Schimmelpilze sind in der Umwelt ubiquitär verbreitet und Mensch und Tier sind ihnen und ihren potentiell gesundheitsschädlichen Sekundärmetaboliten, den Mykotoxinen, auf unterschiedlichen Wegen ausgesetzt.  Mykotoxine sind vor allem als Lebens- und Futtermittelkontaminanten bekannt; sie sind jedoch auch in Innenräumen nachweisbar und stehen hier im Verdacht, Gesundheitsbeschwerden von Bewohnenden auszulösen. Viktoria Lindemann aus dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf hat daher Studien durchgeführt, in denen die Mykotoxingehalte, denen Menschen in Räumen exponiert sind, mittels modernster massenspektrometrischer Methoden abgeschätzt werden sollten. Derzeit ist der massenspektrometrische Nachweis mittels Triple-Quadrupol-Systemen (TQMS) dabei die Methode der Wahl. Screening-Methoden unter Verwendung hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) finden jedoch auch zunehmend Anwendung, da sie Vorteile wie eine erhöhte Selektivität bieten.

TQMS, Q-TOF, TIMS und VIP-HESI für die Detektion von Mykotoxinen

Bereits vor der Studiendurchführung war bekannt, dass eine komplexe Zusammensetzung von Umweltproben enorme Auswirkungen auf Leistungsfähigkeit der massenspektrometrischen Messtechnik hat. Daher wurden während der Analytik von Mykotoxinen im stark matrixbelasteten Probenmaterial Hausstaub die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des massenspektrometrischen Nachweises mittels Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometrie (QTOF) und TQMS nach flüssigchromatographischer Trennung untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Ionenquellen auf die Empfindlichkeit verglichen, wobei eine Elektrospray-Ionenquelle sowie eine neu entwickelte, beheizte Elektrospray-Ionenquelle (Bruker VIP-HESI) im Rahmen der QTOF-Experimente zum Einsatz kamen. Schließlich wurden die Untersuchungen von Mykotoxinen in Hausstaub noch auf einem QTOF-System mit vorgelagerter Trennung anhand der Ionenmobilität (TIMS) durchgeführt, um zu evaluieren, ob eine zusätzliche Trenndimension die Empfindlichkeit der QTOF-HRMS-Detektion steigert.

Der Nachweis von Mykotoxinen in Hausstaub konnte mittels der verschiedenen Massenspektrometern mit spezifischen Vor- und Nachteilen erfolgen. Die Empfindlichkeit der QTOF-Detektion wurde durch den Einsatz der VIP-HESI-Ionenquelle positiv beeinflusst, und die HRMS-Instrumente boten insgesamt eine höhere Selektivität, was zu einer vereinfachten Datenauswertung verglichen zur TQMS-Analytik führte. Die durchgeführten Experimente zeigten jedoch auch eine starke Signalsuppression aufgrund von Matrixkomponenten, wodurch die Leistungsfähigkeit der QTOF-Massenspektrometer stärker eingeschränkt wurde. Der empfindlichere Nachweis war somit unter Anwendung der TQMS-Detektion möglich. Auch wenn TQMS zur Zeit noch die sensitivste Detektion ermöglicht, ist es auf Grundlage dieser Daten wahrscheinlich, dass der Einsatz von HRMS-Instrumenten in Zukunft in vielen (quantitativen) Anwendungsbereichen weiter ansteigen wird, da HRMS-Instrumente zusätzliche Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit und Multi-Analyt-Nachweise bieten und zusätzlich non-targeted-Screenings sowie die retrospektive Datenanalyse ermöglichen. Die Ergebnisse der Studien wurden in der Zeitschrift Analytical Chemistry veröffentlicht und sind unter https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.1c04254 verfügbar.
 

Die auf einem Histamin-Grundgerüst basierenden Imidazol-Alkaloide N-Caprylhistamin (HmC8) und N-Caprylhistamin-β-glucosid (HmC8-Glc), die ausschließlich in Tomaten und Tomatenprodukten vorkommen, wurden kürzlich als Vorläufer eines Biomarkers für Tomatenkonsum identifiziert (Hövelmann et al. 2019, DOI 10.1016/j.foodchem.2019.126068). Da bisher nur wenig über den Stoffwechsel und die Bioverfügbarkeit dieser Imidazol-Alkaloide bekannt ist, wurden weitere Studien zur besseren Charakterisierung dieser Biomarker durchgeführt. Die nun veröffentlichte Publikation mit Ergebnissen aus den Forschungsprojekten von Maria Hahn und Matthias Kasimir (beide Arbeitskreis von  Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf) trägt entscheidend dazu bei diese Wissenslücke zu schließen. Die durchgeführte Studie hatte das Ziel der Aufklärung der intestinalen Absorption und des intestinalen Metabolismus von HmC8 und HmC8-Glc unter Verwendung des Caco-2- und des Schweine-Caecum-Modells. Beide sind geeignete Modelle zur Simulation der menschlichen Darmbedingungen im Dünn-/Dickdarm. Das am häufigsten vorkommende Imidazol-Alkaloid HmC8-Glc wurde im Caco-2-Modell weder absorbiert noch über die Darmbarriere transportiert, aber im Schweine-Caecum-Modell durch Spaltung der glykosidischen Bindung weitgehend zu HmC8 metabolisiert. Das Aglykon HmC8 hingegen unterliegt Transport- und Stoffwechselprozessen durch die Caco-2-Barriere und wird von der intestinalen Mikrobiota zu dem bioaktiven Neurotransmitter Histamin metabolisiert. Die kombinierten Ergebnisse beider Methoden verdeutlichen, dass HmC8-Glc nicht direkt über das Darmepithel aufgenommen wird, sondern eine metabolische Spaltung der glykosidischen Bindung durch die Darmmikrobiota erfordert. Das freigesetzte HmC8 zeichnet sich durch eine hohe Bioverfügbarkeit aus, wird allerdings auch in geringerem Umfang weiter zu Histamin verstoffwechselt. Daher könnten auch HmC8 und das Glucosid an der Unverträglichkeit von Tomatenprodukten bei histaminintoleranten Konsumenten beteiligt sein. Diese Forschungsergebnisse wurden nun im Journal of Agricultural and Food Chemistry (DOI 10.1021/acs.jafc.1c08047) veröffentlicht.

