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Naturally occurring RSeS form an interesting alcove of redox biology in living cells. These species provide interesting information for the design and synthesis of RSeS which modulate the redox state of cells and further grant important insights on lead structures in the hunt for active agents against infectious diseases associated with Oxidative Stress (OS). In the present study, several synthetic RSeS were prepared and, thereafter, evaluated biologically against a plethora of targets. The synthetic compounds belong to different classes of organo-selenium compounds ranging from simple aromatic selenocyanates to ebselen-like selenazolinium salts and even rather complicated multi-component hybrid redox catalysts. These organic RSeS and some inorganic salts of selenium and tellurium were evaluated against a broad spectrum of microorganisms, including Gram-positive and Gram-negative bacteria of the notorious ESKAPE family, yeasts and multicellular nematodes. Some of the compounds, such as aryl methyl selenocyanates, were also investigated for cytotoxic activity against normal and cancer cell lines. Generally, all the synthetic RSeS exhibited excellent activity against the selected targets. The preliminary mechanistic studies revealed that such compounds interact with the cellular thiolstat of the target organism. The interaction of selenium-based agents with intracellular thiolstat sets forth novel possibilities to tailor potent, efficient and target-oriented multifunctional RSeS. Natürlich vorkommende RSeS bilden eine interessante Nische der Redox-Biologie in lebenden Zellen. Diese Spezies liefern interessante Informationen für das Design und die Synthese von RSeS, die den Redox-Zustand der Zellen modulieren und wichtige Erkenntnisse über Leitstrukturen bei der Suche nach Wirkstoffen gegen Infektionskrankheiten im Zusammenhang mit Oxidativem Stress liefern. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere synthetische RSeS vorbereitet und anschließend gegen eine Vielzahl von biologischen Targets bewertet. Die synthetischen Verbindungen gehören zu verschiedenen Klassen von Organoselenverbindungen, die von einfachen aromatischen Selenocyanaten über ebselenartige Selenazolinium Salze bis hin zu komplexeren mehrkomponentige Hybrid-Redoxkatalysatoren reichen. Diese Verbindungen wurden anhand eines breiten Spektrums an Mikroorganismen bewertet, darunter Gram-positiv und Gram-negativ Bakterien der berüchtigten ESKAPE-Familie, Hefen und Nematoden. Einige der Verbindungen, wie beispielsweise Arylmethylselenocyanate, wurden auch auf zytotoxische Aktivität gegen normale und Krebs-Zelllinien untersucht. Im Allgemeinen zeigten alle synthetischen RSeS eine ausgezeichnete Aktivität gegenüber den ausgewählten Zielen. Die mechanistischen Vorstudien zeigten, dass solche Verbindungen mit dem zellulären Thiolstat des Zielorganismus interagieren. Diese Interaktionen eröffnen neue Möglichkeiten, potente, effiziente und zielgerichtete multifunktionale RSeS zu gestalten.

Nanosizing techniques, such as High Speed Stirring and High Pressure Homogenization enhance the bioavailability of otherwise insoluble compounds. These techniques can alternatively allow access to the active ingredients restrained within the plant cells and help make them more bioavailable for practical applications. This thesis explored the effectiveness of utilizing these Nano-technological techniques in converting raw plant material into nanomaterial. Subsequently, the nanosized plant particles were investigated for their impact on microorganisms. These insights gained from the initial experiments on tropical plants, helped expanding the scope to waste materials and finding solutions for waste management. Finally, the biological activities of nanosized particles were examined in combination with the Nanosizing, Lyophilization and Resuspension (NaLyRe) sequence to attain transport-friendly formulations suitable for application in cosmetics, agricultural and medicinal arena.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018; Aachen 1 Online-Ressource (206 Seiten) : Illustrationen, Diagramme (2018). = Dissertation, RWTH Aachen University, 2018, In 1944 Cavallito & Bailey showed that allicin was the major antimicrobial compound in garlic juice. Allicin is a reactive sulfur species (RSS) which oxidises thiols by S-thioallylation. It occurs as a defence molecule in some species of the genus Allium, e.g. garlic (Allium sativum) and ramsons (Allium ursinum). The present study characterises the effects of a sublethal dose of allicin on the Baker’s Yeast (Saccharomyces cerevisiae) Proteome. Synthetic allicin was used and for this purpose a new procedure was developed and optimised, achieving >98 % pure Allicin with a yield of 98 % after only 15 minutes reaction time and a final yield of 92 % after purification. The OxICATmethod, coupled with LC-MS/MS and MaxQuant software, was used to identify specific cysteine-containing peptides from yeast proteins. Approx. 10,000 peptides per experiment were identified in five independent experiments. To streamline the analysis of the results and identify peptides oxidised by allicin a spreadsheet-based computer analysis tool was developed. In total 1808 peptide pairs (oxidised/non-oxidised) were found. The procedure revealed the specific cysteine which was oxidised and the degree of oxidation in the population for 448 individual proteins. Thirteen candidate proteins were selected for detailed characterisation by the criteria that they were detected in at least three experiments and were ≥10 % more oxidised. The candidate proteins were investigated by molecular and biochemical methods to assess their biological relevance in the context ofallicin’s effects. After allicin treatment, alcohol dehydroganse-1 (ADH1) was 20 % oxidised at cysteines 277 and 278, which are outside the catalytic centre. ADH1 activity was inhibited noncompetitively in vitro by allicin, which would be expected for allosteric inhibition. Sitedirected mutagenesis was used to prepare C277S,C278S and C277,278S exchange mutants and these were investigated for growth phenotype, altered resistance to allicin and ADH activity. The mutants showed various degrees of enhanced allicin-resistance compared to the wild type. The C277, 278S double mutant had lost ADH activity but grew normally, whereas an ADH1 deletion mutant grew with the characteristic petite yeast colony morphology. This suggests an important novel role for the ADH1 protein in S. cerevisiae that is independent of its ADH activity, i.e. a ‘moonlighting’ role which enables the cells to grow and divide efficiently. This interesting effect should be a topic for further investigation., Published by Aachen

