TY  - THES
A1  - Bayer, Tanja
T1  - Toxicity and biotransformation of 1,1,1,3,3-Pentafluoropropane, 3,3,3-Trifluoropropionic acid and 1,1,1,3-Tetrachloropropane
T1  - Toxizität und Biotransformation von 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan, 3,3,3-Trifluorpropionsäure und 1,1,1,3-Tetrachlorpropan
N2  - The biotransformation of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane was investigated in rats and in in vitro systems. First, the metabolites were identified in vivo using GC/MS and 19F NMR analysis. The main metabolite was identified as trifluoroacetic acid, the minor metabolite as 3,3,3-trifluoropropionic acid and as a cleavage product, inorganic fluoride was found. As the in vitro system, liver microsomes from rat and human samples and rat liver homogenates were used. Trifluoroacetic acid and 3,3,3 trifluoropropionic acid were confirmed in vitro as metabolic intermediates, following biotransformation of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane by the cytochrome P-450-system. Studies, designed for clarifying the cardiotoxicity of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane were driven by the hypothesis that 3,3,3-trifluoropropionic acid is the toxic agent. This was based on the lethal toxicity, which was observed in previous in vivo experiments. In addition, the point of its structural similarity to toxic agents as for example monofluoroacetic acid or of possible metabolic intermediates like difluoroacrylic acid with known toxicity were considered to support this assumption. However, trifluoroacetic acid was neglected as the sought-after toxic agent because of its different toxic effects, known from literature. Investigations on the biotransformation of 3,3,3-trifluoropropionic acid were performed and resulted in no metabolic activity and in poor elimination of 3,3,3-trifluoropropionic acid in vivo. The histopathological effects on the heart, which were observed in the 90-day oral toxicity study of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane in rats, namely mononuclear inflammatory cell infiltrations and degenerated myocardial fibers, were not observed after a 28 day repeated exposure of up to 10 mg/kg b.w. of 3,3,3-trifluoropropionic acid. However, a single high dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid lead to severe toxicological effects. The difference in the observed toxic effects after a single and repeated administration may be due to adaptive mechanisms in rats. The toxicological effects included clinical signs like ataxia, coma and cramps. The conditions of the rats suggested possible inhibition of the energy supply to the organism. Furthermore, the interference of 3,3,3-trifluoropropionic acid in the functionality of the organism was investigated. Experiments were performed in vitro in rat liver and heart mitochondria to investigate effects on the mitochondrial ß-oxidation. However, the transformation of the substrate [U14C] palmitic acid in the ß oxidation pathway was not inhibited by 3,3,3-trifluoropropionic acid. In addition, no cytotoxicity of 3,3,3 trifluoropropionic acid was observed in the cell culture systems. The main effect after a single dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid was seen in clinical pathology and metabonomic analysis. The decrease in blood glucose is considered to have the most far-reaching consequences for the toxicity of 3,3,3-trifluoropropionic acid. If considering this change as the primary effect after a single dose, secondary effects, for example, the above-mentioned clinical signs could be explained. In addition, the observed high level of ketone bodies might have been responsible for life-threatening possible ketoacidosis. In general, ketoacidosis occurs after an imbalance between glycolysis, lipolysis, TCA cycle activity and respiratory function. Based on the results, ß-oxidation of fatty acids was not affected, and due to the decrease in glucose levels and the high levels of acetyl CoA, glycolysis was considered not to be impaired. Increased amounts of acetyl CoA might be a result of insufficient activity of the TCA cycle. However, the inhibition of the TCA cycle can be based on the impairment of specific enzymes and/or on the involvement of messenger substrates like insulin. Supporting the first mentioned aspect are decreased levels of TCA cycle intermediates, like α-ketoglutarate or citrate, as seen in 1H-NMR spectra of urine. However, the second aspect would explain the drop in blood glucose with the impairment of glucose transporters or the impairment of the insulin balance. If a single dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid had stimulated the insulin release, glycolysis would be activated, and high amounts of acetyl CoA would be produced. In case of impaired use by the TCA cycle, levels of ketone bodies would be increased. Experiments were designed to characterize the direct effect of 3,3,3-trifluoropropionic acid on rat insulinoma-derived INS-1 cells as possible increase in insulin release. Further investigations are necessary to answer in which step of the metabolic pathway 3,3,3-trifluoropropionic acid interferes or finally which specific enzyme is inhibited or activated by 3,3,3-trifluoropropionic acid, leading to the drop in blood glucose and finally in lethal toxicity.