In einer Feierstunde wurde der mit 1000€ dotierte Studienpreis für die beste Masterarbeit im Fach Lebensmittelchemie an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster vergeben. Der von der Wessling-Gruppe mit Firmensitz in Altenberge gesponserte Preis wurde im Rahmen der Masterabschlussfeier am 26.11.2021 durch Herrn Dr. Henning Kuchenbuch als Vertreter des Unternehmens überreicht. Da bedingt durch Corona im letzten Jahr keine Abschlussfeier stattfinden konnte wurden in diesem Jahr zwei Preise vergeben.
Preisträger für den Jahrgang 2020 ist Herr Fabian Weever. Er untersuchte die Wirkung von sekundären Pflanzenstoffen aus der Aroniabeere (Aronia melanocarpa (MICHX.) ELLIOTT) auf die Aktivität von Topoisomerasen. Die DNA liegt in einer Zelle stark verdrillt in Form einer Doppelhelix vor, da der Zellkern in etwa eine Million Mal kleiner ist als die Länge des enthaltenen DNA-Stranges-. Damit der DNA-Code gelesen werden kann, muss diese Verdrillung zunächst durch die Enzymklasse der Topoisomerasen aufgehoben werden. Topoisomerasehemmstoffe finden als Chemotherapeutika in der Krebsmedizin seit vielen Jahren Anwendung. Im Zuge seiner Untersuchungen optimierte Herr Weever eine Methode zur Detektion von DNA-Topoisomerase-Komplexen. Das durch die Weiterentwicklung deutlich vereinfachte Verfahren ist als Rapid Isolation of Topoisomerase Cleavage Complex Assay in der Fachzeitschrift Journal of Agricultural and Food Chemistry (https://doi.org/10.1021/acs.jafc.1c04761) publiziert.
Für den Jahrgang 2021 wird Frau Sophie Pauline Vogel ausgezeichnet. Sie entwickelte eine neue miniaturisierte Kulturmethode für die Untersuchung von Sekundärmetaboliten in Pilzkulturen. Sekundärmetabolite von Schimmelpilzen sind einerseits von großer Bedeutung in der Medizin, wie z.B. das Antibiotikum Penicillin. Andererseits können von Schimmelpilzen produzierte Giftstoffe in Lebens- und Futtermitteln gesundheitliche Probleme verursachen. Die von Frau Vogel entwickelte miniaturisierte Methode in Kombination mit instrumentellen Analysetechniken ermöglicht eine im Vergleich zu klassischen Methoden deutlich kostengünstigere und effizientere Untersuchung auch größerer Mengen von Pilzkulturen. Das Verfahren ist auch geeignet, um einen Pilzbefall von Lebensmitteln oder Lebensmittel-Kontaktmaterialien zu simulieren und wird zukünftig als Routinemethode Anwendung finden.
 

