additional plasticizing excipients were also extruded and analyzed for 3D-printing-
relevant characteristics under the same conditions. The experimental part concluded with the incorporation of two drug models (diclofenac sodium and fish sperm DNA) into quaternary mixtures. These formulations were extruded, analyzed for their usability in 3D printing, and the resulting 3D-printed tablets were evaluated for drug release from the fabricated dosage forms. The investigations showed that cellulose ethers are highly suitable for use in HME and FDM 3D
printing. They can be extruded as pure substances at moderate temperatures between 120–155 °C and offer diverse possibilities in formulation development when combined with plasticizing excipients such as glycerol or triethyl citrate, allowing extrusion even at temperatures below 100 °C. The resulting filaments exhibited good surface quality, consistent diameter, and good flexibility. However, in combination with thermosensitive DNA, used as a model for nucleic acid-based drugs, it was found that the application of cellulose ethers in 3D printing is limited. Due to the differing technical requirements of hot-melt extruders and 3D printers, the necessary 3D printing temperatures for these formulations (180 °C) were significantly higher than those for extrusion, causing thermal degradation of the drug. Conversely, formulation development for the thermally stable diclofenac sodium demonstrated the potential of HEC and HPC for 3D printing. Ternary mixtures of various HEC variants with 20% (w/w)HPC SSL and 5% (w/w) diclofenac sodium produced filaments with consistent diameter, good surface quality, and excellent mechanical properties in some cases, which were subsequently successfully printed into reproducible tablets at 195–200 °C. Additionally, the results of the drug release studies indicated that the different HEC variants enable control over the release duration and rate, making them highly suitable for controlled release systems from 3D printers with customizable dosages
Tracing the crystallization of poorly soluble drugs by terahertz time-domain spectroscopy
No full textThe aim of this thesis is to leverage and accentuate the capabilities of THz TDS for crystallinity analysis in the pharmaceutical context, particularly with regard to poorly soluble drugs. In the pharmaceutical industry, the low water solubility of many newly developed APIs has emerged as one of the biggest challenges. As high solubility in water and physiologically relevant fluids is an essential prerequisite for the pharmacological efficacy of an API, several strategies have been applied in recent years to overcome this discrepancy. One of these methods is the transformation of APIs to a better soluble solid-state form. Notably, the preparation of an amorphous form APIs has proven to be a promising approach. However, the underlying advantage of amorphous APIs, i.e. their high free energy, is accompanied by the main challenge in the development of amorphous drug formulations: the inherent thermodynamic instability of the amorphous state in relation to the crystalline, which engenders a risk of crystallization into a less soluble form. So far, the solid-state characterization of pharmaceuticals has mostly been performed by traditional and well established techniques, such as XRD or DSC. An emerging complementary technique for crystallinity analysis is THz TDS. It is highly sensitive to directly probe intermolecular vibrations and interactions and it can be used to resolve subtle differences in the structure of molecular solids. Therefore, the aim of this work is to exploit and highlight the potential of THz TDS in the pharmaceutical field, in particular to gain further insights into crystallization processes and stabilization mechanisms of amorphous or polymorphic forms of poorly soluble drugs. In the context of this work, three peer-reviewed articles have been published dealing with different aspects of this issue.
The first two subprojects focus on so-called smartFilms and paper tablets. SmartFilms are a novel and promising strategy for improved oral drug delivery and are based on cellulose-matrices in which APIs are incorporated in an amorphous form. In the first work, NIF is used as a model substance, as it is known to be very instable when in amorphous state. Hence, its stabilization against crystallization can pose a great challenge in the development of amorphous drug formulations. Both classical paper tablets as well as tablets containing PVP as a secondary carrier are studied. Overall, tablets containing additional PVP show an improved performance compared to conventional smartFilms with regard to the inhibition of crystallization of NIF. The addition of PVP as an extra carrier appears to be beneficial as it increases the ability to transfer NIF into its amorphous form. Furthermore, the capability to keep NIF amorphous and to prevent its crystallization over a period of six months can be improved. Notably, NIF was found to be completely amorphous after such elongated periods in formulations containing up to 10 w% of the API in the presence of PVP.
The second subproject focuses on wet granulation as an processing step in the industrially-feasible production of paper tablets. In this work, NOR is utilized as a model drug and both wet-granulated and non-granulated samples, i.e. directly compressed tablets, are examined. Moreover, the performance of THz TDS is compared to that of the gold-standard XRD. Indeed, the analysis by XRD turns out to be complicated as diffraction features related to the crystalline API partially overlap with signals based on crystalline sucrose, an excipient in the formulations needed for wet granulation. In contrast, THz TDS allows for unambiguous assignment of the absorption peaks corresponding to crystalline NOR and sucrose and consequently a more straightforward analysis of the samples. In addition, for the devices used and the formulations studied in this work, THz TDS has a lower limit of detection than XRD with regard to crystalline NOR. Consequently, by using THz TDS, it is furthermore possible to detect partial crystallization of the API after wet granulation, whereas this is not possible based on XRD.
