Automatic Identification of Large Fragments in a Pile of Broken Rock Using a Time-of-Flight Camera

This paper presents a solution to part of the problem of making robotic or semi-robotic digging equipment less dependant on human supervision. A method is described for identifying rocks of a certain size that may affect digging efficiency or require special handling. The process involves three main steps. First, by using range and intensity data from a time-of-flight (TOF) camera, a feature descriptor is used to rank points and separate regions surrounding high scoring points. This allows a wide range of rocks to be recognized because features can represent a whole or just part of a rock. Second, these points are filtered to extract only points thought to belong to the large object. Finally, a check is carried out to verify that the resultant point cloud actually represents a rock. Results are presented from field testing on piles of fragmented rock. Note to Practitioners—This paper presents an algorithm to identify large boulders in a pile of broken rock as a step towards an autonomous mining dig planner. In mining, piles of broken rock can contain large fragments that may need to be specially handled. To assess rock piles for excavation, we make use of a TOF camera that does not rely on external lighting to generate a point cloud of the rock pile. We then segment large boulders from its surface by using a novel feature descriptor and distinguish between real and false boulder candidates. Preliminary field experiments show promising results with the algorithm performing nearly as well as human test subjects.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Characterizing neural tissues with mass spectrometry imaging via enhanced computational approaches

Neuropeptides affect the activity of the myriad of neuronal circuits in the brain. They are under tight spatial and chemical control and the dynamics of their release and catabolism directly modify neuronal network activity. Understanding neuropeptide functioning requires approaches to determine their chemical and spatial heterogeneity within neural tissue, but most imaging techniques do not provide the complete information desired. To provide chemical information, most imaging techniques used to study the nervous system require preselection and labeling of the peptides of interest; however, mass spectrometry imaging (MSI) detects analytes across a broad mass range without the need to target a specific analyte. When used with matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI), MSI detects analytes in the mass range of neuropeptides. MALDI MSI simultaneously provides spatial and chemical information resulting in images that plot the spatial distributions of neuropeptides over the surface of a thin slice of neural tissue. Here a variety of approaches for neuropeptide characterization are developed. Specifically, several computational approaches are combined with MALDI MSI to create improved approaches that provide spatial distributions and neuropeptide characterizations. After successfully validating these MALDI MSI protocols, the methods are applied to characterize both known and unidentified neuropeptides from neural tissues. The methods are further adapted from tissue analysis to be able to perform tandem MS (MS/MS) imaging on neuronal cultures to enable the study of network formation. In addition, MALDI MSI has been carried out over the timecourse of nervous system regeneration in planarian flatworms resulting in the discovery of two novel neuropeptides that may be involved in planarian regeneration. In addition, several bioinformatic tools are developed to predict final neuropeptide structures and associated masses that can be compared to experimental MSI data in order to make assignments of neuropeptide identities. The integration of computational approaches into the experimental design of MALDI MSI has allowed improved instrument automation and enhanced data acquisition and analysis. These tools also make the methods versatile and adaptable to new sample types.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Simultaneous determination by UPLC-ESI-MS of scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine after oral administration of Yin Chen Hao Tang preparation

A simple, sensitive, and validated method was developed for simultaneous determination of scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine by ultra-performance liquid chromatography/electrospray ionization quadruple time-of-flight mass spectrometry (UPLC-MS). The urinary samples were analyzed on an Acquity UPLC BEH C18 1.7 microm 2.1x50 mm column. Scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine were simultaneously analyzed with good separation. The lower limits of detection were 6.0, 9.0, 7.0, and 3.0 ng/mL, and the lower limits of quantification were 20.0, 33.0, 24.0, and 12.0 ng/mL for scoparone, capillarisin, rhein, and emodin, respectively. The intra- and inter-day precisions (RSD) were less than 9%. The intra- and inter-accuracies were found to be in the range of 94.14-104.54% for scoparone, 101.72-107.34% for capillarisin, 95.24-103.59% for rhein, and 101.32-107.82% for emodin at three concentration levels. The absolute recoveries for scoparone, capillarisin, rhein, and emodin were not less than 77.0%. The developed method has been applied to determine scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine after oral administration of Yin Chen Hao Tang preparation, a traditional Chinese medicine formulation widely used in China for treatment of jaundice and liver disorders.

