Хромато-масс-спектрометрический анализ липидного слоя кожи человека. Экспрессный подход и перспективы его применения
Аннотация
Разработка новых методов определения химических маркеров в биологических жидкостях является актуальным направлением исследований, поскольку ориентировано на решение социально-значимых задач, связанных со здравоохранением, химической безопасностью населения, противодействием терроризму. В связи с этим активно изучаются и развиваются новые методы определения эндогенных и экзогенных микрокомпонентов в организме с использованием альтернативных биологических жидкостей, доступных для неинвазивного отбора пробы. В работе авторы представляют результаты разработки и апробации подхода для экспрессного определения микроконцентраций летучих органических веществ в липидном слое кожи человека методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии (ГХ/МС) с использованием простой процедуры неинвазивного отбора пробы без пробоподготовки. Пробы липидного слоя отбирали путем механического контакта металлического носителя в виде отрезка проволоки с поверхностью кожи за счет адгезии и анализировали без дополнительной пробоподготовки. Для выполнения анализа использовали полевой хромато-масс-спектрометр с оригинальным устройством ввода с флэш-термодесорбцией, ранее разработанный авторами. В ходе апробации метода по результатам анализа проб 25 доноров характеризован качественный состав микрокомпонентов в липидном слое кожи, среди которых идентифицированы технологические добавки к распространённым пластикам, психоактивные вещества, медицинские препараты. Показано, что влияние вариабельности количества пробы при пробоотборе на сходимость результатов анализа может быть значительно снижено с использованием в качестве внутреннего стандарта одного из основных компонентов матрицы (например, сквалена, олеиновой или пальмитиновой кислот). Длительность анализа с учетом пробоподготовки не превышала 15 мин.
На примере кофеина показана возможность использования предложенного подхода для терапевтического лекарственного мониторинга с периодичностью анализа 5 минут. В экспериментах наблюдали рост содержания кофеина в липидном слое кожи после его употребления (относительно олеиновой кислоты) в диапазоне от 0.02 % до 2 %, причем характер изменения концентрации принципиально отличался при разных способах употребления.
Ключевые слова: экспрессный ГХ/МС анализ, неинвазивный отбор пробы, определение маркеров в биожидкости, липидный слой кожи, терапевтический лекарственный мониторинг
Полный текст:
PDFЛитература
REFERENCES
Dutkiewicz E.P., Urban P.L. Quantitative mass spectrometry of unconventional human biological matrices. Phil. Trans. R. Soc. A, 2016, vol. 374, article 20150380. doi:10.1098/rsta.2015.0380.
Kuwayama K., Miyaguchi H., Yamamuro T., Tsujikawa K., Kanamori T., Iwata Y.T., Inoue H. Effectiveness of saliva and fingerprints as alternative specimens to urine and blood in forensic drug testing. Drug Test Anal., 2016, vol. 8, no. 7, pp. 644-651. doi: 10.1002/dta.1831.
Raju K.S., Taneja I., Singh S.P., Wahajuddin. Utility of noninvasive biomatrices in pharmacokinetic studies. Biomed Chromatogr., 2013, vol. 27, no. 10, pp. 1354-1366. doi:10.1002/bmc.2996.
Knox S., O’Boyle N.M. Skin Lipids in Health and Disease: A Review. Chem. Phys. Lipids, 2021, vol. 236, article 105055. doi: 10.1016/j.chemphyslip.2021.105055.
Sheu H.M., Chao S.C., Wong T.W., Yu-Yun Lee J., Tsai J.C. Human skin surface lipid film: an ultrastructural study and interaction with corneocytes and intercellular lipid lamellae of the stratum corneum. Br. J. Dermatol., 1999, vol. 140, no. 3, pp. 385-391. doi: 10.1046/j.1365-2133.1999.02697.x.
Drake D.R., Brogden K.A., Dawson D.V., Wertz P.W. Thematic review series: skin lipids. Antimicrobial lipids at the skin surface. J. Lipid Res., 2008, vol. 49, no. 1, pp. 4-11. doi:10.1194/jlr.R700016-JLR200.
Pappas A. Epidermal surface lipids. Dermato-Endocrinology, 2009, vol.1, no. 2, pp. 72-76. doi.org/10.4161/derm.1.2.7811.
Michael-Jubeli R., Bleton J., Baillet-Guffroy A. High-temperature gas chromatography-mass spectrometry for skin surface lipids profiling. J. Lipid Res., 2011, vol. 52, no. 1, pp. 143-151. doi: 10.1194/jlr.D008094.
Price E.J., Vitale C.M., Miller G.W., Barouki R., Audouze K., David A., Walker D.I., Antignac J.-P., Coumoul X., Bessonneau V., Klánová J. Merging the exposome in an integrated framework for “omic” sciences. iScience, 2022, vol. 25, no. 3, article 103976. doi:10.1016/j.isci.2022.103976.
Zhu X., Tang X., Ng C., Li L., Lai Y., Miller G.W., Jiang C., Barchowsky A., Buchanich J., Gao P. Biomonitoring Xenobiotics in Human Biospecimens: Challenges, Advances, and the Future of Exposome Characterization. Reviews Env. Contamination (formerly: Residue Reviews), 2025, vol. 263, article 15. doi: 10.1007/s44169-025-00088-2.
David A., Chaker J., Price E.J., Bessonneau V., Chetwynd A.J., Vitale C.M., Klánová J., Walker D.I., Antignac J.-P., Barouki R., Miller G.W. Towards a comprehensive characterisation of the human internal chemical exposome: Challenges and perspectives. Environ. Int., 2021, vol. 156, article 106630. doi: 10.1016/j.envint.2021.106630.
Elpa D.P., Chiu H.-Y., Wu S.P., Urban P.L. Skin Metabolomics. Trends Endocrinol. Metab., 2021, vol. 32, no. 2, pp. 66-75. doi:10.1016/j.tem.2020.11.009.
Trivedi D.K., Sinclair E., Xu Y., Sarkar D., Walton-Doyle C., Liscio C., Banks P., Milne J., Silverdale M., Kunath T., Goodacre R., Barran P. Discovery of Volatile Biomarkers of Parkinson’s disease from Sebum . ACS Cent. Sci., 2019, vol. 5, no. 4, pp. 599-606. doi: 10.1021/acscentsci.8b00879.
Sinclair E., Walton-Doyle C., Sarkar D., Hollywood K.A., Milne J., Lim S.H., Kunath T., Rijs A.M., de Bie R., Silverdale M., Trivedi D.K., Barran P. Validating Differential Volatilome Profiles in Parkinson’s Disease. ACS Cent. Sci., 2021, vol. 7, no. 2, pp. 300-306. doi: 10.1021/acscentsci.0c01028.
González-Illán F, Ojeda-Torres G, Díaz-Vázquez LM, Rosario O. Detection of fatty acid ethyl esters in skin surface lipids as biomarkers of ethanol consumption in alcoholics, social drinkers, light drinkers, and teetotalers using a methodology based on microwave-assisted extraction followed by solid-phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry. J Anal Toxicol., 2011, vol. 35, no. 4, pp. 232-237. doi:10.1093/anatox/35.4.232.
Kuwayama K., Tsujikawa K., Miyaguchi H., Kanamori T., Iwata Y.T., Inoue H. Time-course measurements of caffeine and its metabolites extracted from fingertips after coffee intake: a preliminary study for the detection of drugs from fingerprints. Anal. Bioanal. Chem., 2013, vol. 405, no. 12, pp. 3945-3952. doi: 10.1007/s00216-012-6569-3.
Kuwayama K., Yamamuro T., Tsujikawa K., Miyaguchi H., Kanamori T., Iwata Y.T., Inoue H. Time-course measurements of drugs and metabolites transferred from fingertips after drug administration: usefulness of fingerprints for drug testing. Forensic Toxicol., 2014, vol. 32, pp. 235-242. doi: 10.1007/s11419-014-0228-7.