As shown in the first two studies, precise crystallinity assessment is of great importance in the development of amorphous drug formulations. However, this can be very time-consuming, in particular with regard to systematic long-term stability studies. Hence, in the third subproject, a custom-build measurement platform, the so-called T-Box, is developed and tested. The T-Box allows for automated in-situ crystallinity analysis of multiple samples by THz TDS in transmission mode under temperature-controllable conditions. Using the platform, different storage temperatures can be simulated, enabling the monitoring of accelerated aging processes of amorphous APIs. In this work, neat amorphous NIF is used for model samples and the crystallization is examined for 144 h at 24 °C, 30 °C and 35 °C. All samples initially crystallize in the thermodynamically metastable beta-crystalline form, followed by a conversion to the stable alpha-crystalline form. Both the onset of crystallization as well as the conversion to alpha-NIF occur faster at higher temperatures. Hence, even though the storage temperatures differ only slightly, significant differences in the crystallization rate can be detected using the setup developed.
Nevertheless, further research is required to achieve a more profound comprehension of the effects that collectively contribute to the (de)stabilization of amorphous APIs. For instance, the advanced paper tablets approach could be tested to enhance the stability of APIs against crystallization during wet granulation. Moreover, the T-Box might be used for comparative stability studies of several amorphous drug formulations, such as paper tablets or ASDs prepared by different techniques. Additionally, the storage conditions inside the T-Box could be expanded. For example, the accessible storage temperature range could be extended and a humidity control unit might be installed. Such an extension to a climate chamber could lead to further unique insights into crystallization processes, polymorph transitions and (artificial) aging in general.
In summary, it is demonstrated that THz TDS provides an excellent probe for crystallinity determination in the pharmaceutical setting, particularly with regard to poorly soluble drugs. It can be used as a complementary technique for the identification and quantification of different solid-state forms of pharmaceuticals and can lead to valuable insights into crystallization processes and polymorph transitions. Along with the overall advantages of the technology, such as its fast data acquisition or the use of non-ionizing radiation, this can be of great interest in the development of pharmaceutical formulations containing amorphous drugs and beyond. Although this work focuses on the applicability of THz TDS for the investigation of amorphous APIs, the results presented are also relevant for other use cases. Possible fields of application could include crystal engineering, material characterization or materials science in general. Especially, due to its non-destructive nature, it can serve as a helpful tool in systematic stability studies, where the use of established tools, such as XRD or DSC, is more limited. With further development of affordable and user-friendly THz TDS devices as well as ongoing promotion of its capabilities outside the "THz-community", it is highly probable that the technique will become more prevalent in routine pharmaceutical applications, aiding in the development of safe and effective medicines for future generations.Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Leistungsvermögen der Terahertz (THz) Zeitbereichsspektroskopie (TDS, engl. time-domain spectroscopy) für die Kristallinitätsanalyse hervorzuheben mit dem Fokus auf schwerlöslichen Pharmazeutika. In der Pharmaindustrie hat sich die geringe Wasserlöslichkeit vieler neu entwickelter Wirkstoffe als eine der größten Herausforderungen offenbart. Da eine ausreichend hohe Löslichkeit in physiologisch relevanten Flüssigkeiten eine wesentliche Voraussetzung für die pharmakologische Wirksamkeit eines oral verabreichten Wirkstoffes ist, wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien zur Überwindung dieser Diskrepanz entwickelt. Eine dieser Methoden besteht darin, Wirkstoffe physikalisch zu modifizieren und sie in einen löslicheren Zustand zu überführen. Insbesondere die Herstellung von Wirkstoffen in amorpher Form hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen. Der grundlegende Vorteil amorpher Wirkstoffe geht jedoch mit der größten Herausforderung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen einher: der inhärenten thermodynamischen Instabilität des amorphen Zustands im Vergleich zur kristallinen Phase und dem daraus resultierenden Risiko der Kristallisation in eine weniger lösliche Form. Bisher wurden Kristallinitätsanalysen von Pharmazeutika zumeist mit traditionellen, etablierten Verfahren wie der Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD, engl. X-ray powder diffraction) oder Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC, engl. Differential scanning calorimetry) durchgeführt. Ein aufstrebendes komplementäres Verfahren zur Kristallinitätsanalyse ist die THz TDS. Diese Methode ermöglicht die direkte Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen, wie z.B. Phononen in Festkörpern. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potential der THz TDS im pharmazeutischen Umfeld zu nutzen und hervorzuheben, insbesondere um weitere Erkenntnisse über Kristallisationsprozesse und Stabilisierungsmechanismen polymorpher Formen schwerlöslicher Wirkstoffe zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei referierte Artikel veröffentlicht, die sich mit verschiedenen Aspekten dieses Themas befassen.
