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Titelaufnahme

Titel
Investigations on the metabolization of pharmaceuticals in plants and approaches for their trace level analysis / submitted by DIin Lisa Emhofer
AutorInnenEmhofer, Lisa
Beurteiler / BeurteilerinKlampfl, Christian ; Waser, Mario
Betreuer / BetreuerinKlampfl, Christian
ErschienenLinz, 2018
UmfangVIII, 109 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Pharmazeutika / Pflanzenmetabolismus / Massenspektrometrie
Schlagwörter (EN)pharmaceuticals / plant metabolism / mass spectrometry
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-25682 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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Investigations on the metabolization of pharmaceuticals in plants and approaches for their trace level analysis [8.54 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Mittlerweile wird eine Vielzahl an Pharmazeutika sowohl in der Human- als auch Veterinärmedizin eingesetzt. Aufgrund der Ausscheidung von Pharmazeutika infolge unvollständiger Aufnahme im Körper oder der unsachgemäßen Entsorgung pharmazeutischer Präparate werden pharmazeutisch aktive Substanzen in die kommunalen Abwässer eingebracht. Obwohl diese Wässer in Kläranlagen aufgereinigt werden, sind diese oft nicht in der Lage die Arzneimittel vollständig zu entfernen (da sie eigentlich nicht dafür ausgelegt wurden). Aus diesem Grund enthalten auch geklärte Wässer Rückstände diverser Pharmazeutika. Diese werden somit in die Umwelt zurückgeleitet, und können Oberflächenwässer und Grundwasser kontaminieren, sodass in vielen Gegenden Konzentrationen an Pharmazeutika im ng L-1 bis in den niedrigen g L 1 Bereich in Oberflächenwässern nachgewiesen werden können. ^Das Bevölkerungswachstum und der Klimawandel haben zur Folge, dass der Wasserverbrauch kontinuierlich ansteigt. Um die verbleibenden Frischwasserquellen zu schonen, verwenden bereits einige Länder (wie Israel, Spanien) aufgereinigte Wässer als zusätzliche Wasserquelle, vor allem zur Bewässerung in der Landwirtschaft. Werden diese Wässer auf Feldern eingesetzt, so kommen Pflanzen, welche für den Verzehr bestimmt sind, in direkten Kontakt mit pharmazeutisch aktiven Substanzen. Interaktionen zwischen den Pflanzen und den Pharmazeutika können nicht ausgeschlossen werden und stellen eine potentielle Gefahr für die Lebensmittelqualität dar. Darüber hinaus werden Pharmazeutika auch durch den Einsatz von Klärschlamm oder Gülle (welche ebenso von Tieren ausgeschiedene Pharmazeutika enthalten können) als Düngemittel in der Landwirtschaft in die Umwelt eingebracht. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren viele Studien, welche die mögliche Aufnahme von Pharmazeutika in Pflanzen untersuchen, veröffentlicht. Dabei wurden diverse Pflanzen meist einem Cocktail von unterschiedlichsten Pharmazeutika in umweltrealistischen Konzentrationen ausgesetzt. Viele dieser Arbeiten zeigten, dass Pflanzen in der Lage sind, Pharmazeutika aus ihrer Umgebung aufzunehmen. Allerdings wird bei diesen gezielt nur nach den Wirkstoffen gesucht und nicht berücksichtigt, dass diese innerhalb der Pflanze umgewandelt bzw. metabolisiert werden könnten. Daher widmet sich die vorliegende Arbeit der Aufklärung der Metabolisierung von Pharmazeutika in Pflanzen, welche bisher nur wenig untersucht wurde. Kresse (Lepidium sativum) erwies sich als gut geeignete Modellpflanze und wurde mehreren Nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAIDs) und Statinen (Cholesterinsenker) ausgesetzt. Die in Hydrokultur gezüchteten Pflanzen wurden geerntet, extrahiert und mittels Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) gekoppelt mit einem hochauflösenden Massenspektrometer analysiert. Durch gründliche Analyse und Vergleich der Chromatogramme und Massenspektren von behandelten und unbehandelten Pflanzen konnte eine Vielzahl von Verbindungen, welche aus den einzelnen Wirkstoffen gebildet wurden, identifiziert werden. Basierend auf den gemessenen exakten Massen, den aus MS2 Experimenten resultierenden Fragmentierungsmustern und dem Wissen über die Metabolisierung von Pharmazeutika in Pflanzen konnten Strukturvorschläge für die Metaboliten erbracht werden. Dabei handelte es sich um Hydroxylierungs-, Oxidations-/Dehydrierungs- und Dehydrationsprodukte der eingesetzten Arzneimittel (Phase I Metaboliten) oder um Konjugate, welche mit Aminosäuren, Zuckern oder organischen Säuren gebildet wurden (Phase II Metaboliten). Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurden im weiteren Methoden zur gezielten Analyse der Pharmazeutika und ihrer Metaboliten entwickelt, um später deren Verteilung in der Pflanze sowie Konzentrationsänderungen in Abhängigkeit der Wachstumsdauer zu untersuchen. Dazu wurde die HPLC mit einem hochsensitiven Triple Quadrupole Massenspektrometer (QqQ/MS) gekoppelt. Eine Forschungslücke besteht noch in der Spurenanalytik der Metaboliten, wenn Pflanzen umweltrelevanten d.h. deutlich niedrigeren Konzentrationen an Pharmazeutika ausgesetzt sind. Die meisten publizierten Arbeiten sind entweder auf die Identifizierung von Metaboliten (unter Anwendung hoher Konzentrationen) oder die Spurenanalyse der reinen Wirkstoffe (unter Anwendung niedriger Konzentrationen) ausgerichtet. Daher war das Bestreben dieser Arbeit eine sensitive Methode zu entwickeln, welche auch die Spurenanalyse der Metaboliten in den Pflanzen erlaubt. Durch eine optimierte Probenvorbereitung und die Verwendung des sensitiveren QqQ/MS Detektors gelang es, einige Metaboliten in den Kressewurzeln nachzuweisen, wenn diese nur 0.1 g L 1 je NSAID bzw. 1 g L-1 je Statin ausgesetzt wurden.