N2  - Die Biotransformation von 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan wurde in Ratten und in in vitro Systemen untersucht. Die in der Ratte mit dem Urin ausgeschiedenen Metabolite wurden per GC/MS und 19F-NMR identifiziert. Als Hauptmetabolit entstand Trifluoressigsäure, als Nebenmetabolit 3,3,3-Trifluorpropionsäure und als Abspaltungsprodukt Fluorid. Als in in vitro Systeme wurden Ratten- und Humanleber-mikrosomen, sowie Rattenleberhomogenate verwendet. Auch hier wurden Trifluoressigsäure und 3,3,3-Trifluorpropionsäure als metabolische Zwischenprodukte identifiziert. Weitere in vivo Studien wurden durchgeführt um die beobachtete subchronische Kardiotoxizität von 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan zu erklären. Da vorangegangene Experimente eine hohe letale Toxizität des Metaboliten 3,3,3-Trifluorpropionsäure zeigten, wurde dieser als das toxische Agens hypothetisiert. Diese Annahme unterstützend, ist dessen strukturelle Ähnlichkeit zu Substanzen mit bekannten toxischen Profilen wie Monofluoressigsäure oder Difluoracrylsäure, ein mögliches entstehendes Intermediat. Der Hauptmetabolit Trifluoressigsäure jedoch, wurde auf Grund seiner bekannten Toxizität als initiierendes Agens der Kardiotoxizität ausgeschlossen. In vivo Untersuchungen mit 3,3,3-Trifluorpropionsäure zeigten jedoch keine weitere metabolische Aktivität und eine geringe renale Ausscheidung an 3,3,3-Trifluorpropionsäure. Nach einer einmalig hohen Dosis von 3,3,3-Trifluorpropionsäure traten markante Symptome wie Ataxie, komatöse Zustände und Krämpfe auf. Dies deutete auf eine Beeinträchtigung des Energiezustandes des Organismus hin. Die histo-pathologischen Veränderungen des Herzens, mononukleäre Infiltrate von Entzündungszellen und degenerierte Myokard-Fasern, die für 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan in einer 90-Tages Studie in Nagern beobachtet wurden, konnten jedoch nicht nach 28-tägiger Exposition mit 10 mg/kg Körpergewicht 3,3,3-Trifluorpropionsäure beobachtet werden. Die unterschiedlichen Effekte die nach einmaliger und wiederholter Gabe beobachtet wurden, lassen sich durch mögliche Adaptionsprozesse erklären, die initiale Schädigungen kompensieren. Die folgenden Experimente waren auf die funktionelle Beeinflussung des Organismus durch 3,3,3-Trifluorpropionsäure ausgerichtet. In vitro Untersuchungen in Mitochondrien von Rattenleber und –herz mit dem Umsatz des Modellsubstrates [U14C] Palmitinsäure zeigten jedoch keine Inhibierung der ß-Oxidation durch 3,3,3-Trifluorpropionsäure. Zytotoxizitätsassays wurden im Weiteren in der human-hepatonom Zell-Linie HepG2, und in der kardialen Muskelzell-Linie H9C2 mit folgenden Endpunkten durchgeführt: die Freisetzung von LDH, ein Parameter für die Membranintegrität, die MTT Reduktase Aktivität, ein Parameter für die metabolische Aktivität, und die Messung von Kristallviolett, ein Parameter für die Viabilität von Zellen. Für 3,3,3-Trifluorpropionsäure konnte jedoch keine Zytotoxizität beobachtet werden. Deutliche Effekte wurden hingegen in der klinischen Pathologie und anhand Metabonomics beobachtet. Diese bestanden vor allem in der Abnahme der Glukosekonzentration im Blut, das weitreichende Konsequenzen mit sich führt, und als primärer Effekt die sekundären Effekte wie die beobachtenden klinischen Symptome erklären könnte. Ein weiterer Schlüsselparameter war die Erhöhung von Ketonkörpern in Urin und Serum, welche für eine lebensbedrohliche mögliche Ketoazidosis verantwortlich sein kann und durch ein Ungleichgewicht im Energiehaushalt ausgelöst werden kann. Da eine Beeinträchtigung der ß Oxidation und der Glykolyse ausgeschlossen wurde, könnte das erhöhte Vorkommen von Acetyl-CoA auf eine limitierte Aktivität des Zitronensäurezyklus hindeuten. Grund hierfür kann die Inhibierung von beteiligten Enzymen sein oder auch der Einfluß von Messenger-Substraten wie Insulin. Ersteres wurde untermauert mit der Beobachtung in 1H NMR Spektren von Urin mit erhöhten Mengen an Intermediaten des Zitronensäurezyklus, wie α Ketoglutarate oder Zitrat. Letzteres würde den Abfall der Blutglukose, basierend auf Beeinflussung von Glukosetransportern oder des Insulinhaushaltes, erklären. Wenn 3,3,3-Trifluorpropionsäure die Freisetzung von Insulin stimulieren würde, würde der Abbau von Glukose aktiviert werden und erhöhte Mengen an Acetyl-CoA resultieren. Wenn gleichzeitig eine Beeinträchtigung des Zitronensäurezyklus vorliegt, kann dies zu einer Erhöhung an Ketonkörpern führen. Experimente zur Messung des Insulin- und Glukosespiegels wurden in vivo und in vitro mit der Ratteninsulinoma Zell-Linie INS-1 durchgeführt, um den Effekt von 3,3,3-Trifluorpropionsäure auf die Freisetzung von Insulin zu charakterisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen sind weitere Untersuchungen erforderlich um den Metabolismus von 3,3,3-Trifluorpropionsäure, sowie dessen mögliche Interaktion mit Enzymen oder Rezeptoren aufzuklären, und um den raschen Glukoseabfall im Blut zu erklären, der zu einer letalen Toxizität führen kann
KW  - Fluorkohlenwasserstoffe
KW  - Biotransformation
KW  - Biotransformation
KW  - Fluorkohlenwasserstoffe
KW  - Metabonomix
KW  - HFC245fa
KW  - Trifluorpropionsäure
KW  - biotransformation
KW  - hydrofluorocarbons
KW  - metabonomics
KW  - HFC245fa
KW  - trifluoropropionic acid
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dekant, Raphael H.
