title: Investigating Polyphenol Exposure at the Omic-scale in Biological Matrices by Liquid Chromatography Coupled to Mass Spectrometry
Creators: name: Oesterle, Ian
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Seit Jahrhunderten ist bekannt, dass gewisse Pflanzen heilende Wirkung aufweisen. Der Grund dafür sind unter anderem Polyphenole, bioaktive Moleküle, die in den meisten pflanzlichen Lebensmitteln vorhanden sind. Deshalb ist die Erforschung der wirksamen Eigenschaften dieser Moleküle und deren Potenzial, die Gesundheit der Menschen zu beeinflussen, von großem Interesse. Neben einer direkten Wirkung können Polyphenole auch indirekte Effekte erzielen, indem sie das Mikrobiom beeinflussen und dadurch das Wachstum bestimmter Mikroben fördern oder hemmen; oder es entstehen kombinatorische Effekte, sowohl synergistische als auch antagonistische, mit anderen exogenen Verbindungen, denen Menschen ausgesetzt sind. Polyphenole sind eine variantenreiche chemische Klasse mit einer Vielfalt von Isomeren und verschiedenen Metaboliten, die beim menschlichen und mikrobiellen Stoffwechsel entstehen. Dies stellt für die Erforschung von Polyphenolen eine Herausforderung dar und erfordert modernste analytische Verfahren, wie die Flüssigchromatographie in Verbindung mit Massenspektrometrie (LC-MS). Ziel dieser Arbeit war es, neue LC-MS-basierte Methoden für die Erforschung von Polyphenolen zu entwickeln und zu bewerten. Das erste Ziel war, eine hochempfindliche und gerichtete LC-MS Methode mit einer Hochdurchsatz-Probenvorbereitung für 90 Referenzstandards, die alle wichtigen Klassen von Polyphenolen repräsentieren, zu optimieren. Die Methode wurde intern für drei verschiedene menschliche Matrices (Urin, Serum und Plasma) validiert. Zweitens wurde mit Hilfe der gerichteten Methode als Referenz ein ungerichteter LC-MS-Arbeitsablauf entwickelt und einem Benchmarking unterzogen. Dieser Arbeitsablauf zeigte das Potenzial und die Eignung von ungerichteten Workflows, um weitere Polyphenole zu entdecken, als in den verfügbaren Referenzstandards zu finden sind. Drittens wurde die Anwendbarkeit der entwickelten Workflows in zwei separaten Studien nachgewiesen. Die Austauschbarkeit der Workflows zwischen verschiedenen biologischen Matrices wurde durch ihre Anwendung auf neun verschiedene Pflanzen und Pilze Spezies nachgewiesen. Dies ermöglichte eine umfassende Darstellung der vorhandenen Polyphenole und führte zu einem besseren Verständnis der Selektivität von natürlich vorkommenden Polyphenoloxidasen in diesen proben. Die Arbeitsabläufe wurden dann in einer Pilotstudie mit Mutter-Kind-Paaren angewandt, um Veränderungen in der Exposition von Säuglingen gegenüber ernährungsbedingten Xenobiotika zu untersuchen, wenn Beikost in ihre Ernährung aufgenommen wird. Außerdem wurden die Zusammenhänge zwischen Xenobiotika und dem Darmmikrobiom des Säuglings untersucht. Die Ergebnisse der entwickelten Workflows zeigten ihr Potenzial, insbesondere die nicht gezielte Plattform, um ein besseres Verständnis der großen Vielfalt von Polyphenolen in verschiedenen biologischen Matrices und ihre potenziellen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu erlangen.
description: Polyphenols, bioactive molecules present in plants and fungi, have been known for centuries to positively influence human wellbeing. Besides impacting human health directly, polyphenols can have an indirect effect either through modulating the microbiome by promoting or inhibiting the growth of certain microbes, or through combinatory effects, both synergistic and antagonistic, with other exogenous compounds that humans are exposed to. Studying polyphenols poses a challenge as they are an immensely diverse chemical class, containing a variety of isomers and biotransformation products originating from both human and microbial metabolism. Therefore, innovative workflows based on liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS) were developed and benchmarked to better investigate polyphenols in biological matrices and gain insight into their impact on human health. Firstly, a sensitive targeted LC-MS method and a high-throughput sample preparation for 90 distinct polyphenols, that represent all the major chemical sub-classes, was developed. The method was then validated in-house for three different human matrices (urine, serum, and plasma). Secondly, using the targeted method as reference, an untargeted LC-MS workflow was developed and benchmarked. This workflow showed the potential and suitability of untargeted approaches to investigate polyphenols present in humans beyond those with readily available reference standards. Thirdly, the applicability of the developed workflows was demonstrated in two separate studies. The interchangeability of the workflows between different biological matrices was demonstrated by applying them to nine different plant and mushroom species. This allowed the comprehensive profiling of polyphenols present in these samples in order to better understand the selectivity of polyphenol oxidases found naturally in the samples. The workflows were then applied in a pilot study involving mother-infant pairs to investigate changes in infant exposure to dietary xenobiotics when complementary foods are introduced to their diet. Additionally, correlations between xenobiotics and the infant gut microbiome were explored. The results of the developed workflows demonstrated their potential, especially the untargeted platform, to gain a better understanding of the high variety of polyphenols present in different biological matrices, and their potential link to human health.