Title (eng)
Expanding LC-MS based metabolomics for the investigation of the exposome
Parallel title (deu)
Erweiterung von LC-MS bassierter Metabolomanalyse für die Untersuchung des Exposoms
Author
Mira Flasch
Advisor
Benedikt Warth
Assessor
Samuel M. Meier-Menches
Adrian Covaci
Abstract (deu)
Umwelteinflüsse sind entscheidend für die menschliche Gesundheit. Die Exposomforschung untersucht die Gesamtheit der Umweltexpositionen, inklusive ihrer Biotransformationsprodukte. In biologischem Probenmaterial wird das interne chemische Exposom und die biologische Reaktion des Körpers auf diese externen Stressfaktoren, in Form des endogenen Metaboloms, gemessen. Die strukturell vielfältigen und hochdynamischen Xenobiotika stellen eine Herausforderung für analytische Verfahren wie beispielsweise die Flüssigkeitschromatographie in Kopplung mit der hochauflösenden Massenspektrometrie (LC-HRMS) dar. In dieser Arbeit wurden neue, massenspektrometrische Methoden für die Exposomforschung entwickelt, umfassend evaluiert und auf biologische Proben angewendet. Als Schlüsselmethode wurde ein LC-HRMS-Ansatz für die simultane Analyse des endogenen Metaboloms und des internen chemischen Exposoms etabliert. Ein Zweisäulenaufbau mit einer Umkehrphasensäule zur Messung apolarer Chemikalien und einer hydrophilen Interaktionschromatographiesäule zur Detektion polarer Metaboliten mit hohem Durchsatz wurde optimiert und beide Effluenten simultan analysiert. Urinproben aus Subsahara-Afrika und aus Europa zeigten, dass die entwickelte Methode in der Lage ist, das chemische Exposom und das Metabolom gleichzeitig zu erforschen. Eine Einschränkung der HRMS- Technik war jedoch die Detektion von gering konzentrierten Umweltbelastungen im Vergleich zu maßgeschneiderten Triple-Quadrupolansätzen. Daher wurden die unterschiedlichen Bestimmungsgrenzen einer HRMS-Methode mit einer Säule für apolare Fremdstoffe und einer gerichteten, niedrig auflösenden Massenspektrometriemethode mit identischen LC-Parametern anhand verschiedener Analyten in Lösungsmittel und Urin bewertet. Die Möglichkeit mit HRMS nach unbekannten Molekülen zu suchen, wurde auch verwendt, um neue Biotransformationsprodukte zu entschlüsseln. In zwei Krebszelllinien wurde nach Metaboliten des Mykotoxins Deoxynivalenol gesucht und die Biotransformationsprodukte zweier endokrin aktiven Verbindungen, des Isoflavons Genistein und des Xenoöstrogens Zearalenon, wurden in einem in-vitro-Modell für Brustkrebs untersucht. Durch die Kombination von HRMS und dem Bioinformatik-Tool MetExtract II wurden, unterstützt durch Isotopenmarkierung, mehrere bekannte und sowie bisher unbekannte Biotransformationsprodukte nachgewiesen. Trotz geringfügiger Limitierungen hinsichtlich der Sensitivität, können die entwickelten, vielseitigen LC-HRMS-Methoden in exposomweiten Assoziationsstudien zur Untersuchung chemischer Umweltfaktoren, die in die Entstehung von Krankheiten involviert sind, eingesetzt werden.
Abstract (eng)
Environmental exposures are determinants of health. The field of exposome research studies the totality of environmental exposures, including their biotransformation products from conception throughout life. In human biofluids, the internal chemical exposome and the body’s biological response to these external stressors, belonging to the endogenous metabolome, can be measured. The structurally diverse and highly dynamic xenobiotics challenge analytical instrumentation such as liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS). In this thesis, new exposome-scale mass spectrometric approaches were developed, thoroughly evaluated, and applied to biological samples. As a key method, an LC-HRMS approach for the joint investigation of the endogenous metabolome and the internal chemical exposome was established. A high-throughput dual-column configuration employing a reverse-phase column for measuring apolar xenobiotics and a hydrophilic interaction liquid chromatography column for observing polar metabolites was optimised and both effluents were simultaneously analysed. Urine samples from sub-Saharan Africa and Europe showcased the setup’s capability to investigate the chemical exposome and metabolome simultaneously. However, a limitation of the HRMS technique was the detection of low-abundance exposures compared to tailored triple quadrupole approaches. Thus, the discrepancy in the limit of quantitation between a single column HRMS approach for xenobiotics and an established low-resolution mass spectrometric method using identical LC parameters was evaluated based on diverse compounds in solvent and urine. The unique feature of HRMS to screen for unknown molecules was also applied in independent experiments to annotate novel biotransformation products of the mycotoxin deoxynivalenol in two cancer cell lines and two endocrine-active compounds, namely the isoflavone genistein and the xenoestrogen zearalenone, in an in vitro model for breast cancer. By combining non-targeted, stable isotope-assisted mass spectrometry and the bioinformatics tool MetExtract II, several known and so-far unknown biotransformation products were annotated. Despite minor limitations in terms of sensitivity, the developed versatile HRMS methods are ready to be applied in exposome-wide association studies for investigating the contribution of toxic environmental exposures to disease development.
