dc.contributor.author
Kulke, Daniel
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:54:42Z
dc.date.available
2014-07-01T07:33:54.710Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/3149
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7349
dc.description.abstract
Parasitic helminths including cestodes, trematodes and nematodes, have an
enormous impact on human and animal health and cause tremendous financial
losses. Therefore, the urgent demand for modern and safe treatment options
against helminthoses is obvious. In addition to the optimisation of existing
drug classes, two major objectives are in the focus of research to increase
treatment options against helminth infections: (i) the evaluation of
combinations, to increase the anthelmintic spectrum, to improve the efficacy
of the respective drugs and to decelerate the development of resistance and
(ii) the identification and development of safe and highly efficacious new
drug classes with novel, resistance-breaking modes of action. The present
cumulative thesis, consisting of five publications, describes investigations
addressing both of the above mentioned aspects by comparing the potential of
the aminophenylamidines amidantel, tribendimidine and deacylated amidantel
(dAMD) and of the cyclooctadepsipeptides emodepside and PF1022A for the
treatment against helminth infections of humans and animals in monotherapy as
well as in several combinations. Since activitiy of the nematicidal
aminophenylamidines against cestodes has already been published, but
respective reports were somewhat informal, publication 1 aimed on the
evaluation of the efficacy of tribendimidine and dAMD against the tapeworm
Hymenolepis microstoma in a controlled laboratory trial. Whereas treatments
with three dosages of up to 100 mg/kg dAMD did not result in any significant
reduction of the worm burdens, in marked contrast, treatments with 3× 50 mg/kg
tribendimidine, which is the parent compound of dAMD, resulted in high
parasite clearance. In publication 2, substantial concentration-dependent
anthelmintic potencies of aminophenylamidines and cyclooctadepsipeptides as
well as of some drug combinations were detected against larval and adult
stages of the rat hookworm Nippostrongylus brasiliensis and against first
larval stages of Trichinella spiralis using three in vitro assays.
Consequently, in publication 3 the same derivatives were found to be highly
efficacious using the N. brasiliensis in vivo model in rats. Moreover, tested
drug combinations of two cholinergic drugs or an aminophenylamidine plus a
cyclooctadepsipeptide resulted in additive effects, making not only the
individual drugs but also combinations interesting for further evaluation.
Furthermore, a pharmacokinetic analysis revealed that after oral
administration of tribendimidine, only its metabolite dAMD was detectable in
rat blood samples. Finally, electron microscopic analysis of hookworms treated
with the test compounds revealed information about their mode of action. Worms
treated with PF1022A showed signs of flaccid paralysis, whereas individuals
treated with cholinergic drugs including aminophenylamidines and levamisole,
showed strong contraction along the whole body of the worm suggesting spastic
paralysis. Following the establishment and parasitological characterisation of
a Trichuris muris mouse model, publication 4 investigated the in vivo potency
of the aminophenylamidines and the cyclooctadepsipeptides against patent
whipworm infections using three consecutive dosages by different routes of
administration. Only treatments with relatively high dosages of tribendimidine
or dAMD resulted in complete elimination of the worm burden whereas treatments
with fairly low dosages of the cyclooctadepsipeptides emodepside and PF1022A,
especially after oral administration, resulted in full parasite clearance. Due
to the high efficacy, PF1022A was further evaluated in single and multiple
oral treatment schemes targeting developmental stages including histotropic
larvae. Again, dose-dependent efficacies were observed. However, using a
single dose regimen, only high dosages cured the larval whipworm infections
completely. But since only a very basic formulation was tested, reduction of
the required dosages can likely be achieved by optimisation of the
formulation. The cyclooctadepsipeptides showed high efficacy against all
nematode species tested. However, their mode of action is not fully
understood. The calcium-gated and voltage-dependent potassium channel SLO-1 is
generally accepted to be crucial for the nematicidal effects of
cyclooctadepsipeptides in Caenorhabditis elegans but direct activation of
SLO-1 channels by any cyclooctadepsipeptide has not been demonstrated.
