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The analysis of biomolecular macrocomplexes requires certain preconditions to be fulfilled. The preparation of biomolecular samples usually results in low yields. Due to this constraint of low availability any method should provide a sufficient sensitivity to cope with typical sample amounts. Biomolecules also often show a reduced stability, i.e. a propensity for fragmentation upon ionisation, which requires reasonable soft methods for the investigation. Furthermore macromolecular complexes usually are composed by means of non-covalent interactions presenting additional demands on the softness. This holds true for specific complexes like protein-ligand or DNA double strand binding. For the formation of non-covalent, specific complexes the biomolecules’ native structure and environment are a basic prerequisite and hence crucial. Therefore it is desirable during analysis to keep the biomolecules in a native environment to preserve their structure and weak interactions. One suitable method for analysing biomolecules is mass spectrometry. Mass spectrometry is capable of high throughput screening as well as determining masses with high accuracy and high sensitivity. Especially since the availability of MALDI-MS and ESI-MS mass spectrometry evolved to a versatile tool to investigate biomolecular complexes. Both, MALDI- and ESI-MS are sufficiently soft methods to observe fragile biomolecules. Yet both methods have their advantages and disadvantages. During the recent years an alternative mass spectrometric approach has been developed in our group, termed LILBID-MS (Laser Induced Liquid Bead Ionisation/Desorption). In LILBID microdroplets of aqueous solution containing buffer, salt and further additives among the analyte molecules are injected into vacuum and irradiated one-by-one by mid-IR laser pulses. The absorption of the energy by the water leads to a rapid ablation of the preformed analyte ions. LILBID is highly tolerant for the addition of salts and detergents allowing to study biomolecular complexes in a native environment. As LILBID-MS is soft enough to avoid fragmentation, specific non-covalent complexes can be analysed directly from their native environment by this method. In addition dissociation can be induced on demand by increasing the laser intensity which allows for the study of subunit compositions. A further prominent property of LILBID is the possibility to study hydrophobic membrane proteins due to the tolerated use of detergents. During the course of this work, several instrumental improvements mostly concerning ion focussing and beam steering were introduced. Together with refinements of different modes of measurement the result is a significantly improved signal-to-noise ratio as well as a further improvement in sensitivity. In addition the accessible m/z range for a given flight time has been vastly increased. The new possibilities that LILBID now offers for the study of biomolecular complexes were investigated. The ability to detect specific binding in LILBID-MS was investigated by means of nucleic acids and their interaction with proteins. It could be shown that the stability of a 16bp dsDNA corresponds to that in solution phase regarding the dependency on concentration and type of the salts used. In addition a competitive experiment with the well-known transcription factor p50 was used to demonstrate the detection of sequence-specific binding with LILBID. The improved sensitivity allowed to detect single stranded DNA at nanomolar concentrations and even the 2686bp plasmid pUC19 could be easily detected without fragmentation using a concentration of only 80nM. In case of the transcription factor p63 the mass spectrometric analysis could help to identify a new model of activation and inhibition. For the first time known quarternary structures of membrane proteins like the light-driven proton pump bacteriorhodopsin and the potassium channel KcsA could be detected with mass spectrometry. For the light-driven proton pump proteorhodopsin the type and the concentration of the used detergents significantly influenced the stability of this protein as well as the preferred quarternary structure.
Nachweis von zentral wirksamen Arzneimitteln im Kopfhaar psychiatrischer Patienten mittels LC-TOF MS
(2007)
Es handelt sich bei meiner Arbeit um haaranalytische Untersuchungen, welche häufig zum forensischen Nachweis von illegalen Drogen oder zentralwirksamen Arzneimitteln im Haar eingesetzt werden, was auch noch Monate bis Jahre nach erfolgter Einnahme möglich ist. Eine der Fragestellungen dieser Arbeit war, ob sich die mittlerweile universell eingesetzte Detektionsmethode LC-TOF MS mit der in der Haaranalyse etablierten Methanolextraktionsmethode zu einem Haarscreeningverfahren kombinieren lässt, welches einfach und schnell durchführbar ist und sensitiv viele Substanzen umfasst. Bei speziellen Fragestellungen sind bisher noch zeitintensive Sonderaufarbeitungen nötig, so dass ein breitgefächertes Screening auf die am häufigsten eingenommenen Psychopharmaka und Betäubungsmittel sehr sinnvoll wäre. Weiterhin sollte überprüft werden, ob sich auch hochpotent wirksame Arzneimittel nach therapeutischer Einnahme in ausreichend hohen Konzentrationen ins Haar einlagern. Ausserdem bestand die Frage, ob auch einmalige Einnahmen von Psychopharmaka mit dem TOF zuverlässig erfasst werden können, was z.B. im Fall von KO-Mittelbeibringung von großer kriminalistischer Bedeutung ist, aber bisher nur in Einzelfällen untersucht wurde. Die Dissertation setzt sich aus mehreren Themenbereichen zusammen. Nach der Selektion von 51 zu untersuchenden psychotropen Substanzen habe ich Voruntersuchungen zur Haaraufbereitung gemacht. Um eine optimale Lösung der Substanzen aus der Haarmatrix zu erreichen testete ich die enzymatischen Lyse als Alternative zur methanolischen Extraktion. Dann validierte ich die neu auf dem Markt erschienene und noch wenig beforschte Detektionsmethode des LC-TOF MS und legte nach den statistischen Vorgaben der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie die linearen Arbeitsbereiche und Nachweisgrenzen für jede Substanz fest. Ausserdem verglich ich bei der Auswertung dieser Versuchsreihen die manuelle Integration mit der automatischen Suche mittels MFE hinsichtlich Sensitivität und Spezifität, um die Frage zu klären, ob sich der enorme zeitliche Aufwand bei trotzdem akeptabler Qualität der Ergebnisse reduzieren lässt. Weiterhin wird in der Arbeit die Nachweisempfindlichkeit nach Haaraufbereitung mit und ohne Derivatisierung verglichen. Schliesslich wurde die Zuverlässigkeit der Haaranalyse auf Psychopharmaka anhand einer Patientenstudie untersucht, wozu ich eine klinische Studie an 40 geschlossen-stationären Patienten des Zentrums für Psychiatrie hier an der Uniklinik durchführte. Zusätzlich wurden einige forensische Fälle aufgearbeitet und auch einmalige Medikamenteneinnahmen von stationären Patienten untersucht, um zu sehen, ob das LC-TOF MS empfindlich genug misst zur Detektion dieser wesentlich niedrigeren Haarkonzentrationen. Ergebnisse: Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Analyse von Haaren auf ihren Substanzgehalt mittels LC-TOF MS einige Vorteile gegenüber alternativen Detektionsmethoden aufweist. Die Eignung als Screeningmethode wird von den Untersuchungsergebnissen belegt und der Nachweis der untersuchten 51 Substanzen ist sehr sensibel möglich. Zur Beurteilung eines fraglichen Arzneimittelmissbrauchs ist die Empfindlichkeit voll ausreichend und für Psychiatriepatienten als Überprüfung der Compliance äußerst sinnvoll. Für Fragestellung nach Verabreichung von KO-Mitteln hingegen werden einmalige Einnahmen nicht zuverlässig genug detektiert. Die praktische Relevanz der Detektion mit LC-TOF MS hat zur Etablierung als Routinemethode im toxikologischen Labor der Rechtsmedizin Frankfurt geführt. Die noch sehr zeitaufwändige Datenauswertung der dargestellten Messreihen könnte zukünftig durch Weiterentwicklung der Software sicher deutlich optimiert werden.