Die Kombination aus Elektrochemie und Massenspektrometrie kann die Vorhersage des Verhaltens von Fremdstoffen im Körper, sogenannten Xenobiotika, ermöglichen. Möglichkeiten und Limitationen des Verfahrens werden in diesem Beitrag beschrieben.

Die Renaissance der Elektrochemie

Nach einer längeren Zeit, in der es ruhig um sie geworden war, ist die Elektrochemie inzwischen wieder in aller Munde. Dies ist besonders der immer bedeutsamer werdenden Batterietechnologie zu verdanken, die eine wesentliche Rolle bei der Energieversorgung von Kleingeräten, aber in steigendem Umfang auch von Kraftfahrzeugen spielt. Auch die Elektrosynthese erlebt eine Renaissance, da elektrochemische Herstellungsverfahren besonders ressourcenschonend und energieeffizient sein können, und mit ihren modernen Ansätzen den organischen Synthetikern neue Möglichkeiten bieten. Wichtige Beiträge für die Wirkstoffforschung kann aber auch eine Kombination aus elektrochemischen Reaktionen und direkt gekoppelten massenspektrometrischen Verfahren (EC/MS) leisten.

Simulation metabolischer Prozesse

Fremdstoffe anthropogenen Ursprungs, die dem menschlichen Körper zugeführt werden, bezeichnet man als Xenobiotika, Hierzu zählen beispielsweise Arzneistoffe oder Pestizide. Diese werden, genauso wie aufgenommene Naturstoffe, vor allem in der Leber durch Oxidationsreaktionen stärker polar und damit besser wasserlöslich gemacht, so dass sie leichter durch die Nieren und die Harnwege ausgeschieden werden können. Die wichtigste Rolle hierbei spielen die Enzyme der Cytochrom P450-Gruppe als Biokatalysatoren, die eine Umsetzung der Xenobiotika ermöglichen. Können diese komplexen metabolischen Reaktionen tatsächlich durch eine elektrochemische Zelle simuliert werden? Ein genauerer Blick in die zugrundeliegenden Mechanismen zeigt, dass einer der Hauptreaktionswege, die Einelektronen-Oxidation, sehr gut durch elektrochemische Verfahren simuliert werden kann. Der zweite bedeutende Reaktionsweg, der mit einer Abstraktion eines H-Atoms beginnt, kann allerdings nur wesentlich schwieriger elektrochemisch nachgestellt werden.

Die analytische Methodenkombination

Abbildung 1: Aufbau eines EC/MS-Gerätes (© Valentin Göldner)

Durch eine direkte Kombination aus einer elektrochemischen Zelle mit einem Massenspektrometer können rasch und elegant umfangreiche Informationen zum Oxidationsverhalten von Xenobiotika gewonnen werden: Die zu untersuchende Substanz wird in Lösung durch eine elektrochemische Durchflusszelle gepumpt, an deren Arbeitselektrode das angelegte Potenzial langsam verändert wird. Die elektrochemischen Reaktionsprodukte werden kontinuierlich in ein Massenspektrometer geleitet, das idealerweise eine Elektrospray-Ionisationsquelle (ESI) zur Ionisation polarer Substanzen einsetzt. Der Aufbau eines EC/MS-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 2: Massenvoltammogramm von Paracetamol (© Valentin Göldner)

Durch Verwendung eines hochauflösenden Massenspektrometers, beispielsweise unter Verwendung eines Flugzeit(time of flight, ToF)-Massenanalysators, können Summenformeln der Reaktionsprodukte ermittelt und Strukturvorschläge durch Fragmentierungsexperimente erarbeitet werden. Durch Variation des Potenzials in der elektrochemischen Zelle und gleichzeitige Aufnahme von Massenspektren entsteht ein Massenvoltammogramm, das einen raschen und umfangreichen Überblick über das elektrochemische Reaktionsverhalten der Analyten gibt. Ein Beispiel für ein Massenvoltammogramm des bekannten Schmerzmittels Paracetamol ist in Abbildung 2 gezeigt.

Anwendungen der EC/MS-Kopplung

Aus dem Massenvoltammogramm sind rasch die wesentlichen elektrochemischen Reaktionsprodukte des Paracetamols erkennbar. Im Gegensatz zum eingesetzten Paracetamol und dem Reaktionspartner Glutathion, deren Signalintensität mit steigendem Potential abnimmt, steigt die Signalintensität der gebildeten Reaktionsprodukte an. Besonders leistungsstark ist die EC/MS-Kopplung bei der Erzeugung und Identifizierung reaktiver Metaboliten, die mit Bestandteilen der biologischen Probe weitere Reaktionen eingehen können. Anders als bei zu etablierten Methoden zur Simulation metabolischer Reaktionen, beispielsweise auf Basis von Tierversuchen, werden bei der EC/MS die reaktiven Metaboliten direkt nachgewiesen. Außerdem besteht die Möglichkeit, auch Folgereaktionen zusätzlich zu identifizieren, wenn in einem Durchflussreaktor weitere Reaktionspartner zugegeben werden. Damit ist die EC/MS eine attraktive Möglichkeit, auch ein komplexes Reaktionsverhalten von Wirkstoffen wie Arzneistoffen oder Pestiziden im Körper zu simulieren.

Die Autoren:

Valentin Göldner
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, uk@uni-muenster.de
(© Nikolaus Urban)

Prof. Dr. Uwe Karst
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, uk@uni-muenster.de

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