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Nanoarzneimittel haben in den letzten Jahren in der Therapie verschiedener Erkrankungen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dadurch hat auch die Anzahl zugelassener Arzneimittel mit an Arzneistoffträgern wie Liposomen gebundenen Wirkstoffen zugenommen. Weil für die Zulassung, neben der Wirksamkeit und Unbedenklichkeit, auch die Qualität der neuen Arzneimittel gewährleistet sein muss, spielen die verschiedenen Eigenschaften der Arzneistoffträger eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle. Neben der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Oberflächenladung spielt die (Rest-)Kristallinität des Wirkstoffs und die Wirkstofffreisetzung eine wesentliche Rolle für die erfolgreiche in vivo-Performance von Nanoarzneimitteln. Zur Bestimmung der Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Arzneistoffträgern wie Liposomen, Nanopartikeln oder Mizellen gibt es bis heute keine Standardmethoden. In der Forschung und der pharmazeutischen Industrie werden folglich verschiedene Methoden wie Filtration, Zentrifugation oder Dialyse verwendet, um den freigesetzten Wirkstoff zu bestimmen. Dabei ist die Wahl der Separationsmethode auf die Eigenschaften der Arzneistoffträger abzustimmen.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine dialysebasierte Apparatur, der Dispersion Releaser (DR), zur Untersuchung der in vitro Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Trägersystemen eingesetzt. Diese kann direkt mit den Apparaturen I/II der Arzneibücher der Europäischen Union (Ph. Eur.) und der Vereinigten Staaten (USP) gekoppelt werden. Zur Untersuchung der Wirkstofffreisetzung wird die Formulierung in das Donorkompartiment gegeben, sodass der freigesetzte Wirkstoff infolge über die Dialysemembran in das Akzeptorkompartiment permeiert. Dort kann dieser mittels HPLC analysiert werden. Besonders hervorzuheben ist das synchrone Rühren in beiden Kompartimenten des DR, worüber andere dialysebasierte Apparaturen nicht verfügen.
Die Entwicklung und Patentierung eines funktionsfähigen Prototyps des DR erfolgte an der Goethe Universität, Frankfurt am Main und wurde im Rahmen dieser Arbeit gemeinsam mit der Pharma Test Apparatebau AG (Hainburg, Deutschland) zu einer kommerziell erwerbbaren Apparatur (Pharma Test Dispersion Releaser, PTDR) weiterentwickelt. Innerhalb dieser Kollaboration wurde der Prototyp des DR unter Einbezug der Anforderungen der pharmazeutischen Industrie rekonstruiert. Eine erleichterte Anwendung für den Nutzer wurde dabei mitberücksichtigt.
Die finale Apparatur wurde zuletzt einer ausgiebigen Validierung unterzogen, bei der Diclofenac und Hydrocortison als Modellarzneistoffe dienten. Neben Untersuchungen zur Hydrodynamik und dem Einfluss der Umdrehungszahl auf die Membranpermeationsrate kM wurde eine Methode mit Gold-Nanopartikeln zur Bestimmung der Dichtigkeit des Systems entwickelt. Hierbei wurden Messungen mit einer UV/Vis-Methode und mit dynamischer Lichtstreuung durchgeführt, um die Abwesenheit der Goldpartikel im Akzeptorkompartiment nachzuweisen. Der Einfluss von Proteinen im Freisetzungsmedium auf die Membran-permeation wurde ebenfalls untersucht.
Der DR wurde ursprünglich zur Untersuchung von parenteralen Nanoformulierungen entwickelt. Aufgrund der bisher noch nicht erfolgten Untersuchung von halbfesten Zubereitungen im DR, wurde die Apparatur im Rahmen dieser Forschungsarbeit für zwei verschiedene Diclofenac-Gele (Voltaren® Emulgel, Olfen® Gel) unter verschiedenen Bedingungen evaluiert. Dabei konnte unter non-sink-Bedingungen der Einfluss der lipophilen Phase des Voltaren® Emulgels (GlaxoSmithKline Consumer Healthcare GmbH & Co. KG, München, Deutschland) gezeigt werden. Im Vergleich zum fettfreien Olfen® Gel (Mepha Pharma AG, Basel, Schweiz) zeigte Voltaren® Emulgel eine vollständige Freisetzung unter den erschwerten Löslichkeitsbedingungen.
Mit Hydrocortison als Modellsubstanz wurden vier verschiedene Proliposomen zur vaginalen An¬wendung formuliert. Neben der Charakterisierung der Partikelgröße und der Verkapselungs¬effizienz wurden Messungen mit dynamischer Differenzkalorimetrie durch-geführt und Aufnahmen zur morphologischen Charakterisierung mittels Transmissions-elektronen¬mikroskopie der Liposomen erstellt. Die Wirkstofffreisetzung des Hydrocortisons aus dem rekonstituierten liposomalen Gel sowie die Permeabilität über eine Zellmonoschicht wurde vergleichend untersucht. Dabei wurden Zelllinien aus humanem Cervixkarzinom beziehungsweise Endometriumkarzinom eingesetzt. Die Unterschiede der Formulierungen konnten vom DR sensitiver erfasst werden und die Verkapselungseffizienz als relevanter Faktor für die in vivo-Performance festgelegt werden.
Weil die tatsächliche Wirkstofffreisetzung durch die Permeation über die Dialysemembran überlagert werden kann, wurde neben der Standardisierung der Konstruktion die Auswertung mit Hilfe eines neuen mathematischen Modells, das auf dem Fick’schen Diffusionsgesetz basiert, verbessert. Das Normalisieren des Freisetzungsprofils mit Hilfe des mathematischen Modells dient dazu, die tatsächliche Wirkstofffreisetzung zu berechnen und den Vergleich verschiedener Freisetzungen ohne den Einfluss der Membranpermeation zu ermöglichen. Im Zuge der Validierung des DR wurde das mathematische Modell ebenfalls erfolgreich validiert.
In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde eine neue Konstruktion des DR für die kommerzielle Anwendung entwickelt und validiert. Nebenbei wurde der Auswerteprozess zur Berechnung der diffusionsbereinigten Wirkstofffreisetzung vereinheitlicht und validiert. Zuletzt wurde das Anwendungsgebiet des DR von parenteralen Nanoformulierungen auf halbfeste Arzneiformen erweitert.