Die ersten beiden Teilprojekte konzentrieren sich auf sogenannte smartFilms und Tabletten aus Papier. SmartFilms sind eine neuartige und vielversprechende Strategie für eine verbesserte orale Arzneimittelaufnahme und basieren auf Cellulose-Matrizen, in die Wirkstoffe in amorpher Form eingebettet werden können. In der ersten Arbeit wird Nifedipin als Modellwirkstoff verwendet, da es im amorphen Zustand sehr instabil ist. Die Stabilisierung zur Vermeidung einer Kristallisation kann daher eine große Herausforderung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen mit Nifedipin darstellen. Es werden sowohl klassische Papiertabletten als auch Tabletten mit Polyvinylpyrrolidon als sekundärem Träger untersucht. Insgesamt zeigen Tabletten, die Polyvinylpyrrolidon enthalten, eine verbesserte Leistung hinsichtlich der Hemmung der Kristallisation von Nifedipin im Vergleich zu herkömmlichen smartFilms. Die Zugabe von Polyvinylpyrrolidon als zusätzlichen Träger zur Cellulose-Matrix erweist sich als vorteilhaft, da es die Fähigkeit erhöht, Nifedipin in einer amorphen Form zu halten. Darüber hinaus ermöglicht die Zugabe von Polyvinylpyrrolidon die Vermeidung der (Re)kristallisation von Nifedipin über einen Zeitraum von sechs Monaten.
Das zweite Teilprojekt konzentriert sich auf die Nassgranulation als zusätzlichen Verarbeitungsschritt bei der industriell-realisierbaren Produktion von Papiertabletten. In dieser Arbeit wird Norfloxacin als Modellwirkstoff verwendet und es werden sowohl nassgranulierte als auch nicht granulierte, d. h. direkt gepresste Proben untersucht. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit der THz TDS mit der des Goldstandards XRD verglichen. Tatsächlich erweist sich die Analyse mittels XRD als kompliziert, da Beugungsreflexe, die mit dem kristallinen Wirkstoff in Zusammenhang stehen, teilweise mit den Signalen kristalliner Saccharose überlappen. Letztere ist den Formulierungen als Hilfsstoff zugesetzt und für eine Nassgranulierung erforderlich. Im Gegensatz dazu ermöglicht die THz TDS eine eindeutige Zuordnung der Absorptionsbanden von kristallinem Norfloxacin und kristalliner Saccharose und somit eine einfachere Analyse der Proben. Darüber hinaus hat die THz TDS für die in dieser Arbeit verwendeten Geräte und untersuchten Formulierungen ein niedrigeres Detektionslimit als XRD in Bezug auf kristallines Norfloxacin. Folglich ist es durch die Verwendung von THz TDS auch möglich, eine partielle Kristallisation des Wirkstoffs nach der Nassgranulierung zu detektieren, während dies mittels XRD nicht möglich ist.
Wie in den ersten beiden Studien gezeigt wurde, ist eine präzise Kristallinitätsbewertung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen von großer Bedeutung. Dies kann, insbesondere im Hinblick auf systematische Langzeitstabilitätsstudien, sehr zeitaufwendig sein. Daher wird im dritten Teilprojekt eine spezielle Messplattform, die sogenannte T-Box, entwickelt und getestet. Die T-Box ermöglicht eine automatisierte und temperaturkontrollierte in-situ Kristallinitätsanalyse mehrerer Proben mittels THz TDS in Transmissions-Geometrie. Mit der Plattform können verschiedene Lagerungstemperaturen simuliert werden, wodurch beispielsweise beschleunigte Alterungsprozesse von amorphen pharmazeutischen Wirkstoffen überwacht werden können. In dieser Arbeit wird reines amorphes Nifedipin als Modellsubstanz verwendet und die Kristallisation für 144 Stunden bei 24 °C, 30 °C und 35 °C untersucht. Alle Proben kristallisieren zunächst in einer thermodynamisch metastabilen beta-kristallinen Form, gefolgt von einer Umwandlung in die stabile alpha-kristalline Form. Sowohl das Einsetzen der Kristallisation als auch die Umwandlung in alpha-Nifedipin erfolgen schneller bei erhöhter Temperatur. Mit dem entwickelten Aufbau können daher bereits bei nur geringfügig abweichenden Lagertemperaturen erhebliche Unterschiede in der Kristallisationsrate detektiert werden.
Weitere Forschungsarbeiten sind erforderlich, um ein noch tiefgreifenderes Verständnis der Effekte zu erlangen, die zur (De)stabilisierung amorpher pharmazeutischer Wirkstoffe beitragen. So könnte beispielsweise der Ansatz der erweiterten Papiertabletten getestet werden, um die Stabilität von pharmazeutischen Wirkstoffen gegen Kristallisation während der Nassgranulation zu verbessern. Darüber hinaus könnte die T-Box für vergleichende Stabilitätsstudien mehrerer amorpher pharmazeutischer Formulierungen verwendet werden, wie zum Beispiel Papiertabletten oder Feststoffdispersionen, die mit unterschiedlichen Techniken hergestellt wurden. Ebenso könnten die realisierbaren Bedingungen innerhalb der T-Box erweitert werden. Beispielsweise könnte der Lagerungstemperaturbereich ausgeweitet und eine Feuchtigkeitsregelung installiert werden. Eine solche Erweiterung zu einer leicht integrierbaren Klimakammer könnte zu weiteren einzigartigen in-situ Einblicken in Kristallisationsprozesse, Phasenumwandlungen oder (künstliche) Alterungsprozesse im Allgemeinen beitragen.
