Pushing the boundaries: using conventional and novel mass spectrometry-based techniques for the analysis of small molecules

Datum: 3 april 2015

Locatie: UAntwerpen, Stadscampus, Promotiezaal van de Grauwzusters - Lange Sint-Annastraat 7 - 2000 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Chemie

Promovendus: Jasper Boschmans

Promotor: Prof. dr. Filip Lemière

Co-promotor: Ernst de Bruijn

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Jasper Boschmans - Faculteit Wetenschappen, Departement Chemie



Abstract

Deze doctoraatsthesis bespreekt het gebruik van traditionele en meer recente technieken voor de analyse van kleine moleculen, gebaseerd op massaspectrometrie. Als modelsysteem werd gekozen voor het stikstofmosterd derivaat melphalan, een geneesmiddel dat regelmatig gebruikt wordt als chemotherapeuticum in de behandeling tegen kanker. Melphalan wordt verondersteld om covalente bindingen aan te gaan met DNA. De resulterende modificaties worden DNA adducten genoemd.

In een eerste deel worden eerder traditionele LC-MS/MS technieken gebruikt om melphalan-DNA adducten te kwantificeren in longweefsel. Dit longweefsel werd bekomen tijdens een fase II studie die loopt in het Universitair Ziekenhuis Antwerpen en waarin melphalan gebruikt wordt voor de behandeling van longmetastasen.

Uit deze doctoraatsthesis blijkt dat de in vivo kwantificatie van de gekarakteriseerde melphalan-DNA adducten wordt bemoeilijkt door de instabiliteit van de gevormde adducten en hoge concentraties van niet-gemodificeerde nucleosiden.

De hoge complexiteit van de melphalan-DNA adductstalen spoorde ons aan om deze stalen aan bijkomende analyses te onderwerpen. Onze experimenten tonen aan dat in waterige oplossingen meer dan tien nieuwe oligomerisatieproducten van melphalan gevormd worden. De karakterisering van deze nieuwe componenten gebeurde op basis van hun accurate massa, isotooppatroon en productionen spectra.

Het effect van incubatietijd, melphalan concentratie en solvent op de vorming van melphalan oligomeren werd onderzocht tijdens in vitro experimenten, waarin we patiëntstalen nabootsen. De vorming en het voorkomen van deze melphalan monomeren en dimeren werd vervolgens bestudeerd in stalen afkomstig van kankerpatiënten.

In een tweede deel van deze doctoraatsthesis wordt een recent ontwikkelde analytische techniek, ion mobility massaspectrometrie, geïntroduceerd. Deze gasfase scheiding gebeurt op basis van de massa, vorm/grootte en lading van ionen en kan als extra scheiding toegevoegd worden aan bestaande LC-MS methoden. We demonstreren het scheidingsvermogen van ion mobility door deze toe te passen op de complexe melphalan incubatiemengsels die bestudeerd worden in het eerste deel van deze doctoraatsthesis.

Het meest innovatieve deel van deze doctoraatsthesis bespreekt het gebruik van ion mobility massaspectrometrie voor het bestuderen van de vorming, de structuur en de karakteristieken van protonatieplaats isomeren of 'protomeren'. Hoewel protomeren reeds werden geobserveerd met behulp van andere analytische technieken, blijkt de scheiding van dit soort isomeren kenmerkend te zijn voor ion mobility waarbij gebruik gemaakt wordt van polariseerbare driftgassen (bijvoorbeeld stikstof).

Op basis van onze resultaten kunnen we besluiten dat de vorming van deze protomeren een bijzonder complex proces is dat start in oplossing en waarbij pH en solventsamenstelling een belangrijke rol spelen. In tegenstelling tot hun vorming, blijkt de observatie van protomeren het resultaat te zijn van zowel fenomenen gerelateerd aan de oplossing als aan de gasfase.

Onze experimenten tonen aan dat de fragmentatie uniek en karakteristiek is voor elk protomeer, wat belangrijke gevolgen kan hebben voor de validatie van bestaande en het ontwikkelen van nieuwe MS-gebaseerde analytische methoden. In parallel met de ion mobility experimenten werden ook computationele methoden gebruikt om de mogelijke protonatieplaats isomeren te modelleren. Deze modellen laten ons toe om de verkregen experimentele resultaten te staven aan bestaande theorieën over moleculen en ionen.