Der ischämische Schlaganfall zählt zu den häufigsten Todesursachen in den Industrienationen und hinterlässt die meisten überlebenden Patienten in einer Pflegebedürftigkeit. Trotz der hohen Inzidenz und der gravierenden Folgen eines Schlaganfalls gibt es bislang keine ausreichende medikamentöse Therapie zum Schutz der Nervenzellen. Die akute Versorgung beschränkt sich auf die Lyse des Thrombus, welcher die betroffene Hirnarterie verschließt, und auf symptomatische Maßnahmen.
In der vorliegenden Dissertation wurden daher das neuroprotektiv wirkende Bilobalid, eine Substanz aus dem Ginkgo biloba Baum, und das anaplerotisch wirksame Triheptanoin auf ihre schützende Wirkung während eines ischämischen Schlaganfalls im Mausmodell untersucht. Zusätzlich wurden in der Bilobalid-Studie Tiere aus zwei verschiedenen Altersgruppen (6-8 Wochen gegen 18-24 Monate) verglichen. Der transiente Schlaganfall wurde in der Maus durch einstündigen Verschluss der mittleren Cerebralarterie (MCAO, middle cerebral artery occlusion) induziert.
Bilobalid wurde prophylaktisch eine Stunde vor Induktion des Schlaganfalls intraperitoneal (10 mg/kg) oder lokal in das betroffene Hirnareal (10 µM) verabreicht. Alle durchgeführten Experimente wiesen auf eine deutliche Neuroprotektion durch die Gabe von Bilobalid hin. Ein Tag nach MCAO war die Infarktfläche durch die Gabe von Bilobalid signifikant vermindert. In den durchgeführten motorischen Verhaltenstests schnitten die Bilobalid-behandelten Tiere wesentlich besser ab als unbehandelte Tiere. Der beobachtete Schutzeffekt von Bilobalid wurde auf mitochondriale Prozesse zurückgeführt: Die nach Ischämie beobachteten Defizite in Komplex I der mitochondrialen Atmungskette wurden durch die Gabe von Bilobalid deutlich vermindert. Bilobalid verringerte außerdem den enormen Anstieg von extrazellulärem Glutamat und das Ausmaß der mitochondrialen Schwellung während MCAO.
In der Altersstudie wurde deutlich, dass sowohl die motorische Aktivität der Tiere als auch einige zelluläre Prozesse wie die mitochondriale Atmung beeinträchtigt sind. Nichtsdestotrotz zeigte Bilobalid auch in gealterten Tieren einen deutlichen protektiven Effekt nach Ischämie.
Das anaplerotisch wirksame Triheptanoin wurde den Mäusen in einer 14-tätigen Fütterungsstudie verabreicht (33 % der Gesamt-Kalorien). Deutliche Schutzeffekte der Triheptanoin-Diät wurden nach Ischämie sowohl in TTC-gefärbten Hirnschnitten als auch in motorischen Verhaltenstests beobachtet. Durch den anaplerotischen Effekt sollte einerseits der Citratcyclus mit Acetyl-CoA und Succinyl-CoA gespeist werden, andererseits könnte Succinat in Komplex II der Atmungskette als direkter Energielieferant dienen. Dieser theoretische Ansatz wurde experimentell bestätigt: Die Fütterung mit Triheptanoin bewirkte eine signifikante Aktivitätssteigerung der mitochondrialen Komplexe II und IV nach MCAO. Die durch Ischämie gesenkten ATP-Spiegel und das Membranpotential wurden durch die anaplerotische Diät ebenfalls deutlich erhöht. Triheptanoin bewirkte zudem eine signifikante Reduktion des extrazellulären Glutamat-Anstiegs wŠhrend der MCAO.
Die Auswirkungen eines Schlaganfalls wurden demnach sowohl durch die prophylaktische Gabe von Bilobalid eine Stunde vor Ischämie als auch durch die 14-tägige Triheptanoin-Diät maßgeblich vermindert. Beide Substanzen zeigten im Mausmodell bemerkenswerte neuroprotektive Effekte und könnten daher auch beim Auftreten eines humanen Schlaganfalls entscheidende Vorteile bringen. Der präventive therapeutische Einsatz von Bilobalid oder Triheptanoin sollte daher in klinischen Studien weiter verfolgt werden.
Alzheimer’s disease is a chronic neurodegenerative disease that causes problems with memory, thinking and behavior. The pathophysiological hallmarks of AD are extracellular senile plaques and intracellular neurofibrillary tangles. Amyloid plaques mainly contain the amyloid-β (Aβ) peptide, which appears as a cleavage product of the APP. APP is a type I transmembrane protein with a large extracellular domain and a short cytoplasmic tail. It is expressed in variety of tissues e.g. in neuronal tissue (brain, spinal cord, retina), and non-neuronal tissues (kidney, lung, pancreas, prostate gland, and thyroid gland) (Dawkins and Small, 2014). APP has been studied because of its link to AD, however, its role in normal brain function is poorly understood. APP is processed by two different pathways, amyloidogenic pathway and non-amyloidogenic pathway. In physiological condition, the majority of APP is processed via the non-amyloidogenic, thus leading to the generation of the secreted N-terminal APP processing product sAPPα. sAPPα is formed due to the cleavage of APP by α-secretase. In previous studies, our group has shown that sAPPα produce potent neuroprotective effect by altering gene expression, as well as by antagonizing several different types of neurotoxic stress stimuli (Copanaki et al., 2010; Kögel et al., 2003, 2005; Milosch et al., 2014). Several studies have shown that protein degradation is reduced in AD (Hong et al., 2014; Lipinski et al., 2010) but the role of APP and its cleavage products in protein degradation is still unknown. This thesis discusses about the physiological functions of APP in neuroprotection and protein homeostasis.
