Development of advanced methodologies by mass spectrometric techniques for the investigation of human exposure to xenobiotics through biomonitoring

Abstract

To support toxicological and epidemiological studies and thus improve knowledge on the effects of chemical exposure throughout human lifespan, collection of monitoring data related to chemicals’ occurrence and concentration levels in human biospecimens through advanced mass spectrometry-based methodologies is required. Yet, in liquid chromatography–high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) analyses, low-abundance signals and interferences from endogenous compounds often hamper the reliable identification of xenobiotics in biological matrices. Moreover, wide-scope target screening workflows often fail to fully exploit the acquired data, leading to false positives and false negatives, while the ability of untargeted workflows to identify compounds at high confidence level is strongly affected by data quality generated by the applied data acquisition schemes. Building on existing knowledge, the doctoral thesis aimed to fill key gaps for the reliable identification of xenobiotics in human biomonitoring studies by advanced HRMS-based methodologies, with the ultimate goal of assessing human exposure to potentially hazardous chemicals. The potential of trapped ion mobility spectrometry (TIMS) technology integrated into LC-HRMS was investigated, and the developed methodologies were applied for chemical characterization of the prenatal component of the exposome. First, it was demonstrated that the integration of TIMS into LC-HRMS and the development of an analyte-specific database enriched with multi-dimensional information can address analytical challenges and essentially improve target screening workflows. Second, the combination of TIMS with HRMS and its resulting data-dependent acquisition (DDA) mode, called parallel accumulation-serial fragmentation (PASEF), proved advantageous in key points favoring the identification of more suspect/unknown compounds at high confidence level. Third, the analyses of cord blood samples with the developed LC-TIMS-HRMS methodologies demonstrated that diverse xenobiotics are transferred from mothers to offspring via the placenta, possibly affecting their health.

Για την υποστήριξη τοξικολογικών και επιδημιολογικών μελετών και έτσι για τη βελτίωση της γνώσης σχετικά με τις επιδράσεις της έκθεσης σε χημικές ουσίες καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής του ανθρώπου, απαιτείται η συλλογή δεδομένων παρακολούθησης που σχετίζονται με την ύπαρξη και τα επίπεδα συγκέντρωσης χημικών ουσιών σε ανθρώπινα βιολογικά δείγματα μέσω προηγμένων μεθοδολογιών που βασίζονται στη φασματομετρία μάζας. Ωστόσο, στις αναλύσεις υγροχρωματογραφίας–φασματομετρίας μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας (LC-HRMS) το χαμηλό σήμα και οι παρεμποδίσεις από ενδογενείς ουσίες συχνά εμποδίζουν την αξιόπιστη ταυτοποίηση ξενοβιοτικών ουσιών στα βιολογικά δείγματα. Επιπλέον, οι προσεγγίσεις στοχευμένης σάρωσης ευρέος φάσματος συχνά αποτυγχάνουν να αξιοποιήσουν πλήρως τα δεδομένα που παράγονται, οδηγώντας σε ψευδώς θετικά και ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα, ενώ η ικανότητα των μη στοχευμένων προσεγγίσεων να ταυτοποιούν ενώσεις σε υψηλό επίπεδο εμπιστοσύνης επηρεάζεται έντονα από την ποιότητα των δεδομένων που παράγονται από τις εφαρμοζόμενες λειτουργίες καταγραφής δεδομένων. Βασιζόμενη στην υπάρχουσα γνώση, η διδακτορική διατριβή είχε στόχο να καλύψει βασικά κενά για την αξιόπιστη ταυτοποίηση ξενοβιοτικών ουσιών σε μελέτες ανθρώπινης βιοπαρακολούθησης μέσω προηγμένων μεθοδολογιών που βασίζονται στο HRMS, με απώτερο στόχο την αξιολόγηση της έκθεσης του ανθρώπου σε δυνητικά επικίνδυνες χημικές ουσίες. Διερευνήθηκαν οι δυνατότητες της τεχνολογίας της φασματομετρίας ιοντικής ευκινησίας με παγίδευση (TIMS) που είναι ενσωματωμένη στο LC-HRMS και οι αναπτυγμένες μεθοδολογίες εφαρμόστηκαν για το χημικό χαρακτηρισμό του εκθεσιώματος κατά την προγεννητική περίοδο. Πρώτον, αποδείχθηκε ότι η ενσωμάτωση του TIMS στο LC-HRMS και η ανάπτυξη μιας βάσης δεδομένων εμπλουτισμένης με πολυδιάστατες πληροφορίες για κάθε ένωση μπορεί να αντιμετωπίσει αναλυτικές προκλήσεις και να βελτιώσει ουσιαστικά την στοχευμένη σάρωση. Δεύτερον, ο συνδυασμός του TIMS με το HRMS και η προκύπτουσα data-dependent λειτουργία καταγραφής δεδομένων (DDA), η οποία ονομάζεται parallel accumulation-serial fragmentation (PASEF), αποδείχθηκαν πλεονεκτικά σε βασικά σημεία που ευνοούν την ταυτοποίηση περισσότερων ύποπτων/άγνωστων ενώσεων σε υψηλό επίπεδο εμπιστοσύνης. Τρίτον, οι αναλύσεις δειγμάτων ομφαλοπλακουντιακού αίματος με τις ανεπτυγμένες LC-TIMS-HRMS μεθοδολογίες απέδειξαν ότι αρκετές ξενοβιοτικές ουσίες μεταφέρονται από τις μητέρες στους απογόνους μέσω του πλακούντα, επηρεάζοντας πιθανώς την υγεία τους.