T1  - Species-differences in the \(in\) \(vitro\) biotransformation of trifluoroethene (HFO-1123)
T1  - Speziesunterschiede in der \(in\) \(vitro\) Biotransformation von Trifluorethen (HFO-1123)
N2  - 1,1,2-trifluoroethene (HFO-1123) is intended for use as a refrigerant. Inhalation studies on HFO-1123 in rats suggested a low potential for toxicity, with no-observed-adverse-effect levels greater then 20,000 ppm. However, single inhalation exposure of Goettingen Minipigs  and New Zealand White Rabbits resulted in mortality. It was assumed that conjugation of HFO-1123 with glutathione, via glutathione S-transferase, gives rise to S-(1,1,2-trifluoroethyl)-L-glutathione (1123-GSH), which is then transformed to the corresponding cysteine S-conjugate (S-(1,1,2-trifluoroethyl)-L-cysteine, 1123-CYS). Subsequent beta-lyase mediated cleavage of 1123-CYS may result in monofluoroacetic acid, a potent inhibitor of aconitase. Species-differences in 1123-GSH formation and 1123-CYS cleavage to MFA may explain species-differences in HFO-1123 toxicity.
This study was designed to test the hypothesis, that GSH-dependent biotransformation and subsequent beta-lyase mediated formation of monofluoroacetic acid, a potent inhibitor of aconitase in the citric acid cycle, may play a key role in HFO-1123 toxicity and to evaluate if species-differences in the extent of MFA formation may account for the species-differences in HFO-1123 toxicity. The overall objective was to determine species-differences in HFO-1123 biotransformation in susceptible vs. less susceptible species and humans as a basis for human risk assessment.
To this end, in vitro biotransformation of HFO-1123 and 1123-CYS was investigated in renal and hepatic subcellular fractions of mice, rats, humans, Goettingen Minipigs and NZW Rabbits. Furthermore, cytotoxicity and metabolism of 1123-CYS was assessed in cultured renal epithelial cells. Enzyme kinetic parameters for beta-lyase mediated cleavage of 1123-CYS in renal and hepatic cytosolic fractions were determined, and 19F-NMR was used to identify fluorine containing metabolites arising from 1123-CYS cleavage. Quantification of 1123-GSH formation in hepatic S9 fractions after incubation with HFO-1123 was performed by LC-MS/MS and hepatic metabolism of HFO-1123 was monitored by 19F-NMR.
Rates of 1123-GSH formation were increased in rat, mouse and NZW Rabbit compared to human and Goettingen hepatic S9, indicating increased GSH dependent biotransformation in rats, mouse and NZW Rabbits. NZW Rabbit hepatic S9 exhibited increased 1123-GSH formation in the presence compared to the absence of acivicin, a specific gamma-GT inhibitor. This indicates increased gamma-GT mediated cleavage of 1123-GSH in NZW Rabbit hepatic S9 compared to the other species. 19F-NMR confirmed formation of 1123-GSH as the main metabolite of GSH mediated biotransformation of HFO-1123 in hepatic S9 fractions next to F-. Increased F- formation was detected in NZW Rabbit and Goettingen Minipig hepatic S9 in the presence of an NADPH regenerating system, indicating a higher rate of CYP-450 mediated metabolism in these species. Based on these findings, it is possible that CYP-450 mediated metabolism may contribute to HFO-1123 toxicity.
In contrast to the increased formation of 1123-GSH in rat, mouse and NZW Rabbit hepatic S9 (compared to human and Goettingen Minipig), enzyme kinetic studies revealed a significantly higher beta-lyase activity towards 1123-CYS in renal cytosol of Goettingen Minipigs compared to cytosol from rats, mice, humans and NZW Rabbits. However, beta-lyase cleavage in renal NZW Rabbit cytosol was slightly increased compared to rat, mouse and human renal cytosols. 19F-NMR analysis confirmed increased time-dependent formation of MFA in renal Goettingen Minipig cytosol and NZW Rabbit (compared to human and rat cytosolic fractions). Three structurally not defined MFA-derivatives were detected exclusively in NZW Rabbit and Goettingen Minipig cytosols. Also, porcine kidney cells were more sensitive to cytotoxicity of 1123-CYS compared to rat and human kidney cells. 
Overall, increased beta-lyase mediate cleavage of 1123-CYS to MFA in Goettingen Minipig and NZW Rabbit kidney (compared to human and rat) may support the hypothesis that enzymatic cleavage by beta-lyases may account for the species-differences in HFO-1123 toxicity. However, the extent of GST mediated biotransformation in the liver as the initial step in HFO-1123 metabolism does not fully agree with this hypothesis, since 1123-GSH formation occurs at higher rates in rat, mouse and NZW Rabbit S9 as compared to the Goettingen Minipig.