Insgesamt hat diese Arbeit erfolgreich das Vermögen der THz TDS als hervorragend geeignete Technik zur Bestimmung der Kristallinität aufgezeigt, insbesondere im Hinblick auf schwerlösliche Wirkstoffe. Die THz TDS kann als ergänzende Technik zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Festkörperformen von Pharmazeutika eingesetzt werden und wertvolle Erkenntnisse über Kristallisationsprozesse amorpher pharmazeutischer Wirkstoffe liefern. Neben den allgemeinen Vorteilen der Technologie, wie der schnellen Datenerfassung oder der Verwendung nichtionisierender Strahlung, kann dies bei der Entwicklung von pharmazeutischen Formulierungen, die amorphe Pharmazeutika enthalten, und darüber hinaus von großer Bedeutung sein. Auch wenn sich diese Arbeit auf die Anwendung der THz TDS für die Untersuchung amorpher Wirkstoffe fokussiert, werden die gewonnenen Erkenntnisse ebenfalls für weitere Anwendungsfälle nützlich sein. Dies gilt unter anderem für das „Crystal-Engineering" als wichtiges Teilgebiet der Materialwissenschaften. Insbesondere aufgrund der Möglichkeit der zerstörungsfreien Messung kann die THz TDS als hilfreiches Werkzeug in systematischen Stabilitätsstudien dienen, bei denen der Einsatz etablierter Messtechniken wie der XRD oder DSC eingeschränkt ist. Mit der anhaltenden Hervorhebung des Potenzials außerhalb der „THz-Gemeinschaft" sowie der Weiterentwicklung kostengünstiger, benutzerfreundlicher Geräte wird diese Technik in pharmazeutischen Routineanwendungen an Bedeutung gewinnen und entscheidend zur Entwicklung sicherer und wirksamer Medikamente beitragen
Jacob Burckhardt - Ein Kunsthistoriker auf Reisen : Karl Christ zum 75. Geburtstag
No full textAusgedehnte Reisen zur Betrachtung von Kunst bildeten die unentbehrliche Basis für Burckhardts wissenschaftliche Publikationen, für seine Tätigkeit als Dozent der Kunstgeschichte und, zu Beginn seiner beruflichen Laufbahn, auch zur materiellen Sicherung seiner Existenz. Schon als junger Student war er der Ansicht, daß eine "sogenannte Pläsierreise" für einen "wahrhaft Gebildeten ein reines Unding und eine Unmöglichkeit " sei. Die von ihm selbst gelegentlich als "tugendhafte Bildungsreise" (IV, 251) abgetanen Galerie- und Architekturstudien bildeten, insbesondere wenn sie in den Süden führten, eine unversiegbare Quelle nicht nur des Kunstgenusses: "Ich muß lachen", schreibt der 60jährige Burckhardt aus Forli in der Romagna, "wenn ich daran denke daß es Leute giebt, welche sehr unglücklich wären, wenn sie meine tour durch diese einzelnen Nester unter der Firma einer Vergnügungstour mitmachen müßten, weil sie unter Vergnügen etwas Anderes verstehen als ich, und an dem unermeßlichen Reichthum Italiens keinen eigentlichen Antheil nehmen." (VI, 265) Die Sehnsucht Mignons, die auch Burckhardt umtreibt, läßt ihn nicht nur leiden, sondern auch glücklich sein. "Ich weiß, es jetzt", schreibt er 1846, "daß ich außerhalb Rom's nie mehr recht glücklich sein werde und daß mein ganzes Streben sich thörichter Weise in dem Gedanken concentriren wird, wieder hinzukommen und wäre es auch als Lakai eines Engländers." (III, 36f.) Diese jugendliche Überschwenglichkeit, die Überzeugung, menschliches Glück hinge an einem bestimmten Aufenthaltsort, wird zwar zunehmend von weiseren Einsichten überlagert, doch vermögen diese seinen Traum vom wahren Leben unter italienischer Sonne nicht völlig auszulöschen. Besonders nach den arbeits- und entbehrungsreichen Jahren der beruflichen Konsolidierung in Zürich und Basel, die von einem 20jährigen Verzicht auf Italien begleitet wurden, gewinnen während der Italienreise der Jahre 1875/76 die alten Gefühle nahezu ungebrochen wieder Kontur. In den Briefen aus dieser Zeit häufen sich Beobachtungen über die unbeschwerte Lebensart Italiens und die Schönheit und Klugheit seiner Menschen. Was den Modernitätsmüden darüber hinaus anzieht, ist das Sichgleichbleiben der Menschen und des Landes: "Italien aber ist ja Italia aeterna und heut wie vor 29 Jahren jagen sie auf ungesattelten Pferden dahin nicht nur weil sie Gleichgewicht und Schluß haben sondern auch weil sie mit Schmutz an das Thier festgebacken sind, und so ist es in allen Dingen; Verkehr und Gespräch mit den Leuten sind unendlich amusant, und Menschen sind und bleiben sie und werden es auch nächstes Jahr noch sein.
