Blickpunkt

Heutzutage reicht es nicht mehr aus, dass ein Produkt einfach seinen Zweck erfüllt: Lebensmittel sollen nicht nur ernähren und schmecken, sondern auch gegen Krankheiten (unter anderem Krebs) schützen und Alterungsprozesse aufhalten. Bei reinigenden Kosmetika wie Seifen scheint eine antibakterielle Wirkung den Verkauf zu fördern. Um diesen antibakteriellen Effekt zu erreichen, setzen Hersteller Wirkstoffe mit bakteriostatischer oder bakterizider Wirkung zu. Weit verbreitet sind hier die halogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffe Triclocarban (TCC, 1- (4- Chlor phe nyl)- 3 - (3,4 - di chlor phe nyl) -harn stoff, Abbildung 1) in festen Seifenstücken und Triclosan (2,4,4'-Trichlor-2'-hydroxydiphenylether) in Flüssigseifen.
Der menschliche Körper nimmt Substanzen durch die Haut (dermal) auf und diese können somit pharmakologische und toxische Wirkungen entfalten. Unter anderem aus diesem Grund setzt die Kosmetikverordnung dem Einsatz von antibakteriellen Wirkstoffen klare Grenzen. Bei einer Höchstmenge von 1,5 g TCC pro 100 g in Produkten, die abgewaschen werden, kommt der Verbraucher trotzdem mit einer signifikanten Menge der Substanz in Kontakt.
In einer ausführlichen Sicherheitsbewertung aus dem Jahr 2005 kam die Europäische Kommission, basierend auf toxikologischen Untersuchungen aus den späten 1970er Jahren, zu dem Schluss, dass TCC in kosmetischen Mitteln sicher ist.1 In den letzten sechs Jahren wurde jedoch deutlich, dass TCC in aquatischen Systemen stark akkumuliert. Mit 0,44 g·kg—1 war TCC die Substanz mit der höchsten Konzentration aller in Klärschlamm untersuchten synthetischen Verbindungen (US Enviromental Protection Agency, Targeted National Sewage Sludge Survey, 2009). TCC aus Süßwasser und Sediment konzentriert sich auch in Schnecken und Algen.2,3 Neben diesem bisher unterschätzten Potenzial zur Akkumulation des Kosmetikzusatzstoffs zeigten sich im Jahr 2008 überraschend biologische Effekte der Substanz in Säugetieren: In hohen Konzentrationen ist es ein endokriner Disruptor, indem es die Wirkung des männlichen Sexualhormons Testosteron verstärkt.4 Durch diese neuen Erkenntnisse gewinnt die Frage nach der Sicherheit von antibakteriellen Zusätzen in Kosmetika an Bedeutung.
In einem durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und das Superfund-Programm des National Institute of Enviromental Health Sciences (NIEHS) geförderten Projekt an der University of California in Davis untersuchte der Autor in der Gruppe von Bruce Hammock in den letzten zwei Jahren die Human exposition von TCC durch antibakterielle Seifen und testete die Substanz auf ungewollte biologische Effekte.


<h2>Analysenmethode</h2>
TCC wird im Säugetier zu einer Vielzahl von Metaboliten umgesetzt.5 Hierbei dominieren in Blut und Galle die Glucuronsäure- und Sulfatkonjugate der oxidativen (Phase-I-)Metabolite. Im Urin von Mensch, Maus und Affe findet sich TCC hauptsächlich nach direkter Konjugation (Phase-II-Metabolismus) als N-Glucuronid und wird so ausgeschieden (Abbildung 1).5,6 Aufgrund dieses ausgeprägten Metabolismus ist es bei einer umfassenden Expositionsmessung notwendig, dass die Analysemethode auch die Metabolite erfasst. Hierzu wurde im ersten Schritt eine Flüssigchromatographie - Elektrosprayionisations - Massenspektrometrie-(LC-ESI-MS)-Methode entwickelt.
Durch eine Online-Festphasenextraktion, die der eigentlichen Chromatographiesäule vorgeschaltet ist, lassen sich Plasma- und Urinproben nach minimaler manueller Probenvorbereitung injizieren. Dazu wird die Probenmischung über eine Umkehrphasen-(RP-18)-Extraktionssäule gepumpt, welche die Analyte extrahiert. Da die Extraktionssäule Salze und Proteine nicht retardiert, werden so die Analyten von einem Großteil der Matrix abgetrennt. Nach weniger als einer Minute ist der Extraktionsschritt abgeschlossen, und die Analyten werden von der Extraktionssäule eluiert und auf einer analytischen Umkehrphasen-Säule getrennt (Abbildung 2, S. 864).
Eine stationäre Phase mit großen Partikeln (50 µm) für die Extraktion, gekoppelt mit einer Trennsäule mit Partikeln geringer Größe (1,7 µm), bringt eine hohe analytische Leistungsfähigkeit:6,7 Wie das Chromatogramm in Abbildung 3 (S. 864) exemplarisch zeigt, bleiben die Peaks trotz Online-Probenvorbereitung schmal (hohe chromatographische Auflösung) mit nur geringfügigem Tailing. In Kombination mit sensitiver und spezifischer tandemmassenspektrometrischer Detektion ist diese Methode sogar empfindlicher als in der Literatur beschriebene LC-MS-Methoden für TCC in Umweltproben. Vor allem aber eignet sie sich aufgrund der parallelen Detektion der Metabolite und der hohen Präzision und Richtigkeit der Quantifizierung in Plasma und Urinproben ideal für Expositionsstudien.6