Die DNA einer Zelle liegt in Form einer Doppelhelix stark komprimiert vor, da der Durchmesser desZellkerns in etwa eine Million Mal kleiner ist als die Länge des enthaltenen Genoms. Länge und Struktur der DNA-Doppelhelix werden anhand komplexer Mechanismen reguliert. Für lebensnotwendige zelluläre Prozesse müssen einzelnen DNA-Segmente entwunden und zugänglich gemacht werden. Die Regulation des so genannten topologischen Status der DNA wird unter anderem durch die Enzymklasse der Topoisomerasen (Topos) festgelegt. Die Struktur der DNA kann durch Einfügen von Strangbrüchen, Hindurchführen von DNA-Strängen, Verdrillung und Verknotung enzymatische verändert werden. Topos werden anhand ihrer Struktur und ihres Mechanismus in zwei Klassen unterteilt: Topo I und Topo II. Die monomere Topo I induziert kurzzeitige Einzelstrangbrüche unter Ausbildung eines Enzym-DNA-Intermediates. Topo II hingegen liegt als Homodimer vor und erzeugt unter ATP-Verbrauch einen DNA-Doppelstrangbruch. Werden die katalytischen Prozesse durch endogene oder exogene Faktoren gestört, können daraus gentoxische, mutagene und/oder letale Konsequenzen für die Zelle resultieren. Substanzen, die in den fein abgestimmten Mechanismus der Topo eingreifen, werden in katalytische Hemmstoffe und Topo-Gifte unterteilt. Neben der klinischen Verwendung der Hemmstoffe als Tumortherapeutika, kommen diese auch natürlicherweise in Nahrungsmitteln vor. Einige sekundäre Pflanzenstoffe aus der Klasse der Flavonoide wurden bereits als Topo-Gifte charakterisiert.
Im Rahmen einer neuen Publikation aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Melanie Esselen wurden durch Lena Müller die Effekte von Nevadensin, einem Flavonoid aus Basilikum, auf die Aktivität menschlicher Topo in zellfreien und zellbasierten in vitro-Testsystemen untersucht. Des Weiteren wurden potentielle DNA-bindende und interkalierende Eigenschaften erfasst, da sie in engem Zusammenhang mit Topo-hemmenden Eigenschaften stehen. Die Untersuchungen ergaben, dass Nevadensin eine hohe Affinität zur kleinen Furche der DNA hat. In vitro-Modelle mit isolierten Topos charakterisierten Nevadensin als Topo I- und Topo IIα-Hemmestoff. Der Wirkmechanismus wurde im Isolating in vivo complex of enzyme (ICE)-Assay in der menschlichen Kolonkarzinom-Zelllinie HT29 näher untersucht. Nevadensin induzierte eine Stabilisierung des Spaltungskomplexes, was auf eine Topo I-giftende Wirkung hinweist. Darüber hinaus konzentrierte sich die Studie auf die anschließende zelluläre Reaktion auf die gezeigte Topo I-Giftung. Es wurde festgestellt, dass Nevadensin DNA-Strangbrüche induziert, was zu einem starken Anstieg der Zellzahl in der G2/Phase des Zellzyklus führt. Darüber wurde eine starke Abnahme der Lebensfähigkeit der Zellen nach der Behandlung mit Nevadensin gezeigt, die im direkten Zusammenhang mit dem kontrollierten Zelltod (Apoptose) steht. Diese Studie verdeutlicht die vielseitigen zellulären Mechanismen von Lebensmittelinhaltsstoffen aus der Gruppe der Flavonoide. Die Ergebnisse geben erste Einblicke in potenzielle schädliche Wirkungen, aber auch in positive Eigenschaften von Nevadensin. Die kürzlich in der Zeitschrift Archives of Toxicology erschienene Originalpublikation ist in englischer Sprache unter https://doi.org/10.1007/s00204-021-03162-5 verfügbar.

 

Auch dieses Jahr konnten interessierte Schülerinnen und Schüler zwar nicht persönlich vorbeikommen und das leckere Eis der Vor-Corona-Zeit gab es ebenfalls nicht - spannende Infos und Einblicke ins Studium hatten wir am Hochschultag trotzdem für Euch!
Frau Prof. Dr. Melanie Esselen stellte von 11:15 Uhr bis 11:45 Uhr vor über 80 Teilnehmerinnen und Teilnehmern das Studium der Lebensmittelchemie an der WWU vor. Hier wurden auch viele Fragen zum Inhalt oder zu den Berufsaussichen beantwortet. Fragen zum Studienstart, zur Anmeldung sowie zum Studium selbst wurden von 14:00 Uhr bis 15:00 Uhr bei der Studienberatung im Gespräch mit Dr. Michael Lange-Aperdannier geklärt.  Infos direkt von den Studierenden gabes zusätzlich in der Zeit von 11:45 Uhr bis 12:30 Uhr duch die AG Junge Lebensmittelchemiker:innen (AG JLC). Hier hieß es: "Lebensmittelchemie - auf den Geschmack gekommen?"
Aber auch nach dem Hochschultag stehen wir Euch gerne für Fragen zur Verfügung und haben Infos parat: Schaut Euch das Institut für Lebensmittelchemie auf einer Videoführung an. Entdeckt in einem weiteren Video, was die Studiengänge Bachelor und Master Lebensmittelchemie in Münster ausmacht und was man später alles damit machen kann. Und wenn dann noch Fragen sind, schreibt einfach an Dr. Michael Lange-Aperdannier.

 

Die Inhaltsstoffe, alpha- und beta-Asaron, der zur Aromatisierung von Lebensmitteln eingesetzten Pflanze Acorus (A.) calamus L. sind als gentoxisch und krebserregend eingestuft. Zur Fragestellung was geschieht mit diesen Verbindungen nach oraler Aufnahme im Organismus, ist in den letzten Jahren intensiv geforscht worden. Trotzdem begrenzt sich die momentane Datenlage auf die Aktivierungsphase (Phase I) des Metabolismus, wohingegen der Kenntnisstand zu Konjugationsreaktionen (Phase II) limitiert ist. Lena Hermes aus dem Arbeitskreis von Frau Professorin Esselen charakterisierte mit Hilfe von in-vitro Testsystemen und der Hochdruckflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit der Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometrie (HPLC-QToF) Phase II-Metaboliten (Glucuronsäure-Konjungate) der erythro- und threo-Asaron-Diole. Diese Metaboliten wurden auch im menschlichen Urin nach dem Verzehr von 300 mL eines gekauften Calamus-haltigen Tees nachgewiesen. Mittels HPLC-Tandem-Massenspektrometrie wurden die Gehalte der Metaboliten nach Enzymbehandlung quantifiziert. Mit dieser Methode wurde von Frau Hermes zusätzlich die Ausscheidungsrate der aufgenommen Asaron-Isomere bestimmt. Die Ergebnisse geben erstmalig einen Hinweis darauf, dass beta-Asaron im menschlichen Organismus über die Epoxid-Diol-Weg aktiviert und durch UDP-Glucuronosyltransferasen konjugiert wird. Somit sollte für die Risikobewertung sowohl die Entstehung von Epoxiden als krebserzeugende Metaboliten als auch die schnelle Ausscheidung als potentiell geringer toxische Phase II-Metaboliten berücksichtigt werden. Die Open Access Publikation „Phase II Metabolism of Asarone Isomers In V itro and in Humans Using HPLC-MS/MS and HPLC-qToF/MS“ (https://doi.org/10.3390/foods10092032) von Dr. Lena Hermes, Janis Römermann, Dr. Benedikt Cramer und Prof. Melanie Esselen erschien im Rahmen eines Sonderheft „Natural Compounds in Plant-Based Food“ der Zeitschrift Foods.