Based on the inconsistencies between the extent of GST and beta-lyase mediated biotransformation of HFO-1123 obtained by this study, a decisive statement about an increased biotransformation of HFO-1123 in susceptible species with a direct linkage to the species-specific toxicity cannot be drawn. Resulting from this, a clear and reliable conclusion regarding the risk for human health originating from HFO-1123 cannot be made. However, considering the death of Goettingen Minipigs and NZW Rabbits after inhalation exposure of HFO-1123 at concentrations great than 500 ppm and greater than 1250 ppm, respectively, this indicates a health concern for humans under peak exposure conditions. For a successful registration of HFO-1123 and its use as a refrigerant, further in vitro and in vivo investigations addressing uncertainties in the species-specific toxicity of HFO-1123 are urgently needed.
N2  - 1,1,2-Trifluorethen (HFO-1123) besitzt hervorragende klimatische und thermische Eigenschaften für den Einsatz als Kühlmittel. In Inhalationsstudien an Ratten, Kaninchen und Schweinen, die im Rahmen der regulatorischen Toxizitätsprüfung durchgeführt wurden, konnten ausgeprägte Speziesunterschiede in der Toxizität von HFO-1123 nachgewiesen werden. In Ratten zeigte HFO-1123 ein geringes Potential für akute und chronische Toxizität, mit NOAELs („No-Observed-Adverse-Effect Level“) größer als 20.000 ppm. Im Gegensatz dazu führte die einmalige HFO-1123 Exposition von Goettingen Minischweinen und Weißen Neuseeländer Kaninchen zum Tod von Versuchstieren. Bereits die niedrigste verwendete Raumkonzentrationen von 65 ppm führten bei Goettingen Minischweinen zu ausgeprägter Toxizität (Kardiotoxizität, Neurotoxizität). Auf Grundlage der inhalativen Toxizität, sowie detaillierter Kenntnis der Biotransformation strukturverwandten Substanzen wurde vermutet, dass Speziesunterschiede in der Toxizität auf einer speziesspezifischen Biotransformation von HFO-1123 beruhen. Der erste Schritt in der vermuteten Bioaktivierung von HFO-1123 könnte demnach eine Glutathion S-transferase abhänge Konjugation mit Glutathion beinhalten und zur Bildung von S-(1,1,2-trifluoroethyl)-L-Glutathion (1123-GSH) führen. Das gebildete Glutathion-Konjugat könnte gamma-Glutamyltransferase, sowie Dipeptidase und Aminotransferase abhängig zu seinem korrespondierenden Cystein S-Konjugat, S-(1,1,2-trifluoroethyl)-L-Cysteine (1123-CYS) abgebaut werden. Wie andere Cystein S-Konjugate mit elektronegativen Substituenten am Schwefelatom, könnte dieses mittels Cysteinkonjugat-beta-Lyasen (beta-Lyasen) zu einem Thionoacylfluorid- Intermediat umgewandelt werden. Nach Hydrolyse entsteht voraussichtlich Monofluoressigsäure (MFA) als stabiler Metabolit. MFA greift in den Zitronensäurezyklus ein, indem das Enzym Aconitase irreversible gehemmt wird. Die Hemmung der Aconitase führt zu einem Abbruch des Zitronensäurezyklus und somit zu einem erheblichen Eingriff in die Energiegewinnung des Organismus. Speziesunterschiede in der Bildung von 1123-GSH sowie der Spaltung von 1123-CYS zu MFA könnten die speziespezifische Toxizität von HFO-1123 erklären.
Ziel dieser Arbeit war es die im vorherigen Absatz aufgestellte Arbeitshypothese, einer Glutathion-abhängigen Biotransformation von HFO-1123, gefolgt von einer beta-Lyase vermittelten Bildung von MFA zu überprüfen um deren Beitrag in der speziesspezifischen Toxizität von HFO-1123 einzuschätzen. Unterschiede im Ausmaß der Bildung von MFA könnten ursächlich für die Speziesunterschiede in der Toxizität von HFO-1123 sein. Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen als Grundlage für die Risikobewertung von HFO-1123 im Menschen dienen.
Im Rahmen dieser Arbeit, wurde die in vitro Biotransformation von HFO-1123 und 1123-CYS in subzellulären Fraktionen von Leber und Niere der Spezies Ratte, Maus, Goettingen Minischwein, Kaninchen und Mensch untersucht. Zusätzlich wurde die Zytotoxizität und der Metabolismus von 1123-CYS in Nierenepithelzellen überprüft. Die Bildung von 1123-GSH wurde mittel LC-MS/MS in hepatischen S9 Fraktionen quantitativ bestimmt und die Entstehung weiterer Metabolite mittels 19F-NMR analysiert. Weiterhin wurde die Enzymkinetik der beta-Lyase vermittelten Spaltung von 1123-CYS in cytosolischen Leberfraktionen bestimmt und fluorhaltige Metabolite dieser Spaltung mittels 19F-NMR aufgezeichnet.
