Insights in the maturation of pathogenic bacteria vaccine candidates using mass spectrometry based approaches

The study of the maturation process that occurs to a protein is of pivotal importance for the understanding of its function. This is true also in the vaccine field but in this case is also important to evaluate if inappropriate protein conformation and maturation play roles in the impairment of the functional immunogenicity of protein vaccines. Mass spectrometry (MS) is the method of choice for the study of the maturation process since each modification that occurs during the maturation will lead to a change in the mass of the entire protein. Therefore the aim of my thesis is the development of mass spectrometry-based approaches to study the maturation of proteins and the application of these methods to proteic vaccine candidates. The thesis is divided in two main parts. In the first part, I focused my attention on the study of the maturation of different vaccine candidates using native mass spectrometry. The analyses in this case have been performed using recombinant proteins produced in E. coli. In the second part I applied different MS strategies for the identification of unknown PTMs on pathogenic bacteria surface proteins since modified surface proteins are now considered for vaccine candidate selection.

New synthetic bile acid analogue agonists of FXR and TGR5 receptors: Analytical methodologies for the study of their physico-chemical properties, pharmacokinetic activity and metabolism.

This thesis reports an integrated analytical approach for the study of physicochemical and biological properties of new synthetic bile acid (BA) analogues agonists of FXR and TGR5 receptors. Structure-activity data were compared with those previous obtained using the same experimental protocols on synthetic and natural occurring BA. The new synthetic BA analogues are classified in different groups according also to their potency as a FXR and TGR5 agonists: unconjugated and steroid modified BA and side chain modified BA including taurine or glycine conjugates and pseudo-conjugates (sulphonate and sulphate analogues). In order to investigate the relationship between structure and activity the synthetic analogues where admitted to a physicochemical characterization and to a preliminary screening for their pharmacokinetic and metabolism using a bile fistula rat model. Sensitive and accurate analytical methods have been developed for the quali-quantitative analysis of BA in biological fluids and sample used for physicochemical studies. Combined High Performance Liquid Chromatography Electrospray tandem mass spectrometry with efficient chromatographic separation of all studied BA and their metabolites have been optimized and validated. Analytical strategies for the identification of the BA and their minor metabolites have been developed. Taurine and glycine conjugates were identified in MS/MS by monitoring the specific ion transitions in multiple reaction monitoring (MRM) mode while all other metabolites (sulphate, glucuronic acid, dehydroxylated, decarboxylated or oxo) were monitored in a selected-ion reaction (SIR) mode with a negative ESI interface by the following ions. Accurate and precise data where achieved regarding the main physicochemical properties including solubility, detergency, lipophilicity and albumin binding . These studies have shown that minor structural modification greatly affect the pharmacokinetics and metabolism of the new analogues in respect to the natural BA and on turn their site of action, particularly where their receptor are located in the enterohepatic circulation.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Chemical composition measurements of cloud condensation nuclei and ice nuclei by aerosol mass spectrometry

In this study the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) was used during three laboratory measurement campaigns, FROST1, FROST2 and ACI-03. The FROST campaigns took place at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) at the IfT in Leipzig and the ACI-03 campaign was conducted at the AIDA facility at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). In all three campaigns, the effect of coatings on mineral dust ice nuclei (IN) was investigated. During the FROST campaigns, Arizona Test Dust (ATD) particles of 200, 300 and 400 nm diameter were coated with thin coatings (< 7 nm) of sulphuric acid. At these very thin coatings, the AMS was operated close to its detection limits. Up to now it was not possible to accurately determine AMS detection limits during regular measurements. Therefore, the mathematical tools to analyse the detection limits of the AMS have been improved in this work. It is now possible to calculate detection limits of the AMS under operating conditions, without losing precious time by sampling through a particle filter. The instrument was characterised in more detail to enable correct quantification of the sulphate loadings on the ATD particle surfaces. Correction factors for the instrument inlet transmission, the collection efficiency, and the relative ionisation efficiency have been determined. With these corrections it was possible to quantify the sulphate mass per particle on the ATD after the condensation of sulphuric acid on its surface. The AMS results have been combined with the ice nucleus counter results. This revealed that the IN-efficiency of ATD is reduced when it is coated with sulphuric acid. The reason for this reduction is a chemical reaction of sulphuric acid with the particle's surface. These reactions are increasingly taking place when the aerosol is humidified or heated after the coating with sulphuric acid. A detailed analysis of the solubility and the evaporation temperature of the surface reaction products revealed that most likely aluminium sulphate is produced in these reactions.