Karl Eichner wurde am 13. August 1936 in Burghausen/Salzach geboren und studierte ab 1954 an der TU München Chemie, wo er 1965 promovierte. Nach kurzer Tätigkeit in der chemischen Industrie wechselte er 1967 an das Fraunhofer-Institut für Lebensmitteltechnologie und Verpackung. 1979 habilitierte er sich im Fach „Chemie der Lebensmittel“ an der TU München. 1982 wurde er zum Universitätsprofessor für Lebensmittelchemie an der Westfälischen Wilhelms-Universität ernannt und führte bis zu seinem Ruhestand im Jahre 2001 fast 20 Generationen von Studierenden zum Ersten Staatsexamen Lebensmittelchemie.
Prof. Eichner war ein Experte auf dem Gebiet der Qualitätserhaltung von Lebensmitteln. Der Fokus seiner Forschung lag auf dem Einfluss von Reaktionsbedingungen und der chemischen Zusammensetzung auf den Reaktionsverlauf der Maillard-Reaktion und der Fettoxidation. Ein weiteres Forschungsgebiet umfasste die Identifizierung geeigneter Leitsubstanzen für die prozess­begleitende Analytik bei der Herstellung von Lebensmitteln.
In der akademischen Selbstverwaltung engagierte er sich immer wieder aktiv und war im Jahr 1985 Dekan des Fachbereichs Chemie.
Wir verlieren mit Karl Eichner einen hoch geschätzten Kollegen, den wir aufgrund seines stets freundlichen, kollegialen und lebensfrohen Charakters in dankbarer Erinnerung behalten werden.

Für die aktuellen und ehemaligen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts für Lebensmittelchemie die geschäftsführende Direktorin/der geschäftsführende Direktor

Prof. Dr. Melanie Esselen und Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf
 

Vielen Früchten und vor allem Beeren werden aufgrund ihres hohen Gehaltes an Polyphenolen gesundheitsfördernde Eigenschaften zugeschrieben. In den letzten Jahren rückte vor allem die bisher wenig bekannte Aroniabeere, welche auch als Apfelbeere bezeichnet wird, in den medialen Fokus. Aufgrund ihres hohen Polyphenolgehaltes wird die Aroniabeere mit einer hohen antioxidativen Kapazität assoziiert und deshalb häufig als sogenanntes Superfood bezeichnet. Neben Flavonoiden, phenolischen Säuren und Anthocyanen zeichnet sich die Beere durch einen besonders hohen Gehalt an Proanthocyanidinen (PAC) aus. Diese Substanzklasse weist neben der großen Strukturvielfalt vor allem eine vielseitige biologische Aktivität auf, die ein großes Forschungspotential bieten.
Im Rahmen einer neuen Publikation aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Melanie Esselen wurden durch Lena Müller siebenundvierzig PAC aus der Aroniabeere (Aronia melanocarpa (MICHX.) ELLIOTT) näher charakterisiert. Im Fokus der Arbeit steht neben der strukturellen Charakterisierung der PAC auch Untersuchungen zur Beeinflussung der Enzymklasse der Topoisomerasen in Abhängigkeit von ihrer Struktur und dem Molekulargewicht bedingt durch den Polymerisationsgrad (PG). Mit Hilfe verschiedener chromatographischer Methoden wie Hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) sind vier PAC-Fraktionen reich an Trimeren (PG = 3), Tetrameren (PG = 4), Petameren (PG = 5) und Hexameren (PG = 6) worden. Die Strukturen der PACs wurde anschließend mittels hochauflösender Massenspektrometrie näher charakterisiert. In rein Enzym-basierten Testsystemen wurde eine inhibierende Wirkung der PACs auf die Aktivität an Topoisomerasen nachgewiesen, wobei dieser Effekt mit steigendem Polymerisationsgrad (PG = 3 -6) zunahm. Im zellbasierten neu etablierten Rapid Isolation of Topoisomerase Cleavage Complex Assay wurde abschließend gezeigt, dass die PACs auf zellulärer Ebene vor allem die Aktivität der Isoenzyme Topoisomerase IIα beeinflussen. Mit der in der Zeitschrift Journal of Agricultural and Food Chemistry erschienenen Originalpublikation in englischer Sprache (https://doi.org/10.1021/acs.jafc.1c04761) zeigten die Autoren, dass PACs der Aroniabeere ein großes Spektrum an Forschungsmöglichkeiten bieten.
 

