Μοντέλα πρόβλεψης μεταβολισμού, οδών θραυσματοποίησης GC/MS και QSRR χρόνων ανάσχεσης για τον έλεγχο σάρωσης αναβολικών στεροειδών

Abstract

Anabolic androgenic steroids (AAS) are the most frequently abused substances in doping control analyses. The misuse of AAS in sports has led to their ban since ‘70s by the International Olympic Committee and since 2003 by the World Anti-Doping Agency (WADA). AAS are synthetic substances from modifications in testosterone molecule, the main natural, endogenously produced, steroid. AAS are extensively metabolized peripherally, as conversion to their active form is sometimes required before they can elicit their biological action. The metabolism of AAS generally follows the metabolic pathways observed for testosterone metabolism. The enzymes that convert testosterone to its distinct metabolites also act towards AAS when similar groups and configurations are present. The knowledge of AAS metabolism is of major importance, as the identification of metabolites results evidence for parent molecules abuse when the last are non-detectable due to biotransformation processes in human body. AAS and their metabolites can be identified as trimethylsilylated- (TMS-) derivatives in human urine (the main matrix for doping control analyses) using gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). The use of GC/MS with time-of-flight detector (GC/TOF/MS) and liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC/MS) have been also proven useful for AAS identification, based on comparison of the mass spectrum and the relative retention time (RRT) of the analyte in the suspect and the reference samples. The objectives of the present PhD thesis were: The study of structural modifications of synthetic AAS referred in the WADA List of prohibited substances, and the costruction of a theoretical mechanism for novel, modified AAS molecules, possibly detected in the future in doping control analyses of WADA-accredited laboratories. For this purpose, the structural elements in AAS molecules which contribute to binding to the androgen receptor and to their anabolic and androgenic activities were studied. Numerous applied modifications in the steroidal structure have been reviewed for the purposes of the present PhD thesis. Furthermore, based on their structural features, the AAS of WADA List were classified according to their modifications in respect to three lead-molesules: testosterone, 5α-dihydotestosterone (5α-DHT) and 19-nortestosterone. The mechanism of novel molecules generation took into consideration the size and the lipophilicity of the molecules, according to the limitations of Lipinski’s rule or rule of “5”, the structural incompatibilities from insertion of substituents into known molecules structure and, finally, the existence of novel molecules in databases of doping control laboratories. The construction of metabolism schemes for prediction of metabolism of modified AAS in human urine. For this purpose, collection of literature data concerning the metabolic alterations of the known AAS included in the WADA List of prohibited substances was carried out. Parent AAS structures were classified using principal component analysis (PCA) into six distinct groups; 5α-androstan-3-ones, androst-4-en-3-ones, androst-1-en-3-ones, 3-deoxy-steroids, androst-1,4-dien-3-ones and steroids with heterocyclic ring. The classification was based on similarities in structural features, which affect metabolism or where metabolism alterations occur. ....................................................................................................

Τα αναβολικά στεροειδή αποτελούν την ομάδα ουσιών με το μεγαλύτερο ποσοστό κατάχρησης και συμμετοχής σε κρούσματα ντόπινγκ στον αθλητισμό. Η χρήση τους έχει απαγορευτεί από τη Διεθνή Ολυμπιακή Επιτροπή (ΔΟΕ) από τις αρχές της δεκαετίας του ’70 και από το 2003 από τη Διεθνή Υπηρεσία Αντι-Ντόπινγκ (World Anti-Doping Agency, WADA). Αποτελούν χημικώς τροποποιημένα ανάλογα του ενδογενώς παραγόμενου στεροειδούς τεστοστερόνη. Ο μεταβολισμός των αναβολικών στεροειδών είναι παρεμφερής με το μεταβολισμό της τεστοστερόνης, εφόσον υπάρχουν ανάλογες δομικές ομάδες όπου μπορούν να δράσουν τα αντίστοιχα ένζυμα. Η γνώση του μεταβολισμού των αναβολικών στεροειδών είναι σημαντική, καθώς η ταυτοποίηση των μεταβολιτών μπορεί να αποτελέσει ένδειξη ή/και απόδειξη της χρήσης του απαγορευμένου μητρικού μορίου, εφόσον η παρουσία του τελευταίου στον ανθρώπινο οργανισμό είναι μη ανιχνεύσιμη εξαιτίας των διαδικασιών βιομετατροπής. Η ανίχνευση των αναβολικών στεροειδών και των μεταβολιτών τους, ως τριμεθυλοσιλυλο- (TMS) παραγώγων, σε ούρα ανθρώπων (το κύριο υπόστρωμα που χρησιμοποιείται σε αναλύσεις ντόπινγκ) γίνεται με χρήση της τεχνικής αεριοχρωματογραφία συζευγμένης με φασματομετρία μαζών (gas chromatography coupled to mass spectrometry, GC/MS). Διάφορες παραλλαγές της τεχνικής, όπως εκείνη με ανιχνευτή χρόνου πτήσεως ιόντων (time-of-flight, GC/TOF/MS), αλλά και η χρήση της υγροχρωματογραφίας (liquid chromatography coupled to mass spectrometry, LC/MS) έχουν συμβάλλει στην ταυτοποίηση δεκάδων μορίων αναβολικών στεροειδών, η οποία στηρίζεται στη σύγκριση του φάσματος μαζών και του σχετικού χρόνου ανάσχεσης του μορίου στο ύποπτο δείγμα με τα αντίστοιχα στο δείγμα αναφοράς. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε: Η μελέτη των δομικών τροποποιήσεων των συνθετικών αναβολικών στεροειδών που αναφέρονται στη Λίστα απαγορευμένων ουσιών της WADA και η εξεύρεση θεωρητικού μηχανισμού σχηματισμού νέων, τροποποιημένων αναβολικών στεροειδών που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν μελλοντικά σε αναλύσεις ντόπινγκ από τα αναγνωρισμένα, από τη WADA, εργαστήρια. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκαν τα δομικά χαρακτηριστικά που πρέπει να είναι παρόντα στο μόριο των αναβολικών στεροειδών για επιτυχή πρόσδεση στον υποδοχέα των ανδρογόνων και για την εκδήλωση της αναβολικής ή/και ανδρογόνου δράσης τους. Δεκάδες τροποποιήσεις και μελέτες δομής- δράσης στεροειδών καταγράφηκαν σε άρθρο ανασκόπησης της συγγραφέως. Επιπλέον, με βάση τις δομικές αναλογίες τους, τα αναβολικά στεροειδή της Λίστας της WADA ταξινομήθηκαν σε τρεις κατηγορίες με βάση τρία μόρια-οδηγούς: την τεστοστερόνη, την 5α-διϋδροτεστοστερόνη και την 19- νορτεστοστερόνη. Ο μηχανισμός σχηματισμού τροποποιημένων στεροειδών έλαβε υπόψη το μέγεθος των μορίων και τη λιποφιλικότητά τους, με βάση τους περιορισμούς του κανόνα Lipinski ή κανόνα των “5”, τη δομική ασυμβατότητα από την εισαγωγή νέων υποκαταστατών στα γνωστά μόρια και, τέλος, την ύπαρξη των νέων μορίων σε βάσεις δεδομένων των εργαστηρίων ελέγχου ντόπινγκ. ..............................................