In the first part of the thesis (Section 4.1 - 4.4), the neuroprotective properties of yeast derived sAPPα and E1 (N-terminal domain of sAPPα) were investigated under serum and glucose deprivation conditions. In previous work, it was shown that recombinant sAPPα evoked a significant decrease in serum deprivation triggered cell death in human SH-SY5Y neuroblastoma cells and mouse embryonic fibroblast MEF cells. It was also observed that sAPPα induces the phosphorylation of Akt which leads to neuroprotection (Milosch et al., 2014). This study investigated whether this neuroprotection is associated with altered expression of downstream intracellular Akt targets such as FoxO, Bim, Bcl-xL and Mcl-1 under stress conditions. Here it was shown that sAPPα prevents activation and nuclear translocation of FoxO. FoxO act as a transcription factor for different proapoptotic genes such as Bim. It was also observed that Bim protein and mRNA expression was significantly reduced with sAPPα and E1 treatment. The expression of antiapoptotic protiens such as Bcl-xL and Mcl-1 were also examined and it was observed that sAPPα and E1 increases expression of both these proteins. Furthermore, it was previously demonstrated that uncleaved holo-APP functionally cooperates with sAPPα to activate Akt and provide neuroprotection (Milosch et al., 2014). Therefore, to investigate the function of the APP in sAPPα regulated Akt downstream proteins expressions, MEF APP KO cells were used. E1 and sAPPα only showed neuroprotective modulatory effect on these Akt downstream targets in MEF wt cells, but not in APP KO cells. In addition, sAPPα also showed neuroprotection in primary wt hippocampal neurons under trophic factor deprivation. Cellular fractionation experiments were also done to determine the role of sAPPα in cytochrome c release from mitochondria. It was observed that sAPPα treatment can inhibit mitochondrial cytochrome c release in wt MEF cells.
The second part of the thesis (Section 4.5 - 4.9) discusses about the role of sAPPα in protein homeostasis. It was observed that sAPPα prevents proteotoxic stress induced BAG3 protein expression in SH-SY5Y and MEF cells. This was also observed in mRNA levels which indicate a transcriptional regulation. Furthermore, treatment with sAPPα was also shown to decrease aggresomes formation. Aggresomes are perinuclear aggregates which are formed due to accumulation of damaged and misfolded proteins and BAG3 plays important role in their formation and the transport of degradation prone proteins into these structures. The analysis of proteasomal activity showed a reduced accumulation of proteasomal substrate d2 by sAPPα under proteasomal stress. In proteasomal activity assay, sAPPα was shown to increase the degradation of proteasomal substrate SUC-LLVY-AMC and the fluorigenic signal was measured spectrophotometrically. The sAPPβ fragment which is generated via the amyloidogenic pathway was also examined for its role in BAG3 expression and proteasomal degradation. sAPPβ, which has almost similar structure as sAPPα, only 17 amino acids at the C-terminus is missing, was failed to modulate BAG3 expression and proteostasis. This indicates that these biological effects are highly specific for sAPPα.
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Endocannabinoids (eCB) are signaling lipids and became known for their importance in the central nervous system as well as in immune defense. Beneficial effects of eCB are shown in processes of excitotoxic lesion, secondary damage and neuronal plasticity throughout the last years. Two canabinoid receptors, type 1 (CB1) and type 2 (CB2) as the respective endogenous ligands belong to the endocannabinoid system (eCBS). In 1990, the CB1 could be cloned and was localised mainly on neurons. Shortly thereafter in 1993, the CB2 was characterised and found primarily on cells belonging to the immune system. N-arachidonoylethanolamide (AEA), often called anandamide, and 2-arachidonoylglycerol (2-AG) are the best characterised eCB. N-palmitylethanolamide (PEA) and N-oleoylethanolamide (OEA) have no or only low affinity to CB1 but enhance the affinity of AEA significantly. This group is therefore often summarized as N-ethanolamides (NEA). ECB are derivates of arachidonic acid and are stored in membranes where they become hydrolysed on demand by specific enzymes. Traumatic brain injury altered the levels of eCB in the blood in vivo and when applied in vitro after neuronal damage, eCB could reduce the damaging burden. Further studies demonstrated that eCB are potent to down-regulate pro-inflammatory cytokines and most important to decrease neuronal excitation.
In the present study, the intrinsic regulation of the endocannabinoid system after neuronal damage over time was investigated in rat Organotypic Hippocampal Slice Cultures (OHSC). Temporal and spatial dynamics of eCB levels were analysed after transection of the perforant pathway (PPT) in originating neurons (enthorhinal cortex, EC), areas of deafferentiation/anterograde axonal degeneration (dentate gyrus, DG) and of the synaptically linked cornu ammonis region 1 (CA1) as well as after excitotoxic lesion in the respective regions.
A strong increase of all eCB was observed only in the denervation zone of the DG 24 hours post PPT. In excitotoxic lesioned OHSC all eCB were elevated, in the investigated regions up to 72 hours post lesion (hpl). The responsible enzyme for biosynthesis of the NEA, NAPE-PLD protein, was increased during the early timepoints of measurement (1-6 hpl). The responsible catabolizing enzyme, FAAH, and the CB1 receptor were up-regulated at a later timepoint, 48 hpl, explaining the eCB levels. In the present model, the inhibition of the enzyme responsible for 2-AG hydrolysis (MAGL) was neuroprotective as previously shown and a re-distribution within neurons and astrocytes during neuronal damage could be observed. In primary cell cultures microglia expressed the regulating enzymes of 2-AG and the enzyme responsible for NEA down-regulation, FAAH. Astrocytes expressed mainly the catalyzing enzymes, indicating the role for eCB break-down. All these findings together demonstrate the great capacity of the eCBS to control inflammatory processes and consequently neuronal cell death.
All effects of the known eCB could not be clarified by CB1/CB2 deficient mice. Several G-protein coupled receptors (GPR) are recently in discussion whether they might and should belong to the endocannabinoid system. The GPR55, the not yet cloned abnormal cannabidiol receptor and further GPRs are candidates as potential endocannabinoid receptors. Recently GPR55 has been discussed as a putative cannabinoid receptor type 3 (CB3). Quantitative PCR revealed that Gpr55 is present in primary microglia and the brain, but the exact regional and cellular distribution and the physiological/pathological effects downstream of GPR55 activation in the CNS still remain open. Therefore, the excitotoxic rat OHSC model, previously used to investigate the neuroprotective potency of eCB, was now used to investigate the neuroprotective potency of GPR55. Activation of GPR55 protected dentate gyrus granule cells in vitro after excitotoxic lesion, induced by NMDA. In parallel, GPR55 activation was able to reduce the number of microglia in the dentate gyrus. These neuroprotective effects vanished however in microglia depleted OHSCs as well as in OHSC transfected with Gpr55 siRNA, indicating a strong involvement of microglia in GPR55 mediated neuroprotection.