The investigation of plants used for traditional medicine in Togo is complicated as modern techniques are not available. Computer-aided product identification from traditional usage records (CAPITURE) was evaluated in the context of an ethnobotanical survey on the traditional treatment of fungal diseases in Tchamba District (Togo). This method predicted and identified the most biologically active plants out of the 43 species survey-recorded: Pterocarpus erinaceus predicted to be more active against fungi and Daniellia oliveri against bacteria. The plants were then tested against fungi, bacteria and cancer cells. As predicted with CAPITURE, P. erinaceus was more active against fungi and D. oliveri against bacteria. Interestingly, both plants presented activity on cancer cells without being toxic to normal human cells. In a third step, using analytical chemistry, the compounds responsible for the biological activities were identified. Most of those compounds have never been reported in the plant species or in nature at all, with biological activity in the micromolar range. Finally, pharmaceutical technology was used: by nanosizing the powder of the plant organs, a better biological activity was observed in comparison to that of the organic extract. In conclusion, this research led to the discovery of new molecules with an interesting biological activity that will need further and more detailed investigation. Die Untersuchung von Pflanzen in Togo ist kompliziert, da moderne Techniken nicht verfügbar sind. Die computerunterstützte Produktidentifikation aus dem traditionellen Gebrauch (CAPITURE) wurde im Rahmen einer ethnobotanischen Umfrage zur traditionellen Behandlung von Pilzerkrankungen im Tchamba-Bezirk (Togo) evaluiert. Diese Methode hat die biologisch aktivsten Pflanzen aus der 43 untersuchten Spezies-Befragung vorhergesagt und identifiziert: Pterocarpus erinaceus um gegen Fungi aktiv zu sein und Daniellia oliveri gegen Bakterien. Die Pflanzen wurden dann gegen Fungi, Bakterien und Krebszellen getestet. Wie mit CAPITURE vorhergesagt, war P. erinaceus aktiver gegen Mykose und D. oliveri gegen Bakterien. Interessanterweise präsentierten beide Pflanzen Aktivität auf Krebszellen, ohne toxisch für normale menschliche Zellen zu sein. Ein dritter Schritt wurden mit Hilfe der analytischen Chemie die für die biologischen Aktivitäten verantwortlichen Verbindungen identifiziert. Die meisten dieser Verbindungen wurden in den Pflanzenarten oder in der Natur überhaupt nicht mit biologischer Aktivität im mikro-molaren Bereich berichtet. Schließlich wurde eine pharmazeutische Technologie verwendet: durch Nanopulverisieren der Pflanzenteile wurde eine bessere biologische Aktivität im Vergleich zu dem organischen Extrakt beobachtet. Abschließend führte diese Forschung zur Entdeckung neuer Moleküle mit interessanter biologischer Aktivität, die eine weitere und detailliertere Untersuchung benötigen.

Chalcogen chemistry is widely interdisciplinary, especially in the field of biology, material sciences and supra-molecular chemistry and biology. Whilst oxygen and sulfur are fairly omnipresent in biology selenium has its nutritional role in animals and humans; however, for tellurium, this is yet to be discovered. The common behaviour of all three elements is related to their antioxidant properties and their therapeutic effects. Most drugs for present day diseases are either natural or derivatives of compounds found in natural products. Allium plant species have a wide range of effective therapeutics benefits. Garlic and its components, namely allicin, polysulfanes, thiosulfinates, thiosulfonates and dithienes, form an important class of natural compounds and represent a field where tremendous research has been ongoing for the past decades. As part of this thesis, a series of unsymmetrical tailor-made tetrasulfanes have been synthesised. They were tested along with some other symmetrical tetrasulfanes, selenium and tellurium compounds for their physico-chemical properties and therapeutic benefits, in both microorganisms and primary cell lines. Biological activities were investigated by testing the tetrasulfanes in nematodes, bacteria, yeast, fungi and bacteriophages. The effects on red blood cells and neuronal cell lines of rats were also studied. A cytotoxicity assay and ELISA were performed on human synovial fibroblast cell lines. Die Chemie der Chalkogene ist sehr interdisziplinär, besonders, wenn Biologie, Medizin, Materialwissenschaften und supramolekulare Wissenschaften miteinbezogen werden. Schwefel und Selen tragen bei Mensch und Tier zur Bedarfsdeckung bei; ob dies auch auf Tellur zutrifft muss hingegen noch bewiesen werden. Diesen drei Elementen sind ihre antioxidativen Eigenschaften und therapeutischen Effekte gemeinsam. Die meisten Medikamente für aktuelle Krankheiten sind entweder auf Naturstoffen basierend oder Derivate dieser Stoffe. Alle Allium-Arten weisen eine große Anzahl an potenten Wirkstoffen mit therapeutischen Wirkungen auf. Knoblauch und seine Bestandteile, nämlich Allicin, Polysulfane, Thiosulfinate, Thiosulfate und Dithiene, formen wichtige Gruppen natürlicher Stoffe, zu denen in den letzten Jahrzenten enorme Forschungsarbeiten geführt worden sind. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese einer Reihe unsymmetrischer und maßgeschneiderter Tetrasulfane. Sie wurden gemeinsam mit anderen symmetrischen Tetra- und Polysulfanen, Selen- und Tellur-Gemischen auf Grund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihres möglichen therapeutischen Nutzens in Mikroorganismen und Primärzelllinien getestet. Die biologische Aktivitäten der Tetrasulfane wurden in Nematoden, Bakterien, Pilzen (v.a. Hefe) und Bakteriophagen untersucht. Die Auswirkungen auf rote Blutzellen wurden mit Hilfe von Hämoglobinassays erforscht. Studien zur Zytotoxizität, sowie weiterführende Experimente und Analysemethoden (z.B. ELISA) wurden an menschlichen synovialen Fibroblasten durchgeführt.