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Respiratorische Erkrankungen stellen zunehmend eine relevante globale Problematik dar. Die Erweiterung bzw. Modifizierung von Applikationswegen möglicher Arzneimittel für gezielte topische Anwendungen ist dabei von größter Bedeutung. Die Variation eines bekannten Applikationsweges durch unterschiedliche technologische Umsetzungen kann die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, aber auch die Patienten-Compliance erhöhen. Die einfache und flexible Verfahrensweise durch schnelle Verfügbarkeit und eine handliche Technologie sind heutzutage wichtige Eigenschaften im Entwicklungsprozess eines Produktes. Eine direkte topische Behandlung von Atemwegserkrankungen am Wirkort in Form einer inhalativen Applikation bietet dabei viele Vorteile gegenüber einer systemischen Therapie. Die medizinische Inhalation von Wirkstoffen über die Lunge ist jedoch eine komplexe Herausforderung. Inhalatoren gehören zu den erklärungsbedürftigen Applikationsformen, die zur Erhöhung der konsequenten Einhaltung der Verordnung so einfach, wie möglich gestaltet werden müssen. Parallel besitzen und nutzen weltweit annähernd 68 Millionen Menschen die Technologie eines inhalativen Applikators zur bewussten Schädigung ihrer Gesundheit in Form einer elektronischen Zigarette. Diese bekannte Anwendung bietet die potentielle Möglichkeit einer verfügbaren, kostengünstigen und qualitätsgeprüften Gesundheitsmaßnahme zur Kontrolle, Prävention und Heilung von Atemwegserkrankungen. Sie erzeugt ein Aerosol durch elektrothermische Erwärmung eines sogenannten Liquids, das durch Kapillarkräfte eines Trägermaterials an ein Heizelement gelangt und verdampft. Ihr Bekanntheitsgrad zeigt, dass eine beabsichtigte Wirkung in den Atemwegen eintritt. Diese Wirkung könnte jedoch auch auf potentielle pharmazeutische Einsatzgebiete übertragbar sein. Die Vorteile der pulmonalen Verabreichung sind dabei vielfältig. Im Vergleich zur peroralen Applikation gelangt der Wirkstoff gezielt zum Wirkort. Wenn eine systemische Applikation zu Arzneimittelkonzentrationen unterhalb der therapeutischen Wirksamkeit in der Lunge führt, könnte eine inhalative Darreichung bereits bei niedriger Dosierung die gewünschten höheren Konzentrationen am Wirkort hervorrufen. Aufgrund der großen Resorptionsfläche der Lunge sind eine höhere Bioverfügbarkeit und ein schnellerer Wirkungseintritt infolge des fehlenden First-Pass-Effektes möglich. Es kommt ebenfalls zu minimalen systemischen Nebenwirkungen. Die elektronische Zigarette erzeugt wie die medizinischen Inhalatoren lungengängige Partikel. Die atemzuggesteuerte Technik ermöglicht eine unkomplizierte und intuitive Anwendung. Der prinzipielle Aufbau besteht aus einer elektrisch beheizten Wendel und einem Akku. Die Heizwendel ist von einem sogenannten Liquid in einem Tank umgeben und erzeugt das Aerosol. Das Liquid beinhaltet eine Basismischung bestehend aus Propylenglycol, Glycerin und reinem Wasser in unterschiedlichen prozentualen Anteilen. Es besteht die Annahme, dass das Basisliquid auch mit pharmazeutischen Wirkstoffen für die pulmonale Applikation beladen werden kann. Aufgrund der thermischen Belastung durch die e-Zigarette müssen potentielle Wirkstoffe sowie das Vehikel eine thermische Stabilität aufweisen.
Die potentielle medizinische Anwendung der Technologie einer handelsüblichen e-Zigarette wurde anhand von drei Schwerpunkten an vier Wirkstoffen untersucht. Die drei ätherischen Öle Eucalyptusöl, Minzöl und Nelkenöl wurden aufgrund ihrer leichten Flüchtigkeit und der historischen pharmazeutischen Anwendung anhand von Inhalationen bei Erkältungssymptomen bzw. im zahnmedizinischen Bereich gewählt. Das eingesetzte Cannabinoid Cannabidiol (CBD) hat einen aktuellen Bezug zu dem pharmazeutischen Markt Deutschlands zur Legalisierung von cannabishaltigen Produkten und der medizinischen Forschung zum inhalativen Konsum. Es wurden relevante wirkstoffhaltige Flüssigformulierungen entwickelt und hinsichtlich ihrer Verdampfbarkeit zu Aerosolen bewertet. In den quantitativen und qualitativen chromatographischen Untersuchungen konnten spezifische Verdampfungsprofile der Wirkstoffe erfasst und bewertet werden. Dabei stieg die verdampfte Masse der Leitsubstanzen 1,8-Cineol (Eucalyptusöl), Menthol (Minzöl) und Eugenol (Nelkenöl) zwischen 33,6 µg und 156,2 µg pro Zug proportional zur Konzentration im Liquid im Bereich zwischen 0,5% und 1,5% bei einer Leistung von 20 Watt. Die Freisetzungsrate von Cannabidiol hingegen schien unabhängig von der Konzentration im Liquid im Mittelwert bei 13,3 µg pro Zug zu liegen. Dieses konnte an fünf CBD-haltigen Liquids im Konzentrationsbereich zwischen 31 µg/g und 5120 µg/g Liquid gezeigt werden. Außerdem konnte eine Steigerung der verdampften Massen mit Zunahme der Leistung der e-Zigarette festgestellt werden. Die Interaktion der Liquids bzw. Aerosole mit den Bestandteilen des Speichels sowie weiterer gastrointestinaler Flüssigkeiten wurde über die Anwendung von zugehörigen in vitro Modellen und Einsatz von Enzymaktivitäts-Assays geprüft. In den Untersuchungen wurden Änderungen von Enzymaktivitäten anhand des oralen Schlüsselenzyms α-Amylase sowie von Proteasen ermittelt. Damit sollte exemplarisch ein möglicher Einfluss auf physiologische bzw. metabolische Prozesse im humanen Organismus geprüft werden. Das Bedampfen von biologischen Suspensionen führte bei niedriger Leistung der e-Zigarette (20 Watt) zu keiner bzw. einer leichten Änderung der Enzymaktivität. Die Anwendung einer hohen Leistung (80 Watt) bewirkte tendenziell das Herabsetzen der Enzymaktivitäten. Die Erhöhung der Enzymaktivitäten könnte zu einem enzymatischen Abbau von Schleimstoffen wie Mucinen führen, was wiederum die effektive, mechanische Abwehr gegenüber bakteriellen Infektionen zur Folge hätte. Da eine Anwendung der Applikation insbesondere bei bakteriellen Atemwegserkrankungen denkbar wäre, folgten abschließend Untersuchungen der antibakteriellen Eigenschaften der Liquids bzw. Aerosole in vitro. Es wurden sechs klinisch relevante bakterielle Krankheitserreger ausgewählt, die nach zwei Charakteristika gruppiert werden können. Die drei multiresistenten Bakterien Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae und Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus können mithilfe von üblichen Therapien mit Antibiotika nicht abgetötet werden und haben vor allem eine nosokomiale Relevanz. Die zweite Gruppe weist Eigenschaften auf, die vordergründig assoziiert sind mit respiratorischen Erkrankungen. Die Bakterien Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae sind repräsentativ beteiligt an Atemwegserkrankungen mit diverser Symptomatik. Die Bakterienarten wurden mit den jeweiligen Liquids behandelt bzw. bedampft und deren grundlegende Dosis-Wirkungsbeziehung charakterisiert. Dabei konnte eine antibakterielle Aktivität der Formulierungen ermittelt werden, die durch Zugabe eines Wirkstoffes die bereits antibakterielle Wirkung der Bestandteile Glycerin und Propylenglycol verstärkte. Die hygroskopischen Eigenschaften dieser Substanzen sind vermutlich für eine Wirkung in aerosolierter Form verantwortlich. Sie entziehen die Feuchtigkeit aus der Luft und haben einen austrocknenden Effekt auf die Bakterien. Das Bedampfen der Bakterienarten Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae hatte einen antibakteriellen Effekt, der zeitlich abhängig von der Leistung der e-Zigarette war.
