Biomarker lebensmittel- und umweltrelevanter Xenobiotika

Analytik von Glutathionkonjugaten und Mercaptursäuren

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Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) repräsentieren eine Klasse von Xenobiotika, die – neben anderen Quellen – in unterschiedlichen Arten von Lebensmitteln auftreten. Nach der Nahrungsaufnahme werden die PAK bereits beim Passieren des Gastrointestinaltraktes durch Phase-I- und Phase-II-Enzyme metabolisiert. Die hierbei gebildeten Metaboliten unterliegen anschließend einem Transport durch die in den Epithelzellen entlang des Verdauungstraktes lokalisierten Proteine der ATP-binding cassette-Familie. PAK können über ihre jeweiligen Dihydrodiole zu den biologisch aktiven Dihydrodiolepoxiden umgesetzt werden, welche über die Fähigkeit verfügen, genotoxische DNA-Addukte zu bilden. Es besteht jedoch die Möglichkeit der Detoxifizierung der Dihydrodiolepoxide durch Konjugationsreaktionen mit Glutathion (GSH) sowie einer nachfolgenden Exkretion der gebildeten Konjugate aus der Zelle.
Mit dem Ziel der Bestimmung von GSH-Konjugaten der kanzerogenen PAK Benzo[a]pyren (B[a]P), Dibenzo[a,l]pyren (DB[a,l]P) und Benzo©phenanthren (B©Phe) wurden spezifische LC-ESI-MS/MS-Methoden entwickelt. Medium- und Zellextraktproben von Caco-2-Zellkulturen, die mit den Dihydrodiolen oder Dihydrodiolepoxiden eines jeweiligen PAK zuvor inkubiert worden waren, unterlagen zunächst einem Aufreinigungsschritt mittels Festphasenextraktion (SPE). Für die Quantifizierung der GSH-Konjugate erwies sich die LC MS/MS-Technik im Selected Reaction Monitoring (SRM)-Modus aufgrund der guten Sensitivität und Selektivität als am besten geeignet. Während dieses Prozesses erfolgte eine Fragmentierungsreaktion des jeweiligen Molekül-Ions zu seinem korrespondierenden Daughter-Ion. Zusätzliche massenspektrometrische Scan-Modi, wie der Daughter Scan (DAU)-Modus, fanden im Rahmen von Strukturaufklärungen Anwendung.
Die Detoxifizierung mittels GSH-Konjugation konnte im Caco-2-Zellmodell für die Substanzklasse der PAK anhand ihrer Vertreter B[a]P, DB[a,l]P und B©Phe mit der entwickelten Analytik erfolgreich untersucht werden. Hierbei lag der Fokus auf der Entgiftung der ultimal kanzerogenen Dihydrodiolepoxide (+)-anti-BPDE, (-)-anti-DBPDE sowie (-)-anti-BcPheDE. Dieser Prozess beinhaltete sowohl die Bildung der GSH-Konjugate als auch deren Transport aus der Caco-2-Zelle in das umgebende Medium, der im TranswellTM-System überwiegend in basolateraler Richtung erfolgte und daher einer Exkretion in Richtung Blutkreislauf gleichzusetzen war. Das entwickelte analytische Verfahren erlaubte folglich die Durchführung von Transportexperimenten in Zellkultur, ohne dass isotopenmarkierte Substanzen eingesetzt werden mussten.
Durch Vorbehandlung des Zellsystems mit spezifischen Hemmstoffen konnten die Multidrug Resistance-associated Proteins und nicht das Breast Cancer Resistance Protein als verantwortliche Transporter von GSH-Konjugaten identifiziert werden. Einflüsse ausgewählter Substanzen mit chemopräventivem Potential, wie Oltipraz, Quercetin und Butyrat, bewirkten überdies detoxifizierungs-fördernde Effekte durch Induktion der GSH-Konjugat-Transportrate. Des Weiteren gaben Inkubationen von Caco-2-Zellen mit den Mutterkohlenwasserstoffen B[a]P, DB[a,l]P und B©Phe Aufschluss über die metabolische Kompetenz der Zellen und das jeweilige Gesamtmetabolitenprofil.
Typische niedermolekulare aromatische Kohlenwasserstoffe mit nur einem Ringsystem sind Benzol und Toluol, die auch zu den volatile organic compounds (VOC) gezählt werden. Die genannten VOC können über Lebensmittel aufgenommen werden, wobei die Produkte durch eine externe Kontamination belastet sein können. Im Falle des Benzols wird auch eine mögliche Bildung aus dem Konservierungsstoff Benzoesäure diskutiert. Darüber hinaus sind ebenfalls inhalative Belastungen durch Abgase sowie speziell bei Rauchern der Zigarettenrauch als Hauptaufnahmequelle für Benzol anzuführen. Nach Inhalation, dermaler oder oraler Exposition werden Benzol und Toluol im menschlichen Körper zu ihren korrespondierenden Mercaptursäuren verstoffwechselt, die neben anderen Metaboliten mit dem Urin ausgeschieden werden. Dieser Detoxifizierungsprozess kann für analytische Untersuchungen im Sinne der Bestimmung von Belastungsmarkern herangezogen werden und stellt gleichzeitig eine nicht-invasive Technik dar. Dem Clean-Up der Urinproben mittels SPE wurde eine Schwefelsäurebehandlung der Urine vorgeschaltet, um eine quantitative Umwandlung von prä-Mercaptursäuren in Mercaptursäuren zu erreichen. Mit dieser entwickelten Methode ließ sich folglich der Gesamtgehalt an S-Phenylmercaptursäure (S PMA) ermitteln. Zur Bestimmung der als Biomarker fungierenden Mercaptursäuren diente die LC-MS/MS-Technik, wobei aufgrund der hohen Empfindlichkeit ebenfalls der SRM-Modus zum Einsatz gelangte. Die im Vergleich zu Nichtrauchern in Raucher-Urinen gefundenen höheren S-PMA-Gehalte verdeutlichen einen stärkeren Belastungsgrad der Raucher mit Benzol. Demgegenüber ließen sich in Raucher- und Nichtraucher-Urinen vergleichbare Konzentrationen der S-Benzylmercaptursäure nachweisen, was möglicherweise auf eine ähnliche Belastung mit Toluol schließen lässt. Die S-Naphthylmercaptursäure als Biomarker des PAKs Naphthalin konnte im Zuge der Untersuchungen nicht detektiert werden.
Die entwickelte Methode wurde darüber hinaus zu einer qualitativen Analyse weiterer Mercaptursäuren lebensmittelrelevanter Fremdstoffe herangezogen. Die zusätzlich zum massenspektrometrischen SRM-Modus eingesetzten DAU- und Constant Neutral Loss (CNL)-Modi detektierten hierbei die charakteristischen Masse/Ladungs-Verhältnisse der Mercaptursäuren von Glycidamid, Glycidol und Acrolein. Dabei zeigte sich aufgrund gruppenspezifischer Fragmente eine mögliche Anwendbarkeit der Methode auch für unbekannte Mercaptursäuren.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass die in der vorliegenden Arbeit entwickelten analytischen Methoden eine selektive und sensitive Bestimmung von sowohl GSH-Konjugaten als auch Mercaptursäuren unter in-vitro- und in-vivo-Bedingungen mittels LC MS/MS erlauben, welche als Biomarker einer Entgiftung intermediärer reaktiver Metaboliten von kanzerogenen Fremdstoffen große Aufmerksamkeit verdienen.