In Leber S9 Fraktionen von Ratten, Mäusen und WN Kaninchen wurde eine gesteigerte Bildung von 1123-GSH im Vergleich zu S9 Fraktionen von Goettingen Minischweinen und Menschen beobachtet. Dies deutet auf eine gesteigerte Glutathion-abhängige Biotransformation in Ratten, Mäusen und WN Kaninchen hin. Zusätzlich zeigten Leber S9 Fraktionen von WN Kaninchen eine erhöhte Bildung von 1123-GSH in Anwesenheit von Acivicin, einem spezifischen gamma-GT Inhibitor. Dies deutet auf eine gesteigerte gamma-GT abhängige Spaltung von 1123-GSH in hepatischen S9 Fraktionen von WN Kaninchen hin. Zusätzlich bestätigten 19F-NMR Untersuchungen - neben anorganischem Fluorid (F-) - 1123-GSH als Hauptmetaboliten der Glutathion-abhängigen Biotransformation von HFO-1123. Die erhöhte Bildung von F- in Leber S9 Fraktionen von Goettingen Minischweinen und WN Kaninchen in Anwesenheit eines NADPH regenerierenden Systems, deutet weiterhin auf eine gesteigerte CYP-450 vermittelte Biotransformation in diesen Spezies hin. Jedoch ist der Beitrag der CYP-450 vermittelten Biotransformation von HFO-1123 zur speziesspezifischen Toxizität nicht geklärt.
Im Gegensatz zur gesteigerten Bildung von 1123-GSH in Leber S9 Fraktionen von Ratten, Mäusen und Kaninchen (verglichen mit Leber S9 Fraktionen von Goettingen Minischweinen und Menschen), wurde in enzymkinetischen Untersuchungen eine erhöhte beta-Lyase Aktivität gegenüber 1123-CYS in Nierenzytosol von Goettingen Minischweinen im Vergleich zu zytosolischen Fraktionen von Ratten, Mäusen, Menschen und WN Kaninchen beobachtet. Trotz der niedrigeren beta-Lyase Aktivität in WN Kaninchen (verglichen mit Goettingen Minischwein), zeigte diese zytosolische Fraktion eine leicht erhöhte Aktivität im Vergleich zu Nierenzytosol von Ratten, Mäusen und Menschen. Im Einklang damit wurde eine erhöhte Bildung von MFA in Nierenzytosol von Goettingen Minischweinen und WN Kaninchen (im Vergleich zu zytosolischen Fraktionen von Menschen und Ratten) mittels 19F-NMR beobachtet. Interessanterweise wurde ausschließlich im Zytosol von Goettingen Minischweinen und WN Kaninchen die Bildung von drei strukturell nicht charakterisierten MFA-Derivaten nachgewiesen. Unterstützt wird die erhöhte beta-Lyase Aktivität in Nierenzytosol von Goettingen Minischweinen durch eine erhöhte Zytotoxizität von 1123-CYS in Nierenepithelzellen von Schweinen (Verglichen mit humanen und Ratten Nierenzellen).
Grundsätzlich bestätigt die erhöhte beta-Lyase abhängige Spaltung von 1123-CYS zu MFA in Goettingen Minischweinen und WN Kaninchen die Annahme, dass eine beta-Lyase vermittelte Spaltung von 1123-CYS einen wichtigen Beitrag zur Toxizität von HFO-1123 leistet. Jedoch steht dem eine verminderte GST vermittelte Bildung von 1123-GSH in Goettingen Minischwein Leber S9 Fraktionen im Vergleich zu Ratten, Maus und WN Kaninchen entgegen.
Auf Basis der bisher erhobenen Daten ist der Beitrag der Glutathion-abhängigen und beta-Lyase vermittelten Biotransformation zur Toxizität von HFO-1123 nicht abschließend geklärt und lässt eine eindeutige Aussage über eine vermehrte Biotransformation von HFO-1123 zu toxischen Metaboliten in empfindlichen Spezies im Zusammenhang mit der speziesspezifischen Toxizität nicht zu. Diese Unsicherheiten lassen keine Rückschlüsse über das Ausmaß der Biotransformation und Toxizität im Menschen zu. Für die Registrierung von HFO-1123 und seiner zukünftigen Verwendung als Kühlmittel sind weiter in vitro und in vivo Untersuchungen nötig, um die Sicherheit bei der Verwendung von HFO-1123 für die menschliche Gesundheit zu gewährleisten.
