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Institut für Rechtsmedizin

Forschungsprojekte des Arbeitsbereichs Forensische Toxikologie

Diese Seite soll einen Einblick in die vielseitigen Forschungsarbeiten und Projekte des Arbeitsbereichs Forensische Toxikologie geben. Die Publikationen der Mitarbeiter*innen des Instituts aus den letzten Jahren können über die Freiburger Forschungsdatenbank aufgerufen werden.


Chemisch-toxikologische Analyse des Gifts der Coloradokröte

In den letzten zehn Jahren sind vermehrt psychoaktive Tryptamin-Derivate auf dem Drogenmarkt erschienen. Diese natürlich vorkommenden oder synthetisch hergestellten Verbindungen sind daher für die forensische Toxikologie von großer Bedeutung. Eine dieser Verbindungen ist 5-Methoxy-N,N-dimethyltryptamin (5-MeO-DMT), ein Bestandteil des getrockneten Giftes von Incilius alvarius (Coloradokröte), welches zu Rauschzwecken Anwendung findet. Ziel des Projektes ist es, umfassende und validierte qualitative und quantitative Analysendaten über die psychoaktiven Bestandteile dieses Giftes zu generieren.  Proben des Giftes von Incilius alvarius wurden dafür von lebenden Kröten in der Sonora-Wüste, Arizona (USA) gesammelt und mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS), Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), hochauflösender Massenspektrometrie (LC-qTOF-HRMS) sowie ATR-Infrarotspektroskopie (ATR-IR) analysiert. Das Projekt wird in Kooperation mit Dr. Johannes Penner (Herpetologe am Museum für Naturkunde Berlin und an der Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen der Universität Freiburg) sowie mit der Firma ESA – Test GmbH durchgeführt.

Ansprechpartner: PD. Dr. rer. nat. Merja Neukamm

  • Schwelm HM, Zimmermann N, Scholl T, Penner J, Autret A, Auwärter V, Neukamm MA. Qualitative and Quantitative Analysis of Tryptamines in the Poison of Incilius alvarius (Amphibia: Bufonidae). J Anal Toxicol. 2021 Apr 14:bkab038. doi: 10.1093/jat/bkab038. Epub ahead of print. PMID: 33851996

Toxikologische Analyse von Zahnmaterial auf Medikamenten- und Drogenwirkstoffe unter besonderer Berücksichtigung der Einlagerungswege (DFG NE 1879/2-1, AL 1665/3-1)

Zähne als Untersuchungsmaterial sind in der Literatur bisher kaum beschrieben, obwohl sie - in Ergänzung zu anderen sogenannten „alternativen Matrices“ wie Haaren, Nägeln und Knochen(-mark) - von großem Nutzen insbesondere für die Erhebung postmortaler Befunde sein können. Der Vorteil der Analyse von Zahnmaterial gegenüber der Haaranalyse oder der Unersuchung anderer Matrices besteht in der möglichen länger¬fristigen Speicherung von Informationen. Ggf. kann mittels der Analyse von Zahnmaterial auch ein bereits mehrere Jahre zurückliegender, regelmäßiger Drogenkonsum nachgewiesen werden. Es finden sich lediglich Arbeiten die sich mit dem Nachweis einer Passivrauch-Belastung von Kindern durch Nachweis von Nikotin und Cotinin in Milchzähnen (Garcia-Algar 2003) und dem Nachweis von Opiaten (Cattaneo et al. 2003) und Kokain (Pellegrini 2006) in menschlichem Zahnmaterial beschäftigen. In keiner dieser Studien wurde zwischen Zahnschmelz, Zahnzement und Dentin differenziert. Es konnte daher auch nicht auf einen präferierten Einlagerungs-mechanismus geschlossen werden. Auch ein Vergleich mit Analyseergebnissen anderer Asservate der gleichen Personen (Blut, Urin, Haare, Nägel) hat bisher nicht systematisch stattgefunden. Der Transport von ausgewählten Substanzen durch den Zahnschmelz in das Dentin bei intakten bzw. kariösen extrahierten Zähnen konnte bereits nachgewiesen werden (Haustein et al. 1994). Zum Substanztransport aus der Pulpa in das Dentin wurden bisher keine Arbeiten publiziert. In Zusammenarbeit mit der Zahnklinik des Universitätsklinikums (PD. Dr. Altenburger) soll die Arbeit zahnmedizinische Fragestellungen zur Einlagerung von Wirkstoffen in das Zahnmaterial klären.