<h2>Humanexposition</h2>
Um abzuschätzen, wie stark der menschliche Körper TCC durch das Duschen aufnimmt, duschten sieben gesunde Probanden mit antibakterieller Seife (mit 0,6 % TCC). Danach wurden Urinproben gesammelt und deren TCC-Gehalte mit LC-MS bestimmt. Ergebnis: Nach einer einzelnen Anwendung der Seife schieden die Probanden TCC-N-Glucuronide in Konzentrationen von bis zu 1,0 ± 0,01 µM im Urin aus (285 ± 4,5 µg TCC pro g Kreatinin) (Abbildungen 1 und 4, S. 865).
Trotz standardisierter Duschbedingungen (Aussparung von Haar, Gesicht und Genitalien, 15-minütige Exposition mit Seife) variierten sowohl die maximalen TCC-Metabolit-Konzentrationen im Urin als auch das zeitliche Exkretionsprofil (Abbildung 4 S. 865). Bei allen Freiwilligen dauerte es deutlich länger als zwei Tage, bis sie die Metaboliten mit dem Urin vollständig ausgeschieden hatten. Tägliches Duschen führte über einen Zeitraum von zwei Wochen allerdings nicht zu einer erkennbaren Akkumulation des antibakteriellen Wirkstoffs.6
Unter der Annahme, dass 25 % des aufgenommenen TCC im Menschen über die Nieren (renal) ausgeschieden werden,8,9 absorbieren die Probanden etwa 0,5 ± 0,1 mg TCC pro Dusche oder 0,6 ± 0,2 % der mit der Seife applizierten TCC-Menge (11,7 ± 2,6 g Seife pro Person pro Duschvorgang). Diese Abschätzung stimmt sehr gut mit einer Studie aus den 70er Jahren überein, in der Freiwillige mit einer Seife duschten, die 14C-markiertes TCC enthielt. Szintillationsmessungen ergaben hier eine Resorptionsrate von 0,4 % des applizierten TCC während des Duschens.9
Also resorbieren Menschen einen kleinen, aber relevanten Teil der mit Seifen applizierten Menge an TCC, wobei starke individuelle Unterschiede bestehen.