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Polysulfanverbindungen als selektive Redox-Modulatoren des zellulären Thiolstats basierend auf den Leitstrukturen DATTS und DPTTS aus Knoblauch und Zwiebeln. Verglichen mit ihren natürlichen „Vorbildern“ weisen die neuen Derivate verbesserte physikalisch-chemische Eigenschaften sowie teils eine verbesserte biologische Aktivität auf. Zellkulturversuche belegen die selektive Zytotoxizität gegen Krebszellen, welche offenbar auf einer Tubulin-verändernden Wirkung beruht. Zusätzlich zeigen diese Polysulfane in Versuchen eine hohe fungizide und nematizide Aktivität gegen landwirtschaftliche Schädlinge. Daher repräsentieren sie eine vielversprechende Stoffklasse zum Einsatz in Medizin und Landwirtschaft. Der zweite Teil befasst sich mit der Erforschung von polyfunktionalen Thiolen als potentielle Monomere für optische Polymere. Der Fokus lag auf der Synthese von cyclischen und linearen Polythiolstrukturen, ausgehend von einfachen (Thiol-)Grundchemikalien. Dabei war ein hoher Schwefelanteil ein wichtiger Leitfaden für die Synthese, da dieser eine Voraussetzung für den erwartenden hohen Brechungsindex in optischen Materialien darstellt. Es konnten mehrere Dithioacetal- und Trithioorthoesterstrukturen hergestellt werden, welche einen Brechungsindex von mehr als 1.59 besitzen, zusätzlich mehrere Thiol-Funktionalitäten aufweisen, sowie aufgrund der einfachen Synthese generell interessant für die optische Industrie sind. The first part of this thesis deals with the development of new polysulfane compounds as selective redox modulators of the cellular thiolstat based on the naturally occurring leads DATTS and DPTTS from garlic and onions. Compared to their natural counterparts, the synthetisized derivatives exhibit improved physico-chemical properties, and, in part, an improved biological activity. Cell culture experiments demonstrate selective cytotoxicity against cancer cells, which is apparently based on tubulin-modifying effects. In addition, these polysulfanes showed a high fungicidal and nematicidal activity when tested against agricultural pests. Thus, they represent a promising class of materials for use in Medicine and Agriculture. The second part deals with the study of polyfunctional thiols as potential monomers for optical polymers. The focus here was on the synthesis of cyclic and linear polythiol structures, starting from simple (thiol) chemicals. A high sulfur content was an important motive for the synthesis, as this is a basic requirement for the high refraction index of optical materials which ultimately will be generated from those compounds. Several dithioacetal and trithioorthoester structures were prepared, all of which exhibit a refractive index higher than 1.59, and possess several thiol functionalities. Due to their ease of synthesis, they are also fundamentally interesting for the optical industry.

Amongst the plethora of organic compounds of selenium studied till date, bivalent organodiselenides have been of topical interest as validated from their potential anti-infective and anti-carcinogenic properties. In due consideration, the present research work is primarily focused on the design and synthesis of versatile diselenides, in addition to other related chalcogen derivatives, with an aim to delineate their potential molecular and cellular modes of action.The most active organodiselenides were confirmed to induce caspase-mediated apoptosis in KB-3-1 cancer cells. A highly active quinoline-functionalized organo-diselenide targeted the translational machinery in addition to a dual inhibition of the Raf/MEK/ERK and the PI3K/Akt/mTOR pathways of KB-3-1 cells. ERK2 was identified as its potential cellular targetin a DARTS experiment.Unlike the chalcophenes, the most active organodiselenides exhibited a poor radical scavenging and reducing ability. In contrast, the phenolic hydroxyl group was hypothesized as a probable antioxidant pharmacophore in the very active chalcophenes. This study also identified thioredoxin reductase as a potential cellular target of certain chalcogen-containing naphthoquinones which could possibly explain their ability to induce tumour cell death via ROS generation. Considering the unprecedented potential of organoselenium compounds to target important cellular proteins in tumour cells, future interdisciplinary studies are required for a more comprehensive elucidation of their chemical and biochemical modes of action against cancer and other life-threatening diseases. Von den zahlreichen Organoselenium-Verbindungen, die bis heute untersucht wurden, sind die Organodiselenide wegen ihrer potentiellen Wirkung als Anti-Infektiva und Anti-Krebsmittelvon besonderem Interesse. Aus diesem Grund fokussierte sich diese Doktorarbeit in erster Linie auf die Synthese und Skizzierung der molekularen und zellulären Wirkmechanismen der Organodiselenide und verwandter Organochalkogen-Verbindungen. Für die erste Gruppe konnte bestätigt werden, dass sie in KB-3-1-Krebszellen eine Caspase-vermittelte Apoptose induziert. Ein hochaktives Chinolin-funktionalisiertes Organodiselenidhemmte den Raf/MEK/ERK und den PI3K/Akt/mTOR-Signalweg und wirkte auf das Translations system der KB-3-1-Zellen. ERK2 wurde in DARTS-Experimenten als das mögliche zelluläre Zielprotein identifiziert. Anders als die Chalkophene zeigten die aktivsten Organodiselenide eine geringe Aktivität als Radikalfänger und geringes Reduktions potential. In den in dieser Hinsicht sehr aktiven Chalkogenen wurde die phenolische Hydroxylgruppe als mögliches Pharmakophorangesehen. Diese Studie identifizierte die Thioredoxin-Reduktase als ein mögliches zelluläres Zielprotein einiger Chalgogen-enthaltender Naphtochinone, was möglicherweise ihre Fähigkeit erklärt, durch ROS-Generierung den Tod von Tumorzellen zu induzieren. Im Hinblick auf das beispiellose Potential der Organoselenium-Verbindungen, zelluläre Proteine von zentraler Bedeutung in Tumorzentralen zu adressieren, sind in Zukunft interdisziplinäre Untersuchungen nötig, um ihre chemischen und biochemischen Wirkmechanismenbei Krebszellen und anderen lebensbedrohenden Krankheiten aufzuklären.