Popeye domain containing proteins modulate the voltage-gated cardiac sodium channel Nav1.5
No full textPopeye domain containing (POPDC) proteins are predominantly expressed in the heart and skeletal muscle, modulating the K2P potassium channel TREK-1 in a cAMP-dependent manner. POPDC1 and POPDC2 variants cause cardiac conduction disorders with or without muscular dystrophy. Searching for POPDC2-modulated ion channels using a functional co-expression screen in Xenopus oocytes, we found POPDC proteins to modulate the cardiac sodium channel Nav1.5. POPDC proteins downregulate Nav1.5 currents in a cAMP-dependent manner by reducing the surface expression of the channel. POPDC2 and Nav1.5 are both expressed in different regions of the murine heart and consistently POPDC2 co-immunoprecipitates with Nav1.5 from native cardiac tissue. Strikingly, the knock-down of popdc2 in embryonic zebrafish caused an increased upstroke velocity and overshoot of cardiac action potentials. The POPDC modulation of Nav1.5 provides a new mechanism to regulate cardiac sodium channel densities under sympathetic stimulation, which is likely to have a functional impact on cardiac physiology and inherited arrhythmias.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Downscaling air temperatures for high-resolution niche modeling in a valley of the Amazon lowland forests: A case study on the microclima R package
No full textThe forests of the Amazon basin are threatened by climate and land use changes. Due to the transition towards a drier climate, moisture-dependent organisms such as canopy epiphytes are particularly affected. Even if the topography in the Amazon lowland is moderate, mesoscale nocturnal katabatic flows result from cold air production related to radiative cooling. From a certain level of mass the cold air starts to flow downslope towards the valley centers leading to temperature inversions. The resulting cooling in the valleys drives localized fog formation in the valleys at night. This correlates with high epiphyte abundance and diversity in the valleys, which is much less pronounced upslope. The underlying temperature dynamics are, however, not sufficiently included in coarse-resolution reanalysis models such as ERA5-Land. Since high resolution climate data are needed e.g. for proper niche modeling of locally distributed species such as canopy epiphytes, downscaling models such as microclima have been developed and include micro- and mesoscale effects. However, it is unclear how well the elevation-related diurnal course of air temperature can be simulated. Here, we test functions for downscaling coarse-resolution temperature data to high spatial resolution data implemented in the R-package microclima for the South American tropical lowland forests. To do so we compared microclima-downscaled ERA5-Land air temperature data with meteorological station data. We found that the microclima functions only properly detect 73 temperature inversions out of 412 nocturnal cold air drainage (CAD) events during the dry season study period and only 18 out of 400 during the wet season with default settings. By modifying default values such as the emissivity threshold and time frames of possible CAD condition detection, we found 345 of 412 CAD events during the dry season and 177 out of 400 during the wet season. Despite problems with the distinction between CAD and non-CAD events the microclima algorithms show difficulties in correctly modeling the diurnal course of the temperature data and the amplitudes of elevational temperature gradients. For future studies focusing on temperature downscaling approaches, the modules implemented in the microclima package have to be adjusted for their usage in tropical lowland forest studies and beyond.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
New insights into dermal drug delivery pathways - Interplay between vehicle, active compound, and skin
No full textIn this thesis, new dermal drug delivery pathways that promote the dermal penetration of active compounds using the ex vivo porcine ear model, were investigated. Classical and novel approaches clearly demonstrate the complex interplay between vehicle, active compound, and skin. Therefore, different strategies were conducted to forecast the most suitable vehicle for efficient dermal penetration of an active compound.
The first step studied the effect of massage and skin hydration on the dermal penetration behaviour of active compounds. Massage influences the hydration state of skin due to the applied pressure during the treatment. Upon massaging the dermal formulations into the skin, the skin tissues are squeezed and cause the expulsion of water from deeper layers of the SC. The expulsed water acts as a water barrier on top of the skin that prevents the penetration of lipophilic active compounds and promotes the penetration of hydrophilic active compounds.
The second part investigated the effect of vehicle type and its components on the dermal penetration behaviour of active compounds. The solvent drag mechanism as a novel dermal drug delivery pathway of active compounds was introduced. The solvent drag mechanism means that liquids, i.e., water, paraffin, penetrates into the skin and drags the active compounds being dissolved in these vehicles along with into the skin. Additionally, results introduced the micellar-assisted penetration. The micellar properties of Lanette N allow the formation of o/w micelles and the encapsulation of lipophilic active compounds into the hydrophobic core of the o/w micelles. This micellar encapsulation allow the lipophilic active compounds to enter the skin via the apolar intercellular pathway and together with the o/w micelles via the polar pathway. Additionally, this part proved, the solvent drag mechanism for lipophilic and hydrophilic active compounds loaded in multi-component vehicles, i.e., NR-loaded or SF- loaded in Lanette N-based formulations. Moreover, this part proved the influence of different surfactant types and lipid contents on the penetration behaviour of lipophilic active compounds incorporated into semi-SLN that enhanced the skin penetration. The obtained data in this part highlight the combination of different mechanism to enhance the dermal drug delivery of active compounds, i.e., passive diffusion, solvent-drag mechanism, particle-assisted penetration, micellar-assisted penetration, that are likely to occur not step-wise but superimpose each other.