<h2>Biologische Effekte</h2>
Die aufgenommene Menge von 0,5 mg pro Dusche (circa 10 µg pro kg Körpergewicht) ist deutlich geringer als die Dosis, die im Tierversuch hormonell wirksam war (0,25 % TCC im Futter, circa 250 mg kg—1 Tag—1).4 So ist es fraglich, ob die Eigenschaft von TCC, als endokriner Disruptor zu wirken, für die Exposition durch Kosmetika von Relevanz ist.
Um weitere nicht beabsichtigte Aktivitäten des antibakteriellen Wirkstoffs auf Säugetiere zu untersuchen, wurde dessen Hemmwirkung gegenüber regulatorischen und metabolischen Enzymen bestimmt.6In einem High-Throughput-Screening (HTS) mit einem fluoreszenzmarkierten Substrat wirkte TCC als hochpotenter Hemmstoff der löslichen Epoxidhydrolase (sEH).6,10sEH ist ein Enzym der Arachidonsäurekaskade, das Fettsäure-Epoxide zu den entsprechenden Diolen hydrolysiert.11 Da die Epoxide entzündungshemmende und schmerzstillende Mediatoren sind, zeigt eine sEH-Inhibition starke biologische Auswirkungen.11,12
HTS-Techniken bergen das Risiko, dass sie aufgrund des künstlichen Substrats die Potenz eines Inhibitors ungenau wiedergeben. Deshalb wurde die inhibitorische sEH-Aktivität des TCC mit einem LC-MS-basierten Assay mit einem natürlichen Substrat bestätigt.13 TCC ist mit einer IC50 von 24 ± 5 nM ähnlich potent wie die stärksten bisher bekannten sEH-Inhibitoren mit einer mittleren inhibitorischen Konzentration IC50 von 0,6 bis 20 nM. 6,13
Nach den vorläufigen Daten kann die Blutkonzentration von TCC nach Duschen mit TCC-haltiger Seife bis zu 60 nM betragen und somit den IC50-Wert überschreiten. Demnach ist zumindest eine lokale Wirkung von TCC, ausgelöst durch Inhibition der sEH nach Exposition eines Menschen mit Kosmetika, denkbar, auch wenn eine systemische Wirkung von TCC bei einer ähnlichen Konzentration im Tierversuch ausblieb.6
Die Metabolite von TCC hemmen sEH in deutlich geringerem Ausmaß. Die metabolische Umwandlung inaktiviert somit die sEH-inhibierenden Eigenschaften des TCC. Allerdings kann der oxidative (Phase-I-)Metabolismus auch zu reaktiven Metaboliten führen und so TCC aktivieren.14 Hierbei reagiert der Hauptmetabolit 2'-OH-TCC (Abbildung 1) durch CYP-P450- Mono oxy genasen weiter zum ortho-Chinon imin. Dieses elektrophile Intermediat ist reaktiv und bindet in vitro kovalent an Glutathion und Proteine.14 Bisher gibt es keinen Beweis dafür, dass diese reaktiven Metabolite in vivo von Bedeutung sind, aber bisher nicht veröffentlichte Untersuchungen an einem Haut-Zellkulturmodell (spontan immortalisierte Keratinozyten) zeigen, dass freies 2'OH-TCC in signifikanten Mengen entsteht. Falls es auch in vivo zu einer starken oxidativen Umsetzung von TCC und einer geringen Konjugation der Metabolite kommt, ist eine metabolische Aktivierung in der Haut denkbar. Diese führt dann möglicherweise zu Zellschädigungen oder Sensibilisierungen.


<h2>Fazit</h2>
Insgesamt liefern die Untersuchungen keinen eindeutigen Beweis dafür, dass Exposition von TCC durch Kosmetika die menschliche Gesundheit beeinträchtigt. Eine abschließende Sicherheitsbewertung dieses Stoffs, der seit über 40 Jahren in Kosmetika enthalten ist, sollte die neuen Erkenntnisse zur Wirkung auf das endokrine System, zur Inhibition der sEH und der Bildung reaktiver Metabolite berücksichtigen. Insbesondere ist zu beachten, dass Individuen unterschiedlich auf TCC reagieren, wie die individuelle Varianz nach einmaliger Exposition zeigt.
Betrachtet man die Konjugation mit Glucuronsäure in der Detoxifizierung und Ausscheidung von TCC, ist die Frage nach der Akkumulation von TCC zu klären. Relevant könnte dies etwa für Personen mit dem verbreiteten Morbus Meulengracht sein; dies ist eine Stoffwechselstörung, die eine stark verringerte Aktivität der Glucuronyltransferasen kennzeichnet.
Umwelttoxikologisch ist TCC in Seife problematisch, da es stark in aquatischen Systemen, vor allem im Sediment und Schlamm akkumuliert. Aufgrund dieser neuen Daten ist die Verwendung von antibakteriellen Seifen im Privathaushalt zu überdenken.
Bekanntermaßen ist Händewaschen unerlässlich, um Infektionskrankheiten vorzubeugen. Das regelmäßige Waschen der Hände mit Wasser und normaler Seife ohne antibakterielle Zusätze reduziert die Keimzahl auf den Händen deutlich15 und wirkt somit von sich aus antibakteriell. Ein zusätzlicher positiver Effekt von Seifen mit TCC, beispielsweise durch eine länger andauernde antibakterielle Wirkung nach dem Händewaschen, ist nicht nachweisbar.16
Nils Helge Schebb, Jahrgang 1977, studierte Lebensmittelchemie und Biochemie in Münster und Karlsruhe. Nach Promotion bei Uwe Karst, Uni Münster, forschte er zwei Jahre lang als Postdoc in der Gruppe von Bruce Hammock, University of California, Davis. Seit 2011 leitet er als Habilitand bei Pablo Steinberg am Institut für Lebensmitteltoxikologie und Chemische Analytik der Tierärztlichen Hochschule Hannover eine Nachwuchsforschergruppe. Die Arbeitsgruppe untersucht die biologische Wirkung von Umweltchemikalien. Unter besonderer Betrachtung ihres Metabolismus und der Wirkung auf humane Enzyme werden derzeit neben TCC beispielsweise Flammschutzmittel untersucht. In einem weiteren, durch die EU geförderten Projekt wird mit Metabolomik-Techniken die Wirkung von Lebensmittelinhaltsstoffen auf endogene Entzündungsmediatoren erforscht. In beiden Projekten gibt es Plätze für Master- und Diplomarbeiten. Ebenso sucht die Arbeitsgruppe motivierte Doktoranden und Doktorandinnen mit herausragenden Leistungen in Lebensmittelchemie, analytischer Chemie oder Biochemie. <a href="mailto:schebb@wwu.de">schebb@wwu.de</a>