In summary, the present study found a strong time-dependent and anterograde mechanism of action of eCB after long-range projection damage and provided further evidence for the neuroprotective properties of eCB. The potential cannabinoid receptor 3 (GPR55) mediates neuronal protection on behalf of microglia.
An overexpression of the E3 ubiquitin ligase TRIM25 is implicated in several human cancers and frequently correlates with a poor prognosis and occurrence of therapy resistance in patients. Previous studies of our group have identified the mRNA encoding the pro-apoptotic caspase-2 as a direct target of the ubiquitous RNA binding protein human antigen R (HuR). The constitutive HuR binding observed in colon carcinoma cells negatively interferes with the translation of caspase-2 mainly through binding to the 5' untranslated region (UTR) of caspase-2 and thereby confers an increased survival of tumor cells. The main objective of this thesis was to unravel novel regulatory proteins critically involved in the control of caspase-2 translation and their impact on therapeutic drug resistance of human colon carcinoma cells. By employing RNA affinity chromatography in combination with mass-spectrometry, among several putative caspase-2 mRNA binding proteins, we have identified the tripartite motif-containing protein 25 (TRIM25) as novel caspase-2 translation regulatory protein in colon carcinoma cells. The constitutive TRIM25 binding to caspase-2 mRNA in two different human colorectal carcinoma cell lines was validated by ribonucleoprotein (RNP)-immunoprecipitation (RIP)-RT-PCR assay and by means of biotin-labeled RNA-pull-down assay. Since caspase-2 is a caspase which is particularly involved in the DNA-damage-induced apoptosis, I tested the functional relevance of negative caspase-2 regulation by TRIM25 for chemotherapeutic drug-induced cell death of different adenocarcinoma cells by RNA interference (RNAi)- mediated loss-of-function and gain-of-function approaches. In the first part of the thesis, I could demonstrate that transient silencing of TRIM25 caused a significant increase in caspase-2 protein levels without affecting the amount of corresponding mRNAs. Mechanistically, the TRIM25 silencing-triggered increase in caspase-2 was totally impaired by cycloheximide, indicating that the stimulatory effects on caspase-2 levels depend on protein synthesis. This finding was corroborated by RNP/polysomal fractionation, which revealed that the transient knockdown of TRIM25 caused a significant redistribution of caspase-2 transcripts from the fraction of RNP particles to that from translationally active polyribosomes.
The second part of my thesis aimed at the elucidation of the functional consequences of the negative caspase-2 regulation by TRIM25 for enhanced tumor cell survival. Thereby, I found that the siRNA-mediated knockdown of TRIM25 caused a significant increase in the chemotherapeutic drug-induced cleavage of caspase-3 and to elevations in cytoplasmic cytochrome c levels implicating that TRIM25 depletion did mainly affect the intrinsic apoptotic pathway. Concordantly, the ectopic expression of TRIM25 caused a reduction in caspase-2 protein levels, concomitant with an attenuated sensitivity of tumor cells to doxorubicin.
To test the functional impact of caspase-2 in the TRIM25 depletion-dependent sensitization to drug-induced apoptosis, I employed a siRNA-mediated knockdown of caspase-2. Interestingly, the strong induction of caspase-3 and -7 cleavage after doxorubicin treatment was fully impaired after the additional knockdown of caspase-2, indicating the sensitizing effects by TRIM25 knockdown depend on caspase-2.
Data from this thesis identified the TRIM25 as a novel RNA-binding protein of caspase-2 mRNA, which negatively interferes with the translation of caspase-2 and which functionally contributes to chemotherapeutic drug resistance of colon carcinoma cells. Interfering with the negative TRIM25-caspase-2 axis may represent a promising therapeutic avenue for sensitizing colorectal cancers to conventional anti-tumor therapies.
Natural science is only just beginning to understand the complex processes surrounding transcription. Epitranscriptional regulation is in large parts conveyed by transcription factors (TFs) and two recently discovered small RNA (smRNA) species: microRNAs (miRNAs) and transfer RNA fragments (tRFs). As opposed to the fairly well-characterised function of TFs in shaping the phenotype of the cell, the effects and mechanism of action of smRNA species is less well understood. In particular, the multi-levelled combinatorial interaction (many-to-many) of smRNAs presents new challenges to molecular biology. This dissertation contributes to the study of smRNA dynamics in mammalian cells in several ways, which are presented in three main chapters.
I) The exhaustive analysis of the many-to-many network of smRNA regulation is reliant on bioinformatic support. Here, I describe the development of an integrative database capable of fast and efficient computation of complex multi-levelled transcriptional interactions, named miRNeo. This infrastructure is then applied to two use cases. II) To elucidate smRNA dynamics of cholinergic systems and their relevance to psychiatric disease, an integrative transcriptomics analysis is performed on patient brain sample data, single-cell sequencing data, and two closely related in vitro human cholinergic cellular models reflecting male and female phenotypes. III) The dynamics between small and large RNA transcripts in the blood of stroke victims are analysed via a combination of sequencing, analysis of sorted blood cell populations, and bioinformatic methods based on the miRNeo infrastructure. Particularly, importance and practicality of smRNA:TF:gene feedforward loops are assessed.
In both analytic scenarios, I identify the most pertinent regulators of disease-relevant processes and biological pathways implicated in either pathogenesis or responses to the disease. While the examples described in chapters three and four of this dissertation are disease-specific applications of miRNeo, the database and methods described have been developed to be applicable to the whole genome and all known smRNAs.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, MALDI-Massenspektrometrie als robuste Analysenmethode für die quantitative Analyse niedermolekularer Verbindungen aus komplexen biologischen Matrizes zu etablieren. Zu Beginn der Arbeit wurden drei typische Fragestellungen im Bereich der Lebensmittelanalytik, der medizinischen Forschung und der klinischen Chemie ausgewählt, um die Methodik anhand dieser Modellsysteme zielgerichtet zu entwickeln und zu bewerten. Für jede dieser Fragestellungen wird routinemäßig ein hoher Probendurchsatz verlangt und damit werden hohe Anforderungen an die Probenvorbereitung gestellt, da diese einfach, schnell, reproduzierbar, Matrix-tolerant und automatisierbar sein muss um die Weiterentwicklung zur Hochdurchsatzanalytik zu erlauben.
