Optimization and application of in vitro and in vivo toxicometabolomics studies

Abstract

To improve the identification of new drug metabolites and to elucidate changes in the endogenous metabolism after drug consumption, several untargeted metabolomics techniques were investigated and optimized. Initially, a suitable sample preparation for urine samples was investigated. Subsequently, the analytical method was optimized for different matrices with respect to the used liquid chromatography columns. To obtain reliable information from the raw data and to ensure a meaningful biological interpretation, different data processing workflows were compared. Finally, two substances of interest due to their potential for abuse were investigated both in vitro and in vivo using untargeted toxicometabolomics. The optimization of various techniques demonstrated that parameters from sample collection to biological interpretation should be adapted to the research question and carefully considered beforehand, as each parameter has an influence on the outcome of the study. The two untargeted metabolomics studies indicated that the use of toxicometabolomics studies can provide both toxicokinetic data and information on the mode of action of drugs of abuse. Furthermore, toxicometabolomics studies can circumvent conventional screening methods by identifying both metabolites and endogenous biomarkers that would not have been expected.

Im Hinblick auf einen besseren Nachweis neuer Drogenmetabolite und Veränderungen des Stoffwechsels nach dem Konsum von Drogen, wurden verschiedene ungezielte Metabolomik-Techniken untersucht und optimiert. Zunächst wurde eine geeignete Probenaufarbeitung für Urinproben untersucht. Nachfolgend wurde die analytische Methode in Bezug auf die verwendeten Flüssigkeitschromatographie Säulen unter Berücksichtigung verschiedener Matrizes optimiert. Zur Gewinnung verwertbarer Informationen aus Rohdaten und Sicherstellung einer aussagekräftigen biologischen Interpretation, wurden im Anschluss verschiedene Arbeitsabläufe zur Datenprozessierung verglichen. Im letzten Schritt wurden zwei Substanzen aufgrund ihres Missbrauchspotentials mithilfe der ungezielten Toxikometabolomik in vitro und in vivo untersucht. Die Optimierung der verschiedenen Techniken ergab, dass alle Parameter von der Probenentnahme bis zur biologischen Interpretation an die Fragestellung angepasst und zuvor sorgfältig untersucht werden sollten, da jeder Parameter einen Einfluss auf das Ergebnis der Studie hatte. Die beiden nicht-zielgerichteten Metabolom-Studien ergaben, dass Toxikometabolomik-Studien toxikokinetische Daten und Informationen über die Wirkungsweise von Missbrauchsdrogen liefern können. Toxikometabolomik-Studien ermöglichen es, herkömmliche Screening-Methoden zu umgehen, indem sie sowohl Metabolite als auch endogene Biomarker identifizieren können, die nicht zu erwarten gewesen wären.