Imitation of biologically relevant oxidation reactions by titanium dioxide photocatalysis: Advances in understanding the mimicking of drug metabolism and the oxidation of phosphopeptides

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3714-2
Title: Imitation of biologically relevant oxidation reactions by titanium dioxide photocatalysis: Advances in understanding the mimicking of drug metabolism and the oxidation of phosphopeptides
Author: Ruokolainen, Miina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmaceutical Chemistry and Technology
Analytical Biochemistry, Department of Pharmacy, University of Groningen
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Redox reactions play an important role in human physiology and pathophysiology. For example, oxidative stress and free radical-mediated oxidation of proteins and lipids are implicated in several diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s disease. Oxidation reactions belong also to the most important phase I metabolism pathways of drugs, which can give rise to pharmacologically active or toxic metabolites. The established methods for in vitro drug metabolism studies, e.g. methods using hepatocytes, human liver microsomes (HLMs), and recombinant enzymes, are relatively time-consuming and expensive. Thus, the potential of several nonenzymatic oxidation methods, such as those based on metalloporphyrins, electrochemistry (EC), and Fenton reaction, have been explored for metabolism studies. However, new methods need to be developed to enable rapid production of drug metabolite standards and since none of the above nonenzymatic methods allow comprehensive prediction of phase I drug metabolism. The titanium dioxide (TiO2) photocatalysis method was developed and applied to evaluate the effect of phosphorylation of tyrosine on the oxidation of (phospho)peptides with the same sequence but different phosphorylation states. The results obtained using ultra-high-performance liquid chromatography – mass spectrometry (UHPLC-MS) show that nonphosphorylated tyrosine was the amino acid most susceptible to hydroxyl radical-initiated oxidation, but oxidation of tyrosine was in most cases inhibited by its phosphorylation. The feasibility of TiO2 photocatalysis for imitation of in vitro phase I HLM metabolism of small drug molecules was studied using UHPLC-MS and compared with the electrochemically assisted Fenton reaction (EC-Fenton) and EC. TiO2 photocatalysis, EC-Fenton, and EC imitated 44%, 31%, and 11%, respectively, of the in vitro phase I HLM metabolites of four model compounds. As TiO2 photocatalysis proved most feasible for the imitation of in vitro phase I HLM metabolism, its feasibility for imitation of in vitro phase I HLM metabolism of five anabolic steroids was also examined. TiO2 photocatalysis was able to imitate over half of the hydroxylation and dehydrogenation metabolites, but its imitation of the metabolites resulting from combinations of these reactions was considerably poorer. To enable even more rapid experiments to study biologically relevant oxidation reactions, TiO2-photocatalysis was simply integrated with desorption electrospray ionization (DESI)-MS by using the same TiO2-coated glass wafer for photocatalytic reactions and DESI-MS analysis. This new method enabled high-throughput investigation of photocatalytic oxidation reactions, as demonstrated using 12 model compounds, and imitation of several drug metabolism reactions of three model compounds studied in more detail. In conclusion, TiO2 photocatalysis proved a feasible method for oxidation of compounds with different polarities. TiO2 photocatalysis cannot predict drug metabolism comprehensively, but offers a potential method for rapid, simple, and inexpensive study of oxidation reactions of biomolecules and imitation of several drug metabolism reactions. Preparative scale synthesis of oxidation products by TiO2 photocatalysis is likely an alternative application of the method, but this remains to be demonstrated.Hapetus–pelkistys-reaktiot ovat tärkeitä ihmisen elimistön toiminnassa. Proteiinien hapettuminen liittyy useisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin ja Parkinsonin tautiin, ja siksi sen mekanismeja on tärkeää tutkia. Useimmat lääkkeet muuntuvat, metaboloituvat, elimistössä ennen erittymistään. Lääkeaineiden metaboliaa tutkitaan jo varhaisessa vaiheessa uusia lääkeaineita kehitettäessä, jotta voitaisiin välttää epäsuotuisasta metaboliasta aiheutuvat haitat, kuten haitallisten aineenvaihduntatuotteiden, metaboliittien, muodostuminen. Koska tutkittavien yhdisteiden määrä on suuri, nykyistä nopeampien, helpompien ja edullisempien menetelmien kehittäminen sekä ihmis- ja eläinperäisen materiaalin käytön vähentäminen on tärkeää. Tässä työssä käytettiin titaanidioksidi (TiO2)-valokatalyysia fosfopeptidien hapettumisen tutkimiseen sekä lääkeainemetabolian jäljittelyyn. Proteiinit muodostuvat aminohapoista ja peptidit ovat proteiineja lyhyempiä aminohappoketjuja. Tyrosiini kuuluu herkimmin hapettuviin aminohappoihin ja sen palautuva fosforylaatio on tärkeä soluviestinnän mekanismi. Tässä tutkimuksessa tyrosiinin fosforylaation havaittiin estävän kyseisen aminohapon hapettumista TiO2-valokatalyysissä, jossa syntyy samoja hapettavia yhdisteitä kuin elimistössä. Lisätutkimuksia tarvitaan selvittämään, vaikuttaako fosforylaatio myös proteiinien hapettumiseen elimistössä. TiO2-valokatalyysin havaittiin jäljittelevän useampia koeputkessa ihmisen maksan mikrosomeilla tuotettuja lääkeaineiden faasin I metaboliitteja verrattuna sähkökemialliseen hapetukseen ja sähkökemiallisesti avustettuun Fenton-reaktioon, joita on aiemmin ehdotettu lääkeainemetabolian jäljittelyyn. Lisäksi TiO2-valokatalyysillä pystyttiin tuottamaan useita anabolisten steroidien tärkeitä faasin I metaboliitteja. Biologisten hapetusreaktioiden erittäin nopeaan tutkimiseen ja lääkeainemetabolian jäljittelyyn kehitettiin myös menetelmä, jossa valokatalyyttiset reaktiot suoritettiin itsepuhdistuvaa lasia muistuttavalla TiO2-päällysteisellä lasikiekolla, jolta näytteet analysoitiin suoraan massaspektrometriaa käyttäen. TiO2-valokatalyysillä ei pystytä ennustamaan lääkeainemetaboliaa riittävän tarkasti, jotta se voisi korvata nykyisiä menetelmiä, mutta se voi tarjota nopean, yksinkertaisen ja edullisen tavan tutkia erilaisten yhdisteiden hapetusreaktioita sekä tuottaa lääkeainemetaboliitteja.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3714-2
http://hdl.handle.net/10138/225025
Date: 2017-10-27
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Imitatio.pdf 1.930Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record