— — —Kosmetikinhaltsstoffe wie Desinfektionsmittel gelangen durch die Haut in den menschlichen Körper und können pharmakologisch und toxisch wirken.
Um die Exposition des Menschen mit einer Substanz umfassend zu bestimmen, muss die Analysenmethode ihre Hauptmetabolite umfassen.
Eine unmittelbare Gesundheitsgefahr für Menschen scheint von Triclocarban-haltigen Seifen nicht auszugehen. Allerdings ist Triclocarban (TCC) ein hochpotenter Hemmstoff der löslichen Epoxidhydrolase, die in der Regulation von Entzündung und Schmerz eine wichtige Rolle spielt. Zudem gibt es starke individuelle Unterschiede in Absorption und Ausscheidung nach Exposition durch Seife.
Die Akkumulation von TCC in Flüssen und Klär-schlamm sowie in Wasserorganismen ist umweltoxikologisch problematisch.


— — — In schwarzem Tee sind die Catechine aus dem grünen Teeblatt durch enzymatische Oxidation zu Thearubigenen umgesetzt, die im Chromatogramm einen nicht aufgelösten Hügel ergeben.
Um die Substanzen, die sich unter einem Thearubigenhügel verbergen, zu charakterisieren, eignet sich eine Strategie aus drei Schritten: Hochauflösende Massenspektrometrie erfasst die Summenformeln der Komponenten, eine graphische Auswertung gibt Hinweise auf die Strukturen, die LC-MS/MS-Experimente dann bestätigen oder verwerfen.
Die Thearubigenfraktion des Tees enthält um die 30 000 Substanzen, das sind zehn Mal mehr als erwartet; damit reicht die Komplexität des Materials an die von Erdöl heran. Bisher gibt es Vorschläge für 1300 Strukturformeln.



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Artikel

Antibakterielle Seife

Heutzutage reicht es nicht mehr aus, dass ein Produkt einfach seinen Zweck erfüllt: Lebensmittel sollen nicht nur ernähren und schmecken, sondern auch gegen Krankheiten (unter anderem Krebs) schützen und Alterungsprozesse aufhalten. Bei reinigenden Kosmetika wie Seifen scheint eine antibakteriell...

Prof.Dr.