The third part studied the effect of surfactant type on the dermal penetration behaviour of active compounds. This study proved the micellar-assisted penetration upon application of NR-loaded TPGS-based surfactant solutions that can therefore act as “trojan horses” for dermal drug delivery of lipophilic active compounds.
The last step assisted the effect of hygroscopic vehicles on the dermal penetration behaviour of active compounds. This study proposed the solvent pullout mechanism as a novel dermal drug delivery mechanism of hydrophilic active compounds. The dermal application of hygroscopic solvents, i.e., polyethylene glycol (PEG 400), resulted in drawing water from deeper skin layers to the SC. This creates two opposite movements of water fronts, i.e., the PEG 400 solutions penetrating from the SC surface into deeper skin layers versus the water moving from deeper skin layers skin to the SC surface. Therefore, hydrophilic active compounds, being dissolved in the PEG formulations, are pulled-out from deeper layers into the viable skin by the penetrating-out water which is pulled out due to the hygroscopic properties of PEG.
The findings of this thesis provide evidence that the Marburg ex vivo skin model is a suitable model for testing the dermal penetration efficacy of active compounds from dermal formulations. A thorough investigation of a suitable vehicle is a prerequisite for effective dermal drug delivery, and it is a fundamental step to understand the complex interplay between vehicle, active compound, and skin.In dieser Dissertation wurden neue dermale Wirkstoffverabreichungswege zur Förderung der dermalen Verabreichung anhand des Marburger ex vivo Schweineohrmodells untersucht. Klassische und neuartige Ansätze zeigen das komplexe Zusammenspiel zwischen Vehikel, Wirkstoff und Haut. Daher wurden verschiedene Strategien angewandt, um das am besten geeignete Vehikel für eine effiziente dermale Hautpenetration eines Wirkstoffs zu ermitteln.
Im ersten Schritt der Arbeit wurde der Effekt von Massage und Hautfeuchtigkeit auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen untersucht. Die Massage beeinflusst den Feuchtigkeitszustand der Haut aufgrund des während der Behandlung ausgeübten Drucks. Beim Einmassieren der dermalen Formulierungen in die Haut werden die Hautgewebe zusammengedrückt und bewirken die Verdrängung von Wasser aus tieferen Schichten der Haut. Das verdrängte Wasser wirkt als Wasserbarriere auf der Haut, die das Eindringen lipophiler Wirkstoffe verhindert und das Eindringen hydrophiler Wirkstoffe fördert.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss des Vehikeltyps und seiner Komponenten auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen untersucht. Der solvent drag Mechanismus wurde als neuartiger dermaler V erabreichungsweg für Wirkstoffe eingeführt. Dieser Mechanismus besagt, dass bei der Penetration von Flüssigkeiten, z. Bsp. Wasser und Paraffin, die in diesen Vehikeln gelösten Wirkstoffe mit in die Haut gezogen werden. Darüber hinaus führten die Ergebnisse die durch Mizellen unterstützte Penetration - micellar-assisted penetration - ein. Die mizellaren Eigenschaften von Lanette N ermöglichen die Bildung von O/W-Mizellen und die Einkapselung lipophiler Wirkstoffe in den hydrophoben Kern der O/W- Mizellen. Diese mizellare Einkapselung ermöglicht den lipophilen Wirkstoffen, über den apolaren interzellulären Weg und zusammen mit den O/W-Mizellen über den polaren Weg in die Haut einzudringen. Darüber hinaus verifizierte dieser Teil den solvent drag Mechanismus für lipophile und hydrophile Wirkstoffe, die in Mehrkomponentenvehikel geladen sind, d. h. NR-geladen oder SF-geladen in Formulierungen auf Lanette N-Basis. Zusätzlich bewies dieser Teil den Einfluss verschiedener Tensidtypen und Lipidgehalte auf das Penetrationsverhalten lipophiler Wirkstoffe, die in semi-SLN eingearbeitet sind, was einen großen Einfluss auf die Verbesserung der Hautpenetration hat. Die in diesem Teil erhaltenen Daten heben die Kombination verschiedener Mechanismen zur V erbesserung der dermalen Arzneimittelverabreichung von Wirkstoffen hervor, d. h. passive Diffusion, solvent drag Mechanismus, partikelunterstützte Penetration, mizellarunterstützte Penetration, die wahrscheinlich nicht schrittweise erfolgen, sondern sich gegenseitig überlagern.
Der dritte Teil untersuchte die Wirkung des Tensidtyps auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen. Diese Studie bewies die mizellarunterstützte Penetration bei Anwendung von NR-beladenen TPGS-basierten Tensidlösungen, die daher als „Trojanische Pferde“ für die dermale Arzneimittelverabreichung lipophiler Wirkstoffe fungieren können. Die Fähigkeit lipophiler Wirkstoffe, duale Penetrationswege zu nutzen, d. h. polar und apolar, liefert den Beweis, dass die mizellare Solubilisierung lipophiler Wirkstoffe ein neuartiges und wirksames Formulierungsprinzip für eine verbesserte und maßgeschneiderte dermale Arzneimittelabgabe lipophiler Wirkstoffe sein kann.