Aircraft-based in-situ aerosol mass spectrometry: Chemical characterization and source identification of submicron particulate matter in the free and upper troposphere and lower stratosphere

The composition of the atmosphere is frequently perturbed by the emission of gaseous and particulate matter from natural as well as anthropogenic sources. While the impact of trace gases on the radiative forcing of the climate is relatively well understood the role of aerosol is far more uncertain. Therefore, the study of the vertical distribution of particulate matter in the atmosphere and its chemical composition contribute valuable information to bridge this gap of knowledge. The chemical composition of aerosol reveals information on properties such as radiative behavior and hygroscopicity and therefore cloud condensation or ice nucleus potential. rnThis thesis focuses on aerosol pollution plumes observed in 2008 during the POLARCAT (Polar Study using Aircraft, Remote Sensing, Surface Measurements and Models, of Climate, Chemistry, Aerosols, and Transport) campaign over Greenland in June/July and CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) campaign over Central and Western Europe in October/November. Measurements were performed with an Aerodyne compact time-of-flight aerosol mass spectrometer (AMS) capable of online size-resolved chemical characterization of non-refractory submicron particles. In addition, the origins of pollution plumes were determined by means of modeling tools. The characterized pollution episodes originated from a large variety of sources and were encountered at distinct altitudes. They included pure natural emissions from two volcanic eruptions in 2008. By the time of detection over Western Europe between 10 and 12 km altitude the plume was about 3 months old and composed to 71 % of particulate sulfate and 21 % of carbonaceous compounds. Also, biomass burning (BB) plumes were observed over Greenland between 4 and 7 km altitude (free troposphere) originating from Canada and East Siberia. The long-range transport took roughly one and two weeks, respectively. The aerosol was composed of 78 % organic matter and 22 % particulate sulfate. Some Canadian and all Siberian BB plumes were mixed with anthropogenic emissions from fossil fuel combustion (FF) in North America and East Asia. It was found that the contribution of particulate sulfate increased with growing influences from anthropogenic activity and Asia reaching up to 37 % after more than two weeks of transport time. The most exclusively anthropogenic emission source probed in the upper troposphere was engine exhaust from commercial aircraft liners over Germany. However, in-situ characterization of this aerosol type during aircraft chasing was not possible. All long-range transport aerosol was found to have an O:C ratio close to or greater than 1 implying that low-volatility oxygenated organic aerosol was present in each case despite the variety of origins and the large range in age from 3 to 100 days. This leads to the conclusion that organic particulate matter reaches a final and uniform state of oxygenation after at least 3 days in the free troposphere. rnExcept for aircraft exhaust all emission sources mentioned above are surface-bound and thus rely on different types of vertical transport mechanisms, such as direct high altitude injection in the case of a volcanic eruption, or severe BB, or uplift by convection, to reach higher altitudes where particles can travel long distances before removal mainly caused by cloud scavenging. A lifetime for North American mixed BB and FF aerosol of 7 to 11 days was derived. This in consequence means that emission from surface point sources, e.g. volcanoes, or regions, e.g. East Asia, do not only have a relevant impact on the immediate surroundings but rather on a hemispheric scale including such climate sensitive zones as the tropopause or the Arctic.

Das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) : Aufbau, Charakterisierung und Feldeinsatz

Um die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können, ist es wichtig dort vorhandene Partikel gut charakterisieren zu können. Dazu gehört unter anderem die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Partikel. Zur Analyse insbesondere organischer Partikel wurde dazu in einer früheren Promotion das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) entwickelt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Charakteristiken des Prototypen zu verbessern sowie es für den Feldeinsatz tauglich zu machen. Die durchgeführten Veränderungen betreffen mechanische und elektrische Komponenten sowie das LabView Steuerungsprogramm. So wurde z.B. die Ionenquelle derart modifiziert, dass die Ionen nicht mehr permanent erzeugt werden, sondern nur innerhalb des Zeitraums wenn sie auch in der Ionenfalle gespeichert werden können. Durch diese Modifikation konnte das Signal-zu-Rausch Verhältnis deutlich verbessert werden. Nach Beendigung der Umbauten wurden in ausführlichen Laborstudien die einzelnen Instrumentenparameter detailliert charakterisiert. Neben den Spannungen die zur Fokussierung oder zur Speicherung der Ionen in der Ionenfalle dienen, wurden die unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung, mittels der die Ionen in der Ionenfalle gezielt zu Schwingungen angeregt werden können, sehr genau untersucht. Durch eine gezielte Kombination der unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung ist es möglich MSn-Studien durchzuführen. Nach erfolgreicher Charakterisierung konnte in weiteren Laborstudien die MSn-Fähigkeit des AIMS demonstriert werden. Für Tryptophan (C11H12N2O2) wurde anhand von MS4-Studien ausgehend von m/z 130 ein möglicher Fragmentierungsweg identifiziert. Für die einzelnen Stufen der MS4-Studien wurden die Nachweisgrenzen abgeschätzt. Im Rahmen der PARADE (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) Messkampagne im August/September 2011 auf dem kleinen Feldberg in der Nähe von Frankfurt am Main wurde die Feldtauglichkeit des AIMS demonstriert. Die Nachweisgrenzen liegen für eine Mittelungszeit von 60 Minuten für Organik bei 1,4 µg m-3, für Nitrat bei 0,5 µg m-3 und für Sulfat bei 0,7 µg m-3, was ausreichend ist um atmosphärisches Aerosol messen zu können. Dies ist ein signifikanter Fortschritt im Vergleich zum Prototypen, der aufgrund schlechter Reproduzierbarkeit und Robustheit noch nicht feldtauglich war. Im Vergleich zum HR-ToF-AMS, einem Standard-Aerosolmassenspektrometer, zeigte sich, dass beide Instrumente vergleichbare Trends für die Spezies Nitrat, Sulfat und Organik messen.

Entwicklung eines Screeningverfahrens zum simultanen Nachweis von Opioiden in menschlichen Körperflüssigkeiten, Geweben und Haaren für forensisch-toxikologische und klinische Untersuchungen