Neben gut aufgelösten, scharfen Signalen, den Peaks, die wohl definierten, sauber aufgetrennten Einzelverbindungen entsprechen, sind sanfte und breite Hügel ständige Begleiter des analytischen Chemikers. Solche Hügel gibt es sowohl in der Flüssigkeits- als auch in der Gaschromatographie. Sie treten vermehrt bei der Analyse von Rohextrakten und bei nicht oder schlecht gereinigten Proben auf.
Im Umgang mit solchen Hügeln, die auch die Quantifizierung von Analyten erschweren, gibt es zwei Strategien: die sorgfältige Reinigung der Probe, das ist die wissenschaftlich redliche Vorgehensweise, und die Basislinienkorrektur eines Chromatogramms, die eher unredliche Weise.
Beschäftigt man sich mit solchen chromatographischen Hügeln stellen sich mehrere Fragen: Wie häufig und relevant sind solche Hügel? Haben sie physikalisch-chemische Relevanz und wenn ja welche? Wie analysiert und charakterisiert man solche Hügel? Welche Schlussfolgerungen kann man aus einer Hügelcharakterisierung ziehen?
Auf die Frage nach Häufigkeit und Relevanz gibt die Literatur keine klare Antwort. Besonders die Frage nach der Häufigkeit ist schwer zu beantworten. Seit sich meine Arbeitsgruppe mit der Charakterisierung von chromatographischen Hügeln beschäftigt, habe ich die Zahl der basislinienkorrigierten Chromatogramme in allen Veröffentlichungen gezählt, die ich seit 2006 begutachtet habe. Diese persönliche Statistik ist zwar nur anekdotisch zu werten. Schockierenderweise enthielten die Manuskripte aber zu über 80 Prozent geglättete Chromatogramme. Eine klare Aussage über die Häufigkeit von Hügeln scheint daher unmöglich, wenn diese Praxis anhält.
Zur physikalisch-chemischen Relevanz: Es gibt eine Reihe wohldefinierter Proben, in denen der Hügel den Hauptanteil ausmacht. Im Jahr 1990 publizierten Rowland und Mitarbeiter erstmals eine Arbeit über die Analyse von Erdölrückständen und prägten für den chromatographischen Hügel den Begriff “unresolved complex mixture” (UCM).1 Gaschromatogramme aller Erdölproben, Proben umweltrelevanter Erdölabbauprodukte oder Abfallproben, die Erdölprodukte enthalten, zeigen neben scharf aufgelösten Peaks vor allem einen breiten Hügel (Abbildung 1a).
Auch in Lebensmittelproben finden sich häufig solche UCMs. Dies trifft insbesondere auf prozessierte Lebensmittel zu, die durch Erhitzen oder Fermentierung hergestellt wurden. Zu den bekanntesten Beispielen zählen schwarzer Tee, Kakaopulver, gerösteter Kaffee, schwarzer Pfeffer, Karamell und andere Maillardprodukte. In ihnen stellt der UCM-Hügel den Hauptanteil der chemischen Zusammensetzung der Probe dar. Nur wenige Prozente des Gesamtinhalts entsprechen nach Quantifizierung den wohlaufgelösten, scharfen Peaks. Diese chromatographischen Hügel sind also entscheidend, um eine solche Probenzusammensetzung zu verstehen.


<h2>Schwarzer Tee und Thearubigene</h2>
Von einer Tasse schwarzen Tees machen UCMs ungefähr 60 bis 70 Prozent der Trockenmasse aus. Knackpunkt bei schwarzem Tee sind die Thearubigene (TR), die Roberts zwar bereits im Jahr 1959 erstmalig isolierte und beschrieb,2 an deren Strukturanalyse sich seitdem jedoch alle Arbeitsgruppen die Zähne ausbissen. Thearubigene entstehen bei der Fermentierung des grünen Teeblatts aus dessen Hauptinhaltsstoffen, den Catechinen. Fermentation ist hier ein traditioneller, aber sehr unglücklicher Begriff, da bei der Teefermentation keine Mikroorganismen am Werk sind und sie nur in Gegenwart von Sauerstoff stattfindet.
Das grüne Teeblatt produziert als Hauptsekundärmetabolite vier Catechine (1—4) als etwa 10 bis 20 Prozent seiner Trockenmasse (Strukturen und Reaktion in Abbildung 2, S. 868). Für die Teefermentierung wird das Teeblatt mechanisch zerstört. (1-4), die in der Zellvakuole gespeichert sind, kommen mit dem Enzym Teepolyphenoloxidase (TPPO) in Verbindung, das sich an der Außenmembran der Zellvakuole befindet. TPPO oxidiert nun die Catechine zu etwa 40 gut charakterisierten Produkten, von denen die wichtigsten Theaflavin, Theasinensin, Theacitrin und Theanaph thochinon (5—8) sind. Hauptreaktionsprodukte dieser enzymatischen Oxidationsreaktion sind jedoch die Thearubigene.3 Vergleicht man ein Chromatogramm des grünen Tees mit einem des schwarzen Tees, fällt auf, dass im schwarzen Tee fast sämtliche Catechine fehlen und durch einen nicht aufgelösten, gaußkurvenförmigen Hügel, den Theaurubigenhügel, ersetzt sind (Abbildung 1b).3
Die Analyse und Charakterisierung dieses Hügels war jahrzehntelang mit analytischen Standardverfahren nicht lösbar. Bei der Analyse von Schwarztee ließen sich innerhalb des Hügels nur wenige markante und gut zu deutende Einzelsignale erfassen, aus denen sich Molekülstrukturen für einzelne Inhaltsstoffe ableiten ließen. Der größte Teil der Schwarzteeanalyse bestand aus einem undifferenzierten, nicht näher interpretierbaren Signalrauschen. Die jahrzehntelangen Diskussionen und Spekulationen darüber fasste Haslam zusammen.4