Der quantitative Nachweis von Melamin und seinen Derivaten wurde aufgrund des Aufkommens von Milchprodukten, die mit diesen Verbindungen kontaminiert waren, ein wichtiger Bestandteil der Analytik dieser Lebensmittel. Insbesondere an diesem Beispiel zeigte sich der Vorteil des Einsatzes von MALDI-Massenspektrometrie zur Analyse kleiner Moleküle. Aufgrund der höheren Toleranz gegenüber Puffern und Salzen konnte die Probenvorbereitungszeit der für die FDA entwickelten Methode zur Quantifizierung von Melamin in Milchpulver mittels LC-ESI von ca. 140 min auf 90 min reduziert werden, da auf die zeitaufwendige Flüssigchromatographie verzichtet werden konnte. So wurde Melamin mit einem LLOQ von 0,5 ppm quantifiziert, was unterhalb der Vorgaben der WHO (2,5 ppm in Milichpulver und 1 ppm in Babynahrung) lag. Cyanursäure, ein Derivat von Melamin welches für die Bildung schwerlöslicher Komplexe in der Niere mitverantwortlich gemacht wird, konnte ebenfalls mit der entwickelten MALDI-MS Methode quantifiziert werden. Allerdings war die ermittelte Bestimmungsgrenze mit 15 ppm um den Faktor 30 schlechter als bei Melamin. Die Nachweisgrenze bei MALDI-MS ist stark von der MALDI-Matrix abhängig und die Verwendung von Sinapinsäure war eine gute Kompromisslösung, um die Analyten in einem Spot im positiven und negativen Reflektormodus zu analysieren. Allerdings wurde diese Matrix zur Analyse von Analyten im positiven Reflektormodus entwickelt. Bislang wurden nur wenige Matrizes für MALDI-MS im negativen Reflektormodus beschrieben, um z.B. Säuren besser nachweisen zu können. Forschung in diesem Bereich wird neue Möglichkeiten zur Detektion negativ geladener kleiner Moleküle ergeben.
Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Lösungen für klinische Fragestellungen wie etwa den Nachweis von Methylphenidat im Plasma und Gehirn von Ratten oder der Dried Blood Spot Analytik entwickelt. Bei beiden Methoden wurde jeweils nur eine einfache Flüssig-Flüssig-Extraktion zur Probenvorbereitung angewendet und sie ließen sich sehr gut auf Realproben übertragen.
Methylphenidat konnte im Plasma im Konzentrationsbereich von 0,1-40 ng/mL und im Hirnhomogenat im Konzentrationsbereich von 0,4-40 ng/mL quantifiziert werden, was gut im Konzentrationsbereich der Realproben von mit Methylphenidat gefütterten Ratten lag. Dazu standen das Plasma und die Gehirne von fünf Ratten zur Verfügung. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der MPH-Konzentration im Gehirnhomogenat und im Plasma gefunden, was basierend auf den bis dato bekannten Literaturergebnissen ein zu erwartendes Ergebnis war, aber zukünftig mit einer größeren Anzahl von Versuchstieren verifiziert werden sollte. Während der Methodenentwicklung war auch bei diesem Projekt die Auswahl der MALDI-Matrix ausschlaggebend für den Erfolg der Messungen. Im MALDI-Massenspektrum interferierte das Signal des Natriumaddukts von CHCA mit dem Signal von MPH. Für dieses Problem kamen zwei mögliche Lösungen in Betracht. Erstens die Quantifizierung mit ClCCA als MALDI-Matrix, da hier keine Interferenzen auftraten. In ersten Vorversuchen konnte MPH so in einem Konzentrationsbereich von 1-48 ng/mL mit einer exzellenten Linearität von R2=0,9992 quantifiziert werden. Eine zweite mögliche Problemlösung war die Verwendung von Tandem-Massenspektrometrie. Hierzu wurden Fragmentionen-Massenspektren der überlagerten Signale aufgenommen. MPH und der verwendete interne Standard MPH-d9 zeigten dabei spezifische Fragmentionensignale, über die quantifiziert wurde. Da die Sensitivität um den Faktor 100 im Vergleich zu MS-Spektren von CHCA und ClCCA gesteigert werden konnte, wurde die weitere Methodenentwicklung basierend auf der Tandem-Massenspektrometrie mit der MALDI-Matrix CHCA durchgeführt. Überdies sind MS/MS-Versuche unter Verwendung von ClCCA als MALDI-Matrix für kleine Moleküle sehr erfolgsversprechend und sollten in weiteren Forschungsarbeiten durchgeführt werden.
Die Dried Blood Spot Technik als alternative Probenvorbereitung bietet eine Reihe von Vorteilen, wie etwa den einer einfacheren Lagerung und eines einfacheren Transports einer großen Menge von Proben. Darüber hinaus werden nur wenige Mikroliter Blut verwendet, was vorteilhaft ist bei z B. klinischen Studien oder dem Therapeutic Drug Monitoring. Diese Art der Probennahme ist somit eine perfekte Ergänzung für weitere quantitative Analysen von Methylphenidat in Rattenblut. Den Ratten würden nur wenige Mikroliter Blut entnommen werden, was ihr Überleben sichert und der Transport der Proben auf dem Postweg wäre wesentlich einfacher. Um eine allgemein verwendbare DBS-MALDI-MS-Methode zu entwickeln, wurden neben Methylphenidat auch bekannte Analyten aus dem Bereich des Dopings sowie Lamotrigin, Coffein und Theophyllin als Beispiele für das Therapeutic Drug Monitoring verwendet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion eingesetzt, wobei sich eine Kombination aus Methyl-tert-Butylether und Ethanol, sowie Aceton als am besten geeignet erwies. Einige Analyten wie Coffein, Theophyllin und Lamotrigin wurden bis zu einer Konzentration von 0,5 μg/mL quantifiziert. Diese Bestimmungsgrenze ist bei Analyten aus dem Bereich des Dopings wie z.B. Salbutamol, Methylphenidat oder Clenbuterol, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im Bereich von wenigen Nanogramm pro Milliliter Blut liegt, um den Faktor 15-500 zu hoch. Diese Analyten waren bis zu einer Konzentration von 5 μg/mL im Blut mittels MALDI-MS problemlos nachweisbar. Um die Sensitivität zu erhöhen, ist es allerdings sinnvoll, die Extraktion zukünftig für die einzelnen Analyten zu optimieren, sie mittels Festphasenextraktion oder LC anzureichern und MS/MS-Spektren aufzunehmen. Für die Analyten Coffein, Theophyllin und Lamotrigin, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im ein- bis zweistelligen Mikrogramm-pro-Milliliter Bereich liegt, eignete sich die entwickelte Methode sehr gut. Es wurde eine Methodenvalidierung durchgeführt, wobei die validierten Parameter den Vorgaben der FDA entsprachen.