Ansprechpartner: Prof. Dr. rer. nat. Volker Auwärter, PD. Dr. rer. nat. Merja Neukamm

  • Henkel K, Klima M, Auwärter V, Altenburger MJ, Neukamm MA. Dental Plaque Concentrations of Methadone, Morphine and Their Metabolites in Opioid Replacement Therapy and in Post-Mortem Cases. J Anal Toxicol. 2021 Jun 29:bkab081. doi: 10.1093/jat/bkab081. Epub ahead of print. PMID: 34185064.
  • Drotleff B, Roth SR, Henkel K, Calderón C, Schlotterbeck J, Neukamm MA, Lämmerhofer M. Lipidomic profiling of non-mineralized dental plaque and biofilm by untargeted UHPLC-QTOF-MS/MS and SWATH acquisition. Anal Bioanal Chem. 2020 Apr;412(10):2303-2314. doi: 10.1007/s00216-019-02364-2. Epub 2020 Jan 15. PMID: 31942654; PMCID: PMC7118048.
  • Roth SR, Henkel K, Altenburger MJ, Auwärter V, Neukamm MA. Multivariate optimization of a method for the determination of fatty acids in dental biofilm by GC-MS. Bioanalysis. 2018 Aug 1;10(16):1319-1333. doi: 10.4155/bio-2018-0106. Epub 2018 Aug 24. PMID: 30141343.
  • Henkel K, Altenburger MJ, Auwärter V, Neukamm MA. Full validation of a method for the determination of drugs of abuse in non-mineralized dental biofilm using liquid chromatography-tandem mass spectrometry and application to postmortem samples. Talanta. 2018 Jan 1;176:360-366. doi: 10.1016/j.talanta.2017.08.047. Epub 2017 Aug 15. PMID: 28917762.
  • Klima M, Altenburger MJ, Kempf J, Auwärter V, Neukamm MA. Determination of medicinal and illicit drugs in post mortem dental hard tissues and comparison with analytical results for body fluids and hair samples. Forensic Sci Int. 2016 Aug;265:166-71. doi: 10.1016/j.forsciint.2016.02.021. Epub 2016 Feb 17. PMID: 26930453.
  • Krais S, Klima M, Huppertz LM, Auwärter V, Altenburger MJ, Neukamm MA. Betel Nut Chewing in Iron Age Vietnam? Detection of Areca catechu Alkaloids in Dental Enamel. J Psychoactive Drugs. 2017 Jan-Mar;49(1):11-17. doi: 10.1080/02791072.2016.1264647. Epub 2016 Dec 20. PMID: 27997280.
  • Spinner J, Klima M, Kempf J, Huppertz LM, Auwärter V, Altenburger MJ, Neukamm MA. Determination of drugs of abuse in bovine dentin using liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry. J Mass Spectrom. 2014 Dec;49(12):1306-13. doi: 10.1002/jms.3464. PMID: 25476949.

Spice and synthetic cannabinoids (JUST/2009/DPIP/AG/0948)

Das von der EU geförderte Projekt „Spice and synthetic cannabinoids“ untergliedert sich in mehrere Teilbereiche. Im Rahmen eines Produkt-Monitorings werden neu erscheinende Räuchermischungen zeitnah mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) auf evtl. enthaltene synthetische Cannabinoide untersucht. Unbekannte und nicht-identifizierbare synthetische Cannabinoide werden anhand eigens entwickelter chromatographischer Methoden zur schnellen Isolierung und Aufreinigung in ihrer Struktur mittels massenspektrometrischer Verfahren (GC-MS, HR-MS) sowie Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR) aufgeklärt. Darüber hinaus werden GC-MS- sowie LC-MS/MS-Spektrenbibliotheken von sowohl bekannten als auch neuen synthetischen Cannabinoiden erstellt und anderen forensischen und toxikologischen Institutionen zur Verfügung gestellt. Ein Schwerpunkt des Projektes besteht in der Entwicklung massenspektrometrischer Analysenverfahren zum Nachweis synthetischer Cannabinoide in den Matrizes Serum, Speichel, Haaren und Urin. Die Identifizierung und Strukturaufklärung der Hauptmetaboliten synthetischer Cannabinoide stellt hierbei die Basis für die Entwicklung eines umfangreichen Urinscreenings dar. Sämtliche Nachweismethoden dienen somit dem Nachweis synthetischer Cannabinoide im Rahmen von Drogenentzugsprogrammen, polizeilichen Straßenverkehrskontrollen, Intoxikationen und Fahreignungsüberprüfungen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. rer. nat. Volker Auwärter