Studies on principal components and antioxidant activity of different Radix Astragali samples using high-performance liquid chromatography/electrospray ionization multiple-stage tandem mass spectrometry

The principal components, isoflavonoids and astragalosides, in the extract of Radix Astragali were detected by a high-performance liquid chromatography Couple to electrospray ionization ion trap multiple-stage tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-IT-MSn) method. By comparing the retention time (t(R)) of HPLC, the ESI-MSn data and the structures of analyzed Compounds with the data of reference compounds and in the literature, 17 isoflavonoids and 12 astragalosides have been identified or tentatively deduced. By Virtue of the extracted ion chromatogram (EIC) mode, simultaneous determination of isoflavonoids and astragalosides could be achieved when the different components formed overlapped peaks. And this method has been utilized to analyze the constituents in extracts of Radix Astragali from Helong City and of different growth years. Then the antioxidant activity of different samples has been Successfully investigated by HPLC-ESI-MS method in multiple selected ion monitoring(MIM) mode, applying the spin trapping technology, and the Ferric Reducing Antioxidant Power (FRAP) assay was applied to support the result.

Analysis of pesticide residues in strawberries and soils by GC-MS/MS, LC-MS/MS and two-dimensional GC-timeof- flight MS comparing organic and integrated pest management farming

This study analysed 22 strawberry and soil samples after their collection over the course of 2 years to compare the residue profiles from organic farming with integrated pest management practices in Portugal. For sample preparation, we used the citrate-buffered version of the quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe (QuEChERS) method. We applied three different methods for analysis: (1) 27 pesticides were targeted using LC-MS/MS; (2) 143 were targeted using low pressure GC-tandem mass spectrometry (LP-GC-MS/MS); and (3) more than 600 pesticides were screened in a targeted and untargeted approach using comprehensive, two-dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC × GC-TOF-MS). Comparison was made of the analyses using the different methods for the shared samples. The results were similar, thereby providing satisfactory confirmation of both similarly positive and negative findings. No pesticides were found in the organic-farmed samples. In samples from integrated pest management practices, nine pesticides were determined and confirmed to be present, ranging from 2 μg kg−1 for fluazifop-pbutyl to 50 μg kg−1 for fenpropathrin. Concentrations of residues in strawberries were less than European maximum residue limits.

Variation of the mixing state of Saharan dust particles with atmospheric transport

Mineral dust is an important aerosol species in the Earth’s atmosphere and has a major source within North Africa, of which the Sahara forms the major part. Aerosol Time of Flight Mass Spectrometry (ATOFMS) is first used to determine the mixing state of dust particles collected from the land surface in the Saharan region, showing low abundance of species such as nitrate and sulphate internally mixed with the dust mineral matrix. These data are then compared with the ATOFMS single particle mass spectra of Saharan dust particles detected in the marine atmosphere in the vicinity of the Cape Verde islands, which are further compared with those from particles with longer atmospheric residence sampled at a coastal station at Mace Head, Ireland. Saharan dust particles collected near the Cape Verde Islands showed increased internally mixed nitrate but no sulphate, whilst Saharan dust particles collected on the coast of Ireland showed a very high degree of internally mixed secondary species including nitrate, sulphate and methanesulphonate. This uptake of secondary species will change the pH and hygroscopic properties of the aerosol dust and thus can influence the budgets of other reactive gases, as well as influencing the radiative properties of the particles and the availability of metals for dissolution.

Characterization of proanthocyanidins from Parkia biglobosa (Jacq.) G. Don. (Fabaceae) by flow injection analysis - Electrospray ionization ion trap tandem mass spectrometry and liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry

The present study investigates the chemical composition of the African plant Parkia biglobosa (Fabaceae) roots and barks by Liquid Chromatography - Electrospray Ionization and Direct Injection Tandem Mass Spectrometry analysis. Mass spectral data indicated that B-type oligomers are present, namely procyanidins and prodelphinidins, with their gallate and glucuronide derivatives, some of them in different isomeric forms. The analysis evidenced the presence of up to 40 proanthocyanidins, some of which are reported for the first time. In this study, the antiradical activity of extracts of roots and barks from Parkia biglobosa was evaluated using DPPH method and they showed satisfactory activities.