Die Ergebnisse der Untersuchungen führen zu dem Schluss, dass jeder Wirkstoff bzw. jede Substanzklasse individuell zu bewerten ist und somit Inhalator und Formulierung aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Einsatz der e-Zigarette als Medizinprodukt zur Applikation von Arzneimitteln setzt stets Prüfungen nach Europäischem Arzneibuch voraus. Durch Modifizierungen könnte eine Dosierung gut kontrollierbar gemacht werden, aber auch die Partikelgrößenverteilung kann insoweit reguliert werden, dass die Wirkstoffe je nach Partikelgröße zu einem geeigneten Applikationsort wie Mund, Rachen oder Bronchien transportiert werden. Der Vergleich mit den Eigenschaften anderer medizinischer Inhalatoren führt zu dem Schluss, dass die Technologie der e-Zigarette durchaus eine gleichartige oder bessere Performance für thermisch stabile Wirkstoffe bieten könnte. Dieses fiktive Medizinprodukt könnte aus einer hersteller-unspezifisch produzierten, wieder aufladbaren Energiequelle mit Universalgewinde zum mehrfachen Gebrauch und einer hersteller- und wirkstoffspezifisch produzierten Einheit aus Verdampfer und Arzneimittel bestehen. Das Arzneimittel, ein medizinisches Liquid (Vehikel und Wirkstoff) kann in dem Tank des Verdampfers mit konstanten, nicht variablen Parametern patientenindividuell produziert werden. Inhalative Anwendungen werden perspektivisch wohl nicht zuletzt aufgrund der aktuellen COVID-19-Pandemie eine zunehmende Rolle spielen. Der Bedarf nach alternativen Therapieoptionen wird weiter ansteigen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Einsatz der Technologie der elektronischen Zigarette als electronic nicotin delivery system (ENDS) nach Modifizierung zu einem potentiellen pulmonalen Applikationssystem als electronic drug delivery system (EDDS) von inhalativen, thermisch stabilen Arzneimitteln in Form eines Medizinproduktes.
Protected cultivation in greenhouses or polytunnels offers the potential for sustainable production of high-yield, high-quality vegetables. This is related to the ability to produce more on less land and to use resources responsibly and efficiently. Crop yield has long been considered the most important factor. However, as plant-based diets have been proposed for a sustainable food system, the targeted enrichment of health-promoting plant secondary metabolites should be addressed. These metabolites include carotenoids and flavonoids, which are associated with several health benefits, such as cardiovascular health and cancer protection.
Cover materials generally have an influence on the climatic conditions, which in turn can affect the levels of secondary metabolites in vegetables grown underneath. Plastic materials are cost-effective and their properties can be modified by incorporating additives, making them the first choice. However, these additives can migrate and leach from the material, resulting in reduced service life, increased waste and possible environmental release. Antifogging additives are used in agricultural films to prevent the formation of droplets on the film surface, thereby increasing light transmission and preventing microbiological contamination.
This thesis focuses on LDPE/EVA covers and incorporated antifogging additives for sustainable protected cultivation, following two different approaches. The first addressed the direct effects of leached antifogging additives using simulation studies on lettuce leaves (Lactuca sativa var capitata L). The second determined the effect of antifog polytunnel covers on lettuce quality. Lettuce is usually grown under protective cover and can provide high nutritional value due to its carotenoid and flavonoid content, depending on the cultivar.