  • Halter S, Haschimi B, Mogler L, Auwärter V. Impact of legislation on NPS markets in Germany - The rise and fall of 5F-ADB. Drug Test Anal. 2020 Jun;12(6):853-856. doi: 10.1002/dta.2786. Epub 2020 Mar 13. PMID: 32115831.
  • Halter S, Mogler L, Auwärter V. Quantification of Herbal Mixtures Containing Cumyl-PEGACLONE-Is Inhomogeneity Still an Issue? J Anal Toxicol. 2020 Jan 7;44(1):81-85. doi: 10.1093/jat/bkz028. PMID: 31044247.
  • Haschimi B, Mogler L, Halter S, Giorgetti A, Schwarze B, Westphal F, Fischmann S, Auwärter V. Detection of the recently emerged synthetic cannabinoid 4F-MDMB-BINACA in "legal high" products and human urine specimens. Drug Test Anal. 2019 Sep;11(9):1377-1386. doi: 10.1002/dta.2666. Epub 2019 Jul 18. PMID: 31228224.

 


Development and Evaluation of an automated MS-based screening procedure for clinical and forensic toxicology with a 3D ion trap

Liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) is an emerging screening technology in clinical and forensic toxicology. It is more specific than the widely-used immunoassays and provides more information than LC-UV detection, while covering a broader and in some ways a more complementary range of analytes when compared to GC-MS. Identification of substances is usually performed by retention time and using MS²-spectra combined with library search or acquiring high resolution mass information. This project focuses on creating an automated and robust solution for the detection and identification of common drugs, drugs of abuse and metabolites in biological specimens by using the identification power of an LC-MSn ion trap system. A fast LC-gradient for separation, the auto-MSn capability of the amaZon speed™ ion trap for detection of analytes and a fully automated script for fast and user-friendly data analysis and reporting are used to gain results in the shortest time possible.
Besides constanly adding new compounds of interest, this ongoing project focuses on the development and evaluation of sub-methods, implementation of online extraction techniques, screening of alternative matrices like vitreous humor, semi-quantitative methods and alternativ ionization techniques (ionbooster).

Ansprechpartner: Laura Huppertz, Jürgen Kempf

  • Schmidt M, Schumacher M, Schneider B, Huppertz LM, Kempf J. The missing step towards fully automated LC-MS screening of urine samples - Implementation of µSPE into the analytical workflow. Society of Forensic Toxicology (SOFT) 2019 Meeting, October 13-18, 2019, San Antonio, TX
  • Peter R. Maljers L, Meyer MR, Auwärter V, Kempf J. Automated semi-quantitative screening of drugs consumed in drug consumption rooms in Frankfurt, Germany using LC-ion trap-MS. 66th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, San Diego, California, June 3-7, 2018
  • Kempf J, Stronczek C, Huppertz LM, Auwärter V, Vogt S. Automated ion trap LC-MS screening for xenobiotics in vitreous humour. Toxichem Krimtech 2015;82 (Special Issue):168
  • Kempf J, Traber J, Auwärter V, Huppertz LM. 'Psychotropics caught in a trap' - adopting a screening approach to specific needs. Forensic Sci Int. 2014 Oct;243:84-9. doi: 10.1016/j.forsciint.2014.04.035. Epub 2014 May 6. PMID: 24867052.
  • Huppertz LM, Kneisel S, Auwärter V, Kempf J. A comprehensive library-based, automated screening procedure for 46 synthetic cannabinoids in serum employing liquid chromatography-quadrupole ion trap mass spectrometry with high-temperature electrospray ionization. J Mass Spectrom. 2014 Feb;49(2):117-27. doi: 10.1002/jms.3328. PMID: 24677304.
  • Huppertz LM, Kempf J. Evaluation of Sensitivity Enhancement Using a High-Temperature ESI-Source for Various Compounds of Forensic Interest. 51st Annual Meeting of the International Association of Forensic Toxicologists (TIAFT), 2 – 6 September, 2013, Funchal, Madeira, Portugal

