Matthias Höpfner

Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Quarzmikrowaage für pharmazeutisch analytische Fragestellungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 21.02.05

Abstract
Die vorliegende Arbeit zeigt Anwendungen der Quarzmikrowaage für pharmazeutisch analytische Fragestellungen. Im theoretischen Teil wird ein umfassender Überblick über den aktuellen Kenntnisstand bezüglich der Anwendung der QCM-Technik auf die Analyse von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung sowie die Adhäsion von Zellen und von supramolekularen Systemen mit Oberflächen gegeben.
Im experimentellen Teil wird auf Verbesserungen der vorhandenen Quarztechnik eingegangen. Insbesondere die Immobilisierung von biologischen Liganden wurde verbessert und zwei Methoden werden für die Verankerung von Proteinen empfohlen. Es wird eine Methode zur Bestimmung von kinetischen Bindungskonstanten aus den Frequenzverläufen vorgesellt und Ergebnisse für die Bindungspaare Avidin-Biotin und mono-/polyklonaler Antikörper-Antigen gezeigt. Anhand dieser Resultate wird die Eignung der Quarzmikrowaagentechnik für die Ermittlung von Bindungskonstanten verdeutlicht. In einem weiteren Teil wird auf Selektin-vermittelte Zelladhäsion und deren Detektion mit der QCM-Technik eingegangen. Hier zeigte sich nur eine begrenzte Einsetzbarkeit der Quarzmikrowaage. Dagegen konnte eine hervorragende Eignung der Quarzmikrowaage zur Detektion von liposomalen Adhäsionsereignissen an Oberflächen gefunden werden. Insbesondere die zusätzliche Dämpfungserfassung liefert entscheidende Details über das Adhäsionsverhalten von Liposomen an Oberflächen.
Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass die Quarzmikrowaagentechnik eine aussichtsreiche und zukunftsträchtige Messtechnik für die pharmazeutische Analytik darstellt, was anhand vielfältiger Anwendungsbeispiele gezeigt wird.

In this work it will be shown, that quartz crystal microbalance is a suitable tool for pharmaceutical analytics. In the first part an overview is given about applying the QCM-technique for investigation of ligand-receptor-interaction, adhesion of cells and supramolecular systems to surfaces.
In the experimental part improvements of the QCM-apparatus will be introduced. The focus is set on the immobilizing of ligands and two methods for anchoring proteins to the sensor surface will be applied. A method for estimating binding kinetics from frequency to time plots will be introduced and results for the Avidin-Biotin-system and mono-and polyclonal antibody-antigen-interaction are presented. These results will show that the quartz crystal microbalance is a suitable tool for the easy determining of binding constants. The next part of this work deals with selectin-mediated cell adhesion. Unfortunately, it must be seen that QCM is somewhat limited in the detection of cell adhesion. Nethertheless, it could be shown that QCM is a very suitable tool for the investigation of liposomal adhesion phenomena to surfaces. Especially the additional damping analysis provides further details about adhesion properties of liposomes to surfaces.
With many applications of the Quartz crystal microbalance the power and usefulness of this measuring technique for pharmaceutical analytics is shown.

Keywords:
QCM, Quarzmikrowaage, Dämpfung, Adhäsion, Bindungskonstanten, Kinetik, Zelladhäsion, Selektine, Liposomen

QCM, quartz crystal microbalance, damping analysis, adhesion, binding kinetics, cells, liposomes, selectins

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Gliederung, Abkürzungsverzeichnis (1-5)
1. Einleitung (6)
2. Theoretischer Teil (7-44)
3. Zielstellung (45-46)
4. Materialien und Methoden (47-52)
5. Ergebnisse und Diskussion (53-116)
6. Zusammenfassung (117-119)
Literaturverzeichnis (120-130)