To study the influence of simulated leached antifogging additives on lettuce leaves, a GC-MS method was first developed to analyze these additives based on their fatty acid moieties. Three structurally different antifogging additives (reference material) were characterized outside of a polymer matrix for the first time. All of them contained more than the main fatty acid specified by the manufacturer. Furthermore, they were found to adhere to the leaf surface and could not be removed by water or partially by hexane.
The incorporation of these additives into polytunnel covers affects carotenoid levels in lettuce, but not flavonoids, caffeic acid derivatives and chlorophylls. Specifically, carotenoids were higher in lettuce grown under polytunnels without antifog than with antifog. This has been linked to their effect on the light regime and was suggested to be related to carotenoid function in photosynthesis.
In terms of protected cultivation, the use of LDPE/EVA polytunnels affected light and temperature, and both are closely related. The carotenoid and flavonoid contents of lettuce grown under polytunnels was reversed, with higher carotenoid and lower flavonoid levels. At the individual level, the flavonoids detected in lettuce did not differ however, lettuce carotenoids adapted specifically depending on the time of cultivation. Flavonoid reduction was shown to be transcriptionally regulated (CHS) in response to UV light (UVR8). In contrast, carotenoids are thought to be regulated post-transcriptionally, as indicated by the lack of correlation between carotenoid levels and transcripts of the first enzyme in carotenoid biosynthesis (PSY) and a carotenoid degrading enzyme (CCD4), as well as the increased carotenoid metabolic flux. Understanding the regulatory mechanisms and metabolite adaptation strategies could further advance the strategic development and selection of cover materials.
With the many challenges facing the agricultural system, such as water scarcity, loss of arable land due to climate change, population growth, urbanization or trade disruptions, new agri-food systems are needed to ensure food security in the future. In addition, healthy diets are needed to combat non-communicable diseases. Therefore, plant-based diets rich in health-promoting plant secondary metabolites are desirable. A saline indoor farming system is representing a sustainable and resilient new agrifood system and can preserve valuable fresh water. Since indoor farming relies on artificial lighting, assessment of lighting conditions is essential. In this thesis, the cultivation of halophytes in a saline indoor farming system was evaluated and the influence of cultivation conditions were assessed in favor of improving the nutritional quality of halophytes for human consumption. Therefore, five selected edible halophyte species (Brassica oleracea var. palmifolia, Cochlearia officinalis, Atriplex hortensis, Chenopodium quinoa, and Salicornia europaea) were cultivated in saline indoor farming. The halophyte species were selected for to their salt tolerance levels and mechanisms. First, the suitability of halophytes for saline indoor farming and the influence of salinity on their nutritional properties, e.g. plant secondary metabolites and minerals, were investigated. Changes in plant performance and nutritional properties were observed as a function of salinity. The response to salinity was found to be species-specific and related to the salt tolerance mechanism of the halophytes. At their optimal salinity levels, the halophytes showed improved carotenoid content. In addition, a negative correlation was found between the nitrate and chloride content of halophytes as a function of salinity. Since chloride and nitrate can be antinutrient compounds, depending on their content, monitoring is essential, especially in halophytes. Second, regional brine water was introduced as an alternative saline water resource in the saline indoor farming system. Brine water was shown to be feasible for saline indoor farming
of halophytes, as there was no adverse effect on growth or nutritional properties, e.g. carotenoids. Carotenoids were shown to be less affected by salt composition than by salt concentration. In addition, the interaction between the salinity and the light regime in indoor farming and greenhouse cultivation has been studied. There it was shown that interacting light regime and salinity alters the content of carotenoids and chlorophylls. Further, glucosinolate and nitrate content were also shown to be influenced by light regime. Finally, the influence of UVB light on halophytes was investigated using supplemental narrow-band UVB LEDs. It was shown that UVB light affects the growth, phenotype and metabolite profile of halophytes and that the UVB response is species specific. Furthermore, a modulation of carotenoid content in S. europaea could be achieved to enhance health-promoting properties and thus improve nutritional quality. This was shown to be dose-dependent and the underlying mechanisms of carotenoid accumulation were also investigated. Here it was revealed that carotenoid accumulation is related to oxidative stress.
