Evaluation of individual metabolic parameters by the analysis of finger sweat samples using liquid chromatography-mass spectrometry

Abstract

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde untersucht, ob individuelle metabolische Parameter durch Extraktion und Analyse von Xenobiotika und deren Metaboliten aus Fingerschweiß und Blut gewonnen werden können. Die Xenobiotika, auf die sich diese Masterarbeit konzentrierte, stammen aus Kaffee und Schokolade und waren hauptsächlich Methylxanthine (Koffein, Theobromin und Theophyllin) und Flavan-3-ole (Epicatechin und Catechin). Beide bioaktiven Gruppen stehen in Zusammenhang mit gesundheitlichen Effekten und sind zu Biomarkern für Lebensmittel geworden. Daher könnte eine genauere Charakterisierung ihrer Absorption und ihres Metabolismus zu einem besseren Verständnis ihrer gesundheitsfördernden Eigenschaften in Bezug auf Krankheitsprävention und andere Gesundheitsfaktoren führen. Zu diesem Zweck wurden elf gesunde Spender gebeten, Kaffee und Schokolade zu konsumieren, und die Analytkonzentrationen der Xenobiotika und ihrer Metaboliten wurden vor und nach dem Kaffee- / Schokoladenkonsum sowohl in Fingerschweiß- als auch in Blutproben gemessen. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante und reproduzierbare Zunahme der Xenobiotika in den Fingerscheißproben bei allen Freiwilligen, wenn der Metabolitspiegel vor der Kaffee- /Schockoladeaufnahme mit den Metabolitkonzentration von 15 Minuten nach Verzehr verglichen wurde. Die Methode der Wahl war ein untargeted Screening-Verfahren, bei dem ein Umkehrphasen-UHPLC-System mit der Q Exactive HF (Thermo Fisher ScientificTM) verwendet wurde, das ein Hybridinstrument mit einem Quadrupol als Massenfilter und einer Orbitrap als Massenanalysator ist. Verbindungen wurden identifiziert mit Hilfe der Compound Discoverer Software (Thermo Fisher ScientificTM), manuell überprüft durch Abgleich der aufgenommenen Spektren mit einer online Datenbank und mittels analytischer Standards verifiziert. Ein Probenvorbereitungsverfahren von etwa 5 Minuten für jede Fingerschweißprobe und einer Gesamtlaufzeit des UPHLC-MS-Systems von 7,5 Minuten pro Probe ermöglichten einen hohen Probendurchsatz. Diese Studie zeigt Unterschiede in der Menge an absorbierten Metaboliten, sowie individuelle Geschwindigkeiten in der metabolischen Aktivität, Unterschiede zwischen den linken und rechten Fingerschweißproben und unterschiedliche Kinetiken von Blut und Schweiß. Darüber hinaus konnten nicht alle im Schweiß vorkommenden Verbindungen im Blut nachgewiesen werden, möglicherweise aufgrund von hohen Proteinbindungsaffinitäten dieser Xenobiotika /Metaboliten. Daher ist diese Studie ein Beweis dafür, dass individuelle Stoffwechselparameter aus dem sezernierten Schweiß der Finger gewonnen werden können.The aim of this master thesis was to study individual metabolic parameters via extracting and analysing xenobiotics and their metabolites from finger sweat and whole blood samples. The xenobiotics this master thesis focused on were emerging from coffee and chocolate and were mainly methylxanthines (caffeine, theobromine, and theophylline) and flavan-3-ols (epicatechin and catechin). Both of these bioactive groups are associated with health effects and have become food biomarkers. Thus, a more detailed characterization of their absorption and metabolism could lead to a better understanding of their beneficial properties regarding disease prevention and other health factors. For this purpose, eleven healthy donors were asked to consume coffee and chocolate and analyte levels of the xenobiotics and their metabolites were monitored before and after coffee/chocolate consumption in fingerprint as well as in blood samples. The results show a significant and reproducible increase of the xenobiotics in fingerprints in all donors when comparing the xenobiotics and metabolite levels before coffee and chocolate intake with the levels 15 min thereafter. The method of choice was an untargeted screening method, using a reversed-phase UHPLC system coupled to the Q Exactive HF (Thermo Fisher ScientificTM) which is a hybrid instrument with a quadrupole as a mass filter and an orbitrap as a mass analyzer. Compounds were identified by loading the raw data into the Compound Discoverer Software (Thermo Fisher ScientificTM) and checked manually by comparing the measured spectra to an online database. A sample preparation procedure of about 5 minutes for each fingerprint sample and a total run time of the UPHLC-MS of 7.5 min per sample allowed high sample throughput. This study revealed differences in the amount of absorbed metabolites, as well as different speeds in metabolic activity, differences between the left- and right-hand fingerprint samples and distinct kinetics of blood and sweat. Furthermore, not all compounds found in sweat could also be detected in blood possibly due to high protein binding affinities of these xenobiotics/ metabolites. Therefore, this study is a proof-of-principle that individual metabolic parameters can be drawn from secreted sweat of the fingers