Vergleichende Analytik von Spurenelementen und toxischen Metallen in humanem Probenmaterial
Creators: name: Mayr, Stefan
Publisher: name: ETH Zurich
Year: 2022
Subjects: subject: TRACE ELEMENTS (BIOCHEMISTRY)
subject: TOXIC METALS (TOXICOLOGY)
subject: CLINICAL CHEMISTRY + MEDICAL LABORATORY ANALYSIS (MEDICAL DIAGNOSTICS)
subject: Comparative analysis
subject: info:eu-repo/classification/ddc/500
subject: info:eu-repo/classification/ddc/540
subject: info:eu-repo/classification/ddc/570
subject: info:eu-repo/classification/ddc/600
subject: info:eu-repo/classification/ddc/610
subject: Natural sciences
subject: FOS: Natural sciences
subject: Chemistry
subject: Life sciences
subject: Technology (applied sciences)
subject: Medical sciences, medicine

description: Nach Genehmigung durch die Ethikkommission der ETH Zürich erfolgte im Rahmen dieser Studie die Rekrutierung von insgesamt 83 Teilnehmenden, heterogen bezüglich Alter, Geschlecht, Rauchgewohnheiten und der Einnahme von Spurenelementen. Das Probenmaterial in Form von Venösem Blut (Vollblut, Erythrozyten, Serum) und Kopfhaar wird auf acht (Ultra-)Spurenelemente analysiert, und zwar jeweils auf vier toxische (--> As, Pb, Cd, Hg) sowie vier essentielle Spezies (--> Cu, Mn, Se, Zn). Als Methode der Wahl kommt dabei ICP-MS mit Flüssiginjektion zum Einsatz, sowohl im alkalischen (--> Blut) als auch im sauren (--> Haare) Bereich.
Zunächst liefert eine statistische Auswertung der Messergebnisse aus allen betrachteten Elementen und Kompartimenten die Referenzbereiche für 95 % der Patienten. Ein Vergleich der Resultate mit internen und publizierten Daten belegt Präzision, Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit dieser Analysentechnik. 
Berechnungen zur Korrelation für jedes der acht (Ultra-)Spurenelemente abhängig vom Kompartiment-Paar zeigen hohe Werte für Vollblut <--> Erythrozyten, ausgenommen Kupfer und Zink. Für Quecksilber andererseits erstrecken sich signifikante Korrelationen auf fast alle Kompartimente. 
Vergleichsmessungen an ausgewählten Probanden lassen schlussfolgern, dass unabhängig von der Belastung durch toxische Metalle die Konzentrationsverhältnisse an essentiellen Spurenelementen in den homöostatischen Blutkompartimenten weitgehend konstant sind, im Kopfhaar hingegen nicht. Ferner führen bei einigen Patienten Messungen an Erythrozyten, mehrfach isoliert aus EDTA- und Heparin-Blut, zu reproduzierbaren Resultaten. Gleichzeitig steigt mit zunehmender Haarlänge ein- und desselben Probanden die Konzentration von (Ultra-)Spurenelementen mit Ausnahme von Selen und Zink, wenn auch nicht proportional. Haarproben aus unterschiedlichen Zeitabschnitten, in denen zuerst Verbrennungszigaretten und später stattdessen E-Zigaretten geraucht wurden, bestätigen die verringerte Belastung von Konsumenten durch toxische Metalle bei Wahl des Ersatzproduktes. 			
Vergleichende Konzentrationsbestimmungen mit ortsauflösenden MS-Verfahren scheiden aus, da die verfügbaren Haarstandards zum Kalibrieren gemäss den TOF-SIMS-Aufnahmen zu wenig homogen sind. Lediglich ein Vergleich der relativen Signalintensitäten von ICP-MS vs. LA-ICP-MS zeigt für einige Elemente Parallelen.
description: After approval by Ethics Commission of ETH Zurich altogether 83 participants were recruited, different in age, gender, smoking habits and supplementary intake of trace elements. Sample material such as Venous Blood (whole blood, erythrocytes, serum) and Scalp Hair is analysed for eight trace elements, namely four toxic (--> As, Pb, Cd, Hg) and four essential species (--> Cu, Mn, Se, Zn). Method of choice is ICP-MS based on liquid injection, both for the alkaline (--> blood) and acidic (--> hair) range.
First, the reference values for 95 % of the patients are provided by a statistical analysis of measurement results from all elements and compartments considered. Comparing the results with internal and officially published data proves precision, reproducibility and comparability of the analytical technique applied. Second, calculations on correlation for each of the eight trace elements in different compartment pairs show high values for Venous Blood <--> Erythrocytes apart from copper and zinc. On the other hand, significant correlations for mercury comprise almost all compartments.
Concluding from comparative measurements on selected participants, concentration ratios of essential trace elements in homeostatic blood compartments but not scalp hair are largely constant and independent of exposure to toxic metals. Furthermore, analyses in some patients on erythrocytes which were isolated in several assays from EDTA and heparin blood lead to reproducible and stable results. At the same time, the concentration of trace elements apart from selenium and zinc increases with increasing hair length in one and the same participant, albeit not proportionally. Hair samples collected from different periods of time, in which first burning cigarettes and later e-cigarettes were smoked instead, confirm a smaller exposure of consumers to toxic metals when choosing the substitute nicotine delivery system.
Comparative measurements on concentration applying spatially resolving MS methods are ruled out. As confirmed by TOF-SIMS images, the inhomogeneity of commercially available hair standards in powder or pellet form excludes their use for calibration purposes. Only by comparing relative signal intensities of toxic & essential trace elements determined by ICP-MS vs. LA-ICP-MS, parallel tendencies for some metal species can be indicated.