Da die Auswahl der MALDI-Matrix bei den verschiedenen Methodenentwicklungen jeweils ein kritischer Faktor war, wurden abschließend eine Auswahl von Analyten mit einer Molekülmasse bis ca. 600 Da mit verschiedenen MALDI-Matrizes präpariert. Ein Großteil der Analyten wurde am sensitivsten mit ClCCA nachgewiesen. Im Rahmen dieser Versuche wurde auch erstmals ein Strukturanalogon von ClCCA, und zwar ClCCA-Tetrazol, als alternative MALDI-Matrix eingesetzt, bei welchem die Carboxylgruppe durch einen Tetrazolring ausgetauscht wurde. Diese zeigte eine sehr homogene Kristallisation und für einige Analyten eine bis zu Faktor 3 höhere Signalintensität im Vergleich zu ClCCA. Außerdem war auffällig, dass einige Analyten unter bestimmten Präparationsbedingungen wie z B. der Graphite Supported Preparation sensitiver mittels MALDI-MS nachweisbar waren. Bei anderen Analyten verschlechterten sich die Analysenergebnisse. Graphit verändert stark die Kristallisation der MALDI-Matrix und es wird vermutet, dass sich dies auf den Einbau der Analyten in die Matrixkristalle auswirkt. Es konnte bislang aber noch nicht abschließend geklärt werden, wie genau die Präparation der Proben Einfluss auf den Einbau der Analyten in die Matrix nimmt. Eine Untersuchung dieser Phänomene sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsprojekte sein.
Zusammenfassend stellt die MALDI-Massenspektrometrie eine schnelle und robuste Methode zur Quantifizierung einer Vielzahl kleiner Moleküle in komplexen biologischen Matrizes dar.
Pharmakologische Charakterisierung zentraler cholinerger Dysfunktionen in transgenen Mausmodellen
(2013)
Die cholinerge Dysfunktion steht in Zusammenhang mit der Ätiologie der Alzheimer-Krankheit (AD). Das Absterben cholinerger Neurone führt zu einer verminderten cholinergen Neurotransmission im Gehirn. Die Abnahme der Acetylcholinesterase-(AChE)-Aktivität und eine leichte Zunahme der Butyrylcholinesterase-(BChE)-Aktivität zählen zu den charakteristischen Merkmalen der AD. Acetylcholinesterase-Inhibitoren (AChEI) sollen Acetylcholin (ACh)-Konzentrationen im Gehirn steigern, um cholinerge Defizite auszugleichen. Allerdings zeigen AChEI in der Klinik nur einen mäßigen Erfolg. Zur Optimierung der Therapie mit Esterasehemmern, wurden im Rahmen dieser Arbeit drei transgene Mausmodelle mit cholinergen Veränderungen untersucht.
Zunächst wurde die AChE-heterozygote (AChE +/-) Maus analysiert. Die Maus weist bei einer 60-prozentigen AChE-Restaktivität (60,6 U/mg in AChE +/- versus 100,0 U/mg in WT-Mäusen) nur sehr leicht erhöhte ACh-Konzentrationen im Gehirn (9,0±5,1 fmol/5 µl in AChE+/- versus 5,0±3,6 fmol/5 µl in der WT-Maus) auf, die mithilfe der in vivo Mikrodialyse bestimmt wurden. PET-Studien haben gezeigt, dass die zerebrale AChE-Restaktivität in AD-Patienten, die mit Donepezil behandelt wurden, immer noch 70 bis 90% beträgt. Vom AChE +/- Modell kann abgeleitet werden, dass eine bis zu 50-prozentige AChE-Hemmung durch AChEI nicht genügt, um ACh-Konzentrationen im Gehirn von Patienten deutlich zu erhöhen. Leider ist eine Dosiserhöhung der AChEI durch das Auftreten von unerwünschten Wirkungen (Diarrhö, Übelkeit, Erbrechen) begrenzt.
Hippocampale ACh-Konzentrationen in der AChE +/- Maus steigen nach intrazerebraler und intraperitonealer Gabe von selektiven AChEI signifikant stärker an als in WT Mäusen. AChEI können ACh-Konzentrationen also auch noch bei einer verminderten AChE-Aktivität steigern. Die Cholinacetyltransferase-Aktivität ist in AChE +/- Mäusen unverändert, während der hochaffine Cholintransport signifikant um 58% erhöht ist. Veränderungen der kognitiven Leistungsfähigkeit der AChE +/- Maus sind in Verhaltenstests nicht zu erkennen. Es folgte die Untersuchung der PRiMA (Prolin-reicher Membrananker) defizienten Maus und der AChE del5 6-Maus. PRiMA ist ein transmembranäres Protein, das zur Prozessierung der AChE und ihrer Verankerung in der Membran verantwortlich ist. PRiMA kommt hauptsächlich im Gehirn vor, daher kann die PRiMA-KO-Maus dort keine AChE-Verankerung ausbilden. Die AChEdel5 6-Maus kann weder im Gehirn noch in der Peripherie AChE-Verankerungen formen, da eine Domäne fehlt, die essentiell für die Wechselwirkung mit Anker-Proteinen ist. Beide Mausmodelle weisen geringe AChE-Restaktivitäten (< 10 %) und drastisch erhöhte ACh-Konzentrationen im Gehirn auf. Die ACh-Konzentrationen im Striatum der PRiMA-KO-Maus sind circa 350 fach erhöht (4±3 fmol/5 µl in WT-Mäusen versus 1450±700 fmol/5 µl in PRiMA-KO-Mäusen). Allerdings zeigt die PRiMA-KO-Maus keinen Phänotyp, während die AChE del5 6 Maus krank aussieht (Tremor, geringes Körpergewicht, stumpfes Fell). Beide Modelle bestätigen, dass ACh-Spiegel im Gehirn nur dann stark ansteigen, wenn die AChE immens gehemmt ist. Ferner kann aus der PRIMA-KO-Maus gefolgert werden, dass die Interaktion zwischen AChE und PRiMA ein geeignetes Target für die Therapie der cholinergen Dysfunktion darstellen könnte.
