LC-HRMS Metabolomik zur Untersuchung des Exposoms

Der Begriff Exposom umschreibt die Gesamtheit aller chemischen Belastungen, denen ein Mensch im Laufe seines Lebens ausgesetzt ist. Die Messung des chemischen Exposoms ist aufwendig und complex, ganzheitliche Ansätze sind daher bisher nicht verfügbar. Neuartige Analyseansätze auf Grundlage der Metabolomik und unter Verwendung der hochauflösenden Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC-HRMS) für die Analyse fremder chemischer Substanzen in menschlichen Proben, wie Urin und Blut, erscheinen deshalb von besonderer Relevanz. Pestizide, Tierarzneimittel und Mykotoxine sind körperfremde Moleküle, die häufig in die Nahrungskette gelangen und potenzielle toxische Wirkung auf die menschliche Gesundheit haben können (Krebs, Hormonveränderungen, antimikrobielle Resistenzen und Einfluss auf das Immunsystem). Im Normallfall sind wir Menschen einem Cocktail dieser unerwünschten Moleküle durch unsere Nahrung und Umwelt ausgesetzt. Glücklicherweise sind die Belastungen in Europa meist von geringer Konzentration als beispielsweise in asiatischen Regionen mit teilweise schlecht kontrollierter Lebensmittelsicherheit. Trotzdem ist es von hoher Bedeutung, ihre Exposition auch bei uns ganzheitlich und langfristig zu bewerten, um das chemische Exposom und seinen Einfluss auf die Gesundheit des Menschen besser zu verstehen. Aktuell gibt keine Messmethode, mit der man eine umfassende Exposomanalyse einschließlich verschiedener Vertreter der Klassen Pestizide, Tierarzneimittel und Mykotoxine durchführen kann. Ziel des Projekts ist daher die Etablierung eines neuen analytischen Ansatzes bei dem man moderne Massenspektrometer zur Untersuchung dieser Chemikalien in menschlichen Proben (Plasma, Urin und Muttermilch) verwendet. Die zu entwickelnde Methode wird in weiterer Folge verwendet, um anhand von Proben aus Bangladesch einen möglichen Zusammenhang der Fremdstoffbelastung mit dem Leberkrebsrisiko in einer Kohortestudie zu untersuchen. Das Projekt wird in neuen Erkenntnissen in den Bereichen der analytische Chemie, Lebensmittelsicherheit und Umweltgesundheit resultieren. Weiters wird das Projekt die zukünftige Forschungsrichtung für andere, weniger untersuchte, aber potenziell toxische Chemikalien innerhalb des Expositionsparadigmas anleiten und umfassenderes Wissen darüber liefern, wie chemische Exposition mit der Entdeckung von Biomarkern und menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht werden könnte. Das Projekt wird von Meitner-Fellow Dr. Zakir Hossain unter der Supervision von Prof. Benedikt Warth im Global Exposomics and Biomonitoring Labor des Instituts für Lebensmittelchemie und Toxikologie der Universität Wien und in Zusammenarbeit mit zwei Partnerorganisationen in Bangladesch durchgeführt.

Der Mensch ist im Laufe seines Lebens einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt. Das chemische Exposom umfasst die Gesamtheit all dieser Expositionen. Die Charakterisierung des chemischen Exposoms ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe und erfordert empfindliche analytische Methoden des menschlichen Biomonitorings unter Verwendung neuartiger Massenspektrometrie- und Datenanalysetools. Die Messung chemischer Belastungen ist wichtig, um potenzielle Belastungen und deren gesundheitliche Auswirkungen ganzheitlich zu verstehen. Im Forschungsprojekt "LC-HRMS Metabolomik zur Untersuchung des Exposoms" wurde eine Human-Biomonitoring Methode für 13 verschiedene Fremdstoffklassen entwickelt, darunter mehr als 40 Tierarzneimittel (VDs) und Pestizide. Diese erweiterte Analysemethode nutzt ein Flüssigkeitschromatographiesystem (LC), gekoppelt mit einem Tandemmassenspektrometer (MS/MS). Massenspektrometrische Parameter wie Precursorion (Q1), Tragmention (Q3), Declustering-Potenzial und Kollisionsenergie wurden optimiert. In einem einzigen Analyselauf können so nun mehr als 120 analysierte Xenobiotika in Urin nachgewiesen werden. Die Spezifität, Matrixeffekte, Linearität und Sensitivität (Quantifizierungs- und Nachweisgrenze) der Methode wurden berechnet. Anschließend wurde der etablierte Arbeitsablauf erfolgreich angewendet, um 445 Urinproben einer Kohorte schwangerer Frauen aus Bangladesch zu analysieren, um Expositionsmuster näher zu untersuchen. In etwa 50% der untersuchten Analyten wurden in mindestens einer Urinprobe nachgewiesen, mit einer mittleren Nachweishäufigkeit von 17%. Die untersuchte Kohorte ermöglichte es erstmals, das Expositionsrisiko in Bangladesch ganzheitlich einzuschätzen. Das Projekt führte zu a) einem zuverlässigen, skalierbaren und empfindlichen analytischen Workflow zum simultanen Nachweis von über 120 verschiedenen Umweltchemikalie, darunter Tierarzneimittel, Pestizide und Mykotoxine, und b) dessen Anwendung zur realistischen Einschätzung der Exposition in einer großen Kohorte aus Bangladesch durch Zusammenarbeit mit internationalen Forschungspartnern, um den möglichen Zusammenhang zwischen untersuchten chemischen Klassen und damit verbundenen chronischen Krankheitsursachen zu untersuchen. Langfristig gesehen werden die durch dieses Projekt gewonnenen neuen Erkenntnisse einen Beitrag im Bereich der analytischen Chemie, der Lebensmittelsicherheit und der Arbeitnehmersicherheit leisten und die zukünftige Forschungsrichtung innerhalb des Exposomparadigmas beeinflussen