Therefore, manuscript 5 reports the identification and characterisation of
SLO-1 channels from various nematodes. After identification and cloning of
slo-1 orthologs from a wide phylogenetic range of parasitic nematodes, SLO-1
and its potential activation by cyclooctadepsipeptides were analysed by
heterologous expression in Xenopus laevis oocytes. Accordingly, it was
demonstrated for the first time, that emodepside directly induces currents via
C. elegans SLO-1. Due to the obtained insights regarding their mode of action
and their potential to cure helminthoses in a single-treatment regimen, the
cyclooctadepsipeptides might currently be the most interesting new class for
the treatment against helminthoses of human and livestock. In addition to
monotherapies, the use of combinations containing cyclooctadepsipeptides and
cholinergic drugs such as tribendimidine should also be further investigated.
The combinations were shown to have increased efficacy against the rat
hookworm and presumably the risk of selection for resistance would be
decreased, since two completely independent targets are affected.
de
dc.description.abstract
Helminthosen, hervorgerufen durch Cestoden, Trematoden und Nematoden,
verursachen enorme gesundheitliche Schäden bei Menschen und Tieren und sind
für gewaltige ökonomische Schäden verantwortlich. Der immense Bedarf an
modernen chemotherapeutischen Möglichkeiten zur Bekämpfung von
Wurmerkrankungen ist daher offensichtlich. Neben der Optimierung der
vorhandenen Präparate, stehen zwei weitere zentrale Herausforderungen im Fokus
der Wissenschaft: (i) Die Evaluierung von Kombinationspräparaten, welche das
Wirkungsspektrum erweitern sowie die Wirksamkeit gegen spezifische Spezies
erhöhen, aber auch der Entwicklung von hochresistenten Wurmpopulation
entgegenwirken sollen, und (ii) die Erforschung von hochwirksamen und sicheren
neuen Präparaten, welche mit alternativen Wirkmechanismen resistenzbrechende
Eigenschaften haben und folglich die therapeutischen Möglichkeiten erweitern
können. Die vorliegende kumulative Dissertation, bestehend aus fünf
wissenschaftlichen Artikeln, beinhaltet Untersuchungen und Erkenntnisse zu
beiden genannten Zielen, indem Verbindungen aus den Substanzklassen der
zyklischen Oktadepsipeptide (PF1022A und Emodepsid) und der Aminophenylamidine
(Amidantel, deacyliertes Amidantel und Tribendimidin) alleine und in diversen
Kombinationen für eine mögliche Entwicklung zur Bekämpfung von
Wurmerkrankungen von Menschen und Tieren untersucht wurden. Da den
Aminophenylamidinen neben einer Wirkung gegen Rundwürmer auch eine Wirksamkeit
gegen Bandwürmer zugesprochen wird, hierzu jedoch keine experimentellen
Ergebnisse publiziert waren, wurde in Artikel 1 die Wirksamkeit von zwei
Aminophenylamidinen gegen den Bandwurm Hymenolepis microstoma in vivo
evaluiert. Während für Tribendimidin eine hohe Wirksamkeit nachgewiesen werden
konnte, zeigte dessen nematizider Metabolit, deacyliertes Amidantel, unter
Verabreichung vergleichbarer Dosierungen überraschenderweise keine Wirkung
gegen H. microstoma. In Artikel 2 wurden solide dosisabhängige Wirksamkeiten
sämtlicher getesteter Verbindungen beider Substanzklassen sowie diverser
Kombinationen sowohl gegen larvale und adulte Stadien des Hakenwurms der
Ratte, Nippostrongylus brasiliensis, als auch gegen erste Larvenstadien der
humanpathogenen Trichinen Trichinella spiralis in vitro festgestellt. In
Ergänzung dazu, zeigt Artikel 3, dass entsprechende Vertreter beider
Wirkstoffklassen auch in vivo im verwendeten Hakenwurmmodell eine hohe
Wirksamkeit besitzen. Aufgrund additiver Effekte von Kombinationen aus beiden
Substanzklassen ist neben der Evaluierung der Einzelverbindungen auch eine