The present PhD thesis describes the development of new organic selenium and tellurium containing compounds as synthetic redox-modulating surfactants and their biological activities. Ten organic selenide and telluride compounds (in publication 1) were designed, successfully synthesized and chemically characterized. These compounds are amphiphilic. The tellurides, in contrast to their selenide analogous, are more effective against not only RAW 264.7 macrophages, S. feltiae and E. coli but also against HCT116 cancer cells. The tellurides can modulate the intracellular redox balance by generating the superoxide anion radicals, which trigger the intrinsic apoptotic pathway. Further tests (in publication 2) show that the selenide compound DP31 has no effect on either HCT116 cancer cells or ARPE-19 cells, while the telluride analog DP41 induces the activation of the PERK/eIF2α/ATF4 signaling pathway by modulating ROS, which triggers the intrinsic apoptotic pathway in HCT116 cancer cells, but not in ARPE-19 cells. Based on the success of tellurium compounds such as DP41, a series of surfactants containing seleninic acid head groups has been designed, synthesized, purified and characterized chemically (in publication 3). These compounds form micelles and interact strongly with the cell membrane of RBCs. Hence they promote Ca2+ influx, which induces eryptosis. Furthermore, the series of these surfactants with CMC properties also shows anti-funginal activity against S. cerevisiae. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung der neuen organischen Selen- und Tellur-Verbindungen als Redox modulierende Tensiden und ihre biologischen Aktivitäten. Zehn organische Selenid- und Tellurid-Verbindungen (in der Veröffentlichung 1) wurden erfolgreich synthetisiert und chemisch charakterisiert. Sie sind amphiphil. Die Telluriden, im Gegensatz zu den analogen Seleniden, sind nicht nur wirksamer gegen RAW 264.7 Makrophagen, S. feltiae und E. coli sondern auch gegen HCT116 Krebszellen. Diese Telluriden können das Redoxgleichgewicht durch die Erzeugung von Superoxid Radikalen so modulieren, dass der intrinsische apoptose ausgelöst wird. Weitere Experimente sind in der Veröffentlichung 2 zusammengefasst. Die Selenid DP31 zeigt keinen Effekt auf HCT116 Krebszellen oder ARPE-19 Zellen. Hingegen aktiviert das analoge Tellurid, DP41, die Signalweg von PERK/eIF2α/ATF4 durch Generierung von ROS, wodurch die intrinsische Apoptose in HCT116 Krebszellen ausgelöst wird. Dies geschieht aber nicht in ARPE-19 Zellen. Basierend auf dem Erfolg der Telluriden, wie beispielsweise DP41, wurde eine Reihe von Seleninsäure-enthaltender Tenside synthetisiert und chemisch charakterisiert (in der Veröffentlichung 3). Sie formen Mizellen, interagieren stark mit der Zellmembran von Erythrozyten und fördern den Ca2+ Einstrom. Dies induziert wiederum Eryptose. Interessanterweise zeigen diese Seleninsäure-enthaltenden Tenside mit amphiphiler Eigenschaft auch fungizide Aktivität gegen S. cerevisiae.

In history, garlic (Allium sativum), onions (Allium cepa) and other Allium plants were used due to their antimicrobial-, antifungal- and desinfection abilities.[1-3] These plants contain a wide and rich range of sulfur-containing molecules, such as alliin, allicin and various polysulfanes (formerly named polysulfides) which do show high reactivity in several medicinal (e.g. cancer chemoprevention) and agricultural system (e.g. as “green pesticides”).[1-16] The main objective of this PhD study is to further investigate the chemistry, reactivity, biological activity of natural disulfanes and chemically related species. Sulfur and selenium and containing compounds were used to examine the different activity and toxicity of the agents based on the two chalcogen elements. Various biological assays were used to examine the activity of the chalcogen compounds against mammalian cells, such as Neuro A2 cell line (from murine neuroblastoma) and agricultural of relevant organism (e.g. Botrytis cinerea, Steinernema feltiae) to find new lead structures for a potential pro-drug or possible new phytoprotectants and ‘green’ pesticides. Cyclic voltammetry was used to analyze the redox behavior of the different chalcogen compounds and their potential reactivity against glutathione (GSH) and other thiol-containing groups in cells. SEM-EDX microanalysis was employed to investigate the distribution of chalcogen atoms inside the Neuro 2A cells. Sulfur atoms from the polysulfanes and the sulfur nanoparticles as well as selenium nanoparticles could be detected as part of a very preliminary study employing the EDX methodology to chalcogen-containing material. Cell fractionation was subsequently used to investigate further where the model tetrasulfane DPhTTS is located inside Neuro 2A cells. Bereits in Zeiten des Altertums wurden Knoblauch (Allium sativum), Zwiebeln (Allium cepa) und andere Pflanzen der Allium-Spezies wegen ihrer antimikrobiellen und antimykotischen Eigenschaften, sowie ihrer desinfizierenden Wirkung in vielen Kulturen weltweit eingesetzt. Die Pflanzen dieser Gattung enthalten einen hohen Anteil an hoch reaktiven, schwefelhaltigen Substanzen, die in wissenschaftlichen Versuchen bereits ein signifikantes Potential im medizinischen (z.B. in der Krebstherapie) als auch im landwirtschaftlichen (z.B. als „grüne“ Pflanzenschutzmittel) Bereich aufgezeigt haben. Das Hauptaugenmerk der hier vorliegenden Doktorarbeit lag daher auf der Vertiefung der bereits früher durchgeführten Analysen, um nähre Erkenntnisse zu den unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und Reaktivitäten der chalkogenhaltigen Naturstoffe und deren synthetischen Derivate, zu erhalten. Schwefel- und Selen- haltige Verbindungen wurden synthetisiert und in den biologischen Experimenten mit den Schwefelverbindungen verglichen, um mehr über die Reaktivität und die Verteilung der einzelnen Chalkogene in der Zelle oder weiteren biologischen Materialien (z.B. Pilzkulturen, Nematoden) zu erfahren. Innerhalb der hier vorliegenden Dissertation wurden Experimente an Nervenzellen von Nagetieren (Neuro 2A Zelllinie) und Experimente an landwirtschaftlich bedeutsamen Systemen (Botrytis cinerea, Steinernema felitae) durchgeführt, sowie grundlegende Methoden zur Kontrolle der Redox-Aktivität (Zyklische Voltammetrie) der einzelnen Verbindungen beschrieben.