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Analysis of aromatic amines in human urine using comprehensive multi-dimensional gas chromatography mass spectrometry

Lamani-Dixon, Xolelwa

Im Laufe der Jahre hat sich gezeigt, dass einige aromatische Amine (AA) das Potenzial haben, beim Menschen zu Blasenkrebs zu führen, wobei das Rauchen von Zigaretten als Hauptquelle gilt. In Bezug auf durch Tabakrauch verursachten Blasenkrebs wurde jedoch nur über wenige dieser Verbindungen berichtet. Daher wurde ein Interesse daran entwickelt, mehr über die Existenz von AA in menschlichen Körperflüssigkeiten zu erfahren. Die Verwendung einer umfassenden mehrdimensionalen Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC×GC-qMS) ermöglichte den Nachweis mehrerer isomerer Verbindungen mit gleicher Molekülmasse und hat aufgrund ihrer Fingerabdruckanalyse ein klares Bild von der Existenz von aromatischen Aminen im menschlichen Urin gegeben. Um die in dieser Studie verwendeten Urinproben von Rauchern, Nichtrauchern und ehemaligen Rauchern für die GC geeignet zu machen, waren vor der Analyse mehrere Vorbehandlungsschritte erforderlich. Die Schritte umfassten: (i) thermische saure Hydrolyse zur Spaltung aromatischer Aminaddukte, (ii) Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) der hydrolysierten Analyten, (iii) Derivatisierung der extrahierten Amine durch Diazotierung und Iodierung und (iv) Anreicherung der Iodderivate mit Headspace-Festphasen-Mikroextraktion (SPME), bevor die Analyten in das GC-System eingeführt wurden. Die Anwendung der entwickelten In-situ-Derivatisierungs-SPME GC×GC-qMS-Technik führte zu mehr als 100 isomeren aromatischen Aminen, die im menschlichen Urin identifiziert wurden. Im Hinblick auf die Anzahl und die Peakintensitäten war der Urin der Raucher höher belastet im Vergleich zu dem Urin von Nichtrauchern und ehemaligen Rauchern. Es wurden auch einige alternative Entwicklungen untersucht, um die Probenvorbereitungsprozedur hinsichtlich des Zeitaufwands und des Einsatzes vonLösungsmitteln zu verbessern. Die mikrowellenunterstützte Technik zeigte eine Möglichkeit, die Zeit von 12 Stunden der herkömmlichen Hydrolyse auf ≤ 1 Stunde potentiell zu minimieren. Und für die organischen Lösungsmittel wurden geringere Mengen durch Dünnschicht-Mikroextraktion (TFME) einschließlich der benötigten Probenmenge erreicht. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Arbeit ein besseres Verständnis der Prävalenz von aromatischen Aminen im Menschen ermöglicht als bisher bekannt. Dies schafft wahrscheinlich eine Plattform für weitere Untersuchungen in den Urinproben der Patienten, bei denen Blasenkrebs diagnostiziert wird. Dies kann letztendlich nützlich sein, um Biomarker zu finden, die verwendet werden können, um den Gehalt an krebserregenden aromatischen Aminen in Urinproben zu bestimmen.

Over the years, it has been revealed that some aromatic amines (AAs) have a potential to cause bladder cancer in humans, with cigarette smoking as a major source. However, in relation to tobacco-smoking bladder cancer only few of these compounds have been reported. Hence, an interest to study more about the existence of AAs in human body fluids was developed. The use of a comprehensive multi-dimensional gas chromatography mass spectrometry (GC×GC-qMS) enabled the detection of several isomeric compounds of the same molecular mass and it has given a clear picture of the existence of aromatic amines in human urine due to its fingerprint analysis. For the investigation of urine samples, which were of smokers, non-smokers and past-smokers in this study; pre-treatment steps are necessary prior to analysis to make the analytes suitable for GC. The steps include: (i) thermal acidic hydrolysis to cleave aromatic amine adducts, (ii) liquid-liquid extraction (LLE) of the hydrolyzed analytes, (iii) derivatization of the extracted amines through diazotization and iodination and (iv) enrichment of the iodinated derivatives with headspace solid-phase microextraction (SPME), before introducing the analytes into the GC system. The application of the developed in-situ derivatization SPME GC×GC-qMS technique resulted in more than 100 isomeric aromatic amines identified in human urine and with regard to the numbers and peak intensities, the urine of smokers were more burdened compared to non- and past-smokers urine. Also, some alternative developments were investigated in order to improve sample preparation procedures which are mainly the time and solvents consumed during preparation. Microwave-assisted technique showed a possibility of potentially minimizing the time from 12 hours of the conventional hydrolysis to ≤ 1 hour. And for the organic solvents, less amounts were achieved by thin-film microextraction (TFME) including the amount of sample needed. In conclusion, the work done here offers a better understanding on the prevalence of several aromatic amines in humans, than previously reported. This creates a platform for further investigations probably in the urine samples of the patients who are diagnosed with bladder cancer. This may eventually be useful in finding biomarkers which could be used to determine the level of cancer-causing aromatic amines in urine samples.

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Lamani-Dixon, Xolelwa: Analysis of aromatic amines in human urine using comprehensive multi-dimensional gas chromatography mass spectrometry. 2018.

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