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Seltene Erden, eine Gruppe von 17 Übergangsmetallen aus der dritten Nebengruppe des Periodensystems, zu denen unter anderem Lanthan sowie die 14 Lanthanoide von Cer bis Lutetium zählen, werden in China schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich in der Tierernährung eingesetzt. Sie werden dort zur Ertrags- und Leistungssteigerung in der Tierproduktion dem Tierfutter beigemengt. So finden sich zahlreiche chinesische Veröffentlichungen, in denen beim Einsatz von Seltenen Erden deutliche Leistungssteigerungen bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Tierarten beobachtet werden konnten. In bisherigen Versuchen an unserem Lehrstuhl für Tierernährung und Diätetik der Tierärztlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München konnten auch unter westlichen Haltungs- und Fütterungsbedingungen leistungssteigernde Effekte durch Gemische Seltener Erden bei Schweinen, Broilern und Ratten nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals sowohl verschiedene Gemische als auch ein einzelnes Seltenes-Erden-Element in jeweils unterschiedlichen Dosierungen und chemischen Verbindungen in mehreren Fütterungsversuchen mit Ratten und Broilern auf ihre Auswirkungen auf Leistungsparameter sowie auf den Intermediärstoffwechsel untersucht. In zwei Fütterungsversuchen mit insgesamt 560 Ratten, die in 56 Versuchsgruppen (n=10) eingeteilt waren, konnten keine positiven Auswirkungen durch eine Supplementierung des Futters mit Seltenen Erden auf Mastleistungsparameter beobachtet werden. Ein Einfluss der Seltenen Erden auf den Intermediärstoffwechsel der Ratten konnte anhand unserer Untersuchungen unter den von uns gewählten Fütterungs- und Haltungsbedingungen nicht bestätigt werden. Des Weiteren wurden zwei Fütterungsversuche mit jeweils 76 Broilern durchgeführt. Hierbei konnte in einem der Versuche durch den Einsatz eines Gemisches an Seltenen Erden eine signifikante Erhöhung der Gewichtszunahmen von bis zu 13 % beobachtet werden. Ebenso kam es zu einer signifikanten Verbesserung der Futterverwertung um bis zu 3,9 %.

In der vorliegenden Studie wurde erstmals der knochenprotektive Effekt von Seltenen Erden im Osteoporosemodell der ovariektomierten Ratte untersucht. Bei den Seltenen Erden handelt es sich um 17 chemische Elemente, die zur dritten Nebengruppe des Periodensystems gehören. Die Studie wurde als Fütterungsversuch an 60 weiblichen Wistar Han Ratten über einen Zeitraum von 6 Monaten durchgeführt. Die Versuchstiere wurden in eine scheinoperierte Postivkontrollgruppe (SHAM), eine ovariektomierte, aber nicht therapierte Negativkontrollgruppe (OVX) und in vier ovariektomierte Therapiegruppen eingeteilt. Von den vier Therapiegruppen erhielten zwei Gruppen reines Lanthancarbonat (1740 mg/kg Futter) und zwei Gruppen eine Seltene-Erd-Citrat Mischung (8000 mg/kg Futter). Zudem wurde jeweils eine der beiden Wirkstoffgruppen mit zusätzlich 1500 I.E. Vitamin D supplementiert. Jede Gruppe umfasste 10 Tiere. Als Parameter für die Knochenformation wurde Osteocalcin im Serum und als Parameter für die Knochenresorption wurden die Collagencrosslinks Pyridinolin und Desoxypyridinolin im Urin bestimmt. Die Probenahme erfolgte dabei einmal pro Monat. Um die direkte Wirkung der Seltenen Erden auf den Knochen zu untersuchen, wurde post mortem die Knochenmasse, die Knochenlänge und der Knochenaschegehalt mit seinem Gehalt an Calcium, Phosphor und Magnesium bestimmt. Die Dichte und Architektur des Knochens