Interval multivariate curve resolution in the dereplication of HPLC-DAD data from Jatropha gossypifolia

Introduction Jatropha gossypifolia has been used quite extensively by traditional medicine for the treatment of several diseases in South America and Africa. This medicinal plant has therapeutic potential as a phytomedicine and therefore the establishment of innovative analytical methods to characterise their active components is crucial to the future development of a quality product. Objective To enhance the chromatographic resolution of HPLC-UV-diode-array detector (DAD) experiments applying chemometric tools. Methods Crude leave extracts from J. gossypifolia were analysed by HPLC-DAD. A chromatographic band deconvolution method was designed and applied using interval multivariate curve resolution by alternating least squares (MCR-ALS). Results The MCR-ALS method allowed the deconvolution from up to 117% more bands, compared with the original HPLC-DAD experiments, even in regions where the UV spectra showed high similarity. The method assisted in the dereplication of three C-glycosylflavones isomers: vitexin/isovitexin, orientin/homorientin and schaftoside/isoschaftoside. Conclusion The MCR-ALS method is shown to be a powerful tool to solve problems of chromatographic band overlapping from complex mixtures such as natural crude samples. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd. Extracts from J. gossypifolia were analyzed by HPLC-DAD and, dereplicated applying MCR-ALS. The method assisted in the detection of three C-glycosylflavones isomers: vitexin/isovitexin, orientin/homorientin and schaftoside/isoschaftoside. The application of MCR-ALS allowed solving problems of chromatographic band overlapping from complex mixtures such as natural crude samples. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Flavonoids from the leaves of Deguelia utilis (Leguminosae): structural elucidation and neuroprotective properties

Das folhas de Deguelia utilis foram isolados cinco flavonoides: 5,3'-di-hidróxi-4'-metóxi2'',2''-dimetilcromeno-(5'',6'':6,7)-di-hidroflavonol (1), 5,3'-di-hidróxi-7,4'-dimetóxi-6,8dimetilalil-di-hidroflavonol (2), 5,3'-di-hidróxi-4'-metóxi-8-prenil-2'',2''-dimetilcromeno(5'',6'':6,7)-flavanona (3), 5,3'-di-hidróxi-7,4'-dimetóxi-6,8-dimetilalil-flavanona (4), 3,5,3'-tri-hidróxi-7,4'-dimetóxi-6,8-dimetilalil-flavanol (5), juntamente com os estilbenos: 4-metoxilonchocarpeno (6) e lonchocarpeno (7). Suas estruturas químicas foram elucidadas com base nos seus dados de NMR (ressonância magnética nuclear) e HRESITOF-MS (espectrometria de massas de alta resolução por tempo de vôo, com ionização por eletrospray). Além disso, a fim de investigar o potencial efeito citoprotetor desses flavonoides, foi utilizada uma fração eluída com hexano:AcOEt contendo os sete flavonoides, em um modelo in vitro de neurodegeneração, utilizando culturas primárias do hipocampo de ratos neonatal (PND2-P3) expostos à rotenona, um inibidor mitocondrial do complexo I. Houve uma redução significativa da viabilidade celular (19,4 ± 1,6%), quando as culturas foram expostas à rotenona 30 nmol L^-1 por 72 h. A exposição concomitante das culturas a FR3 (5 µg mL^-1) e rotenona 30 nmol L^-1 resultou em valores de viabilidade celular semelhante ao grupo controle (99,6 ± 4,8%), sugerindo um efeito citoprotetor para essa fração.

Comparative metabolism of cyclophosphamide and ifosfamide in the mouse using UPLC-ESI-QTOFMS-based metabolomics

Ifosfamide (IF) and cyclophosphamide (CP) are common chemotherapeutic agents. Interestingly, while the two drugs are isomers, only IF treatment is known to cause nephrotoxicity and neurotoxicity. Therefore, it was anticipated that a comparison of IF and CP drug metabolites in the mouse would reveal reasons for this selective toxicity. Drug metabolites were profiled by ultra-performance liquid chromatography-linked electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-ESI-QTOFMS), and the results analyzed by multivariate data analysis. Of the total 23 drug metabolites identified by UPLC-ESI-QTOFMS for both IF and CP, five were found to be novel. Ifosfamide preferentially underwent N-dechloroethylation, the pathway yielding 2-chloroacetaldehyde, while cyclophosphamide preferentially underwent ring-opening, the pathway yielding acrolein (AC). Additionally, S-carboxymethylcysteine and thiodiglycolic acid, two downstream IF and CP metabolites, were produced similarly in both IF- and CP-treated mice. This may suggest that other metabolites, perhaps precursors of thiodiglycolic acid, may be responsible for IF encephalopathy and nephropathy.