Nachweis synthetischer Cannabinoide in Haaren

Um einen länger zurückliegenden Kontakt mit synthetischen Cannabinoiden (z. B. aus z.B. Räuchermischungen vom Typ „Spice“) nachweisen zu können, wird eine Methode zum umfassenden und quantitativen Nachweis der sich im Handel befindenden synthetischen Cannabinoiden im Haar entwickelt. Das Nachweisspektrum der synthetischen Cannabinoide in der entwickelten Methode wird immer aktuell gehalten und garantiert auch die Detektion von Substanzen, die als Referenzstandards noch nicht erhältlich sind, da die Ergebnisse eines parallel am Institut durchgeführten EU-Projektes zur Ermittlung von neuen, sich noch nicht im Handel befindenden synthetischen Cannabinoiden direkt einfließen (siehe EU-Projekt zu synthetischen Cannabinoiden). Nach Extraktion der Stoffe aus einer Haarprobe werden die Extrakte per Flüssigchromatographie-Tandemmassenspektrometrie hochspezifisch und quantitativ analysiert. Die Ergebnisse der Haaranalyse einer Person werden mit dem angegebenen Konsummuster verglichen und mit Ergebnissen aus Serum und Urin derselben Person in Beziehung gesetzt (siehe Projekt synthetische Cannabinoide in Urin EU-Projekt zu synthetischen Cannabinoiden). Zudem werden weitere Versuche zur Aufklärung des Einlagerungsprozesses von synthetischen Cannabinoiden ins Haar durchgeführt. Ein Ziel des Projektes ist es, die Aussagekraft der Konzentration von synthetischen Cannabinoiden im Haar in Bezug auf den Konsum bzw. Kontakt zu verbessern. Zudem soll ein wesentlicher Beitrag zum besseren Verständnis des Einlagerungsprozesses von Drogen im Allgemeinen und synthetischen Cannabinoiden ins Haar geleistet werden. Das Nachweisfenster für synthetische Cannabinoide ist somit nicht nur auf den Nachweis eines akuten Konsums mittels Serum- und Urinanalyse beschränkt, sondern erweitert sich durch die Haaranalyse auf den Nachweis eines länger zurückliegenden Kontaktes mit synthetischen Cannabinoiden. Der quantitative Nachweis von synthetischen Cannabinoiden in einer Haarprobe wird in der jeweils aktuellen Methode für externe Einsender angeboten.

Ansprechpartner: PD. Dr. rer. nat. Merja Neukamm

  • Franz F, Jechle H, Angerer V, Pegoro M, Auwärter V, Neukamm MA. Synthetic cannabinoids in hair - Pragmatic approach for method updates, compound prevalences and concentration ranges in authentic hair samples. Anal Chim Acta. 2018 May 2;1006:61-73. doi: 10.1016/j.aca.2017.12.029. Epub 2018 Jan 2. PMID: 30016265.
  • Franz, F., Angerer, V., Hermanns-Clausen, M. et al. Metabolites of synthetic cannabinoids in hair—proof of consumption or false friends for interpretation?. Anal Bioanal Chem 408, 3445–3452 (2016).
  • Hutter M, Moosmann B, Auwärter V, Neukamm MA. Hair analysis for JWH-018, JWH-122, and JWH-210 after passive in vivo exposure to synthetic cannabinoid smoke. Forensic Toxicol 33, 69–76 (2015). doi.org/10.1007/s11419-014-0251-8
  • Hutter M, Kneisel S, Auwärter V, Neukamm MA. Determination of 22 synthetic cannabinoids in human hair by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2012 Aug 15;903:95-101. doi: 10.1016/j.jchromb.2012.07.002. Epub 2012 Jul 17. PMID: 22835826.