wurden mit Hilfe der Knochendichtemessung mittels Peripherer Quantitativer Computertomographie und Microcomputertomographie gemessen. Um mögliche Veränderungen der Organe durch die Applikation der Seltenen Erden in der gewählten Dosierung beurteilen zu können, wurden post mortem die Organgewichte von den Kreislauforganen Herz und Lunge, sowie von den Stoffwechselorganen Niere und Leber bestimmt. Außerdem wurde die Calcium- und Phosphorkonzentration der Herzen und der Lebern bestimmt. Die Ergebnisse der Studie zeigen bei den meisten gemessenen Parametern, dass die eingesetzten Seltenen Erden über einen knochenprotektiven Effekt verfügen. Ein zusätzlicher additiver Effekt von Vitamin D bestand dabei jedoch nicht. So konnte in jeder der Therapiegruppen der durch die Ovariektomie entgleiste Knochenstoffwechsel positiv beeinflusst werden. Ein antiresorptiver Effekt und eine Aktivierung der Osteoblasten konnten nachgewiesen werden. Dies führte desweiteren zu einer signifikanten Erhöhung des Calciumgehaltes der Knochenasche. Darüberhinausgehend wurde auch die Knochendichte positiv beeinflusst. Es kann also zusammenfassend festgestellt werden, dass die Seltenen Erden in dieser Studie knochenprotektive Eigenschaften gezeigt haben. Somit ist zu überlegen, ob Seltene Erden eine Alternative zu den bisher eingesetzten Prophylaktika und Therapeutika in der Osteoporose darstellen könnten.

= u Beginn dieser Arbeit wurde den Hinweisen nachgegangen, daß Pd(II)-Zentren in der Lage sind, die Bildung von Peptidbindungen aus nicht aktivierten Aminosäureestern zu vermitteln. Dies führte zu der Charakterisierung der Verbindungen 1-5, die sich durch die Koordination der Ester-Carbonylgruppe am Metallzentrum auszeichnen. Die Aktivierung der Carbonyl-Gruppen läßt sich durch die starke Verschiebung der C=O-Banden nach kleineren Wellenzahlen im IR-Spektrum belegen.In einer Folgereaktion kann durch Umsatz mit einem Überschuß an Wasser das Hydrolyse-Produkt 6 isoliert werden. Bei Versuchen mit Butylamin als Reaktionspartner bleibt die Carbonsäureester-Gruppe im Molekül erhalten. Die Bildung einer Amid-Bindung wird nicht beobachtet. Beim Umsatz von Glycinester mit der Komplex-Verbindung (en)PdCl2, die von Kostic zur sequenzspezifischen Hydrolyse von Peptiden eingesetzt wurde, konnte Verbindung 7 erthalten werden. Die Bildung eines Peptids am Komplex wird nicht beobachtet. Die Reihe von Metallionen für die bekannt ist, daß sie Aminosäureester aktivieren können, und damit eine katalytische Peptidbildung ermöglichen, konnte in dieser Arbeit wesentlich erweitert werden. Neu untersucht wurden die Metallverbindungen aus der Gruppe der Seltenen Erden, aber auch andere starke Lewis-Säuren, wie die Chloride der Metalle der vierten, fünften, und sechsten Nebengruppe in ihren jeweils höchsten Oxidationsstufen. Der Schlüssel hierfür ist die Verwendung des wenig koordinierenden Lösungsmittels Dichlormethan. In der Reihe der dreiwertigen Metallionen ergibt sich mit geringen Abweichungen eine Abhängigkeit der Peptidausbeute von dem effektiven Ionenradius. Je kleiner der Ionenradius, desto höher ist das Verhältnis Z/r (Ladung/Radius), und desto effektiver ist die Aktivierung der Aminosäureester. Hier ragen vor allem die „klassischen“ Lewis-Säuren Al 3+ und Fe 3+ heraus. Das Resultat, das für Fe 3+ -Ionen (Umsatz von Glycinester zu 82 %) erzielt wurde, ist höher als jedes andere, das unter diesen Reaktionsbedingungen bisher verzeichnet wurde. Die Ausbeuten der Metallionen aus der Gruppe der Seltenen Erden