A comprehensive understanding of thioTEPA metabolism in the mouse using UPLC-ESI-QTOFMS-based metabolomics

ThioTEPA, an alkylating agent with anti-tumor activity, has been used as an effective anticancer drug since the 1950s. However, a complete understanding of how its alkylating activity relates to clinical efficacy has not been achieved, the total urinary excretion of thioTEPA and its metabolites is not resolved, and the mechanism of formation of the potentially toxic metabolites S-carboxymethylcysteine (SCMC) and thiodiglycolic acid (TDGA) remains unclear. In this study, the metabolism of thioTEPA in a mouse model was comprehensively investigated using ultra-performance liquid chromatography coupled with electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-ESI-QTOFMS) based-metabolomics. The nine metabolites identified in mouse urine suggest that thioTEPA underwent ring-opening, N-dechloroethylation, and conjugation reactions in vivo. SCMC and TDGA, two downstream thioTEPA metabolites, were produced from thioTEPA from two novel metabolites 1,2,3-trichloroTEPA (VII) and dechloroethyltrichloroTEPA (VIII). SCMC and TDGA excretion were increased about 4-fold and 2-fold, respectively, in urine following the thioTEPA treatment. The main mouse metabolites of thioTEPA in vivo were TEPA (II), monochloroTEPA (III) and thioTEPA-mercapturate (IV). In addition, five thioTEPA metabolites were detected in serum and all shared similar disposition. Although thioTEPA has a unique chemical structure which is not maintained in the majority of its metabolites, metabolomic analysis of its biotransformation greatly contributed to the investigation of thioTEPA metabolism in vivo, and provides useful information to understand comprehensively the pharmacological activity and potential toxicity of thioTEPA in the clinic.

Metabolomics reveals the metabolic map of procainamide in humans and mice

Procainamide, a type I antiarrhythmic agent, is used to treat a variety of atrial and ventricular dysrhythmias. It was reported that long-term therapy with procainamide may cause lupus erythematosus in 25-30% of patients. Interestingly, procainamide does not induce lupus erythematosus in mouse models. To explore the differences in this side-effect of procainamide between humans and mouse models, metabolomic analysis using ultra-performance liquid chromatography coupled with electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-ESI-QTOFMS) was conducted on urine samples from procainamide-treated humans, CYP2D6-humanized mice, and wild-type mice. Thirteen urinary procainamide metabolites, including nine novel metabolites, derived from P450-dependent, FMO-dependent oxidations and acylation reactions, were identified and structurally elucidated. In vivo metabolism of procainamide in CYP2D6-humanized mice as well as in vitro incubations with microsomes and recombinant P450s suggested that human CYP2D6 plays a major role in procainamide metabolism. Significant differences in N-acylation and N-oxidation of the drug between humans and mice largely account for the interspecies differences in procainamide metabolism. Significant levels of the novel N-oxide metabolites produced by FMO1 and FMO3 in humans might be associated with the development of procainamide-induced systemic lupus erythematosus. Observations based on this metabolomic study offer clues to understanding procainamide-induced lupus in humans and the effect of P450s and FMOs on procainamide N-oxidation.

Radiation metabolomics. 2. Dose- and time-dependent urinary excretion of deaminated purines and pyrimidines after sublethal gamma-radiation exposure in mice

Gamma-radiation exposure of humans is a major public health concern as the threat of terrorism and potential hostile use of radiological devices increases worldwide. We report here the effects of sublethal gamma-radiation exposure on the mouse urinary metabolome determined using ultra-performance liquid chromatography-coupled time-of-flight mass spectrometry-based metabolomics. Five urinary biomarkers of sublethal radiation exposure that were statistically significantly elevated during the first 24 h after exposure to doses ranging from 1 to 3 Gy were unequivocally identified by tandem mass spectrometry. These are deaminated purine and pyrimidine derivatives, namely, thymidine, 2'-deoxyuridine, 2'-deoxyxanthosine, xanthine and xanthosine. Furthermore, the aminopyrimidine 2'-deoxycytidine appeared to display reduced urinary excretion at 2 and 3 Gy. The elevated biomarkers displayed a time-dependent excretion, peaking in urine at 8-12 h but returning to baseline by 36 h after exposure. It is proposed that 2'-deoxyuridine and 2'-deoxyxanthosine arise as a result of gamma irradiation by nitrosative deamination of 2'-deoxycytidine and 2'-deoxyguanosine, respectively, and that this further leads to increased synthesis of thymidine, xanthine and xanthosine. The urinary excretion of deaminated purines and pyrimidines, at the expense of aminopurines and aminopyrimidines, appears to form the core of the urinary radiation metabolomic signature of mice exposed to sublethal doses of ionizing radiation.