Development of analytical methods for the determination of cyanotoxins in water, plant and animal tissues using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry

Abstract

Cyanobacteria are globally distributed photosynthetic microorganisms, also cultivated to be used as dietary supplements, which under favorable conditions can release a wide range of hazardous compounds, called cyanotoxins. BMAA and its structural isomers, DAB, AEG and BAMA, are non-proteinogenic amino acids (AAs) that have been associated with neurodegenerative diseases and belong to toxic cyanobacterial metabolites. Paralytic Shellfish Poisoning toxins (PSPs), are potent neurotoxins, considered to present the highest acute toxicity among cyanotoxins. Possible routes to human exposure to cyanotoxins is the consumption of contaminated drinking water and food supplements or seafood; however, guidance values do not exist for either group of all types of exposure routes, with some exceptions for PSPs. Determination of cyanotoxins in biological samples is a challenging task due to the low molecular weight of polar BMAA, present as free or bound to proteins at low concentrations, possibly co-occurring with its isomers; while diverse chemical properties of polar PSPs, make their isolation from water problematic. In this doctoral dissertation,sensitive analytical workflows have been developed for the accurate determination of different fractions of BMAA, DAB, AEG and BAMA, as well as nine PSPs (STX, NeoSTX, dc-STX, GTX1,2,3,4 and dc-GTX2,3), in aquatic and cyanobacterial samples, as well asplant and animal tissues. D3-BMAA and D3-DAB were used as internal standards for analytical quality assurance. Simultaneous preconcentration of PSPs was performed using a dual SPE cartridge assembly inducing cation exchange mechanisms. Efficientchromatographic separation was achieved using a HILIC column, while detection and quantification was achieved using a triple quadrupole mass spectrometer in positive ESI mode and multiple reaction monitoring. Validation of the methods was successful with high recoveries, up to 80-100% for most of the compounds, %RSD values below 15% and LODs as low as 1.0-4.6 ng L-1 for aquatic samples and 0.1-2.6 μg g-1 for cyanobacteria, plant and animal tissues. The optimum analytical workflow was successfully applied to cyanobacterial samples and strain cultures collected from 17 Greek Lakes, as well as cyanobacteria-based food supplements, invertebrates and plant tissues including a cycad seed. The unambiguous identification of target cyanotoxins in a number of samples will grow awareness for the significant threat posed on human health, while regular monitoring of dietary products will be promoted, as well as the development of guidelines for cyanotoxins.

Τα κυανοβακτήρια είναι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί οι οποίοι αναπτύσσονται στο υδάτινο και χερσαίο περιβάλλον τα οποία επίσης καλλιεργούνται με σκοπό την χρήση τους ως συμπληρώματα διατροφής, και μπορούν υπό ευνοϊκές συνθήκες να παράγουν ένα ευρύ φάσμα τοξικών ενώσεων, τις κυανοτοξίνες. Το BMAA και τα κυριότερα ισομερή του, είναι μη πρωτεϊνογενετικά αμινοξέα που έχουν συσχετιστεί με νευροεκφυλιστικές ασθένειες, παράγονται από κυανοβακτήρια και εντάσσονται στην κατηγορία των κυανοτοξινών. Οι σαξιτοξίνες είναι εν δυνάμει νευροτοξίνες και παρουσιάζουν την υψηλότερη οξεία τοξικότητα μεταξύ των κυανοτοξινών. Πιθανές οδοί έκθεσης στις ενώσεις αυτές είναι η κατανάλωση πόσιμου νερού, συμπληρωμάτων διατροφής ή θαλασσινών τα οποία έχουν εκτεθεί σε κυανοτοξίνες. Ωστόσο, δεν έχουν θεσπιστεί επίσημοι κανονισμοί και για τις δύο ομάδεςκυανοτοξινών για όλες τις πιθανές οδούς έκθεσης σε αυτές. Ο προσδιορισμός των αμινοξέων σε περιβαλλοντικά δείγματα είναι μια δύσκολη διαδικασία λόγω της υψηλής πολικότητας και του χαμηλού μοριακού βάρους του ΒΜΑΑ, το οποίο μπορεί να βρίσκεταιελεύθερο ή πρωτεϊνικά συνδεδεμένο στη φύση σε χαμηλές συγκεντρώσεις, με πιθανότητα συνέκλουσης με τα ισομερή του. Επίσης, σημαντικές δυσκολίες παρουσιάζονται και στην απομόνωση των σαξιτοξινών από το νερό καθώς είναι πολικά μόρια με διαφορετικέςχημικές ιδιότητες. Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκαν ευαίσθητες αναλυτικές μέθοδοι για τον ακριβή προσδιορισμό των διαφόρων μορφών των BMAA, DAB, AEG και BAMA, καθώς και εννέα σαξιτοξινών (STX, NeoSTX, dc-STX, GTX1,2,3,4 και dc-GTX2,3), σε υδατικά και κυανοβακτηριακά δείγματα, καθώς και σε φυτικούς και ζωικούς ιστούς. Η προσυγκέντρωση των σαξιτοξινών πραγματοποιήθηκε με την τεχνική εκχύλισης στερεάς φάσης με τη χρήση δύο μικροστηλών εν σειρά. Ο αποτελεσματικός χρωματογραφικός διαχωρισμός επιτεύχθηκε με την τεχνική υγροχρωματογραφίας υδρόφιλης αλληλεπίδρασης (HILIC), ενώ η ανίχνευση και ο ποσοτικός προσδιορισμός με τη χρήση συζευγμένης φασματομετρίας μάζας τριπλού τετραπόλου (MS/MS). Οι επικυρωμένες μέθοδοι εφαρμόστηκαν επιτυχώς σε κυανοβακτηριακά δείγματα από λίμνες της Ελλάδας, καθώς και σε συμπληρώματα διατροφής, ασπόνδυλα και φυτικούς ιστούς. Η επιβεβαιωμένη ταυτοποίηση των υπό ανάλυση κυανοτοξινών σε αρκετά δείγματα αναμένεται να ευαισθητοποιήσει την επιστημονική κοινότητα για τον κίνδυνο που προκαλούν οι ενώσεις αυτές με στόχο την τακτική παρακολούθηση των προϊόντων που προορίζονται για ανθρώπινη κατανάλωση, καθώς και την ανάπτυξη κατευθυντήριων γραμμών.