weitergehende Untersuchung der Kombinationen in Betracht zu ziehen. Ferner
wurde in Artikel 3 mittels einer pharmakokinetischen Untersuchung
festgestellt, dass nach oraler Gabe von Tribendimidin ausschließlich dessen
Metabolit, deacyliertes Amidantel, im Blut der Ratte nachweisbar ist. Darüber
hinaus wurden durch elektronenmikroskopische Untersuchungen Hinweise bezüglich
der Wirkmechanismen beider Substanzklassen gewonnen. Während Hakenwürmer, die
mit PF1022A behandelt wurden, morphologische Anzeichen einer schlaffen
Paralyse aufwiesen, zeigten mit Levamisol oder Aminophenylamidinen behandelte
Würmer, stark kontrahierte Hautmuskelschläuche, was auf eine spastische
Paralyse schließen lässt. Basierend auf der Etablierung und einer
detaillierten parasitologischen Charakterisierung eines T. muris-Maus-Modells
behandelt Artikel 4 die Untersuchung der Wirksamkeit von Aminophenylamidinen
und zyklischen Oktadepsipeptiden gegen den Peitschenwurm der Maus unter
Verwendung verschiedener Applikationsschemata. Während nach dreimaliger
Behandlung mit deacyliertem Amidantel oder Tribendimidin nur unter Verwendung
relativ hoher Dosierungen vollständige Wirksamkeit gegen T. muris erzielt
wurden, wurden von Emodepsid und PF1022A nur niedrige orale Dosen für
denselben Effekt benötigt. Folglich wurde PF1022A in mehrfacher und einfacher
oraler Gabe auch gegen larvale Stadien getestet. Auch hier wurde eine
signifikante Reduktion der Wurmbürden, allerdings bei erhöhten Dosierungen,
erzielt. Durch Verbesserung der Formulierung kann jedoch vermutlich eine
deutliche Reduktion der benötigten Dosis erzielt werden. Die zyklischen
Oktadepsipeptide zeigten in sämtlichen Untersuchungen eine durchgängig hohe
Wirksamkeit, wobei deren Wirkmechanismus nicht vollständig aufgeklärt ist.
Daher wurde in Artikel 5 der kalziumaktivierte und spannungsgesteuerte
Kaliumkanal SLO-1 verschiedener Nematoden isoliert und phylogenetisch
analysiert. SLO-1 wurde in Caenorhabditis elegans als essentiell für die
Wirksamkeit von Emodepsid beschrieben, jedoch konnte bisher keine direkte
Interaktion zwischen SLO-1 und einem zyklischen Oktadepsipeptide gezeigt
werden. Nach Identifizierung und Klonierung diverser slo-1 Orthologe, konnte
durch Studien an Xenopus laevis Oozyten, welche C. elegans SLO-1 heterolog
exprimierten, gezeigt werden, dass durch Emodepsid Ströme über SLO-1
entstehen. Aufgrund des einzigartigen Wirkmechanismus und der Möglichkeit,
Helminthosen in einer Einzelgabe zu kurieren, können zyklische
Oktadepsipeptide als vielversprechende Kandidaten zur Behandlung humaner und
tierischer Helminthosen betrachtet werden. Zusätzlich sollten Kombinationen,
bestehend aus einem zyklischen Oktadepsipeptid und einer cholinergen
Verbindung wie Tribendimidin aufgrund additiver Effekte im Hakenwurm Modell
und der wohlmöglichen Reduktion der Resistenz-Selektion, aufgrund der
unterschiedlichen Wirkungsweise, als weitere Behandlungsoption in Betracht
gezogen werden.
de
dc.format.extent
Getr. Zählung
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Analysis of the efficacy of aminophenylamidines and cyclooctadepsipeptides and
their mode of action
dc.contributor.contact
daniel.kulke@fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Georg von Samson-Himmelstjerna
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Hans-Joachim Pflüger
dc.date.accepted
2014-06-20
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000096987-5
dc.title.translated
Untersuchungen zur Wirksamkeit der Aminophenylamidine und
Cyclooktadepsipeptide und deren Wirkmechanismen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000096987
refubium.mycore.derivateId
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