litten unter einer im Laufe der Zeit zunehmenden Vergiftung des Katalysators durch Komplexbildung. Kinetische und analytische Untersuchungen belegen dies. In der Gruppe der vierwertigen Metallionen wurden mit HfCl4 und ZrCl4 hohe Ausbeuten (um 60 %) erzielt. Dieses Ergebnis zeigt die Verwandtschaft zu der katalytischen Veresterung von Carbonsäuren, für die in einem Screening vor allem Hf 4+ hervorragende Ergebnisse erbrachte. Übergangsmetallchloride mit den Oxidationsstufen V und VI konnten diese Resultate nicht erreichen. Probleme bereiten hier beispielsweise Redox-Instabilitäten der höchsten Oxidationsstufe. Betrachtet man die Ergebnisse innerhalb der Gruppen, so ist eine Abhängigkeit der Ausbeute von der thermodynamischen Stärke der M-N-Bindung zu beobachten. Schließlich konnte die Abhängigkeit der Ausbeute von dem sterischen Anspruch der Aminosäure-Seitenkette, die schon für die Cu 2+ -Katalyse bekannt war, auch für das Zr 4+ nachgewiesen werden. Selbst funktionelle Seitenketten, wie im Histidin vorhanden, konnten die Peptidbildung im Fall der Zr 4+ -Katalyse nicht unterdrücken. Die Erweiterung des Konzeptes der templat-gesteuerten Cyclotetrapeptid-Synthesen führte zur Darstellung der Asparaginsäure enthaltenden makrocyclischen Komplexen 8 und 9. In dieser Synthese wird der Templat-Effekt in doppelter Weise ausgenutzt. Das Metallion schafft nicht nur die räumliche Nähe und die Aktivierung der zunächst nicht reaktiven Edukt-Peptidester, sondern legt auch die Ringgröße auf die begünstigte Zahl von 14 Gliedern fest. Verbindung 8 konnte erfolgreich zum vierfach geladenen Komplexanion 10 hydrolysiert werden. 10 sollte sich nach Austausch der PPN + -Kationen gegen Na + durch eine verbesserte Wasserlöslichkeit auszeichnen, die wichtig ist für potentielle Anwendungen (z.B. als Röntgenkontrastmittel). Mit Verbindung 11 konnte ein Cyclopeptidkomplex mit Glutaminsäure-Komponenten dargestellt werden. Unter Vermeidung des zu gespannten 12-gliedrigen Rings bildet sich ein größerer Zyklus mit 16 Atomen um das Pd(II)-Ion. Positioniert man den funktionellen Aminosäureester am Amino-Terminus des Edukt- Dipeptids in Kombination mit einer ß-Aminosäure-Einheit, so erhält man mit 12 und 13 Cyclopeptidkomplexe, deren Seitenketten im Vergleich zu denen von 8 und 9 um eine Methylen-Gruppe verlängert sind. Werden ungeschützte, Stickstoff-enthaltende Aminosäuren als Komponenten in der Cyclotetrapeptid-Synthese eingesetzt, können nur offenkettige Peptidkomplexe wie 14 isoliert werden. Das starke Koordinationsvermögen der Seitenkette verhindert die Ausbildung der Cyclopeptid-Vorläufer-Komplexe. Schützt man hingegen das Amino-Ende von Ornithin oder Lysin, so ist der Ringschluß möglich und es können die Komplexe 15-17 isoliert werden. Aus 17 kann in einem weiteren Schritt durch Einwirkung von HCl das freie Cyclotetrapeptid von dem Metallion abgespalten werden. Aufgrund der geringen Löslichkeit des noch Boc-geschützten cyclischen Peptids 18 gelingt die Freisetzung der Amino-Gruppe der Seitenkette erst unter Einwirkung von TFA. Ausgehend von Verbindung 9 konnte ein weiteres Beispiel für die -C-Hydroxylierung der Glycinkomponente in Ni-Cyclotetrapeptidkomplexen unter Lufteinwirkung gesichert werden, die stufenweise erfolgt (21b und 22b). Von 21a konnte nach vielen Versuchen ein Kristall gewonnen werden, dessen Qualität für die Röntgen- strukturanalyse hinreichend war. Mit Verbindung 24 wurde erstmals ein ungeladener Cyclopeptid-Komplex isoliert, dessen Ligand teilweise protoniert ist.