In den letzten Jahren stieg in Deutschland der Gebrauch bzw. Missbrauch von Opioid-Analgetika zunehmend an. Das entwickelte Verfahren sollte unter Einbeziehung neuer Substanzen möglichst viele verschiedene Opioide und auch ihre pharmakologisch aktiven Stoffwechselprodukte berücksichtigen.rnVor Analyse wurden Blut-, Serum- oder Urinproben mit Phosphatpuffer versetzt und mittels Festphasenextraktion an C18-Säulenmaterial aufgearbeitet. Post-Mortem-Gewebematerial wurde mit isotonischer Kochsalzlösung versetzt, homogenisiert und anschließend durch eine Festphasenextraktion aufgereinigt. Haarproben wurden nach Zerkleinerung mit Methanol unter Ultrabeschallung extrahiert. Die Flüssigchromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (Elektrosprayionisation im positiven Modus) erwies sich als geeignetes Verfahren für die simultane Bestimmung der Opioide in biologischem Probenmaterial (Körperflüssigkeiten, Gewebe und Haaren). Der Multi-Analyt Assay erlaubt die quantitative Analyse von 35 verschiedenen Opioiden. Die Analyten wurden durch eine Phenyl-Hexyl Säule und einen Wasser/Acetonitril Gradienten durch eine UPLC 1290 Infinity gekoppelt mit einem 6490 Triple Quadrupol von Agilent Technologies separiert.rnDie LC/MS Methode zur simultanen Bestimmung von 35 Opioiden in Serum und Haaren wurde nach den Richtlinien der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie (GTFCh) validiert. Im Fall der Serumvalidierung lagen die Nachweisgrenzen zwischen 0.02 und 0.6 ng/ml und die Bestimmungsgrenzen im Bereich von 0.1 bis 2.0 ng/ml. Die Kalibrationskurven waren für die Kalibrationslevel 1 bis 6 linear. Wiederfindungsraten lagen für alle Verbindungen zwischen 51 und 88 %, außer für Alfentanil, Bisnortiliidn, Pethidin und Morphin-3-Glucuronid. Der Matrixeffekt lag zwischen 86 % (Ethylmorphin) und 105 % (Desomorphin). Für fast alle Analyten konnten akzeptable Werte bei der Bestimmung der Genauigkeit und Richtigkeit nach den Richtlinien der GTFCh erhalten werden. Im Fall der Validierung der Haarproben lagen die Nachweisgrenzen zwischen 0.004 und 0.6 ng/Probe und die Bestimmungsgrenzen zwischen 0.1 ng/Probe und 2.0 ng/Probe. Für die Kalibrationslevel 1 bis 6 waren alle Kalibrationsgeraden linear. Die Wiederfindungsraten lagen für die Opioide im Bereich von 73.5 % (Morphin-6-Glucuronid) und 114.1 % (Hydrocodon). Die Werte für die Bestimmung der Richtigkeit lagen zwischen - 6.6 % (Methadon) und + 11.7 % (Pholcodin). Präzisionsdaten wurden zwischen 1.0 % für Dextromethorphan und 11.5 % für Methadon ermittelt. Die Kriterien der GTFCh konnten bei Ermittlung des Matrixeffekts für alle Substanzen erfüllt werden, außer für 6-Monoacetylmorphin, Bisnortilidin, Meperidin, Methadon, Morphin-3-glucuronid, Morphin-6-glucuronid, Normeperidin, Nortilidin und Tramadol.rnZum Test des Verfahrens an authentischem Probenmaterial wurden 206 Proben von Körperflüssigkeiten mit Hilfe der simultanen LC/MS Screening Methode untersucht. Über 150 Proben wurden im Rahmen von forensisch-toxikologischen Untersuchungen am Instituts für Rechtsmedizin Mainz analysiert. Dabei konnten 23 der 35 Opioide in den realen Proben nachgewiesen werden. Zur Untersuchung der Pharmakokinetik von Opioiden bei Patienten der anästhesiologischen Intensivstation mit Sepsis wurden über 50 Blutproben untersucht. Den Patienten wurde im Rahmen einer klinischen Studie einmal täglich vier Tage lang Blut abgenommen. In den Serumproben wurde hauptsächlich Sufentanil (0.2 – 0.8 ng/ml in 58 Fällen) und Piritramid (0.4 – 11 ng/ml in 56 Fällen) gefunden. Außerdem wurden die Proben von Körperflüssigkeiten und Gewebe von 13 verschiedenen Autopsiefällen mit Hilfe des Multi-Analyt Assays auf Opioide untersucht.rnIn einem zweiten Schritt wurde die Extraktions- und Messmethode zur Quantifizierung der 35 Opioide am Forensic Medicine Center in Ho Chi Minh City (Vietnam) etabliert. Insgesamt wurden 85 Herzblutproben von Obduktionsfällen mit Verdacht auf Opiatintoxikation näher untersucht. Der überwiegende Teil der untersuchten Fälle konnte auf eine Heroin- bzw. Morphin-Vergiftung zurückgeführt werden. Morphin wurde in 68 Fällen im Konzentrationsbereich 1.7 – 1400 ng/ml und der Heroinmetabolit 6-Monoactetylmorphin in 34 Fällen (0.3 – 160 ng/ml) nachgewiesen werden.rnSchließlich wurden noch 15 Haarproben von Patienten einer psychiatrischen Klinik, die illegale Rauschmittel konsumiert hatten, mit Hilfe der simultanen Opioid-LC/MS Screeningmethode gemessen. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden mit früheren Auswertungen von gaschromatographischen Analysen verglichen. Es zeigte sich eine weitgehende Übereinstimmung der Untersuchungsergebnisse für die Opioide 6-Monoacetylmorphin, Morphin, Codein, Dihydrocodein und Methadon. Mit der LC/MS Methode konnten weitere Substanzen, wie zum Beispiel Bisnortilidin, Dextromethorphan und Tramadol in den Haarproben gefunden werden, die bislang nicht entdeckt worden waren.rn

The role of mass spectrometry-based metabolomics in medical countermeasures against radiation

Radiation metabolomics can be defined as the global profiling of biological fluids to uncover latent, endogenous small molecules whose concentrations change in a dose-response manner following exposure to ionizing radiation. In response to the potential threat of nuclear or radiological terrorism, the Center for High-Throughput Minimally Invasive Radiation Biodosimetry was established to develop field-deployable biodosimeters based, in part, on rapid analysis by mass spectrometry of readily and easily obtainable biofluids. In this review, we briefly summarize radiation biology and key events related to actual and potential nuclear disasters, discuss the important contributions the field of mass spectrometry has made to the field of radiation metabolomics, and summarize current discovery efforts to use mass spectrometry-based metabolomics to identify dose-responsive urinary constituents, and ultimately to build and deploy a noninvasive high-throughput biodosimeter.