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Charakterisierung und Identifizierung neuer, biologischer Wirkmechanismen von schwefelhaltigen Naturprodukten (Polysulfanen), elementaren, synthetischen Nanopartikeln und hochselektiven, organochalkogenhaltigen Redoxkatalysatoren. Dabei konnte für die natürlich vorkommenden Polysulfane zum ersten Mal in humanen roten Blutzellen gezeigt werden, dass ein bislang unbekannter membranzentrierter Mechanismus und neuartige Wechselwirkungen mit Metalloproteinen für (viele der) beobachteten Aktivitäten verantwortlich sind. Hingegen wirken die organochalkogenhaltigen, chinoiden Redoxkatalysatoren selektiv auf das Zytoskelett (Tubulin/Aktin), was ihre Fähigkeit erklärt, das Wachstum von Krebszellen (selektiv) zu hemmen. In einer High-Content Analyse in verschiedenen biologischen Modellen (u.a. Krebszellen und Saccharomyces cerevisiae) wurden zum ersten Mal definierte, intrazelluläre Targets von zwei hochreaktiven tellurhaltigen Redoxkatalysatoren (2-(Phenyltellanyl)-3-methylnaphthoquinon und 2,3-Bis(phenyltellanyl)naphthoquinon) mittels moderner Methoden (u.a. markierungsfreies Monitoring von Zellen über Impedanz-Messungen) identifiziert. Die chalkogenhaltigen Nanopartikel weisen ebenfalls eine interessante biologische Aktivität (gegen Steinernema feltiae und Plasmodium falciparum) auf, die wahrscheinlich auf das besondere Redox-Verhalten dieser Nanostrukturen zurückzuführen ist und in Zukunft ebenfalls weiter erforscht werden muss. This PhD thesis describes the characterization and identification of new biological modes of action of sulfur containing natural products (polysulfanes), elemental synthetic nanoparticles and highly selective organochalcogen based redox catalysts. It could be shown for naturally occurring polysulfanes with human red blood cells, that an hitherto unknown membrane centered mode of action and new interactions with metalloproteins are responsible for (most) of the observed activities. In contrast, the organochalcogen quinoid based redox catalysts act selectively on the cytoskeleton (tubulin/actin), which explains their ability to inhibit selectively the growth of cancer cells. By using a High Content Analysis in different biological models (e.g. cancer cells and Saccharomyces cerevisiae) defined intracellular targets of highly reactive tellurium containing redox catalysts (2-(phenyltellanyl)-3-methylnaphthoquinone and 2,3-bis(phenyltellanyl)naphthoquinone) could be identified for the first time with different state of the art techniques (e.g. kinetic cell-based morphological screening via impedance measurements). The chalcogen based nanoparticles also possess an interesting biological activity (against Steinernema feltiae and Plasmodium falciparum), that is probably based on the special redox behavior of these nanostructures and has to be studied in more detail in the future.

Many human diseases are related to a disturbed balance of intracellular pro- and antioxidants, in favour of the pro-oxidants. This event is called Oxidative Stress (OS). The latter is characterised, for instance, by elevated levels of reactive species and diminished concentrations of antioxidants. The development of multifunctional redox modulators, which are able to exploit the pre-existing redox imbalance in abnormal cells promises new treatments for those diseases. Whilst healthy cells remain mostly unaffected, cell death in such abnormal cells is induced preferentially via apoptosis. Based on this notion, the first part of the present work describes the development of new redox modulators based on quinones and chalcogens. The compounds synthesised were investigated in detail regarding their toxicity and their redox-modulating and anti-inflammatory properties in various cell culture assays. These show high effiency and selectivity and hence represent a promising class of new multifunctional agents. The second part of this work addresses the synthesis and analytical characterisation of potential redox modulators based on porphyrins. Hence 12 hitherho unknown selenium-containing metal-free porphyrins were synthesised and extensively studied using UV/VIS spectroscopy, mass spectrometry and different NMR-techniques. Viele menschliche Krankheiten weisen ein gestörtes Gleichgewicht der intrazellulären Pro- und Antioxidantien zugunsten der Pro-oxidantien auf. Diese als Oxidativer Stress (OS) bezeichnete Erscheinung ist u.a. durch erhöhte Konzentrationen an reaktiven Spezies und verminderte Konzentrationen an Antioxidantien charakterisiert. Die Entwicklung multifunktioneller Redox-Modulatoren, welche mit den intrazellulären Anzeichen von unter OS-leidenden Zellen interagieren können, verspricht neue Behandlungsmöglichkeiten für solche Krankheiten. Während gesunde Zellen unbeeinflusst bleiben, wird in betroffenen Zellen der Zelltod, vorzugsweise über Apoptose, eingeleitet. Auf dieser Idee beruhend beschreibt der erste Teil der vorliegenden Arbeit die Entwicklung neuer chinon- und chalkogenhaltiger Redox-Modulatoren. Die synthestisierten Verbindungen wurden umfassend bezüglich ihrer Toxizität und ihrer redox-modulierenden und anti-entzündlichen Eigenschaften in diversen Zellkultur-Versuchen untersucht. Diese chalkogenhaltigen Chinone zeigen hohe Effizienz und Selektivität und repräsentieren somit eine neue Klasse vielversprechender Wirkstoffe. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Synthese und analytischen Charakterisierung potentieller Redox-Modulatoren auf der strukturellen Grundlage von Porphyrin. Hierfür wurden 12 neue Selen-haltige metallfreie Porphyrine synthetisiert und umfassend mittels UV/VIS Spektroskopie, Massenspektrometrie und unterschiedlichen NMR-Techniken untersucht.

Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Erforschung und Entwicklung neuer innovativer, ökonomischer und ökologischer Reinigungsmethoden, auf Basis elektrochemischer Verfahren, für Dialyseapparaturen der Firma Fresenius Medical Care. Die Dialyse spielt eine immer größere Rolle bei der Behandlung von Patienten mit Nierenversagen oder chronischen Nierenschäden. Damit nimmt auch die Bedeutung der Entwicklung und Vermarktung von kostengünstigen Reinigungsmethoden für die verwendeten Dialyseapparaturen einen immer höheren Stellenwert ein. Selbst kleinste Einsparungen können hier zu deutlichen Kostensenkungen führen und diese Behandlungsmethode daher auch für Krankenkassen und Patienten erschwinglicher machen. Die hier vorliegende Arbeit beinhaltet die chemischen und biologischen Grundlagen zur Entwicklung einer Reinigungsmethode auf Basis elektrochemischer Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und deren Anwendung im biologischen System. Des Weiteren werden chemische "Sauerstofflieferanten" zur Verstärkung der Bildung von ROS vorgestellt und elektrochemisch untersucht. Ein zweiter Abschnitt dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung und Entwicklung von neuen Wirkstoffen gegen Oxidativen Stress (OS) auf Basis chinon- und chalkogenhaltiger Derivate und der elektrochemischen Untersuchung von Redoxkatalysatoren gegen oxidativ gestresste Zellen. Schwefelhaltige Naturstoffderivate auf Grundlage des Allicins wurden auf ihre Verwendung als "grüne" Pestizide oder als potentielle Krebswirkstoffe hin analysiert und charakterisiert. The objective of this thesis was the research and development of an innovative, economicaly and environmentally friendly method for cleaning the dialysis equipment of the Fresenius Medical Care Company. Dialysis plays an increasingly important role in the treatment of patients with renal failure or chronic kidney damage. Therefore, the importance of development and commercialisation of new cost-effective cleaning methods in dialysis will also increase. Even the smallest savings can lead to significant cost reductions and this could therefore make this treatment more affordable for patients and for the health insurance funds. The present work involves the chemical and biological basis for the development of a purification method based on the electrochemical generation of reactive oxygen species (ROS) and their application in the biological system. Also presented and electrochemically investigated are chemical "oxygen suppliers" to strengthen the generation of ROS. A second section of this paper deals with the research and development of new drugs against oxidative stress (OS) (quinone-based derivatives) and the electro-chemical study of redox catalysts against oxidatively stressed cells. Sulfur-containing natural derivatives based on the allicin were investigated for their use as "green" pesticides or as potential cancer drugs.

Increased generation of reactive oxygen species (ROS) and an altered redox status have long been observed in several types of cancer. This biochemical property of cancer cells might be exploited for therapeutic benefits since it might be possible to preferentially eliminate these cells by pharmacological ROS insults. Compounds able to modulate the intracellular redox state of cells have been developed, which effectively, yet also selectively, appear to kill cancer cells. Among the various agents employed to modulate the intracellular redox state of cells, certain redox catalysts containing quinone and chalcogen moieties have shown considerable promise since they are non-toxic on their own yet develop an effective, often selective cytotoxicity. A simple synthetic method based on the Passerini and Ugi multicomponent reactions has been developed for the synthesis of multifunctional redox catalysts. This method allowed the synthesis of a representative set of agents combining two, three or even four redox centres in one molecule in a good yield. When incubated with cancer cells these multifunctional agents inhibited cell proliferation and induced both cell cycle delay and apoptotic cell death in low, often sub-micromolar concentrations. The cause was obviously OS, which was reflected by an enhanced ROS level together with a significant decrease in reduced glutathione. Interestingly, some of these redox active compounds showed quite low toxicity with normal human fibroblasts and endothelial cells, supporting the notion that such compounds might have a selective anticancer activity. Chemogenomic assays using a mutant library of Saccharomyces cerevisiae were used to look for chemical-genetic interactions. Analyzing the resulting chemical-genetic interaction profiles afforded a set of sensitive mutants. The corresponding knocked out genes of these mutants play a major role in the antioxidant defence system and are pivotal for the removal of toxic oxidants. Therefore, deletion of the respective genes might cause an OS sensitive phenotype of the mutant. These observations were in excellent agreement with the other cell-based assay performed as a part of this study. Finally, some of these compounds showed a potent antimicrobial activity evaluated against different fungal and bacterial strains. Seit langem wird in mehreren Krebsarten eine erhöhte Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und ein veränderter Redox-Status beobachtet. Diese biochemische Eigenschaft von Krebszellen könnte für therapeutische Zwecke genutzt werden, indem diese Zellen durch eine weitere Erhöhung des ROS-Levels eliminiert werden können. Wirkstoffe, die den intrazellulären Redox-Status der Zellen modulieren, wurden hier entwickelt. Diese können effektiv aber auch selektiv Krebszellen abtöten. Von den verschiedenen untersuchten Substanzen sind vor allem Redoxkatalysatoren, die Quinone- und Chalcogenreste enthalten, Erfolg versprechend. Sie sind an sich nicht toxisch, zeigen aber eine effektive und selektive Zytotoxizität. Für die Synthese von solchen multifunktionalen Redoxkatalysatoren wurde eine einfache synthetische Methode basierend auf den Passerini und Ugi Multikomponenten Reaktionen entwickelt. Diese Methode ermöglicht die Synthese eines repräsentativen Satzes von Substanzen mit hoher Ausbeute. Diese Substanzen enthalten zwei, drei oder sogar vier Redox-Zentren in einem Molekül. Diese multifunktionalen Substanzen inhibieren die Zellproliferation in Krebszelllinien. Im niedrigen micromolaren Konzentrationsbereich hemmen sie den Zellzyklus und induzieren Apoptose. Diese Wirkung wurde durch oxidativen Stress (OS) vermittelt, was durch einen erhöhten ROS-Level zusammen mit einer deutlichen Abnahme von reduziertem Glutathion belegt werden konnte. Interessanterweise zeigen diese redox-aktiven Substanzen nur geringe toxische Effekte in primären humanen Fibroblasten sowie Endothelzellen, was die Annahme unterstützt, dass diese Substanzen einen selektiven Effekt auf Tumorzellen haben. Um chemo-genetische Wechselwirkungen dieser Stoffe zu identifizieren, wurden Experimente mit einer Bibliothek von Saccharomyces cerevisiae Mutanten durchgeführt. Dabei wurden mehrere Mutanten entdeckt, die sensitiv auf diese Stoffe reagieren. Die in diesen Mutanten deletierten Gene sind besonders bei der antioxidativen Kontrolle der Zellen von Bedeutung und spielen eine Schlüsselrolle bei der Beseitigung von toxischen Oxidantien. Die Deletion solcher Gene kann zu einem Phänotyp führen, der besonders empfindlich auf oxidativen Stress reagiert. Diese Ergebnisse stützen und bestärken die aus den zellbasierten Experimenten gewonnen Daten. Schließlich zeigen einige dieser Substanzen eine starke antimikrobielle Aktivität gegen verschiedene Pilz- und Bakterienstämme.