KW  - Biotransformation
KW  - Risikoanalyse
KW  - 19F-NMR
KW  - LC-MS/MS
KW  - Mercapturic acid pathway
KW  - Trifluoroethene
KW  - HFO-1123
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-314035
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Tobias
T1  - Biotransformation of trans‐1‐chloro‐3,3,3‐trifluoropropene and 2,3,3,3‐tetrafluoropropene
T1  - Biotransformation von trans‐1‐Chlor‐3,3,3‐trifluorpropen und 2,3,3,3‐Tetrafluorpropen
N2  - The novel refrigerant 2,3,3,3‐tetrafluoropropene (HFO‐1234yf) as well as the novel foam blowing and precision cleaning agent trans‐1‐chloro‐3,3,3‐trifluoropropene (trans‐HCFO‐1233zd) are both chlorofluorocarbon replacements with low GWPs and a short atmospheric life time. Whereas the hydrofluoroolefin HFO‐1234yf has no negative effect on stratospheric ozone due to the lack of chlorine in its structure, the hydrochlorofluoroolefine trans‐HCFO‐1233zd exhibits a very low potential for ozone depletion (ODP). This is approximately 100 times lower than the ozone depletion potential of precursor compounds such as 1,1,2‐trichloro‐1,2,2‐trifluoroethane (CFC‐113). Principle aims of this thesis were to investigate the unknown metabolism of the new solvent trans‐HCFO‐1233zd and to further investigate a possible biotransformation based toxicity of HFO‐1234yf observed in rabbits. Therefore study specimens of different in vitro and in vivo studies with trans‐HCFO‐1233zd and HFO‐1234yf were analyzed for metabolites using 19FNMR spectroscopy, LC‐MS/MS spectrometry and GC/MS spectrometry. Metabolites were identified by comparison with purchased or synthesized standard substances. Excretion kinetics of the predominant metabolites were determined by LC‐MS/MS quantification,inorganic fluoride was determined by potentiometry. Moreover cytochrome P‐450 2E1 and 3A4 liver enzyme activities were measured in a multi‐exposure study with HFO‐1234yf. ...
N2  - Das neue Kühlmittel 2,3,3,3‐Tetrafluoropropen (HFO‐1234yf) und das neue Treib‐ und Reinigungsmittel trans‐1‐Chlor‐3,3,3‐trifluorpropen (trans‐HCFO‐1233zd) sind Chlorfluorkohlenstoff‐Ersatzstoffe mit sehr geringem Treibhauspotenzial und kurzer atmosphärischer Lebensdauer. Während HFO‐1234yf keinerlei negative Auswirkungen auf den Abbau der Ozonschicht hat, schädigt trans‐HCFO‐1233zd diese aufgrund eines Chloratoms in seiner Struktur. Durch die erhöhte Abbaurate von trans‐HCFO‐1233zd in niedrigeren Luftschichten, wird im Vergleich zu seinen Vorgängersubstanzen (z.B. 1,1,2‐Trichlor‐1,2,2‐trifluorethan, CFC‐113) jedoch ein weitaus geringerer Ozonabbau in der Stratosphäre gewährleistet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Metabolismus von HFO‐1234yf und trans‐HCFO‐1233zd in In‐vitro‐ und In‐vivo‐Versuchen charakterisiert. Hierfür wurde das gewonnene Probenmaterial mittels 19F‐NMR‐Spektroskopie, LC‐MS/MS‐Spektrometrie und GC/MSSpektrometrie auf Fluor‐Metabolite untersucht und diese durch Vergleichsmessungen mit Standardsubstanzen identifiziert. Die Quantifizierung der Hauptmetabolite und des anorganischen Fluorids in Urin und Plasma erfolgte mittels LC‐MS/MS‐Analyse bzw. mittels Potentiometrie. In einer Mehrfachexpositionsstudie mit HFO‐1234yf wurde zudem die Aktivität der Cytochrom‐P450‐Enzyme 3A4 und 2E1 in gewonnenem Leber‐ und Herzgewebe ermittelt. ...
KW  - Propenderivate
KW  - Chlorfluorkohlenstoffe
KW  - Ersatzstoff
KW  - FCKW-Ersatzstoffe
KW  - Biotransformation
KW  - In vitro
KW  - In vivo
KW  - Biotransformation
KW  - CFC replacements
KW  - halo olefines
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78579
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Paul Xaver
T1  - Biotransformation of trans-1,1,1,3-tetrafluoropropene, 2,3,3,3-tetrafluoropropene and 1,2,3,3,3-pentafluoropropene
T1  - Biotransformation von trans-1,1,1,3-Tetrafluorpropen, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen und 1,2,3,3,3-Pentafluorpropen
