In Finland, 800-900 deaths are caused by fatal poisonings due to drugs or alcohols annually. Of these, around ten are caused by toxic alcohols, mainly methanol and ethylene glycol, and 400-500 are caused by drugs, both medicinal and illicit. Despite the fact that the majority of fatal poisonings are caused by relatively few individual compounds, toxicological laboratories must be capable of identifying and quantifying a wide range of possible toxicants. Small sample volumes and post-mortem changes impose special demands on both the laboratory investigation and the interpretation of results. The two main objectives of the present thesis are, first, to develop new analytical laboratory methods for toxic alcohols and drugs and, second, to apply these methods to post-mortem toxicology cases in order to generate reference data on lethal concentrations of especially metabolites for interpretation purposes.
Metabolites of toxic substances constitute an interpretive resource that is far from fully exploited in post-mortem toxicology. The therapeutic, toxic, and lethal concentrations of alcohols and drugs are usually expressed as the concentration of the parent compound in blood. Yet the toxicity of methanol and ethylene glycol, for example, is mainly caused by their toxic metabolites and many therapeutic drugs are transformed to metabolites that possess pharmacological activity similar to or greater than that of the parent drug.
A method for the quantitative analysis of ethylene glycol, glycolic acid, and formic acid and for the screening of volatile and hydroxylic organic compounds was developed, using headspace in-tube extraction gas chromatography-mass spectrometry. In fatal poisonings by methanol or ethylene glycol, the concentration of the parent alcohol varied significantly, whereas the concentrations of formic acid and glycolic acid in blood were found to be more uniform. Fatal metabolite threshold concentrations were established for those poisoning cases that had not received hospital treatment. In cases involving putrefaction, significant post-mortem production of formic acid was detected, and consequently the concentrations of metabolites should always be interpreted together with those of the parent alcohols. A comprehensive method for the quantitative monitoring of over 150 basic drugs and metabolites in blood samples was developed utilizing ultra-high performance liquid chromatography coupled with two consecutive detectors: diode array detector and corona charged aerosol detector (UHPLC-DAD-CAD). Based on the universal response of CAD, the method was evaluated for the quantification of drug metabolites using a secondary calibration method with the corresponding parent drug as a calibration standard. This approach offers a straightforward way of quantifying especially N-demethylated metabolites.
It was found that the metabolite to parent ratios of certain toxicologically relevant drugs in post-mortem blood samples were generally comparable to the standard ratios defined in clinical therapeutic drug monitoring. With the highest post-mortem parent drug concentrations, the ratios were below the clinical normal ranges, suggesting acute ingestion or poisoning. These findings encourage forensic toxicologists to actively use the metabolite to parent ratio in the interpretation of post-mortem toxicology results.Alkoholien ja lääkeaineiden aiheuttamiin myrkytyksiin kuolee Suomessa vuosittain noin 800 900 henkeä. Näistä niin kutsuttujen korvikealkoholien, pääasiassa metanolin ja etyleeniglykolin, aiheuttamia on noin 10 ja lääkeaineiden ja huumeiden aiheuttamia 400 500. Vaikka valtaosa myrkytyksistä on muutaman aineen aiheuttamia, täytyy laboratorioilla olla valmius tunnistaa ja määrittää suuri määrä mahdollisesti myrkyllisiä aineita pienestä näytemäärästä.
Tämän väitöstutkimuksen ensimmäinen tavoite oli kehittää uusia analyysimenetelmiä haihtuvien aineiden, korvikealkoholien ja emäksisten lääkeaineiden sekä niiden aineenvaihduntatuotteiden eli metaboliittien määrittämiseksi biologista näytteistä. Toisena tavoitteena oli kerätä tietoa erityisesti metaboliittien pitoisuuksista ruumiinavauksissa otetuissa näytteissä ja tutkia niiden merkitystä tulosten tulkinnassa.
On yleisesti tiedossa, että korvikealkoholien myrkyllisyys johtuu pääasiassa niiden happamista metaboliiteista, muurahaishaposta ja glykolihaposta. Monien lääkeaineiden metaboliittien vaikutus on lähes yhtä suurta tai suurempaa kuin lääkeaineella itsellään. Tiedetään myös, että joidenkin lääkeaineiden pitoisuudet voivat muuttua merkittävästi kuoleman jälkeen. Tästä huolimatta alkoholien ja lääkeaineiden terapeuttisten ja myrkyllisten pitoisuuksien viitearvoina käytetään aineen itsensä pitoisuutta veri- tai seeruminäytteessä.
Tässä tutkimuksessa kehitetyllä kaasukromatografisella menetelmällä pystytään määrittämään etyleeniglykoli, glykolihappo ja muurahaishappo sekä tunnistamaan haihtuvia aineita. Nestekromatografisella menetelmällä voidaan määrittää yli 150 emäksistä lääkeainetta ja metaboliittia verestä samanaikaisesti. Lisäksi menetelmällä voidaan määrittää joitain metaboliitteja ilman vertailuaineita hyödyntäen vastaavaa lääkeainetta.
Korvikealkoholien aiheuttamissa myrkytyskuolemissa metanolin ja etyleeniglykolin pitoisuuksien havaittiin vaihtelevan merkittävästi. Sen sijaan metaboliittien pitoisuudet veressä olivat yhtenäisempiä ja saavuttivat raja-arvon jota voidaan pitää tappavana. Lisäksi havaittiin, että kuolemanjälkeiset muutokset nostavat muurahaishapon pitoisuutta verinäytteissä. Näiden tulosten perusteella kuolinsyynselvityksessä olisi parasta käyttää korvikealkoholin ja sen metaboliitin pitoisuuksia yhdessä. Lääkeaineiden metaboliittien ja lääkeaineiden pitoisuuksien suhteiden huomattiin vastaavan kliinisesti määritettyjä suhteita myös silloin kun lääkeaineen pitoisuus ylitti terapeuttisen alueen. Vain kaikista isoimmilla lääkeainepitoisuuksilla suhde alitti kliiniset raja-arvot, viitaten akuuttiin käyttöön tai yliannostukseen. Tämä tulos kannustaa hyödyntämään metaboliitin ja lääkeaineen pitoisuuksien suhdetta toksikologisten tulosten tulkinnassa