Der letzte Schritt der Arbeit untersuchte die Wirkung hygroskopischer Vehikel auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen. In dieser Studie wurde der solvent-pullout Mechanismus als neuartiger Mechanismus zur dermalen Verabreichung von hydrophilen Wirkstoffen vorgeschlagen. Die dermale Anwendung hygroskopischer Lösungsmittel, z. B. Polyethylenglykol (PEG 400), führte dazu, dass Wasser aus tieferen Hautschichten in die oberen Hautschichten gelangt. Dadurch entstehen zwei gegensätzliche Wasserfronten, d. h. eindringendes und austretendes Wasser im polaren Penetrationsweg. Die PEG 400-Lösungen dringen von der Hautoberfläche in tiefere Hautschichten ein, während das Wasser von tieferen Hautschichten zur Hautoberfläche gelangt. Daher werden hydrophile Wirkstoffe, die im eindringenden Wasser gelöst sind, aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften von PEG wieder herausgezogen und an einem tieferen Eindringen in die Haut gehindert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass das Marburger ex vivo Schweineohrmodell ein geeignetes Modell für die Prüfung der dermalen Penetrationswirksamkeit von Wirkstoffen aus topischen Formulierungen ist. Die gründliche Untersuchung eines geeigneten Vehikels ist die Voraussetzung für eine effektive dermale Wirkstoffabgabe und ein grundlegender Schritt zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Vehikel, Wirkstoff und Haut
Visuelle Analyseansätze für die Darstellung von Genomikdaten: Von der molekularen Speicherung bis zur multidimensionalen Projektion
No full textWith the increase in data generation, particularly in DNA-based storage and phylogenomics, advanced visualization techniques and effective data-user congruence are essential. This thesis addresses the multifaceted challenges at this intersection, focusing on innovative approaches to manage, visualize, and analyze genomic data. At the heart of our exploration is the quest to bridge the gap between raw data and its meaningful representation. The initial analysis critically examines the potential of DNA as a green data storage medium, highlighting its superior density, energy efficiency, and retention time compared to conventional storage paradigms. However, the path from theory to practice
is fraught with challenges. The physical storage of synthetic DNA, its vulnerability to degradation under adverse conditions, and the balance between data redundancy for error correction and logical data density are discussed in detail. Furthermore, the exploration delves into the nuances of the DNA data storage channel, focusing on the design considerations for DNA-based storage, especially considering its long-term archiving and environmental impact. Building on these insights, DNAsmart, a novel tool developed for the visual exploration of genomics data within the context of DNA-based storage, is introduced. Domain experts conventionally use
intricate, non-visual methods to evaluate and compare encoding sequences. However, DNAsmart integrates these evaluation methods with interactive visual techniques, creating an accessible and user-friendly framework for visual analytics. This tool not only upholds the integrity of data stored within DNA but also provides a straightforward interpretation of the storage process, enabling users to identify inefficiencies, detect patterns, and fully utilize the potential of DNA-based storage.
Transitioning from storing data at the molecular level to the taxonomic classification of organisms, an area undergoing significant disruption due to advances in genome sequencing. Here, the spotlight is on the Context-Aware Phylogenetic Trees (CAPT) tool, highlighting its transformative potential to reshape traditional taxonomic practice. By using context-aware visual solutions, CAPT addresses the challenges inherent in reconciling traditional taxonomic methods with genomic data. The potential of CAPT to revolutionize taxonomy, both in terms of accuracy and scalability, is discussed, and its implications for broader biological research are highlighted. Expanding beyond the realm of genomics, this thesis also deals with multidimensional projections and presents an extensive and innovative design space of visual techniques designed for multidimensional data projections. The systematic exploration and implementation of the design space further enable the development of effective visual techniques suitable for genomic data. However, while rooted in genomic data, the methods and insights presented have broader application in the visualization domain, underscoring the universality of the challenges and solutions discussed. In conclusion, this thesis provides a systematic exploration of the challenges and opportunities at the intersection of genomics and visual analytics. By systematically addressing the separation between data and its visualization, this thesis not only provides a roadmap for current challenges but also lays the groundwork for future innovations in the domain. Additionally, the transformative potential of visual analytics in genomics is highlighted, expanding the possibilities for further interdisciplinary research.Angesichts der Zunahme der Datengenerierung, insbesondere bei der DNA-basierten Speicherung und der Phylogenomik, sind fortgeschrittene Visualisierungstechniken und eine effektive Übereinstimmung