Ismail M., Stevenson D., Costa C., Webb R., de Puit M., Bailey M. Noninvasive Detection of Cocaine and Heroin Use with Single Fingerprints: Determination of an Environmental Cutoff. Clin Chem., 2018, vol. 64, no. 6, pp. 909-917. doi: 10.1373/clinchem.2017.281469.
Gong M., Zhang Y., Weschler C.J. Measurement of phthalates in skin wipes: estimating exposure from dermal absorption. Environ. Sci. Technol., 2014, vol. 48, no. 13, pp. 7428-7435. doi: 10.1021/es501700u.
Su H., Yeh I.J., Wu Y.H., Jiang Z.H., Shiea J., Lee C.W. Rapid identification of organophosphorus pesticides on contaminated skin and confirmation of adequate decontamination by ambient mass spectrometry in emergency settings. Rapid Commun. Mass Spectrom., 2020, vol. 34, no. S.1, article e8562. doi: 10.1002/rcm.8562.
Yilmaz B., Terekeci H., Sandal S., Kelestimur F. Endocrine disrupting chemicals: exposure, effects on human health, mechanism of action, models for testing and strategies for prevention. Rev. Endocr. Metab. Disord., 2020, vol. 21, no. 1, pp. 127-147. doi:10.1007/s11154-019-09521-z.
Brunmair J., Gotsmy M., Niederstaetter L., Neuditschko B., Bileck A., Slany A., Feuerstein M.L., Langbauer C., Janker L., Zanghellini J., Meier-Menches S.M., Gerner C. Finger sweat analysis enables short interval metabolic biomonitoring in humans. Nat. Commun., 2021, vol. 12, article 5993. doi: 10.1038/s41467-021-26245-4.
Eusuf D.V., Thomas E. Pharmacokinetic variation. Anaest. Intensive Care Med., 2022, vol. 23, no. 1, pp. 50-53. doi: 10.1016/j.mpaic.2021.10.014.
Chen H., Chen Y., Zhou Y., Cao S., Lu J., Han L., Worzfeld T., Krutmann J., Wang J., Xia J. Optimizing Skin Surface Metabolomics: A Comprehensive Evaluation of Sampling Methods, Extraction Solvents, and Analytical Techniques. J. Investig. Dermatol., 2025, vol. 145, no. 5, pp. 1166-1179. doi: 10.1016/j.jid.2024.08.027.
Géhin C., Tokarska J., Fowler S.J., Barran P.E., Trivedi D.K. No skin off your back: the sampling and extraction of sebum for metabolomics. Metabolomics, 2023, vol. 19, no. 4, article 21. doi:10.1007/s11306-023-01982-3.
Isom M., Desaire H. Skin Surface Sebum Analysis by ESI-MS. Biomolecules, 2024, vol. 14, no. 7, article 790. doi:10.3390/biom14070790.
Makas A.L., Kudryavtsev A.S., Neklyudov A.V., Podyachev S.P., Troshkov M.L. [Fieldable mass spectrometers and GC/MS techniques: trends, applications and results of development]. “Nauchnoye priborostroyeniye - sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya: Nauchno - prakticheskaya konferentsiya”: Sbornik materialov. [Proc. of “Scientific instrument engineering - current state and development prospects: Scientific and practical conference”]. Moscow, 2016, pp. 68-70. (in Russian).
Makas A.L., Troshkov M.L. Field gas chromatograhy - mass spectrometry for fast analysis. J. Chromatogr. B, 2004, vol. 800, no. 1-2, pp. 55-61.
Podyachev S.P., e.a. Programmnyy kompleks dlya upravleniya, sbora i obrabotki dannykh mobil'nogo khromato-mass-spektrometra MKHMS "Naval" [Software package for control, collection and processing of data of the mobile chromatograph mass spectrometer MChMS "Naval"]. Certificate of state registration of computer software, no. 2017619638, 2017. (in Russian).
Junting L., Peng C., Suzuki O. Solid-phase microextraction (SPME) of drugs and poisons from biological samples. Forensic Sci. Int., 1998, vol. 97, no. 2-3, pp. 93-100. doi: 10.1016/s0379-0738(98)00093-0.