N2  - trans-1,1,1,3-Tetrafluoropropene (HFO-1234ze) and 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) are non-ozone-depleting fluorocarbon replacements with low global warming potentials and short atmospheric lifetimes. They are developed as foam blowing agent and refrigerant, respectively. Investigations on biotransformation in different test species and in vitro systems are required to assess possible health risks of human exposure and needed for commercial development. The biotransformation of HFO-1234ze and HFO-1234yf was therefore investigated after inhalation exposure. Male Sprague-Dawley rats were exposed to air containing 2 000; 10,000; or 50,000 ppm (n=5/concentration) HFO-1234ze or HFO-1234yf. Male B6C3F1 mice were only exposed to 50,000 ppm HFO-1234ze or HFO-1234yf. Due to lethality observed in a developmental study with rabbits after exposure to high concentrations of HFO-1234yf, the metabolic fate of the compound was tested by whole body inhalation exposure of female New Zealand White rabbits to air containing 2 000; 10,000; or 50,000 ppm (n=3/concentration) HFO-1234yf. All inhalation exposures were conducted for 6 h in a dynamic exposure chamber. After the end of the exposures, animals were individually housed in metabolic cages and urines were collected at 6 or 12 h intervals for 48 h (rats and mice) or 60 h (rabbits). For metabolite identification, urine samples were analyzed by 1H-coupled and 1H-decoupled 19F-NMR and by LC/MS-MS or GC/MS. Metabolites were identified by 19F-NMR chemical shifts, signal multiplicity, 1H-19F coupling constants and by comparison with synthetic reference compounds. Biotransformation of HFO-1234ze in rats exposed to 50,000 ppm yielded S-(3,3,3-trifluoro-trans-propenyl)mercaptolactic acid as the predominant metabolite which accounted for 66% of all integrated 19F-NMR signals in urines. No 19F-NMR signals were found in spectra of rat urine samples collected after inhalation exposure to 2 000 or 10,000 ppm HFO-1234ze likely due to insufficient sensitivity. S-(3,3,3-Trifluoro-trans-propenyl)-L-cysteine, N-acetyl-S-(3,3,3-trifluoro-trans-propenyl)-L-cysteine, 3,3,3-trifluoropropionic acid and 3,3,3-trifluorolactic acid were also present as metabolites in urine samples of rats and mice at the 50,000 ppm level. A presumed amino acid conjugate of 3,3,3-trifluoropropionic acid was the major metabolite of HFO-1234ze in urine samples of mice exposed to 50,000 ppm and related to 18% of total integrated 19F-NMR signals. Quantitation of three metabolites in urines of rats and mice was performed, using LC/MS-MS or GC/MS. The quantified amounts of the metabolites excreted with urine in both mice and rats, suggest only a low extent (<<1% of dose received) of biotransformation of HFO-1234ze and 95% of all metabolites were excreted within 18 h after the end of the exposures (t1/2 approx. 6 h). Due to its low boiling point of &#8722;22 °C, most of the inhaled HFO-1234ze is expected to be readily exhaled. Moreover, steric and electronic factors may decrease the reactivity of the parent compound with soft nucleophiles such as glutathione. The obtained results suggest that HFO-1234ze is subjected to an addition-elimination reaction with glutathione and to a cytochrome P450-mediated epoxidation at low rates. The extent of a direct addition reaction of HFO-1234ze with glutathione is negligible, compared to that of the observed addition-elimination reaction. The results of in vivo testing of HFO-1234ze could not be supported by in vitro investigations, since HFO-1234ze was not metabolized in incubations with either liver microsomes or subcellular fractions from rat and human. Regarding the structures delineated in the biotransformation scheme of HFO-1234ze, 1,1,1,3-tetrafluoroepoxypropane and 3,3,3-trifluoropropionic acid are toxic intermediates which, however, are not supposed to display toxicity in the species after exposure to HFO-1234ze, due to the low extent of formation and an efficient detoxification of the epoxide by hydrolysis and glutathione conjugation. The findings of biotransformation of HFO-1234ze in rats and mice correlate with the absence of adverse effects in the toxicity testings and indicate their innocuousness to a human exposure. Biotransformation of HFO-1234yf yielded N-acetyl-S-(3,3,3-trifluoro-2-hydroxypropanyl)-L-cysteine as predominat metabolite which accounted for approx. 44, 90 and 32% (50,000 ppm) of total 19F-NMR signal intensities in urine samples from rabbits, rats and mice, respectively. S-(3,3,3-Trifluoro-2-hydroxypropanyl)mercaptolactic acid and the sulfoxides of mercapturic acid and mercaptolactic acid S-conjugate were identified as minor metabolites of HFO-1234yf in urine samples from rabbits, rats and mice, whereas trifluoroacetic acid, 3,3,3-trifluorolactic acid and 3,3,3-trifluoro-1-hydroxyacetone were present as minor metabolites only in urine samples from rats and mice. The absence of these metabolites in rabbit urine samples...
N2  - trans-1,1,1,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234ze) und 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234yf) sind FKW-Ersatzstoffe, die eine kurze atmosphärische Lebensdauer besitzen und weder die Ozonschicht beeinträchtigen noch wesentlich zur globalen Erwärmung beitragen. Sie werden derzeit als Treibmittel für Schäume beziehungsweise als Kühlmittel entwickelt. Untersuchungen der Biotransformation in verschiedenen Tierspezies und in in vitro Systemen tragen zur Risikobewertung einer Humanexposition bei und werden für die kommerzielle Entwicklung benötigt. In dieser Arbeit wurde die Biotransformation von HFO-1234ze und HFO-1234yf nach inhalativer Exposition untersucht. Männliche Sprague-Dawley Ratten wurden Luftkonzentrationen von 2.000, 10.000 und 50.000 ppm (n=5/Konzentration) ausgesetzt. Männliche B6C3F1 Mäuse wurden dagegen nur einer Konzentration von 50.000 ppm ausgesetzt. Aufgrund von Todesfällen in einer Entwicklungstoxizitätsstudie mit Kaninchen wurde in dieser Arbeit auch die Biotransformation von HFO-1234yf in weiblichen Kaninchen mit Konzentrationen von 2.000, 10.000 und 50.000 ppm untersucht. Alle Inhalationen dauerten 6 Stunden und fanden in einem dynamisch durchströmten Expositionssystem statt. Nach Ende der Inhalationen wurden die Versuchstiere individuell in Stoffwechselkäfigen untergebracht und ihre Urine in 6 bzw. 12 h Intervallen gesammelt (insgesamt 48 h bei Ratten und Mäusen bzw. 60 h bei Kaninchen). Zur Identifizierung der Metabolite von HFO-1234ze und HFO-1234yf in den Urinen wurden 1H-ge- und entkoppelte 19F-NMR-Spektren aufgezeichnet und massenspektrometrische Untersuchungen mittels LC/MS-MS oder GC/MS durchgeführt. Die Metaboliten wurden anhand ihrer 19F-NMR-Charakteristika (Chemische Verschiebung, Signalmultiplizität und 1H-19F Kopplungskonstante) und durch Vergleich mit ihren synthetischen Referenzverbindungen identifiziert. In Ratten, die einer Konzentration von 50.000 ppm HFO-1234ze ausgesetzt worden waren, konnte S-(3,3,3-Trifluor-trans-propenyl)merkaptolaktat als Hauptmetabolit nachgewiesen werden. Er machte 66% aller integrierten 19F-NMR-Signale aus. In 19F-NMR-Spektren von Rattenurinen der 2.000 und 10.000 ppm Expositionen konnten dagegen keine Signale detektiert werden, wahrscheinlich wegen unzureichender Empfindlichkeit der 19F-NMR-Messungen. Als Nebenprodukte von HFO-1234ze in Ratten- und Mäuseurinen wurden S-(3,3,3-Trifluor-trans-propenyl)-L-cystein, N-Acetyl-S-(3,3,3-trifluor-trans-propenyl)-L-cystein, 3,3,3-Trifluorpropion-säure und 3,3,3-Trifluorlaktat nachgewiesen. In Mäuseurinen war der Hauptmetabolit von HFO-1234ze ein vermutetes Aminosäurekonjugat von 3,3,3-Trifluorpropion-säure, auf das 18% aller integrierten 19F-NMR Signalintensitäten entfielen. In den Urinen von Ratten und Mäusen wurden 3 Metabolite mittels LC/MS-MS oder GC/MS quantifiziert. Die ermittelten Mengen weisen auf eine sehr niedrige Biotransformationsrate von HFO-1234ze hin (<<1% der verabreichten Dosis). 95% aller Metabolite wurden innerhalb von 18 h nach Ende der Inhalationen ausgeschieden (t1/2 ca. 6 h). Aufgrund des niedrigen Siedepunkts von &#8722;22°C wird ein Großteil des aufgenommen Gases möglicherweise rasch wieder exhaliert, und sterische sowie elektronische Faktoren könnten die Reaktivität der Ausgangsverbindung mit schwachen Nukleophilen wie Glutathion senken. Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass HFO-1234ze in geringem Ausmaß durch Additions-Eliminations Reaktion mit Glutathion und einer CYP450-vermittelten Epoxidierung biotransformiert wird. Das Ausmaß einer direkten Additions Reaktion von HFO-1234ze mit Glutathion ist verglichen mit der vorherrschenden Additions-Eliminations Reaktion vernachlässigbar. Da kein Umsatz von HFO-1234ze in Inkubationen mit Rettenlebermikrosomen oder subzellulären Fraktionen von Human- und Rattenleber stattfand, konnten die in vivo Ergebnisse dieser Arbeit nicht mit in vitro Untersuchungen verglichen werden. Im Biotransformationsschema von HFO-1234ze sind 1,1,1,3-Tetrafluorepoxypropan und 3,3,3-Trifluorpropionsäure toxische Intermediate, die jedoch aufgrund der geringen gebildeten Mengen und einer effektiven Entgiftung des Epoxids durch Glutathionkonjugation keine toxischen Effekte in den verwendeten Tierspezies auslösten. Die Ergebnisse der Untersuchung der Biotransformation von HFO-1234ze in Ratten und Mäusen korrelieren mit der Abwesenheit nachteiliger Effekte in den Toxizitätsstudien und lassen eine Humanexposition gegenüber HFO-1234ze als unbedenklich erscheinen. Bei der Biotransformation von HFO-1234yf entstand N-Acetyl-S-(3,3,3-trifluor-2-hydroxypropanyl)-L-cystein...
KW  - Biotransformation
KW  - fluorocarbons
KW  - trans-1
KW  - 1
KW  - 1
KW  - 3
KW  - tetrafluoropropene
KW  - 2
KW  - 3
KW  - 3
KW  - 3-tetrafluoropropene
KW  - 1
KW  - 2
KW  - 3
KW  - 3
KW  - 3-pentafluoropropene
KW  - metabolites
KW  - Merkaptursäure
KW  - Merkaptolaktat
KW  - Glutathion S-Konjugat
KW  - Toxizität
KW  - Inhalation
KW  - mercapturic acid
KW  - mercaptolactic acid
KW  - glutathion S-conjugate
KW  - toxicity
KW  - inhalation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-43716
ER  -