zwischen Daten und Benutzer unerlässlich. Diese Dissertation befasst sich mit den vielschichtigen Herausforderungen an dieser Schnittstelle und konzentriert sich auf innovative Ansätze zum Verwalten, Visualisieren und Analysieren von genomischen Daten. Im Kern unserer Forschung steht das Bestreben, die Lücke zwischen Rohdaten und ihrer aussagekräftigen Visualisierung zu überbrücken. Die erste Analyse untersucht kritisch das Potenzial von DNA als umweltfreundliches Speichermedium, wobei sie ihre überlegene Dichte, Energieeffizienz und Aufbewahrungszeit
im Vergleich zu konventionellen Speicherkonzepten hervorhebt. Der Weg von der Theorie zur Praxis ist jedoch voller Herausforderungen. Die physische Speicherung von synthetischer DNA, ihre Anfälligkeit
für den Abbau unter ungünstigen Bedingungen und das Gleichgewicht zwischen Datenredundanz zur Fehlerkorrektur und logischer Datendichte werden ausführlich diskutiert. Zudem vertieft sich die Untersuchung in die Feinheiten des DNA-Datenspeicherkanals und konzentriert sich auf Designüberlegungen für die DNA-basierte Speicherung, insbesondere unter Berücksichtigung ihrer Langzeitarchivierung und der Umweltauswirkungen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird DNAsmart vorgestellt, ein neuartiges Werkzeug für die visuelle Erkundung von Genomdaten im Kontext der DNA-basierten Speicherung. Fachexperten verwenden üblicherweise komplexe, nicht-visuelle Methoden, um Kodierungssequenzen zu bewerten und zu vergleichen. DNAsmart jedoch integriert diese Bewertungsmethoden mit interaktiven visuellen Techniken und schafft so ein zugängliches und benutzerfreundliches System für visuelle Analysen. Dieses Werkzeug bewahrt nicht nur die Integrität der in DNA gespeicherten Daten, sondern ermöglicht auch eine direkte Interpretation des Speicherprozesses, wodurch Benutzer Ineffizienzen erkennen, Muster entdecken und das volle Potenzial der DNA-basierten Speicherung ausschöpfen können.
Vom Speichern von Daten auf molekularer Ebene bis zur taxonomischen Klassifikation von Organismen, einem Bereich, der durch Fortschritte in der Genomsequenzierung erheblich verändert wird, wird hier das Context-Aware Phylogenetic Trees (CAPT)-Werkzeug vorgestellt, das das
transformative Potenzial hat, die traditionelle taxonomische Praxis neu zu gestalten. Mit kontextbewussten visuellen Lösungen geht CAPT die Herausforderungen an, die traditionelle taxonomische Methoden mit genomischen Daten in Einklang zu bringen. Das Potenzial von CAPT, die Taxonomie sowohl in Bezug auf Genauigkeit als auch Skalierbarkeit zu revolutionieren, wird diskutiert und seine Auswirkungen auf die breitere biologische Forschung werden betont. Über den Bereich der Genomik hinaus befasst sich diese Dissertation auch mit multidimensionalen
Projektionen und präsentiert einen umfangreichen und innovativen Gestaltungsraum für visuelle Techniken, die für multidimensionale Datenprojektionen entwickelt wurden. Die systematische
Erforschung und Implementierung dieses Gestaltungsraums ermöglicht die Entwicklung effektiver visueller Techniken, die für genomische Daten geeignet sind. Obwohl in der Genomdatenanalyse verwurzelt, haben die vorgestellten Methoden und Einsichten eine breitere Anwendung im
Bereich der Visualisierung und unterstreichen die Universalität der diskutierten Herausforderungen und Lösungen.
Abschließend bietet diese Dissertation eine systematische Untersuchung der Herausforderungen und Möglichkeiten am Schnittpunkt von Genomik und visueller Analytik. Indem sie systematisch die Trennung zwischen Daten und ihrer Visualisierung anspricht, liefert diese Arbeit nicht nur eine
Wegbeschreibung für aktuelle Herausforderungen, sondern legt auch das Fundament für zukünftige Innovationen in diesem Bereich. Zudem wird das transformative Potenzial der visuellen Analytik in der Genomik hervorgehoben, wodurch sich die Möglichkeiten für weitere interdisziplinäre Forschungen erweitern
Polar confinement of a macromolecular machine by an SRP-type GTPase
No full textThe basal structure of the bacterial flagellum includes a membrane embedded MS-ring (formed by multiple copies of FliF) and a cytoplasmic C-ring (composed of proteins FliG, FliM and FliN). The SRP-type GTPase FlhF is required for directing the initial flagellar protein FliF to the cell pole, but the mechanisms are unclear. Here, we show that FlhF anchors developing flagellar structures to the polar landmark protein HubP/FimV, thereby restricting their formation to the cell pole. Specifically, the GTPase domain of FlhF interacts with HubP, while a structured domain at the N-terminus of FlhF binds to FliG. FlhF-bound FliG subsequently engages with the MS-ring protein FliF. Thus, the interaction of FlhF with HubP and FliG recruits a FliF-FliG complex to the cell pole. In addition, the modulation of FlhF activity by the MinD-type ATPase FlhG controls the interaction of FliG with FliM-FliN, thereby regulating the progression of flagellar assembly at the pole.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg