Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden zur Bestimmung von Merkaptursäuren im menschlichen Urin als Metabolite wichtiger alkylierender Verbindungen

Development and application of analytical methods for the determination of mercapturic acids in human urine as metabolites of important alkylating agents

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-29626
  • Viele alkylierende Verbindungen, die potentiell kanzerogen wirken, werden im großen Umfang als Ausgangsstoffe in der industriellen Polymerproduktion eingesetzt. Um das aus einer Exposition gegenüber einem solchem Arbeitsstoff resultierende, gesundheitliche Risiko bewerten zu können, kommt der Bestimmung der inneren Belastung im Rahmen des Humanbiomonitorings eine entscheidende Rolle zu. Zur Bestimmung der Hintergrundgehalte von sechs Merkaptursäuren als Metabolite der kanzerogenen Gefahrstoffe Acrolein, Butadien, Ethylenoxid, Propylenoxid und Glycidol im Urin der Allgemeinbevölkerung gelang es ein valides und praxistaugliches Analysenverfahren zu etablieren. Dieses ermöglicht erstmals auchViele alkylierende Verbindungen, die potentiell kanzerogen wirken, werden im großen Umfang als Ausgangsstoffe in der industriellen Polymerproduktion eingesetzt. Um das aus einer Exposition gegenüber einem solchem Arbeitsstoff resultierende, gesundheitliche Risiko bewerten zu können, kommt der Bestimmung der inneren Belastung im Rahmen des Humanbiomonitorings eine entscheidende Rolle zu. Zur Bestimmung der Hintergrundgehalte von sechs Merkaptursäuren als Metabolite der kanzerogenen Gefahrstoffe Acrolein, Butadien, Ethylenoxid, Propylenoxid und Glycidol im Urin der Allgemeinbevölkerung gelang es ein valides und praxistaugliches Analysenverfahren zu etablieren. Dieses ermöglicht erstmals auch die Bestimmung von DHPMA (2,3-Dihydroxypropylmerkaptursäure), dem potentiellen Metaboliten des Glycidols im menschlichen Urin. Der DHPMA-Analytstandard wurde durch Eigensynthese hergestellt. Bei der Anwendung der entwickelten Analysenmethode auf Urinproben von 94 Probanden der beruflich nicht exponierten Allgemeinbevölkerung konnten für alle untersuchten Merkaptursäuren Hintergrundgehalte in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen ermittelt werden. Als geeignete Biomarker einer Tabakrauchexposition bzw. einer Exposition gegenüber den darin enthaltenen alkylierenden Verbindungen, erwiesen sich die Metabolite HEMA, 2-HPMA, 3-HPMA, MHBMA und DHBMA, bei denen Rauchen zu einem signifikanten Anstieg der Gehalte im Urin führte. Der stärkste tabakrauchabhängige Einfluss war für 3-HPMA nachzuweisen, dessen Median in der Rauchergruppe gegenüber dem der Gruppe der Nichtraucher mehr als das Sechsfache betrug. Des Weiteren wurde ein Verfahren zur Erfassung der Metabolite von 2-Chloropren und Epichlorhydrin entwickelt. Die potentiellen Chloropren-Biomarker wurden auf Grundlage der in-vitro-Untersuchungen von Munter et al. (2007) ausgewählt und durch Auftragssynthese bereitgestellt. Eine sensitive und zuverlässige Bestimmung der Merkaptursäure des Epichlorhydrins (CHPMA) sowie von fünf potentiellen Merkaptursäuren des Chloroprens (Cl-MA I, Cl-MA II, Cl-MA III, DHBMA und HOBMA) gelang mit einem online-SPE-HPLC-MS/MS-Verfahren. Das Analysenverfahren wurde auf Urinproben von 14 potentiell gegenüber Chloropren exponierten Beschäftigten angewandt. Im direkten Vergleich zu einer Kontrollgruppe von 30 Urinproben beruflich nicht exponierter Probanden, konnten in der exponierten Gruppe erhöhte Gehalte der Merkaptursäuren Cl-MA III, HOBMA und DHBMA festgestellt werden. Die potentiellen 2-Chloropren-Biomarker Cl-MA I und Cl-MA II konnten in den untersuchten Proben nicht nachgewiesen werden. Die chlorhaltige Merkaptursäure Cl-MA III wurde ausschließlich in Urinproben der beruflich exponierten Gruppe gefunden und konnte damit erstmals als spezifischer Chloropren-Metabolit beim Menschen nachgewiesen werden. Dies belegt indirekt die Bildung des Epoxids (1-Chlorethenyl)oxiran im menschlichen Metabolismus. Als Hauptmetabolit des Chloroprens wurde die Merkaptursäure DHBMA nachgewiesen, die zum spezifischen Chloroprenmetaboliten Cl-MA III eine signifikante Korrelation mit einem Ausscheidungsverhältnis von etwa 1 : 400 aufwies. Die Ergebnisse ermöglichen weiterführende Aussagen zur Biotransformation des Chloroprens beim Menschen. So erfordert die Bildung von DHBMA einen hydrolytischen Abbauschritt unter Dehalogenierung, der bislang noch nicht sicher in das Metabolismusschema eingeordnet werden kann. Die fehlende Korrelation zwischen den HOBMA- und DHBMA-Gehalten in den Urinproben der exponierten Gruppe weist darauf hin, dass HOBMA im Metabolismus von Chloropren nicht, wie zunächst angenommen, als Vorläuferverbindung von DHBMA fungiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde anhand der nachgewiesenen Metabolite ein Vorschlag zur Biotransformation des Chloroprens erarbeitet, dessen Bestätigung durch weiterführende Arbeiten noch aussteht. Die Merkaptursäuren HOBMA, Cl-MA I und Cl-MA II konnten nicht eindeutig als Metabolite des Chloroprens nachgewiesen werden. Die Bildung des Epoxids 2-Chlor-2-ethenyloxiran im menschlichen Metabolismus lässt sich daher bislang nicht sicher bestätigen. Zusammenfassend wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei zuverlässige und empfindliche Analysenverfahren zur Erfassung der renalen Ausscheidung von Merkaptursäuren erarbeitet. Auf Basis der entwickelten Analysenverfahren unter Verwendung gezielt synthetisierter potentieller Metabolite konnten zahlreiche neue Biomarker etabliert und erstmalig im Rahmen eines Humanbiomonitorings eingesetzt werden. Zudem konnten wichtige Erkenntnisse zum Chloropren-Metabolismus beim Menschen gewonnen werden. Die bereits erhaltenen Ergebnisse zum Hintergrundgehalt verschiedener Merkaptursäuren ermöglichen es, die allgemeine Hintergrundbelastung gegenüber beruflichen und außerberuflichen Zusatzbelastungen abzugrenzen.show moreshow less
  • Many alkylating and potentially carcinogenic compounds are used in large quantities as raw material in industrial polymer production. The assessment of the individual health risk resulting from exposure to these agents by human biomonitoring is accomplished by the determination of particular metabolites in human body fluids. The present thesis deals with the determination of mercapturic acids as specific metabolites of miscellaneous alkylating agents in human urine. An analytical method for the simultaneous determination of the mercapturic acids of the carcinogenic substances ethylene oxide, propylene oxide, acrolein, glycidol and butadiene in human urine was successfully developed andMany alkylating and potentially carcinogenic compounds are used in large quantities as raw material in industrial polymer production. The assessment of the individual health risk resulting from exposure to these agents by human biomonitoring is accomplished by the determination of particular metabolites in human body fluids. The present thesis deals with the determination of mercapturic acids as specific metabolites of miscellaneous alkylating agents in human urine. An analytical method for the simultaneous determination of the mercapturic acids of the carcinogenic substances ethylene oxide, propylene oxide, acrolein, glycidol and butadiene in human urine was successfully developed and validated. The method involves solid phase extraction, HILIC-separation and ESI-MS/MS analysis and enables, for the first time, the determination of DHPMA (2,3-dihydroxypropyl mercapturic acid), as a potential metabolite of glycidol, in human urine. The analytical standard substance of DHPMA was provided by synthesis. The application of the analytical method on urine samples of 94 subjects of the general population revealed background levels of all six mercapturic acids in different concentration ranges. The mercapturic acids HEMA, 2-HPMA, 3-HPMA, DHBMA and MHBMA proved to be suitable biomarkers of exposure to tobacco smoke and accordingly to the therein contained alkylating compounds since the analyte excretion levels of smokers were significantly higher than those of non-smokers. With a six-fold increase of the median concentration level in smokers compared to non-smokers, 3-HPMA showed the strongest effect due to tobacco smoke exposure. Another analytical method was developed for the determination of the urinary metabolites of the chemical agents 2-chloroprene and epichlorohydrin. The potential biomarkers were selected based on the in-vitro studies of Munter et al. (2007) and were provided by custom synthesis. The successfully developed biomonitoring method allows the determination of CHPMA as mercapturic acid of epichlorohydrin as well as the determination of five potential mercapturic acids of 2-chloroprene (Cl-MA I, Cl-MA II, Cl-MA III, HOBMA, DHBMA). It applies online-SPE-HPLC-MS/MS and proved to be both sensitive and reliable. The analytical method was applied to urine samples of 14 employees occupationally exposed to 2-chloroprene. In direct comparison to a control group of 30 urine samples of subjects without occupational exposure to alkylating substances, elevated levels of the mercapturic acids Cl-MA III, HOBMA and DHBMA were found in the exposed group. Cl-MA I and Cl-MA II as further potential biomarkers of 2-chloroprene were not detected in any of the samples. The chlorine-containing mercapturic acid Cl-MA III was found in urine samples of the occupationally exposed group only and could thus be confirmed as a specific metabolite of 2-chloroprene in humans. Hence, the intermediate formation of the epoxide (1-chloroethenyl)oxirane in human metabolism of 2-chloroprene was indirectly confirmed. The mercapturic acid DHBMA was found to be the main metabolite of 2-chloroprene in humans. DHBMA showed a distinct and significant correlation to Cl-MA III, the specific metabolite of 2-chloroprene, with an excretion ratio of approximately 1 : 400. The obtained results allow new scientific insights into the course of the biotransformation of 2-chloroprene in humans. Thus, the formation of DHBMA requires a hydrolytic dehalogenation step, that has not been described yet. The non-existing correlation between the concentration levels of HOBMA and DHBMA in the urine samples of the exposed group indicates that HOBMA is not, as first thought, the precursor of DHBMA in human metabolism of 2-chloroprene. In the present thesis, a new biotransformation pathway of 2-chloroprene is proposed. For confirmation, further investigations are still required. The mercapturic acids HOBMA, Cl-MA I and Cl-MA II could not be unequivocally confirmed as metabolites of 2-chloroprene. As a result, the formation of the epoxide 2-chloro-2-ethenyloxirane in human metabolism of 2-chloroprene can not be considered as proved. In summary, two reliable and sensitive human biomonitoring methods for the quantification of urinary mercapturic acids were successfully developed. Various metabolites were specifically synthesized, established as new biomarkers and used in the context of human biomonitoring studies. Thus, the determination of mercapturic acid background levels in human urine as well as exploratory research studies on human chloroprene metabolism were enabled. The obtained results on mercapturic acid background levels render it possible to differentiate between the general background exposure and occupational exposure to several alkylating substances.show moreshow less

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Metadaten
Author:Elisabeth Eckert
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-29626
Advisor:Monika Pischetsrieder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2011/11/30
Release Date:2011/12/20
Tag:Alkylantien; Kanzerogene
Biomonitoring; LC-MS/MS; chloroprene; mercapturic acids; occupational medicine
SWD-Keyword:Biomonitoring; Chemische Analyse; LC-MS; Arbeitsmedizin; Biomarker; Metabolismus; Chloropren; Glycidol; Epichlorhydrin; Acrolein; Ethylen
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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