<h2>Charakterisierung des UCM</h2>
Wie charakterisiert man ein solches UCM? Dafür entwickelten wir eine Strategie aus drei Schritten, die mit der Erfassung aller TR-Komponenten durch hochaufgelöste Massenspektrometrie beginnt, durch Interpretationstechniken ein Strukturmodell erstellt und dieses durch LC-Tandemmassenspektrometrie bestätigt oder verwirft.5,6
Wenn wir davon ausgehen, dass jeder chromatographische Hügel das Ergebnis eines UCM ist, also eine solche Menge an Verbindungen enthält, die eine chromatographischeTrennung unmöglich macht, muss diejenige analytische Methode am erfolgreichsten sein, welche die höchste Auflösung bietet. Das ist die ultrahochauflösende Massenspektrometrie, die Elektrospray-Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (ESI-FT-ICR-MS). Deren Auflösungsvermögen übertrifft unsere chromatographischen und spektroskopischen Standardverfahren um das 1000-fache.
Mit dieser ultrahochauflösenden Massenspektrometrie fanden wir etwa 10 000 Signale, die etwa 5000 verschiedenen Verbindungen in der Thearubigenfraktion der Schwarztees entsprechen (Abbildung 3a).6) Da Massenspektrometrie isomere Verbindungen nicht getrennt bestimmt, muss diese Zahl noch mit der durchschnittlichen Anzahl der vorliegenden Isomere multipliziert werden, um eine Mindestanzahl der vorliegenden Komponenten zu erhalten.
Nach Bestimmung der Summenformeln aus den MS-Daten liefert das ESI-FT-ICR-Experiment eine lange, unübersichtliche Liste an Summenformeln (wir haben mit 1500 der intensivsten Signale begonnen), die zu interpretieren sind. Aus den Summenformeln lassen sich weitere molekulare Parameter direkt ableiten. Dies sind für jede einzelne Summenformel: Elementverhältnisse (z. B. H/C, O/C, N/C etc.), Doppelbindungsäquivalente (DBEs) und Massendefekte. Die grafische Darstellung dieser Parameter liefert weitere Informationen über Zusammensetzung und Chemie der Probe.5,6


<h2>Grafische Datenanalyse: Van-Krevelen- und Kendrick-Plot</h2>
Die aus den Summenformeln bestimmten Elementverhältnisse lassen sich grafisch gegeneinander auftragen, zum Beispiel das H/C-Verhältnis gegen das O/C-Verhältnis. In der dritten Dimension stellt man entweder Signalintensitäten oder ein weiteres Elementverhältnis dar. Einen solchen Van-Krevelen-Plot hat erstmals die Gruppe von Marshall in der Erdölanalyse eingesetzt (Abbildung 3c).7 Jede einzelne Summenformel entspricht einem Punkt auf diesem Plot. Jede einzelne natürlich vorkommende Verbindungsklasse ist dabei klar durch Grenzwerte der Elementverhältnisse charakterisiert, und die Verbindungsklassen (z. B. Kohlenhydrate, Terpene, Lipide etc.) lassen sich direkt zuordnen; im Falle der TR sind 90 Prozent der Verbindungen Polyphenole.6
Als zweites grafisches Hilfsmittel zur Datenanalyse haben Marshall und Mitarbeiter die Massendefektanalyse, den Kendrick-Plot, eingeführt.8 Dieser beruht darauf, dass für Serien homologer Verbindungen der Massendefekt konstant bleibt. Der Massendefekt entsteht durch die starken Kernkräfte, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten; er ist für jedes Element charakteristisch und äußert sich in der dritten bis vierten Nachkommastelle der Atommasse. Auf diesem Massendefekt beruht die Elementaranalyse durch hochaufgelöste Massenspektrometrie. Homologe Serien sind hierbei Verbindungen, bei denen zu einer bestimmten Ausgangssummenformeln sukzessive mehrmals die gleiche Kombination an Elementen hinzugefügt wird. Durch Definition entsprechender Parameter und Normierung lassen sich solche homologen Serien mit einem vorab definierten Masseninkrement (identisch mit Summenformelinkrement, z. B. CH2 oder H2O) in einem Massendefektdiagramm so darstellen, dass alle Datenpunkte zu einer einer vordefinierten homologen Serie auf einer Geraden liegen, die parallel zur x-Achse verläuft (Abbildung 3b). Alle weiteren homologen Serienmitglieder liegen auf weiteren Geraden innerhalb des Diagramms, bei denen die Steigung der Geraden dem Masseninkrement entspricht. Diese lassen sich, da a priori für schwarzen Tee unbekannt, durch einen Computeralgorithmus bestimmen, den wir Homologous Series Analysis nennen. Für die TR-Proben sind dies beispielsweise die Insertion eines Sauerstoffs, Dehydrogenierungen oder Addition von Gallatestern und Kohlenhydraten oder Methylierungen.5,6
Mit diesen grafischen Interpretationsmethoden und den Grundlagen der Teechemie entwickelten wir ein Modell für die mechanistische Entstehung der Thearubigene und Strukturvorschläge für die Einzelkomponenten der TR-Fraktion.