Informatics for cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional gas chromatography and high-resolution mass spectrometry (GCxGC-HRMS)

This paper describes informatics for cross-sample analysis with comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC) and high-resolution mass spectrometry (HRMS). GCxGC-HRMS analysis produces large data sets that are rich with information, but highly complex. The size of the data and volume of information requires automated processing for comprehensive cross-sample analysis, but the complexity poses a challenge for developing robust methods. The approach developed here analyzes GCxGC-HRMS data from multiple samples to extract a feature template that comprehensively captures the pattern of peaks detected in the retention-times plane. Then, for each sample chromatogram, the template is geometrically transformed to align with the detected peak pattern and generate a set of feature measurements for cross-sample analyses such as sample classification and biomarker discovery. The approach avoids the intractable problem of comprehensive peak matching by using a few reliable peaks for alignment and peak-based retention-plane windows to define comprehensive features that can be reliably matched for cross-sample analysis. The informatics are demonstrated with a set of 18 samples from breast-cancer tumors, each from different individuals, six each for Grades 1-3. The features allow classification that matches grading by a cancer pathologist with 78% success in leave-one-out cross-validation experiments. The HRMS signatures of the features of interest can be examined for determining elemental compositions and identifying compounds.

Detection and identification of 700 drugs by multi-target screening with a 3200 Q TRAP LC-MS/MS system and library searching

The multi-target screening method described in this work allows the simultaneous detection and identification of 700 drugs and metabolites in biological fluids using a hybrid triple-quadrupole linear ion trap mass spectrometer in a single analytical run. After standardization of the method, the retention times of 700 compounds were determined and transitions for each compound were selected by a "scheduled" survey MRM scan, followed by an information-dependent acquisition using the sensitive enhanced product ion scan of a Q TRAP hybrid instrument. The identification of the compounds in the samples analyzed was accomplished by searching the tandem mass spectrometry (MS/MS) spectra against the library we developed, which contains electrospray ionization-MS/MS spectra of over 1,250 compounds. The multi-target screening method together with the library was included in a software program for routine screening and quantitation to achieve automated acquisition and library searching. With the help of this software application, the time for evaluation and interpretation of the results could be drastically reduced. This new multi-target screening method has been successfully applied for the analysis of postmortem and traffic offense samples as well as proficiency testing, and complements screening with immunoassays, gas chromatography-mass spectrometry, and liquid chromatography-diode-array detection. Other possible applications are analysis in clinical toxicology (for intoxication cases), in psychiatry (antidepressants and other psychoactive drugs), and in forensic toxicology (drugs and driving, workplace drug testing, oral fluid analysis, drug-facilitated sexual assault).

Formation of Phosphatidylethanol and Its Subsequent Elimination During an Extensive Drinking Experiment Over 5 Days

BACKGROUND: For almost 30 years, phosphatidylethanol (PEth) has been known as a direct marker of alcohol consumption. This marker stands for consumption in high amounts and for a longer time period, but it has been also detected after 1 high single intake of ethanol (EtOH). The aim of this study was to obtain further information about the formation and elimination of PEth 16:0/18:1 by simulating extensive drinking. METHODS: After 3 weeks of alcohol abstinence, 11 test persons drank an amount of EtOH leading to an estimated blood ethanol concentration of 1 g/kg on each of 5 successive days. After the drinking episode, they stayed abstinent for 16 days with regular blood sampling. PEth 16:0/18:1 analysis was performed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (high-performance liquid chromatography 1100 system and QTrap 2000 triple quadrupole linear ion trap mass spectrometer. Values of blood alcohol were obtained using a standardized method with headspace gas chromatography flame ionization detector. RESULTS: Maximum measured concentrations of EtOH were 0.99 to 1.83 g/kg (mean 1.32 g/kg). These values were reached 1 to 3 hours after the start of drinking (mean 1.9 hours). For comparison, 10 of 11 volunteers had detectable PEth 16:0/18:1 values 1 hour after the start of drinking, ranging from 45 to 138 ng/ml PEth 16:0/18:1. Over the following days, concentrations of PEth 16:0/18:1 increased continuously and reached the maximum concentrations of 74 to 237 ng/ml between days 3 and 6. CONCLUSIONS: This drinking experiment led to measurable PEth concentrations. However, PEth 16:0/18:1 concentrations stayed rather low compared with those of alcohol abusers from previous studies.