In conclusion, this work demonstrated the potential of halophytes as alternative vegetables produced in a saline indoor farming system for future diets that could contribute to ensuring food security in the future. To improve the sustainability of the saline indoor farming system, LED lamps and regional brine water could be integrated into the system. Since the nutritional properties have been shown to be influenced by salt, light regime and UVB light, these abiotic stressors must be taken into account when considering halophytes as alternative vegetables for human nutrition.
Mycotoxins are secondary metabolites produced by several filamentous fungal species, thus occurring ubiquitously in the environment and food. While the heterogeneous group shows differences in their bioavailability and toxicity, the low-molecular-weight xenobiotics are capable of impacting human and animal health acutely and chronically. Therefore, maximum levels for the major mycotoxins in food and feed are regulated in the current European legislation. Besides free mycotoxins, naturally occurring modified mycotoxins are gaining more attention in recent years. Modified mycotoxins constitute toxins altered by plants, microorganisms, and living organisms in different metabolic pathways or food processing steps. The toxicological relevant compounds often co-occur with their free forms in infested food and feed. Thus, the toxins may contribute to the overall toxicity of mycotoxins, wherefore their presence and toxicity should be considered in risk assessment. Until now, however, there are no regulated limits for modified mycotoxins within the European Union. In this thesis, rapid, sensitive, and robust methods for the analysis of mycotoxins and their modified forms were developed and validated using state-of-the-art high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) systems. Firstly, two analytical methods for determining 38 mycotoxins in cereals and 41 mycotoxins in beer were established since agricultural products count as the primary source of mycotoxin contamination. For the analysis of cereal samples, a QuEChERS- based extraction approach was pursued, while analytes from beer samples were extracted using an acetonitrile precipitation scheme. Validation in cereals, namely wheat, corn, rice, and barley, as well as in beer, demonstrated satisfactory results. To obtain information regarding the natural occurrence of mycotoxins in food products, the developed methods were applied to the analysis of several commercial samples partly produced worldwide. The Fusarium toxins deoxynivalenol and its conjugated metabolite deoxynivalenol-3-glucoside turned out to be the most abundant toxins. None of the other modified mycotoxins were quantified in the samples. However, one cereal sample showed traces of zearalenone- 14-sulfate below the limit of quantification. Moreover, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids were investigated in this thesis. Pesticides present biologically highly effective compounds applied in the environment to protect humans from the hazardous effects of pests. While plant growth regulators show similar functions, mainly improving agricultural production, tropane alkaloids are naturally occurring secondary metabolites mainly in the species of Solanaceae that may pose unintended poisoning of humans. The third part of the present thesis aimed to analyze cereal-relevant compounds simultaneously, wherefore a multi-method for the analysis of (modified) mycotoxins, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids was established. After processing the samples, this should be done in a single extraction step with subsequent one-time measurements. Various sample preparation procedures were compared, whereby an approach based on an acidified acetonitrile/water extraction, followed by an online clean-up, was finally chosen. The simultaneous determination of more than 350 analytes required an analytical tool that offered an increased resolving power, represented as an enhanced peak capacity, and the possibility of analyzing a broad polarity range. Thus, a two-dimensional LC-MS/MS system based on two different separation mechanisms that performed orthogonal to one another was used for the analysis. Validation of the developed method revealed good performance characteristics for most analytes, while subsequent application showed that 86% of the samples were contaminated with at least one compound. In summary, this thesis provides novel insights into the analysis of food-relevant (modified) mycotoxins. Different sample preparation and LC-MS/MS approaches were introduced, resulting in the development of three new analytical methods. For the first time, such a high number of modified mycotoxins was included in multi-mycotoxin methods and a multi-method ranging both contaminants and residues. Although first steps towards the analysis of modified mycotoxins have been made, further research is needed to elucidate their (co-) occurrence and toxicological behavior in order to understand their relevance to human health in the future.