<h2>Oxidative Kaskade</h2>
Um die Chemie schwarzen Tees zu erklären, entwickelten wir eine Hypothese, die wir Oxidative Cascade Hypothesis genannt haben.5,6,9 Die Catechine (1) bis (4) werden hierbei auf drei Reaktionsebenen durch Oxidation chemisch modifiziert. Auf der ersten Ebene dimerisieren und oligomerisieren Catechine durch Knüpfung neuer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und zwar nach den vier Reaktionsmechanismen, die bereits bei der Bildung von Theaflavin, Theasinensin, Theacitrin oder Theanaphthochinonen (5—8) beobachtet wurden.3,6 Auf der zweiten Ebene werden diese Reaktionsprodukte zu Orthochinonen oxidiert, die als reaktive Elektrophile Wasser addieren. Formal ergibt sich hierbei eine Insertion von Sauerstoff in eine aromatische C-H-Bindung. Letztlich stehen die hieraus resultierenden Polyphenole mit ihren Chinonen in einem Oxidationsgleichgewicht.
Auf jeder Ebene ergibt sich eine Vielzahl von isomeren Verbindungen; Strukturbeispiele zeigt Abbildung 4. Der Begriff Kaskade beschreibt, dass die Reaktion unaufhaltsam, gleichsam lawinenartig fortschreitet, da jedes Reaktionsprodukt leichter als sein Vorgänger zu oxidieren ist.
Innerhalb des TR-Datensatzes war es möglich, für etwa 1300 Verbindungen eine hypothetische Strukturformel zu formulieren.


<h2>Strukturen verifizieren</h2>
Im letzten Schritt in der Charakterisierung der TR-Komponenten sind die hypothetischen Strukturen zu bestätigen; dazu nutzen wir LC-Tandemmassenspektrometrie.9 Dabeigehen wir davon aus, dass Verbindungen innerhalb einer homologen Serie, da chemisch sehr ähnlich, einem identischen Fragmentierungsmechanismus in ihren Tandemmassenspektren folgen. Diesen Fragmentierungsmechanismus können wir mit Referenzsubstanzen der ersten Mitglieder der Serie eindeutig bestimmen. Solche definierten Fragmentionen in Extracted Ion Chromatograms (EICs) der TR-Fraktion bestätigen somit grob die ausgewählten Strukturformeln (Aspekte der Regio- und Stereochemie bleiben offen). Pro Summenformel liegen im Durchschnitt etwa sechs chromatographisch getrennte Isomere vor, so dass sich als Gesamtzahl aller in der Thearubigenfraktion bisher messbaren chemischen Verbindungen 30 000 ergibt.9 Das sind zehnmal mehr als erwartet und bedeutet, dass schwarzer Tee nach Erdöl das komplexeste Material ist, das bisher analysiert wurde.


