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Sensitive and scalable quantification of the chemical exposome by solid-phase extraction and LC-MS
Yunyun Gu
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie
Betreuer*in
Benedikt Warth
DOI
10.25365/thesis.80079
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11159.15251.253942-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Exposom ist das Maß der gesamten Umwelteinflüsse und hat einen signifikanten Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Die Exposomforschung untersucht typischerweise komplexe biologische Proben und bewertet tausenden kleinen Molekülen, die mit chemischen Expositionsereignissen in Verbindung stehen. Um umfassende Daten zu erhalten, haben sich LC-MS/MS für die gerichtete Analyse und/oder LC-HRMS für die nicht-gerichtete Analyse (NTA) als bevorzugte analytische Werkzeuge in diesem Bereich etabliert. Gerichtete Assays konzentrieren sich auf die Quantifizierung vordefinierter Verbindungen mit hoher Genauigkeit und Präzision, während NTA unbekannte Chemikalien identifizieren kann. Selbst mit diesen Techniken leiden Exposom Studien weiterhin unter Problemen mit Sensitivität und Reproduzierbarkeit, aufgrund von Matrixeffekten und Interferenzen in komplexen biologischen Proben sowie der Herausforderung von typischerweise sehr geringen Analytmengen. Dies unterstreicht den kritischen Bedarf an fortschrittlicher Probenvorbereitung und gerichteter LC-MS/MS-Analyse. Dennoch bleiben geeignete Methoden, die Empfindlichkeit, breite Analytenabdeckung, Methodenrobustheit und hohen Probendurchsatz ausbalancieren, weiterhin ein wesentlicher Engpass in der Exposomforschung. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde ein Festphasenextraktionsprotokoll (SPE) im 96-Well-Plattenformat für eine Gruppe von 94 hochdiversen Expositionsverbindungen in menschlichem Urin und Plasma unter Verwendung gerichteter LC-MS/MS entwickelt. Die etablierte SPE-Methode erwies sich im Vergleich zu einem routinemäßig verwendeten Proteinpräzipitationsansatz als etwa 10-mal schneller, wenn die geschätzte Gesamtbearbeitungszeit der Probenvorbereitung verglichen wurde. Die Anwendbarkeit der Methode für NTA wurde mittels LC-HRMS getestet und mit dem Proteinpräzipitationsprotokoll, unter Verwendung von NIST-Standardreferenzmaterialien für Urin (SRM 3672) und Plasma (SRM 1950), verglichen. Die Proteinpräzipitationsmethode zeigte eine vorteilhafte Leistung, während das SPE-Protokoll vielversprechende Ergebnisse lieferte. Als nächsten Schritt wurde ein skalierbarer Workflow entwickelt und intern validiert, um >230 Biomarker in menschlichem Urin, Plasma und Serum mittels gerichteter LC-MS/MS zu analysieren, wobei die entwickelte SPE-Methode zur Probenaufreinigung genutzt wurde. Die Empfindlichkeit und Robustheit der Methode wurden für die meisten Analyten in den untersuchten Matrizen demonstriert. 200 Urinproben von schwangeren Frauen einer longitudinalen Schwangerschaftskohorte wurden analysiert. Mehr als 100 Analyten wurden detektiert, einige davon zum ersten Mal in einer US-amerikanischen Biomonitoring-Studie für Urin. Dieser fortschrittliche Workflow gleicht Analytenabdeckung, Empfindlichkeit, Robustheit und Probendurchsatz aus und erfüllt somit die strengen Leistungsanforderungen für zukünftige Exposom-Forschung im Bereich der öffentlichen und personalisierten Prävention.
Abstract
(Englisch)
The exposome is the measure of total environmental exposures and has a significant impact on human health outcomes. Exposomics research typically examines complex biological samples and assesses thousands of small molecules associated with chemical exposure events. To achieve comprehensive data, LC-MS/MS used for targeted analysis, and/or LC-HRMS for nontargeted analysis (NTA) have emerged as the preferred analytical tool in the field. Targeted assays focus on quantifying pre-defined compounds with high accuracy and precision while NTA can identify unknown chemicals. Even with these techniques, sensitivity and reproducibility still plague exposomic studies due to matrix effects and interferences associated with complex biological samples along with the challenge of typically very low abundance analytes. This highlights the critical need for advanced sample preparation and targeted LC-MS/MS analysis. Yet, proper methods, balancing sensitivity, broad analyte coverage, method robustness, and throughput, remain a major bottleneck in exposomics. To address these challenges, a well-balanced solid-phase extraction (SPE) protocol in 96-well format was developed for a panel of 94 highly diverse exposures in human urine and plasma using targeted LC-MS/MS. The established SPE method was shown to be approximately 10× faster than a routinely used protein precipitation approach when comparing the estimated total processing time of sample preparation. The method’s applicability for NTA was tested and compared to the protein precipitation protocol using NIST standard reference materials for urine (SRM 3672) and plasma (SRM 1950) using LC-HRMS. Favorable performance was shown for the protein precipitation method while the SPE protocol demonstrated promising results. As a next step, a scalable workflow was developed and in-house validated for analyzing >230 biomarkers in human urine, plasma, and serum using targeted LC-MS/MS, leveraging the developed SPE method for clean-up. Method sensitivity and robustness were demonstrated for most of the analytes across the investigated matrices. 200 urine samples from pregnant women in a longitudinal pregnancy cohort were analyzed. More than 100 analytes were detected, several for the first time in a U.S. urinary biomonitoring study. This advanced workflow balances analyte coverage, sensitivity, robustness, and sample throughput, thereby meeting the stringent performance requirements for future exposome-scale research in public and personalized prevention.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
SPE LC-MS Exposom Kohorte
Autor*innen
Yunyun Gu 
Haupttitel (Englisch)
Sensitive and scalable quantification of the chemical exposome by solid-phase extraction and LC-MS
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 136 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Ruth Birner-Grünberger ,
Marc Pignitter
Klassifikationen
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie. Allgemeines ,
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
AC Nummer
AC17752720
Utheses ID
78415
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |