Transformació i metabolisme de fàrmacs al medi aquàtic mitjançant l’espectrometria de masses d'alta resolució

Abstract

En la societat actual, els fàrmacs són imprescindibles per a millorar la qualitat de vida de les persones però la seva activitat biològica inherent a la seva naturalesa genera una creixent preocupació pels possibles efectes als ecosistemes. Els fàrmacs poden arribar al medi aquàtic i produir una exposició crònica d'organismes, els quals poden resultar afectats. Molts estudis conclouen que per una avaluació més completa és necessari tenir en compte les possibles transformacions que pateixen aquests compostos al medi ambient ja que els productes resultants poden retenir l’activitat biològica del pare o tenir efectes toxicològics superiors al compost original.

En el desenvolupament d’aquests tesi s’han estudiat les principals transformacions dels fàrmacs al medi aquàtic, incloent processos biòtics i abiòtics. Aquests estudis s’han realitzat mitjançant metodologies basades en la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses d’alta resolució (LC-HRMS). Actualment, els espectròmetres de nova generació, han superat les limitacions tradicionals d’aquesta tècnica per a l’anàlisi quantitatiu, oferint linealitats i sensibilitats similars als instruments de triple quadrupol. Evidentment, les prestacions que ens ofereix aquesta tècnica per a l’elucidació estructural de compostos també la fa idònia per a aquestes finalitats. En els darrers anys s’han desenvolupat noves estratègies mitjançant instrumentació HRMS híbrida. Aquests mètodes permeten l’anàlisi dirigit de compostos coneguts, l’escombratge de compostos sospitosos a partir de bases de dades i fins i tot l’anàlisi no dirigit de compostos desconeguts. Moltes d’aquestes capacitats han estat utilitzades per a detectar i identificar els TPs dels diferents processos estudiats en aquesta tesi.

Al capítol 3 s’ha avaluat l’efecte de la llum del sol sobre els fàrmacs, considerat el principal mecanisme de transformació abiòtic. Concretament s’ha avaluat les reaccions de foto-transformació dels inhibidors de la fosfodiesterasa V mitjançant simulacions a escala laboratori. La avaluació conjunta de les rutes de degradació del sildenafil i els seus anàlegs ens ha permès determinar un patró de fragmentació comú i identificar els TPs principals pels diferents compostos. Finalment, s’han analitzat mostres ambientals per a detectar els

TPs identificats. Aquest estudi a significat la primera detecció de dos TPs del SDF i/o dels seus anàlegs al medi ambient.

Per tal d’estudiar també els processos de biodegradació causats per microorganismes, s’han determinat els principals TPs per biodegradació de sulfonamides a escala laboratori. En aquesta ocasió la identificació dels TPs es va utilitzar per a poder realitzar un estudi quantitatiu dels mecanismes de resistència bacteriana a les sulfonamides. Els resultats constaten que a altes concentracions el paper de la degradació de les sulfonamides és més important, mentre que a baixes concentracions la adaptació dels bacteris mitjançant la propagació de gens resistents als antibiòtics cobra protagonisme.

Al capítol 4 s’ha avaluat l’exposició de fàrmacs als organismes aquàtics mitjançant la identificació de metabòlits. En primer lloc s’han identificat els metabòlits de l’Ibuprofè i la carbamazepina mitjançant la injecció intraperitoneal a llenguados. La comparació de mostres control i mostres tractades i l’estudi dels patrons de fragmentació ha permès proposar les identitats dels metabòlits. Aquesta aproximació a permès identificar temptativament 13 metabòlits de l’ibuprofè i 11 de la carbamazepina. A continuació s’han identificat els metabòlits de l’ibuprofè en plantes aquàtiques (Lemna Gibba). En total s’han identificat 11 metabòlits de l’ibuprofè. Aquests estudis han permès demostrar la variabilitat en el metabolisme en diferents organismes i com això fa més complexa la seva avaluació, ja que un compost pot resultar inofensiu per a una espècie i molt tòxic per a una altre.

Finalment, s’ha estudiat el metabolisme dels fàrmacs en peixos salvatges mitjançant un mostreig al riu Llobregat. Inicialment s’ha realitzat un escombratge dirigit de més de 2000 contaminants orgànics. Això ens ha permès detectar més de 12 productes farmacèutics dels 150 que contenia la llista. Dels fàrmacs detectats s’han seleccionat 6 fàrmacs i a través d’un software de predicció de metabòlits s’ha generat una base de dades de 150 metabòlits. Amb aquesta llista s’ha realitzat un escombratge de sospitosos permeten la detecció d’un gran nombre de candidats dels que mitjançant l’estudi dels patrons de fragmentació s’ha proposat les seves estructures.

In this thesis, the main transformations of drugs in the aquatic environment have been studied, including biotic and abiotic processes. These studies have been performed using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS).The different approaches by LC-HRMS in environmental samples have been reviewed in chapter 1. In chapter 3 the phototransformation reactions of phosphodiesterase V inhibitors have been studied through laboratory-scale simulations. Through these studies, common fragmentation pattern and the major TPs were identified. Finally, this study reported the first detection of two TPs of SDF and/or its analogues in the environment. Chapter 3 also shows a study of biodegradation of sulfonamides and the identification of main TPs at laboratory scale. The results show that at high concentrations the role of sulphonamide degradation is more important, while at low concentrations the adaptation of bacteria through the propagation of antibiotic resistant genes is more relevant. In chapter 4, the exposure of different aquatic organisms and their different metabolism was evaluated. Laboratory-scale studies have been performed to determine the metabolites of ibuprofen in plant and fish. With these approaches, 13 metabolites of ibuprofen and 11 metabolites of carbamazepine have been tentatively identified in bile of treated fish and 11 metabolites of ibuprofen in aquatic plants. These studies have demonstrated the variability of different aquatic organisms for the biotransformation of IBU. Finally, target screening of more than 2000 organic pollutants was carried out in wild fish. This approach allowed us to detect 12 pharmaceuticals out of the 150 contained in this list. Then, a database of more than 150 metabolites corresponding to the transformations of six of these drugs, through metabolite prediction software, has been generated. Suspect screening approach has been carried out for the detection and identification of pharmaceutical metabolites.