<h2>Schlussfolgerungen aus der UCM-Analyse</h2>
Die Teepflanze erzeugt, wahrscheinlich als Abwehrstrategie gegen Fraßfeinde, aus nur einer Handvoll Sekundärmetabolite durch oxidative, nicht selektive enzymatische Reaktion Zehntausende von Reaktionsprodukten. Eine erste Schlussfolgerung aus unseren Arbeiten ist daher, dass die Teepflanze ein Meister der molekularen Vielfalt ist.
Eine chemisch sinnvolle Charakterisierung eines UCM ist trotz Zehntausender untrennbarer Einzelkomponenten durchaus möglich, sie liefert eine neue, einzigartige Sicht auf bisher nicht verstandene natürliche Prozesse und wird zum Verstehen der gesundheitlichen Effekte schwarzen Tees beitragen.10
Die Charakterisierung eines UCM entspricht nicht der klaren und eindeutigen Strukturaufklärung isolierter Reinverbindungen, wie in der organischen Chemie üblich, bedingt durch Grenzen unserer Möglichkeiten, Tausende von Verbindungen zu trennen. Auch die Alternative, zehntausende Zielverbindungen zu synthetisieren, überschreitet die Möglichkeiten und Ressourcen jeder Institution. Unsere Methoden gleichen vielmehr einem impressionistischen Gemälde der chemischen Realität von UCMs, indem sie mit groben Pinselstrichen ein klar erkennbares Bild dieser chemischen Realität abbilden. Inwieweit natürliche Gemische aus zehntausenden Verbindungen eine biologische Rolle spielen und ob die Fähigkeit, diese zu charakterisieren, einen Paradigmenwechsel in Biologie und Chemie einleiten wird, bleibt abzuwarten.
Nikolai Kuhnert studierte Chemie in Würzburg und promovierte im Jahr 1995 in anorganischer Chemie und pharmazeutischer Biologie. Nach Postdoc-Aufenthalten in Cambridge (UK) und Oxford (UK) war er Lecturer und Senior Lecturer an der University of Surrey (UK). Seit 2006 ist er Professor für Analytische und Organische Chemie an der Jacobs University Bremen. Zu seinen Forschungsinteressen gehört die Chemie der Polyphenole mit Schwerpunkten auf der Entwicklung massenspektrometrischer Methoden zur Strukturaufklärung, Polyphenole aus schwarzem Tee, geröstetem Kaffee und Schokolade sowie den Auswirkungen dieser Lebensmittel auf die menschliche Gesundheit. <a href="mailto:n.kuhnert@jacobs-university.de">n.kuhnert@jacobs-university.de</a>


<h2>— — — Neuer Sprengstoffsensor</h2>
Materialwissenschaftler der TU Darmstadt und der Hochschule Rhein-Main haben einen Sensor entwickelt, der Spuren des Sprengstoffs Pentaerythritoltetranitrat (PETN) nachweist. Bisher ist PETN nur über einen Wischtest und ein Ionenmobilitätsspektrometer zu detektieren, da die Substanz einen geringen Dampfdruck hat und nur wenige Moleküle an die Umgebungsluft abgibt. PETN befand sich in Paketbomben aus dem Jemen, die im Herbst 2010 Frachtflugzeuge zum Absturz bringen sollten.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.mawi.tu-darmstadt.de" target="_blank">www.mawi.tu-darmstadt.de</a></ext-link>


<h2>Kein Endosulfan mehr im Pflanzenschutz</h2>
Das Insektizid Endosulfan steht nun nach dem Stockholmer Übereinkommen auf der Liste der persistenten organischen Schadstoffe (POPs). Demnach darf es weltweit nicht mehr im Pflanzenschutz eingesetzt werden. In der EU ist das Organochlorpestizid seit 2005 verboten, der letzte deutsche Hersteller, Bayer Cropscience, hat die Produktion der Substanz im Jahr 2007 eingestellt.
Bisher wird Endosulfan vor allem im Anbau von Tee, Kaffee, Soja und Baumwolle eingesetzt. Es reichert sich im Fettgewebe, in Leber und Nieren von Menschen und Tieren an und ist bis in die Arktis nachweisbar.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://chm.pops.int" target="_blank">chm.pops.int</a></ext-link>


<h2>Wünsche an die Akkreditierung</h2>
Vorschläge, wie die Deutsche Akkreditierungsstelle Dakks ihre Arbeit in Sinne der Laboratorien verbessern könnte, sammelt das Beratungsunternehmen Klinkner &amp; Partner.
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