Nach intrazerebraler Applikation eines selektiven AChE-Inhibitors (BW284c51 1 µM), steigen die ACh-Spiegel im Gehirn beider transgener Mäuse signifikant an. Eine Veränderung der ACh-Konzentrationen nach BChEI Gabe ist weder bei der AChE +/-, der PRiMA-KO, noch bei der AChE del5 6 Maus zu sehen. Die BChE trägt bei einer AChE-Restaktivität (10 bis 40 %) nicht zum hydrolytischen Abbau von ACh bei. Daraus lässt sich ableiten, dass bei stark verminderten AChE-Aktivitäten, der Einsatz von BChEI vermutlich keinen weiteren Nutzen erbringt. Um die Adaptionsmechanismen der PRiMA-KO-Maus aufzuklären, wurde die M2-Rezeptor Funktion (negativer Feedback-Mechanismus) getestet. Da die striatalen ACh-Konzentrationen in der PRiMA-KO-Maus nach Behandlung (lokal und i.p.) mit M2-Agonisten und -Antagonisten kaum verändert sind, lässt dies einen nicht-funktionalen M2 vermuten.
Aus den Ergebnissen können wichtige Erkenntnisse über die Therapie der Alzheimer-Krankheit gewonnen werden. Die Bestimmung der ACh-Konzentrationen, in Gegenwart unterschiedlicher AChE-Aktivitäten der verschiedenen Mausmodelle, zeigt den Zusammenhang zwischen ACh und AChE im Säugerhirn und erklärt die limitierte klinische Wirksamkeit der AChE-Inhibitoren. Die Hemmung der Interaktion zwischen PRiMA und der AChE stellt eine denkbare Interventionsmöglichkeit dar, um ACh-Konzentrationen im Gehirn zu steigern, ohne dabei periphere Nebenwirkungen auszulösen. Ziel der weiteren Forschung sollte sein, PRiMA bzw. die Interaktion zwischen PRiMA und AChE als Target für die Therapie der Alzheimer-Krankheit weiter zu erforschen.
Einleitung: Glioblastome, die aggressivsten malignen Gehirntumore, gehören zu den menschlichen Karzinomen mit der schlechtesten Prognose. Ihre Therapie stellt eine große Herausforderung dar. Eine komplette chirurgische Entfernung des Tumors ist auf Grund des infiltrativen Wachstums in gesundes Hirngewebe meist nicht möglich, und trotz der Standardtherapie, die Operation, Chemo- und Radiotherapie umfasst, sind die Behandlungserfolge nicht zufriedenstellend. Erschwerend kommt hinzu, dass das Gehirn vom übrigen Organismus durch die hochselektive Blut-Hirn-Schranke abgegrenzt ist, welche für viele potentiell wirksame therapeutische Substanzen eine Permeabilitätsbarriere darstellt. Somit stehen viele Zytostatika für die systemische Glioblastomtherapie nicht zur Verfügung und eine relative Therapieresistenz ist zu verzeichnen.
Nicht nur die Neuentwicklung von Arzneistoffen für die Pharmakotherapie von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, wie den Gehirntumoren, sondern auch die Etablierung neuer Arzneiformen zur kontrollierten, gewebsspezifischen Arzneistoffapplikation gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Ein Ansatz, der in der Vergangenheit vielversprechende Erfolge erzielte, ist die Einbettung von Arzneistoffen in kolloidale Trägersysteme wie polymere Nanopartikel oder Liposome. Diese Carrier sind in der Lage verschiedene Arzneistoffe über die Blut-Hirn-Schranke zu transportieren, damit diese im zentralen Nervensystem ihre Wirkung ausüben können. Der Grund für diesen Erfolg ist offensichtlich begründet in der nanopartikulären Größe und der besonderen Oberflächenstruktur dieser Träger. Zusätzlich geht mit der vermehrten Anreicherung der Wirkstoffe im Zentralnervensystem eine Verminderung der unerwünschten Arzneimittelwirkungen in peripheren Organen einher, was die Therapie positiv beeinflusst.
In der vorliegenden Arbeit wird die antitumorale Effizienz nanopartikulärer Formulierungen, die den Wirkstoff Doxorubicin enthalten, eingehend untersucht. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der histologischen und immunhistochemischen Analyse der Gehirntumore, die eine genaue
Differenzierung zwischen den Zubereitungen und eine aussagekräftige Effizienzbeurteilung erlaubt. Weiterhin wird der Fokus dieser Arbeit auf die Quantifizierung der Doxorubicinmenge gerichtet, die nach Applikation der nanopartikulären Formulierungen im Gehirn vorliegt.