Für die Charakterisierung toxikologisch relevanter Eigenschaften und zellulärer Wirkungen verschiedenster Naturstoffe finden weltweit zahlreiche in-vitro-Modelle Anwendung. Die Verwendbarkeit solcher Daten für eine Nutzen-Risiko-Bewertung steht in Verbindung mit der Übertragbarkeit auf die in-vivo-Situation und den Menschen. Bei dem aus der Teepflanze Camellia sinensis (L.) KUNTZE bekannten Flavonoid Epigallocatechin-3-gallat (EGCG) wurde in vitro eine deutlich geringere chemische Stabilität als in vivo beobachtet. Diese Instabilität muss entsprechend bei der Evaluation von Experimentaldaten berücksichtigt werden. Aufgrund dieser Kenntnisse können Experimente modifiziert werden. Eine Berücksichtigung beider Punkte findet in der bisherigen Literatur aber nur selten statt. Studien zeigen weiterhin, dass EGCG-Autoxidationsprodukte auch in Lebensmitteln wie beispielsweise aufgebrühtem schwarzen Tee zu finden sind.
Im Rahmen einer neuen Publikation aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Melanie Esselen wurden durch Julian Alfke einige abundante EGCG-Autoxidationsprodukte, die unter anderem bei Inkubation von EGCG in Zellkulturversuchen entstehen oder in aufgebrühtem Tee vorkommen, näher charakterisiert und analysiert. Im Fokus der Arbeiten steht die Isolierung und Strukturaufklärung dieser Produkte, insbesondere der EGCG-Dimere Theasinensin A und D sowie von Oolongtheanindigallat. Neben der Entwicklung einer semipräparativen flüssigchromatographischen Methode zur Isolierung der Produkte aus Puffersystemen wurden die Strukturen der Verbindungen mittels Kernresonanzspektroskopie aufgeklärt. Die Besonderheit der Theasinensine liegt in der stereochemischen Konfiguration der verknüpften EGCG-Monomere: Da es sich um Atropisomere handelt, die sich nur in der Drehung einer C C-Einfachbindung unterscheiden, erfolgt eine weitere spektroskopische und spektrometrische Charakterisierung der Verbindungen mittels Polarimetrie, Photometrie, Circulardichroismus und hochauflösender Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometrie. Um erste Daten zu antioxidativen Eigenschaften der isolierten Autoxidationsprodukte zu gewinnen, wurde der standardisierte Trolox-Assay angewendet. Dieser zeigt bei den Theasinensinen ein deutlich höheres antioxidatives Potential verglichen mit ihrem Monomer EGCG. Die Ergebnisse zeigen die Relevanz der autoxidativ gebildeten Verbindungen in Bezug auf Exposition des Menschen durch Teekonsum. Die Publikation ist open access im Journal European Food Research and Technology erschienen (https://doi.org/10.1007/s00217-021-03846-3).
 

Mykotoxine sind giftige Stoffwechselprodukte von Schimmelpilzen, die in vielen Lebensmitteln vorhanden sein können. Durch den Verzehr der Nahrung werden Sie in den menschlichen Körper aufgenommen und teilweise metabolisiert. In der Folge sind sie zunächst im Blut zu finden, bevor sie schließlich über den Urin ausgeschieden werden. Eine Aufnahme von höheren Mengen an Mykotoxinen birgt insbesondere chronische Gesundheitsgefahren wie ein erhöhtes Risiko an Krebs zu erkranken oder Nierenschäden.
Um die Exposition des Menschen gegenüber Mykotoxinen abzuschätzen, können Blut- und Urinproben untersucht werden. Diese Biomarker-basierten Methoden ermöglichen dabei nicht nur eine individuelle Expositionsabschätzung, sondern auch die Untersuchung von ernährungsbedingten oder regionalen Unterschieden.
Um insbesondere regionale oder ernährungsbedingte Unterschiede valide abbilden zu können, ist es notwendig eine Vielzahl von Proben einer Bevölkerungsgruppe zu untersuchen. Eine wichtige Anforderung an die analytischen Methoden zum Nachweis der Mykotoxin-Biomarker ist daher, einen hohen Probendurchsatz, also möglichst viele Analysen in kurzer Zeit, zu erreichen. Durch die niedrigen Mykotoxinkonzentrationen sowie die komplexe und individuelle Zusammensetzung von Urinproben, ergeben sich weitere Herausforderungen an den analytischen Prozess.
Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes wurde im Arbeitskreis von Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf durch Jessica Schmidt eine neue Methode basierend auf einer automatisierten Festphasenextraktion (online solid phase extraction, online SPE) entwickelt, um diese Anforderungen zu verei-nen. Die manuelle Probenvorbereitung wurde auf ein Minimum reduziert und die eigentliche Auf-arbeitung in Form der online SPE wurde der chromatographischen Trennung und der tandem-massenspektrometrischen Detektion direkt vorangeschaltet. Die Abtrennung von störendenden Urinbestandteilen und die Konzentrierung der Analyten während der online SPE resultierten in besonders niedrigen Nachweisgrenzen. Außerdem führte der geringe Bedarf an manueller Proben-vorbereitung zu einer hohen analytischen Genauigkeit. Die Nachweisstärke der neu entwickelten Methode konnte durch die Untersuchung von 50 Urinproben aus Simbabwe demonstriert werden. Neben der Analytik mittels online SPE wurden diese Urinproben auch direkt nach Verdünnung und ohne weitere Aufarbeitung (dilute and shoot) vermessen. Der Vergleich der mit beiden Methoden erhaltenen Ergebnisse zeigte, dass die auf online SPE basierende Methode eine deutlich höhere Anzahl an positiven Proben liefert. Insgesamt wurden mit der neu entwickelten Methode acht der 11 integrierten Mykotoxin-Biomarker detektiert. Das Mykotoxin Fumonisin B₁ wurde nicht nur in allen Proben nachgewiesen, sondern auch quantifiziert. Durch die niedrigen Nachweisgrenzen, die Minimierung der manuellen Probenvorbereitung sowie den geringen Zeitaufwand, liefert der onli-ne SPE-Ansatz eine leistungsstarke Ergänzung für die zuverlässige Abschätzung der Exposition gegenüber Mykotoxinen. Die Ergebnisse wurden open access im Journal Toxins (DOI 10.3390/toxins13060418) veröffentlicht.
 