Keywords (deu)
XenobiotikaMetabolomExposomeLC-MS
Keywords (eng)
XenobioticsMetabolomeExposomeLC-MS
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1536047
rdau:P60550 (deu)
X, 237 Seiten : Illustrationen
Number of pages
247
Association (deu)
Title (eng)
Expanding LC-MS based metabolomics for the investigation of the exposome
Parallel title (deu)
Erweiterung von LC-MS bassierter Metabolomanalyse für die Untersuchung des Exposoms
Author
Mira Flasch
Abstract (deu)
Umwelteinflüsse sind entscheidend für die menschliche Gesundheit. Die Exposomforschung untersucht die Gesamtheit der Umweltexpositionen, inklusive ihrer Biotransformationsprodukte. In biologischem Probenmaterial wird das interne chemische Exposom und die biologische Reaktion des Körpers auf diese externen Stressfaktoren, in Form des endogenen Metaboloms, gemessen. Die strukturell vielfältigen und hochdynamischen Xenobiotika stellen eine Herausforderung für analytische Verfahren wie beispielsweise die Flüssigkeitschromatographie in Kopplung mit der hochauflösenden Massenspektrometrie (LC-HRMS) dar. In dieser Arbeit wurden neue, massenspektrometrische Methoden für die Exposomforschung entwickelt, umfassend evaluiert und auf biologische Proben angewendet. Als Schlüsselmethode wurde ein LC-HRMS-Ansatz für die simultane Analyse des endogenen Metaboloms und des internen chemischen Exposoms etabliert. Ein Zweisäulenaufbau mit einer Umkehrphasensäule zur Messung apolarer Chemikalien und einer hydrophilen Interaktionschromatographiesäule zur Detektion polarer Metaboliten mit hohem Durchsatz wurde optimiert und beide Effluenten simultan analysiert. Urinproben aus Subsahara-Afrika und aus Europa zeigten, dass die entwickelte Methode in der Lage ist, das chemische Exposom und das Metabolom gleichzeitig zu erforschen. Eine Einschränkung der HRMS- Technik war jedoch die Detektion von gering konzentrierten Umweltbelastungen im Vergleich zu maßgeschneiderten Triple-Quadrupolansätzen. Daher wurden die unterschiedlichen Bestimmungsgrenzen einer HRMS-Methode mit einer Säule für apolare Fremdstoffe und einer gerichteten, niedrig auflösenden Massenspektrometriemethode mit identischen LC-Parametern anhand verschiedener Analyten in Lösungsmittel und Urin bewertet. Die Möglichkeit mit HRMS nach unbekannten Molekülen zu suchen, wurde auch verwendt, um neue Biotransformationsprodukte zu entschlüsseln. In zwei Krebszelllinien wurde nach Metaboliten des Mykotoxins Deoxynivalenol gesucht und die Biotransformationsprodukte zweier endokrin aktiven Verbindungen, des Isoflavons Genistein und des Xenoöstrogens Zearalenon, wurden in einem in-vitro-Modell für Brustkrebs untersucht. Durch die Kombination von HRMS und dem Bioinformatik-Tool MetExtract II wurden, unterstützt durch Isotopenmarkierung, mehrere bekannte und sowie bisher unbekannte Biotransformationsprodukte nachgewiesen. Trotz geringfügiger Limitierungen hinsichtlich der Sensitivität, können die entwickelten, vielseitigen LC-HRMS-Methoden in exposomweiten Assoziationsstudien zur Untersuchung chemischer Umweltfaktoren, die in die Entstehung von Krankheiten involviert sind, eingesetzt werden.
Abstract (eng)
Environmental exposures are determinants of health. The field of exposome research studies the totality of environmental exposures, including their biotransformation products from conception throughout life. In human biofluids, the internal chemical exposome and the body’s biological response to these external stressors, belonging to the endogenous metabolome, can be measured. The structurally diverse and highly dynamic xenobiotics challenge analytical instrumentation such as liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS). In this thesis, new exposome-scale mass spectrometric approaches were developed, thoroughly evaluated, and applied to biological samples. As a key method, an LC-HRMS approach for the joint investigation of the endogenous metabolome and the internal chemical exposome was established. A high-throughput dual-column configuration employing a reverse-phase column for measuring apolar xenobiotics and a hydrophilic interaction liquid chromatography column for observing polar metabolites was optimised and both effluents were simultaneously analysed. Urine samples from sub-Saharan Africa and Europe showcased the setup’s capability to investigate the chemical exposome and metabolome simultaneously. However, a limitation of the HRMS technique was the detection of low-abundance exposures compared to tailored triple quadrupole approaches. Thus, the discrepancy in the limit of quantitation between a single column HRMS approach for xenobiotics and an established low-resolution mass spectrometric method using identical LC parameters was evaluated based on diverse compounds in solvent and urine. The unique feature of HRMS to screen for unknown molecules was also applied in independent experiments to annotate novel biotransformation products of the mycotoxin deoxynivalenol in two cancer cell lines and two endocrine-active compounds, namely the isoflavone genistein and the xenoestrogen zearalenone, in an in vitro model for breast cancer. By combining non-targeted, stable isotope-assisted mass spectrometry and the bioinformatics tool MetExtract II, several known and so-far unknown biotransformation products were annotated. Despite minor limitations in terms of sensitivity, the developed versatile HRMS methods are ready to be applied in exposome-wide association studies for investigating the contribution of toxic environmental exposures to disease development.
Keywords (deu)
XenobiotikaMetabolomExposomeLC-MS
Keywords (eng)
XenobioticsMetabolomeExposomeLC-MS
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1541901
Number of pages
247
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