Natural sulfur compounds from plants, bacteria, fungi and animals frequently exhibit interesting biological activities, such as antioxidant, antimicrobial and anticancer activity. Considering the recent developments in medicine (e.g. oxidative stress in ageing, antibiotic resistant bacteria, and selective anticancer agents) and Agriculture (e.g. 'green'; pesticides), several of these compounds have become the focus of interdisciplinary research. Among the various sulfur agents isolated to date, polysulfides, such as diallyltrisulfide, diallyltetrasulfide (from garlic) and dipropyltrisulfide, dipropyltetrasulfide (from onion), are of particular interest, since they combine an unusual chemistry and biochemical mode(s) of action with a distinct biological activity, which includes antimicrobial activity and cytotoxicity against certain cancer cells. As part of this PhD thesis, the activity of diallyltrisulfide and diallyltetrasulfide against the fairly 'robust'; Caco-2 colon cancer cell line and induction of apoptosis and cell cycle arrest in U937 cells have been confirmed. Accordingly, diallyltetrasulfide triggered the programmed cancer cell death- both via the extrinsic and intrinsic pathway. Similarly, these polysulfides showed a good activity in nematode toxicity assays considering them as potential green nematicides. Controls with the long chain carbon analogue 1,9-decadiene eliminate the possibility of solely lipophilic effects of diallyltetrasulfide and, together with the 'ranking'; of activity, point toward a special sulfur redox chemistry which emerges when shifting from the di- to the trisulfide. The electrochemical studies and thiol oxidation assays, however, count against the notion of diallyltrisulfide and diallyltetrasulfide as effective oxidants. On the contrary, the rather negative oxidation and reduction potentials associated with these agents point toward a reducing chemistry, which is confirmed in the Nitrotetrazolium Blue assay. It is therefore likely that diallyltrisulfide and diallyltetrasulfide are reduced inside the cancer cells to perthiols and hydropolysulfides, which in turn trigger a lethal oxidative burst via superoxide radical anion formation. Further interdisciplinary studies are required to investigate in more detail the rather complicated chemical and biochemical processes which ultimately may explain the biological activity which is clearly associated with many natural polysulfides. Natürliche Schwefelverbindungen von Pflanzen, Bakterien, Pilzen und Tieren zeigen oft interessante biologische Aktivitäten, wie antioxidative, antimikrobiale und Antikrebs-Wirkungen. Angesichts der derzeitigen Entwicklung in Medizin (z.B. oxidativer Stress beim Alterungsprozess, gegen Antibiotika resistente Bakterien und selektive Antikrebs-Mittel) und Landwirtschaft (z.B. "grüne" Pestizide) haben verschiedene dieser Verbindungen ein besondeses Augenmerk in interdisziplinärer Forschung erhalten. Unter diversen bislang isolierten Schwefel-Agenzien sind Polysulfide, wie Diallyltrisulfid, Diallyltetrasulfid (von Knoblauch), so wie Dipropyltrisulfid und Dipropyltetrasulfid (von Zwiebeln) von besonderem Interesse, und diese Verbindungen vereinen eine ungewöhnliche Chemie und biochemische Wirkungsweise mit einer ausgeprägten biologischen Aktivität, welche antimikrobiale Aktivität and Zytotoxizität gegenüber bestimmten Krebszellen umfasst, Als Teil dieser Dissertation wurde die Aktivität von Diallyltrisulfid und Diallyltetrasulfid gegen die "robuste" Caco-2 Darmkrebs-Zellinie, so wie die Induktion von Apoptose und Zellzyklus-Arrest in U937-Zellen bestätigt. Dementsprechend löst Diallyltetrasulfid programmierten Zelltod über den extrinsischen als auch den intrinsischen Weg aus. Gleichermaßen zeigten diese Polysulfide eine gute Aktivität im Nematoden-Toxizitäts-Assay, welches sie als potenzielle grüne Nematizide im Betracht ziehen lässt. Durch Kontrollen mit dem langkettigen Kohlenstoff-Analogen 1,9-Decadien lässt sich die Möglichkeit der alleinigen lipophilen Effekte von Diallytetrasulfid ausschließen, was zusammen mit dem "Ranking" der Aktivitäten auf eine besondere Schwefel-Redoxchemie hindeutet, wie sie beim Übergang vom Di- zum Trisulfid auftritt. Die elektrochemischen Studien und Thiol-Oxidations-Assays sprechen gegen Diallyltrisulfid und Diallyltetrasulfid als effektive Oxidantien. Im Gegensatz, die eher negativen Oxidations- und Reduktionspotentiale deuten auf eine Reduktionschemie hin, welches durch das Nitrotetrazoliumblau-Assay bestätigt wurde. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass Diallyltrisulfid und Diallyltetrasulfid in Krebszellen zu Perthiolen und Hydropolysulfiden reduziert werden, die wiederum einen letalen oxidativen Burst durch Superoxid-Radikalanionen-Bildung auslösen.

