Analytische Kopplungstechniken zur Untersuchung Gd-haltiger Ablagerungen aus Kontrastmitteln in der Umwelt und in biologischen Systemen: Vom Modellexperiment zur Realprobe

Stipendiatin/Stipendiat: Karolin Sommer

Gd-haltige Kontrastmittel bilden eine wichtige Klasse der Metallopharmazeutika und ihr Einsatz konnte die medizinische Diagnostik mithilfe von Magnetresonanztherapie (MRT) in den letzten Jahren deutlich verbessern. Sie basieren auf einem Gd3+-Ion, welches von einem organischen Liganden komplexiert wird. Aufgrund der Toxizität von freiem Gd3+ ist dies für den Einsatz der Verbindungen essentiell.

Die Gd-Kontrastmittel werden nach der Verabreichung hauptsächlich als intakte Komplexe ausgeschieden und galten lange Zeit als sichere Arzneimittelklasse. Mittlerweile wurde jedoch gezeigt, dass es im Körper nach Kontrastmittelgabe zu bisher nicht identifizierten Gd-haltigen Ablagerungen kommen kann. Aufgrund der weitverbreiteten Anwendung können außerdem erhebliche Mengen über das Abwasser in die Umwelt gelangen, da mithilfe aktueller Kläranlagen nur ein geringer Teil dieser Verbindungen entfernt wird. So kann Gd besonders in bevölkerungsreichen Regionen bis in Oberflächen- und Trinkwasser hinein angereichert vorliegen. Auch in der Umwelt ist eine Umwandlung der Gd-Kontrastmittel ähnlich wie im Körper durch im Wasser gelöste Stoffe möglich und eine Beurteilung der entstehenden Spezies ist von Interesse.

Der Verbleib der Gd-Kontrastmittel in Gewässern soll im Rahmen meiner Dissertation anhand von Modellexperimenten mithilfe verschiedener Verbindungen wie Siderophoren, Huminsäuren oder Phosphat untersucht werden. Darüber hinaus sollen Umweltproben verschiedener Gewässer vor und nach der Reinigung durch Kläranlagen analysiert werden, um die Modellexperimente auf reale Bedingungen zu übertragen. Um ebenfalls eine mögliche Anreicherung von Gd-Spezies in Pflanzen zu untersuchen, werden auf der etablierten Modellpflanze Arabidopsis thaliana basierende Experimente durchgeführt und entsprechende Proben im Anschluss untersucht.

Auch die Identifizierung der im Körper verbleibenden Gd-Spezies ist wichtig, um die gesundheitliche und Umweltrelevanz dieser Frage zu beurteilen. Insbesondere bei nierenkranken Patienten gibt es einen Zusammenhang zwischen Gd-Kontrastmittelgabe und der Entwicklung von nephrogener systemischer Fibrose (NSF), einer Krankheit, die zu einer Verhärtung von Haut und Organen führt und potentiell tödlich ist. Da auch im Körper vorhandene Proteine oder Polysaccharide als Bindungspartner für Gd-Kontrastmittel in Frage kommen, sollen die Wechselwirkungen anhand von Modellexperimenten untersucht werden.

Das Feld der Speziationsanalytik bietet vielversprechende Ansätze zur Beantwortung der aufgeworfenen Fragen hinsichtlich der Relevanz der Gd-Ablagerungen für Mensch und Umwelt. Durch den Einsatz von Flüssigchromatographie können die verschiedenen Gd-Spezies aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften wie Polarität und Größe voneinander getrennt und im Anschluss mithilfe von molekül- oder elementselektiver Massenspektrometrie analysiert werden. Durch den Einsatz der molekülselektiven Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie werden anhand der Retentionszeiten auf der chromatographischen Säule und den im Anschluss detektierten Massen die Gd-Spezies identifiziert. Durch Fragmentierungsexperimente mit den generierten Ionen kann weiterhin auf die ursprüngliche Struktur der Spezies geschlossen werden. In der Speziationsanalytik ist außerdem der Einsatz der elementselektiven induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie weit verbreitet. Dieses Verfahren bietet den Vorteil niedriger Nachweisgrenzen bis in den Ultraspurenbereich und die Möglichkeit zur Quantifizierung, was insbesondere für die Analytik von Realproben interessant ist.

Während dieser Dissertation sollen somit neue Erkenntnisse über die Form des in Körper und Umwelt verbleibenden Gd aus MRT-Kontrastmitteln erlangt werden, die so zur Klärung der Relevanz dieser Ablagerungen für Mensch und Umwelt beitragen sollen.

Förderzeitraum:
01.06.2019 - 31.05.2022

Institut:
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Institut für Anorganische u. Analytische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Uwe Karst

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