Zusammenfassung (Englisch)

Today large numbers of pharmaceuticals are applied in human as well as in veterinary medicine. By excretion of pharmaceuticals due to incomplete uptake during medication or improper disposal of pharmaceutical preparations, pharmaceutically active substances may be introduced into the municipal wastewater system. Although, municipal wastewaters are cleaned in wastewater treatment plants, these facilities are not able to completely remove all pharmaceuticals, since they are not primarily designed for removal of this kind of substances. Consequently, pharmaceuticals are found in the effluents of wastewater treatments plants. As these are typically redirected to the environment, pharmaceutically active substances enter the environment and may contaminate surface and ground waters where these compounds are typically found in concentrations in the ng L-1 to the low g L-1 range. Due to the rising population and the ongoing climate change, the demand for water is continuously rising. To protect the remaining freshwater resources, not only many Mediterranean countries (like Israel, Spain) started to reuse reclaimed waters (i.e. treated waters from wastewater treatments plants) as additional water resource, mainly for irrigation purposes in agriculture. If the reclaimed waters are applied on fields, crops and plants intended for consumption may come into direct contact with these pharmaceuticals. Consequently, interactions cannot be excluded and food safety might be affected. In addition to that, pharmaceuticals may enter the environment also by the application of sewage sludge or manure (containing pharmaceuticals excreted by treated animals) as fertilizer in agriculture. Thus, in the last years several studies investigating the uptake of pharmaceuticals by plants have been published. Various plants were exposed to a cocktail of different pharmaceuticals at environmentally realistic concentrations levels. Several publications confirmed that plants can take up pharmaceuticals from their environment. However, these studies were screening for the parent drugs only and did not consider that transformation or metabolization processes might take place in the plants after the uptake. Therefore, the present thesis is dedicated to elucidate the metabolization of pharmaceuticals after their uptake by plants (till now discussed by few research groups only). Cress (Lepidium sativum) was established as model plant and exposed to several non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and statins (lipid-lowering drugs). The hydroponically grown plants were harvested, extracted and analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to a high resolution mass spectrometer. Thorough study of the chromatograms and comparison of mass spectra from treated plants and untreated plants, allowed the identification of many drug-related compounds. The determined exact mass of the compounds, their fragmentation patterns in MS2 experiments and the existing knowledge on the metabolism of xenobiotics in plants allowed the suggestion of possible structures. Metabolites identified were based on hydroxylation, oxidation/dehydrogenation and dehydration of the parent drug (phase I metabolites) or conjugates formed with amino acids, sugars and small organic acids (phase II metabolites). Subsequently, targeted methods were developed to study the distribution of the parent drugs and their metabolites within different plant parts and to monitor their abundances with growth time. This was realized by coupling HPLC to a highly sensitive triple quadrupole mass analyzer. A research gap still exists when analyzing drug metabolites from plants exposed to environmentally realistic concentrations of the parent drug. Studies published so far focus either on the identification of metabolites exposing plants to high drug concentrations or on the trace level analysis of the parent drugs when exposing the plants to very low drug concentrations. Thus, effort was made to develop sensitive analytical methods that also allow trace level analysis of the identified metabolites in the plants. By optimizing the sample preparation procedure and by applying the more sensitive triple quadrupole mass analyzer, several metabolites could still be detected in the roots of cress plants, when the plants were treated with only 0.1 g L-1 of each NSAID or 1 g L-1 of each statin.

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