Flavonoids form a family of well known natural products present in most of the plant families. More than 8000 different flavonoids have been isolated from their natural source to date. The structural variations of these flavonoids are associated with many different biological and pharmacological activities, including anticancer activity, protection against cancer formation (chemo-protection), antioxidant activity, cardiovascular and hepatic protection, antibacterial, antifungal and antiviral activity. Flavonoids have also been reported to play an important role in hormone-related female diseases, such as breast cancer and menopausal syndrome. Natural flavonoids have therefore been subjected to many chemical modifications in order to improve their activity. As part of this thesis, I have added moieties such as an amino alkyl chain, selenium and tellurium containing moieties. As part of an approach to generate flavonoid derivatives more active and specific toward cancer cells, addition of a chromene ring (ring D) to the flavonoid core structure resulted in chromeneflavone derivative. Aromatase is a group of cytochrome P450 enzymes responsible for the biosynthesis of estrogen, the main stimulant of breast cancer cell growth. Some of the flavonoid derivatives tested (natural as well as synthetic) turned out to be good aromatase inhibitors and may be studied further in the treatment of breast cancer. Ten natural products in addition to 38 synthetic flavonoid derivatives were subjected to various in vivo and in vitro bioassays in order to understand the various antioxidant, cytotoxic and aromatase inhibiting properties associated with these compounds. Die Familie der Flavonoide ist als Naturprodukte sehr gut bekannt und findet sich in einem Großteil der Pflanzenfamilie wieder. Mehr als 8000 verschiedene Flavonoide wurden zum jetzigen Zeitpunkt aus Quellen natürlichen Ursprungs isoliert. Die strukturellen Unterschiede dieser Flavonoide, sowie deren Wirkung gegen Krebs, Schutz vor Krebsentstehung, Antioxidantien-Aktivität, kardiovaskulärer und hepatischer Schutz sowie antibakterielle, antifungizide als auch antivirale Aktivität, spiegeln sich in verschiedenen biologischen und pharmakologischen Aktivitäten wider. Flavonoide spielen zudem bei hormonell bedingten Erkrankungen, die überwiegend bei Frauen auftreten, wie z.B. Brustkrebs oder das menopausale Syndrom, eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wurden natürliche Flavonoide für diese Studien ausgesucht, die chemisch modifiziert worden sind, um deren Aktivität erhöhen zu können. Als Teil dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Reste, wie z.B. Aminoalkylketten, Selen sowie auch Tellur hinzugefügt. Um eine höhere Aktivität sowie Spezifität der Flavonoid-Derivate gegenüber Krebszellen erzielen zu können, wurde das Flavonoid-Grundgerüst mit einem Chromen-Ring (Ring D) ergänzt. Aromatase gehört zur Gruppe der Cytochrom P450 Enzyme, die für die Biosynthese von Östrogen verantwortlich sind, einem wichtigen Förderer des Wachstums von Brustkrebs- Zellen. Sowohl natürliche als auch synthetische Flavonoid-Derivate stellten sich als gute Aromatase-Inhibitoren heraus and könnten später vielleicht in der Brustkrebs-Therapie eingesetzt werden. Zehn natürliche Produkte sowie 38 auf synthetischem Wege hergestellte Derivate wurden in verschiedenen in vivo und in vitro Bioassays eingesetzt, um die antioxidativen, cytotoxischen, als auch die Aromatase inhibierenden Eigenschaften besser verstehen zu können.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erforschung neuartiger Wirkstoffe, gegen Krankheiten bei denen oxidativer Stress (OS) auftritt. Dazu gehören Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer oder Rheumatoide Arthritis. Auch Krebs wird mit dem Überwiegen von Pro- gegenüber Antioxidantien in Zusammenhang gebracht. Im Kampf gegen Oxidantien spielen Katalysatoren, die natürliche Enzyme nachahmen können, eine wichtige Rolle. Da nicht nur Superoxidanionen und Wasserstoffperoxid, sondern auch labile Metallionen OS verursachen, sollen multifunktional gebaute Moleküle, die katalytische mit metallbindenden Eigenschaften vereinen, OS als Multi-Stressoren-Ereignis optimal bekämpfen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf Krebswirkstoffen. Von besonderem Interesse sind effektive und vor allem selektive katalytische Wirkstoffe, mit Glutathion-Peroxidase-ähnlicher Aktivität. Die "intelligenten" Katalysatoren sollen auf oxidativ gestresste Krebszellen angepasst sein, aber nicht zytotoxisch auf Zellen mit normalen Redoxverhältnissen wirken. Eine Reihe von multifuktional gebauten Wirkstoffen, auf Basis von Chalkogen- und Chinon-Redoxzentren sowie Makrozyklen, wurde synthetisiert und in Zellkulturstudien untersucht. Zu den vielversprechendsten Stukturen gehören zwei Verbindungen, welche einen Schutz vor dem mit OS assoziierten Zelltod vermitteln. Mehrere Verbindungen konnten gefunden werden, die Krebszellen mit erhöhten intrazellulären Konzentrationen an oxidativen Stressoren selektiv töten. The thesis covers the development of new active agents against illnesses which are associated with oxidative stress (OS). Parkinson's disease, Alzheimer's disease or Rheumatoid Arthritis do belong to it. Cancer is as well associated with the overbalance of pro- against antioxidants. Catalysts which mimic natural enzyms play an important role in modern drug development. Not only superoxide anions and hydrogen peroxide but also labile metal ions can cause OS. Multifunctional molecules, which combine catalytic and metal binding properties should treat OS as multi-stressor event in an optimal way. Another focal point are drugs for cancer therapy. Of special interest are effective and above all selective catalytic agents with gluthatione peroxidase-like activity. The "intelligent" catalysts should distinguish between cancer cells under OS and cells under normal redox conditions. A range of multifunctional built drugs has been synthesized containing chalkogen and quinone redox centers as well as macrocycles, and explored in cell culture studies. To the most promising stuctures belong two compounds, which protect cells from cell death caused by OS. Several compounds are able to kill cancer cells selectively, that are more oxidatively stressed.