Pharmakokinetik und Metabolismus von delta9-Tetrahydrocannabinolsäure A (ADFG AU 324/3-1)

Die Einschätzung, ob eine Person akut von Cannabis beeinflusst war, ist nach wie vor schwer zu treffen, kann aber von großer forensischer Relevanz sein. Anhand der Plasmakonzentrationen des psychoaktiven Cannabisinhaltsstoffes Δ9-Tetrahydrocannabinol (THC) und seiner Metaboliten lassen sich bisher aufgrund der komplexen und individuell sehr verschiedenen Pharmakokinetik keine sicheren und ausreichend präzisen Aussagen treffen. Δ9 Tetrahydrocannabinolsäure A (THCA) ist die nicht psychoaktive, biosynthetische Vorläufersubstanz von THC und Hauptbestandteil des Cannabinoidanteils in frischem Pflanzenmaterial. THCA wird durch Erhitzen – z. B. beim Rauchen oder Backen – nur unvollständig zu THC decarboxyliert und wurde erstmals 2006 in unserem Labor in Serum- und Urinproben von Cannabiskonsumenten nachgewiesen. Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts ist eine verbesserte zeitliche Bestimmung des letzten Konsumzeitpunktes, anhand dessen die akute Beeinflussung gut eingeschätzt werden kann. Des Weiteren lassen sich eventuell Schlüsse über die Konsumfrequenz, die Applikationsart und/oder die Beschaffenheit der konsumierten Droge ziehen. Dies umfasst u. a.:

  • die Synthese eines geeigneten deuterierten internen Standards
  • die Entwicklung eines geeigneten Extraktionsverfahrens und einer empfindlichen und validen LC-MS/MS-Methode für die Analytik in Serum, Urin und Haaren
  • die Aufklärung der Pharmakokinetik und des Metabolismus in einer Humanstudie nach oraler und intravenöser Aufnahme und unter Berücksichtigung individueller Enzymaktivitätendie Isolierung von THCA-Metaboliten für eine spätere Quantifizierung aus Urin
  • die Ermittlung der Zusammensetzung von Rauchkondensaten bei verschiedenen Rauchtechniken im Haupt- und Seitenstromrauch

Ansprechpartner: Prof. Dr. rer. nat. Volker Auwärter

  • Moosmann B, Roth N, Auwärter V. Hair analysis for THCA-A, THC and CBN after passive in vivo exposure to marijuana smoke. Drug Test Anal. 2014 Jan-Feb;6(1-2):119-25. doi: 10.1002/dta.1474. Epub 2013 Apr 15. PMID: 23589391.
  • Roth N, Moosmann B, Auwärter V. Development and validation of an LC-MS/MS method for quantification of Δ9-tetrahydrocannabinolic acid A (THCA-A), THC, CBN and CBD in hair. J Mass Spectrom. 2013 Feb;48(2):227-33. doi: 10.1002/jms.3152. PMID: 23378095.
  • Roth N, Wohlfarth A, Müller M, Auwärter V. Regioselective synthesis of isotopically labeled Δ9-tetrahydrocannabinolic acid A (THCA-A-D3) by reaction of Δ9-tetrahydrocannabinol-D3 with magnesium methyl carbonate,
  • Forensic Science International, Volume 222, Issues 1–3, 2012, Pages 368-372
  • Wohlfarth A, Roth N, Auwärter V. LC-MS/MS analysis of Δ9-tetrahydrocannabinolic acid A in serum after protein precipitation using an in-house synthesized deuterated internal standard. J Mass Spectrom. 2012 Jun;47(6):778-85. doi: 10.1002/jms.3021. PMID: 22707170.
  • Wohlfarth A, Mahler H, Auwärter V. Rapid isolation procedure for Δ9-tetrahydrocannabinolic acid A (THCA) from Cannabis sativa using two flash chromatography systems. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2011 Oct 15;879(28):3059-64. doi: 10.1016/j.jchromb.2011.09.012. Epub 2011 Sep 10. PMID: 21944900.

Tagungsbeiträge

International Conference on SPICE Prevention Issues

(2012)

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