Frau Dr. Annika Jagels wurde für Ihre Doktorarbeit „Isolierung und Strukturaufklärung von neuen Sekundärmetaboliten aus Stachybotrys-Spezies und Untersuchungen zur Exposition gegenüber dem Menschen“ mit dem Brigitte Gedek-Wissenschaftspreis für Mykotoxinforschung ausgezeichnet. Der Brigitte Gedek-Wissenschaftspreis ist insgesamt mit €10.000 ausgestattet. Der Preis wurde dieses Jahr geteilt, der zweite Preisträger ist Herr Dr. Benedikt Warth von der Universität Wien.

Frau Jagels wurde für Ihre Arbeit zum Vorkommen und zur Bedeutung von Schimmelpilzen in Innenräumen ausgezeichnet. Die Arbeit ist am Institut für Lebensmittelchemie der WWU Münster in der AG von Herrn Prof. Hans-Ulrich Humpf entstanden. Ein Wachstum von Schimmelpilzen in Innenräumen findet insbesondere nach Wasserschäden statt und wird generell durch eine erhöhte Raumluftfeuchte begünstigt. In Deutschland kommt es in nahezu jeder zehnten Wohnung zu sichtbarem Schimmelpilzbefall. Aufgrund der Tatsache, dass Menschen in Industrieländern durchschnittlich 80 bis 90 % ihrer Zeit in geschlossenen Räumen verbringen, können Innenräume somit eine bedeutende Expositionsquelle für die von Schimmelpilzen produzierten Mykotoxine darstellen.
Ein bedeutende Gruppe von Schimmelpilzen in Innenräumen ist die Gattung Stachybotrys mit denen sich Frau Jagels beschäftigt hat. So wurde eine umfangreiche Bibliothek an Referenzsubstanzen angelegt, ein umfassendes Screening der Metabolitenprofile verschiedener Pilzstämme und befallener Materialien durchgeführt sowie das gesundheitliche Risiko der Stachybotrys-Mykotoxine untersucht. Frau Jagels legt damit die Grundlagen für eine verbesserte Expositionsabschätzung von betroffenen Menschen und ermöglicht damit zukünftig eine verlässlichere Risikobewertung nach einem Befall mit Stachybotrys in Innenräumen.
Nach dem erfolgreichen Abschluss ihrer Promotion forscht Frau Jagels dezeit als Walter Benjamin-Programm-Stipendiatin, gefördert durch die DFG, als PostDoc in der Arbeitsgruppe von Sandra Loesgen im Whitney Laboratory for Marine Bioscience der University of Florida.

Asaron-Isomere sind bio- und aromaaktive Sekundärmetaboliten von Acorus calamus und stellen Inhaltsstoffe von Lebensmittel sowie Wirkstoffe traditioneller pflanzlicher Arzneistoffe dar. Nichtsdestotrotz ist das Wissen zur Wirksamkeit und des potentiellen Risikos aufgrund der gezeigten kanzerogenen Wirkung von alpha- und beta-Asaron limitiert. Dr. Thomas Uebel (AG Prof. Esselen) hat nachfolgend zu seiner Doktorarbeit eine Literaturrecherche zur momentanen Datenlage zu dieser Verbindungsklasse durchgeführt und einen umfassenden Open Access Review-Artikel „α-Asarone, β-Asarone and γ-Asarone: Current Status of Toxicological Evaluation“ publiziert (https://doi.org/10.1002/jat.4112). Schwerpunkte bilden die Themengebiete Toxikokinetik und Toxikodynamik. Die zusammenfassende Arbeit zeigt, dass gerade im Bereich der Toxikodynamik viele Fragestellungen bislang nicht ausreichend beantwortet sind und deshalb eine umfassende Risikobewertung im Hinblick auf den Verbraucherschutz momentan nicht möglich ist.