Enthält u.a. die Publikationen:
Publikation 1:
Transport of drugs across the blood-brain barrier by nanoparticles – A review
Journal of Controlled Release – Special Issue: Drug delivery research in Europe
Status: accepted, geplantes Erscheinungsdatum: 01.2012
Publikation 2:
Increased numbers of injections of doxorubicin bound to nanoparticles lead to enhanced efficacy against rat glioblastoma 101/8
Wohlfart et al. 2009, Journal of Nanoneuroscience, Volume 1, Number 2, December 2009, pp. 144-151 (8)
Publikation 3:
Treatment of glioblastoma with poly (isohexyl cyanoacrylate) nanoparticles
Wohlfart et al. 2011, International Journal of Pharmaceutics 415 (2011) 244-251
Publikation 4:
Drug delivery to the brain using surfactant-coated poly (lactide-co-glycolide)
nanoparticles: Influence of the formulation parameters
Gelperina et al. 2010, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 74 (2010) 157–163
Publikation 5:
Efficient chemotherapy of rat glioblastoma using doxorubicin-loaded PLGA nanoparticles with different stabilizers
Wohlfart et al. 2011, PloS One May 2011, Volume 6, Issue 5, e 19121
Publikation 6:
Kinetics of transport of doxorubicin bound to nanoaprticles across the blood-brain barrier
Wohlfart et al. 2011, Journal of Controlled Release (2011),
doi:10.1016/j.jconrel.2011.05.010, in press
Im Forschungsgebiet der Proteomik hat sich die Massenspektrometrie als essenzielles Werkzeug etabliert. Zur Probengewinnung und deren Präparation für die chromatogra-phische Trennung und massenspektrometrische Analyse existieren eine Vielzahl von Protokollen, deren Verwendung jedoch unterschiedlichste Vor- und Nachteile mitbringt. Im Idealfall wäre ein solches Protokoll schnell und kostengünstig durchführbar, würde mit hoher Robustheit die Proteine aus den Ausgangszellmaterial quantitativ extrahieren und Probenverluste auf ein Minimum beschränken. Ziel dieser Arbeit war es, in einem strukturierten Ansatz sich diesem Ideal zu nähern und mögliche Kompatibilitaten mit anderen Methoden wie dem Arg-C analogen Proteinverdau zu untersuchen. Als Maß-stäbe dienen hierbei die aktuellen Standardprotokolle: die Acetonfällung der Proteine mit anschließender Solublisieung und das FASP-Protokoll, bei dem die zur Proteinpro-zessierung notwendigen Arbeitsschritte auf einer Größenausschlussmembran stattfinden. Dazu wurde zunächst das Adsorptionsverhalten von Proteinen auf den Silica-Oberflächen paramagnetischer Beads untersucht und dabei insbesondere der Einfluss von Chemikalien zur Zell-Lyse und den im Anschluss verwendeten Reduktions- und Alkylierungsreagenzien analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Proteine aus dem Totalzelllysat sehr effektiv an die Silicaoberfläche binden und dass der Prozess der Re-duktion von Disulfidbrücken mit nachfolgender Carbamidomethylierung positiv zur Adsorption beiträgt und negative Einflüsse auf die Immobilisierung negieren kann. Dar-aus wurde ein Protokoll zur kombinierten Lyse, Aufreinigung, Modifikation und Proteo-lyse (abgekürzt: ABP) entwickelt. Parallel dazu konnte die Kompatibilität des Protokolls mit dem ArgC-analogen Verdau gezeigt werden und in der Folge konnte die Komple-mentarität der Methoden erfolgreich getestet werden. Mit frischen Zell-Lysaten wurde der Einfluss der Lysisreagentien unter Einschluss einer kommerziellen Variante ("Bug-buster" Lysis-Puffer) bestimmt und Harnstoff konnte als Mittel der Wahl definiert wer-den, da mit diesem höhere Identifikationszahlen erreicht wurden, lipophile Proteine vermehrt in der Probe erhalten blieben und größere Ionscores ermittelt werden konnten. Das Potential von ABP wurde im Direktvergleich mit FASP und dem Verdau in Lösung anhand eines humanen Proteoms genauestens untersucht, wobei eine konsequente Ver-besserung gegenüber beiden Methoden festgestellt werden konnte, insbesondere im Hinblick auf Praktikabilität und die Zahl der erforderlichen Arbeitsschritte, Reprodu-zierbarkeit und Zahl der identifizierten Peptide. Ein Bias des ABP zugunsten spezieller Proteineigenschaften konnte nach ausführlicher Analyse der identifizierten Proteine und Peptide nicht festgestellt werden. Eine vermehrt auftretende Oxidation von Methionin wurde identifiziert, allerdings zeigten sich keine negativen Auswirkungen auf die Pro-teinidentifizierungen. Zur Unterdrückung potentieller und unerwünschter Nebenpro-dukte in Form von Methylierungen, die als Folge des ursprünglichen ArgC-analogen Verdaus36 auftreten, wurde mit Verwendung von Acetonitril eine Alternative erfolg-reich getestet. Ein humanes Proteom wurde mittels des formulierten Protokolls sowohl tryptisch als auch mit ArgC-analogen Verdau (mit Acetonitril bzw. Methanol) analysiert. In diesem Zusammenhang wurde die Vollständigkeit der Modifikation der Lysine unter Verwendung von ACN mit zufriedenstellenden 99% bestätigt und die unerwünschte Carbamylierung der Aminosäure durch Harnstoff als Lysisreagenz konnte ausgeschlos-sen werden. Beide Ansätze zum ArgC-analogen Verdau erwiesen sich zudem gegenüber der tryptischen Variante als überlegen, was sich in einer Erhöhung der Identifikations-zahlen des humanen Proteoms widerspiegelt. Insbesondere wenig abundante Proteine, Histone und membranassoziierte Proteine bildeten den Großteil der zusätzlich identifi-zierten Proteine. Zusätzlich konnte eine günstigeres Fragmentierungsverhalten beobach-tet werden. Die effektiven Grenzen des ABP im Hinblick auf die erforderliche Protein-menge wurden untersucht und beschrieben. Der zu erwartende Zusammenhang zwi-schen abnehmender Proteinmenge und Identifikationszahlen niedrig abundanter Protei-ne wurde bestätigt und ein effektiver Grenzwert von 5µg Ausgangsmenge humanen Proteoms ermittelt. Abschließend wurden Dauer und Aufwand der Probenvorbereitung durch Etablierung paralleler Reduktion, Carbamidomethylierung und Propionylierung minimiert und damit zusätzlich Probenverluste reduziert. Die dadurch erreichte Erhö-hung der Identifikationszahlen ergab sich wiederum aus der höheren Repräsentanz nied-rig abundanter Proteine.
Im Rückblick ist es überraschend, dass die Verwendung der Adsorptionstendenzen von Proteinen bisher keine größere Rolle in der Probenvorbereitung proteomischer Analysen eingenommen hat. Die symbiotisch wirkende, aktive Denaturierung als Resultat der durchgeführten Derivatisierung zur Analysenpräparation macht die Adsorption auf Sili-ca-Oberflächen zum prädestinierten Mittel der Probengewinnung und schafft die Vo-raussetzung für die erreichte Verkürzung der Arbeitsabläufe und Verbesserung der Ergebnisse.