Croxton R.S., Bleay S.M., de Puit M. Composition and properties of fingermarks. Fingerprint Development Techniques, 2018, pp. 35-68. doi: 10.1002/9781119187400.ch3.
Keisar O., Cohen Y., Finkelstein Y., Kostirya N., Ben-David R., Danon A., Porat Z., Almog J. Measuring the water content in freshly-deposited fingermarks. Forensic Sci. Int., 2019, vol. 294, pp. 204-210. doi: 10.1016/j.forsciint.2018.11.017.
Makas A.L., e.a. Ustroystvo dlya otbora i podachi prob trudnoletuchikh veshchestv na khimicheskiy analiz. [Device for sampling and feeding low-volatile substances for chemical analysis]. Patent RF, no. 218361, 2023. (in Russian).
Makas A.L., Troshkov M.L., Kudryavtsev A.S. Evaluation of direct flash thermal desorbtion inlet system for rapid combined GC/MS analysis of VOC in exhaled breath and SVOC in skin surface lipids. “Breath Summit 2018” (Maastricht, Netherlands, June 17-20, 2018): Abstracts. Maastricht, 2018. P. 87.
Makas A.L. [Express detection and identification of controlled substances in complex matrices using the field GC/MS system "MChMS "Naval"]. “Spets-poiskovo-dosmotrovaya i kriminalisticheskaya tekhnika”: Sbornik dokladov Mezhvedomstvennoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [“Special search and inspection and forensic equipment”: Collection of reports of the Interdepartmental scientific and practical conference.] Мoscow, 2019, pp. 46-47.
Girod A., Weyermann C. Lipid composition of fingermark residue and donor classification using GC/MS. Forensic Sci. Int., 2014, vol. 238, pp. 68-82. doi:10.1016/j.forsciint.2014.02.020.
Sadowski T., Klose C., Gerl M.J., Wójcik-Maciejewicz A., Herzog R., Simons K., Reich A., Surma M.A. Large-scale human skin lipidomics by quantitative, high-throughput shotgun mass spectrometry. Sci Rep., 2017, vol. 7, article 43761. doi: 10.1038/srep43761.
Pragst F., Auwärter V., Kiessling B., Dyes C., Wipe-test and patch-test for alcohol misuse based on the concentration ratio of fatty acid ethyl esters and squalene CFAEE/CSQ in skin surface lipids. Forensic Sci Int., 2004, vol.143, no. (2-3), pp. 77-86. doi: 10.1016/j.forsciint.2004.02.041.
Chang W.H., Herianto S., Lee C.C., Hung H., Chen H.L., The effects of phthalate ester exposure on human health: A review. Sci Total Environ., 2021, vol. 786, article 147371. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.147371.
Michałowicz J. Bisphenol A - Sources, toxicity and biotransformation. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2014, vol. 37, no. 2, pp. 738-758. doi: 10.1016/j.etap.2014.02.003.
Kummer N., Lambert W.E., Samyn N., Stove C.P., Alternative sampling strategies for the assessment of alcohol intake of living persons. Clin Biochem., 2016, vol. 49, no. (13-14), pp.1078-91. doi: 10.1016/j.clinbiochem.2016.05.007.
Taylor N., Machado-Moreira C. Regional variations in transepidermal water loss, eccrine sweat gland density, sweat secretion rates and electrolyte composition in resting and exercising humans. Extrem Physiol Med., 2013, vol. 2, no. 1, article 4. doi:10.1186/2046-7648-2-4
Beloborodova N.V., Moroz V.V., Bedova A.Y., Osipov A.A., Sarshor Y.N., Chernevskaya E.A. [The involvement of aromatic microbial metabolites in the development of severe infection and sepsis]. Anesteziologiya i reanimatologiya [Anesthesiology and Resuscitation], 2016, vol. 61, no 3. pp. 202-208. doi: 10.18821/0201–7563–2016–3–202–208.
DOI: https://doi.org/10.15826/analitika.2025.29.4.006
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.