Aufgrund der gentoxischen und krebserzeugenden Eigenschaften des aromaaktiven pflanzlichen Sekundärmetaboliten beta-Asaron der Kalmuspflanze (Acorus calamus) gelten für diesen in der Europäischen Union (EU) Höchstwerte für alkoholische Getränke von 1 mg/kg sowie Empfehlungen von 0.1 mg/kg für nicht alkoholische Getränke und sonstige Lebensmittel. Der direkte Einsatz von beta-Asaron als Aromakomponente ist in der EU verboten. Frau Lena Hermes aus der AG Prof. Esselen entwickelte und validierte mit Hilfe ihrer Kollegen Dr. Benedikt Cramer und Janis Römermann eine schnelle und robuste LC-MS/MS-Methode zur Charakterisieren und Quantifizierung von beta-Asaron und verschiedener beta-Asaron-Derivate in Tee, alkoholischen Getränken und Nahrungsergänzungsmitteln. Die genaue Methode wurde aktuell unter dem Titel „Quantitative analysis of beta-asarone derivatives in Acorus calamus and herbal food products by HPLC-MS/MS“ (https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c05513) publiziert. Die Höchstmenge von 1 mg/kg beta-Asaron wurde in keiner der untersuchten Spirituosen überschritten. Jedoch wurden in Tees und Nahrungsergänzungsmitteln mittlere beta-Asaron-Gehalte von 9 bzw. 15 mg/kg detektiert, die somit um einen Faktor ca. 100 über der empfohlenen Höchstmenge von 0.1 mg/kg für Lebensmittel liegen. Die Autoren zeigten erstmalig, dass auch Oxidationsprodukte des beta-Asarons in Lebensmitteln vorkommen. Da im Vergleich zur Ausgangssubstanz bislang wenig zur Toxizität dieser Verbindungen bekannt ist, sind weiterführende Studien zur humanen Exposition und zum Wirkmechanismus zwingend notwendig. 

Von probiotisch bis hochgradig pathogen - das Spektrum an Stämmen der Bakterienart Escherichia coli (E. coli), die u.a. auch im menschlichen Darm vorkommt, ist beeindruckend. Selbst genetisch sehr eng verwandte Bakterienstämme können sich in ihrer Wirkung auf den Menschen und ihren Lebensräumen stark unterscheiden, wie es bei den drei E. coli Isolaten Nissle 1917, 83972 und CFT073 der Fall ist. Trotz ihrer großen Unterschiede bezüglich ihrer Pathogenität, weisen Untersuchungen ihrer Genome daraufhin, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen könnten.
In der nun in der Zeitschrift Metabolites veröffentlichten Arbeit von Mareike Schulz aus der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf vom Institut für Lebensmittelchemie wurden in Kooperation mit Herrn Prof. Dr. Ulrich Dobrindt vom Institut für Hygiene die Exometabolome der drei genetisch eng verwandten Stämme massenspektrometrisch untersucht und miteinander verglichen. Als Exometabolom werden alle kleinen Moleküle bezeichnet, die ein Organismus an die Umgebung abgibt. Diese können in ihrer Struktur und Funktion sehr verschieden sein. So können beispielsweise neben Abfallprodukten auch Moleküle von Bakterien ausgeschieden werden, die dabei helfen lebensnotwendige Nährstoffe, wie z.B. Metallionen, aus der Umgebung aufzunehmen.
Die mittels hochauflösender Massenspektrometrie (HPLC-HRMS) untersuchten Proben der drei E. coli Isolate wiesen deutliche Unterschiede zwischen den Exometabolomen auf. Anhand umfangreicher statistischer Datenauswertungen wurde gezeigt, dass insbesondere die für Aufnahme von Eisen wichtigen Siderophore, vor allem im Hinblick auf Yersiniabactin, sehr unterschiedlich von den einzelnen Stämmen gebildet wurden. Weitergehende Arbeiten zur Isolierung von Verbindungen, die in einem besonderen Maße die Unterschiede zwischen den Stämmen ausmachten, führten zur Isolierung und Identifizierung von Ulbactin B, das strukturelle Ähnlichkeiten zu Yersiniabactin aufweist und bisher nur für marine Bakterien beschrieben wurde. Zudem wurden weitere Moleküle, die sich als strukturelle Modifikationen von Yersiniabactin herausstellten, zum ersten Mal massenspektrometrisch charakterisiert. Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass die Aufnahme lebenswichtiger Metallionen durch Metallophore ein wichtiges Merkmal für das Wachstum und Überleben der Bakterien darstellt. Für zukünftige Arbeiten sind weitere Untersuchung zur Bedeutung der hier für E. coli neu entdeckten Moleküle und deren Rolle für das Überleben der Bakterien von besonderem Interesse. Die Untersuchungen zeigen auch, dass Massenspektrometrie-basierte Metabolomanalysen in Kombination mit statistischen Methoden äußerst hilfreich sind, um die Vielfalt der bakteriellen Metabolome und den Einfluss von Metallophoren auf die Fitness und Pathogenität der Bakterien zu untersuchen. Die original Publikation (open access) ist unter dem DOI 10.3390/metabo10060221 verfügbar.

Der Kalmuspflanze (Acorus calamus) gilt als traditionelle Pflanze der asiatischen Medizin und ist aufgrund der positiven pharmakologischen Eigenschaften auch im europäischen Raum verbreitet. Die getrocknete Wurzel wird zur Zubereitung von Teeaufgüssen oder zerkleinert in Nahrungsergänzungsmitteln genutzt. Das aus Wurzeln und Blättern extrahierte Öl findet zur Aromatisierung u.a. Anwendung in Magenbittern. Im ätherischen Öl kommen sekundäre Pflanzenstoffe aus der Substanzklasse der Phenylpropanoide, die Isomere alpha-Asaron und beta-Asaron, vor. Neben den pharmakologischen Eigenschaften werden diesen Verbindungen auch toxische Wirkungen zugesprochen; so wirken sie z.B. krebserzeugend im Tierversuch und DNA-schädigend in Zellkulturstudien. Des Weiteren scheint der Phase-I-Metabolismus der Substanzen maßgeblich zum gentoxischen Potential der Substanzen beizutragen. Jedoch sind die Effekte der identifizierten Metaboliten bislang nicht weiter charakterisiert.
Die aktuelle Publikation mit Lena Hermes aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Melanie Esselen als Erstautorin beinhaltet Untersuchungen zur gentoxischen Wirkung ausgewählter Phase-I-Metaboliten der Asaron-Isomere sowie zur zellulären Schadensantwort. Als Testsystem wurde die humane Leberkarzinomzelllinie HepG2 verwendet, da sie eine hohe metabolische Aktivität aufweist.
Eine frühe gentoxische Wirkung der Substanzen wird mit klastogenen DNA-Schäden in Verbindung gebracht, die schnell repariert werden. Deshalb wurden spezifische DNA-Reparaturkaskaden durch Beeinflussung der Proteinexpression und des Phosphorylierungsstatus näher untersucht. Zudem wurde eine aneugene Chromosomenfehlverteilung als spätes Ereignis der Gentoxizität über den Mikrokerntest und die Tubuli-Integrität festgestellt.
Nähere Informationen sind der Publikation (https://doi.org/10.1016/j.fct.2020.111484 ), erschienen in der Zeitschrift Food and Chemical Toxicology, zu entnehmen.
 

Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts von Herrn Matthias Kasimir aus der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf wurde der intestinale Metabolismus der modifizierten Mykotoxine (Schimmelpilzgifte) T 2- und HT 2 Toxin-3-glucosid in α- und β-Konfiguration im Schweine-Caecum-Modell untersucht.
Mykotoxine sind giftige Substanzen, die von Schimmelpilzen gebildet werden und zu einer Kontamination von Lebens- und Futtermitteln führen können. Daneben kann eine Infizierung von Nutzpflanzen mit Schimmelpilzen auch zu einer Schädigung der Pflanzen und damit einhergehend zu Ernteeinbußen führen. Eine Abwehrstrategie der Pflanzen ist es, die Mykotoxine durch Metabolismus zu entgiften. Die dabei entstehenden modifizierten Mykotoxine zeichnen sich häufig dadurch aus, dass Glucose an das ursprüngliche Mykotoxin gebunden wurde.
Bei dem in der Arbeitsgruppe entwickelten Schweine-Caecum-Modell handelt es sich um ein ex vivo Testsystem. Aufgrund von zahlreichen Gemeinsamkeiten zwischen den Gastrointestinaltrakten von Schwein und Mensch stellt es ein wertvolles Werkzeug dar, um Hinweise über den intestinalen Metabolismus im Menschen zu erhalten. In der nun veröffentlichten Studie mit Metaboliten von T-2 und HT-2 Toxin wurde gezeigt, dass die Glucose unabhängig von ihrer Konfiguration innerhalb weniger Minuten von den intestinalen Bakterien gespalten wird und somit T-2 und HT-2 Toxin freigesetzt werden. Nachfolgend werden die Toxine – deutlich langsamer - ebenfalls weiter metabolisiert.
Die Daten machen deutlich, dass die bisher noch kaum analytisch erfassten T 2 und HT-2 Toxin-glucoside aufgrund der Metabolisierung im Gastrointestinaltrakt eine toxikologische Relevanz haben können. Für eine umfassende Abschätzung der Exposition gegenüber T-2 und HT 2 Toxin sollten daher in Zukunft die bestehenden analytischen Methoden um die Analyse der modifizierten Formen erweitert werden. Die kürzlich in der Zeitschrift Journal of Agricultural und Food Chemistry erschienene Originalpublikation ist in englischer Sprache unter https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c00576 verfügbar.

 

Die Identifizierung und Analytik ernährungsbedingter Biomarker stellt einen Schwerpunkt der Forschung am Institut für Lebensmittelchemie der WWU dar. Bei diesen Biomarkern handelt es sich um Lebensmittelinhaltsstoffe oder deren Metaboliten, die nach Verzehr des jeweiligen Lebensmittels im Blut oder Urin nachweisbar sind. Somit wird die objektive und quantitative Bestimmung der Nahrungsaufnahme ermöglicht, welche die Grundvoraussetzung darstellt um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Lebensmittelverzehr und möglichen Gesundheitseffekten festzustellen.
Auf der Suche nach neuen Naturstoffen, die in Zukunft als potenzielle Biomarker für den Tomatenverzehr Anwendung finden können, wurden nun erstmals die pflanzlichen Imidazolalkaloide N-Caprylhistamin und N-Caprylhistamin-β-Glucosid in Tomaten entdeckt. Gleichzeitig wurde anhand der Untersuchung zahlreicher Lebensmittel bewiesen, dass diese sowie strukturell-verwandte Substanzen ausschließlich in Tomatenprodukten vorkommen. Somit ist eine Verwendung dieser Alkaloide als spezifische Biomarker für den Tomatenverzehr möglich. Darüber hinaus ist bisher nicht bekannt und natürlich von großem Interesse, ob die erstmals identifizierten Substanzen möglicherweise biologische Aktivitäten aufweisen. Diese Studie wurde von Yannick Hövelmann und Katharina Steinert mit Unterstützung von Dr. Florian Hübner in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Hans-Ulrich Humpf durchgeführt und kürzlich in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Food Chemistry veröffentlicht.  (DOI https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.126068).