Screening of Endocrine Disrupting Compounds in Biological Samples and Evaluation of their Accumulation Patterns. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Thesis_by_Muhammad_Sajid.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تشكل مركبات اضطراب الغدد الصماء مخاطر صحية خطيرة على حياة الإنسان والحياة البرية نظراً لسميتها، طول نصف عمر تفككها وكذلك تراكمها البيولوجي. هذه المركبات تؤدي لمجموعة متنوعة من الاضطرابات المسببة وغير المسببة للسرطان في الإنسان وهي ذات أثر حتى بتراكيز منخفضة للغاية. هناك حاجة لأساليب تحليلية قليلة التكلفة وذات كفاءة عالية لاستخلاص وتحديد مثل هذه التراكيز المنخفضة من المركبات في العينات البيئية والبيولوجية. في هذا البحث، تم تطوير طرق تحليل مختلفة لاستخلاص وتحديد الأنواع المختلفة من هذه المركبات في العينات البيولوجية. وقد تم تطوير طرق للتحليل باستخدام أربعة أنواع من هذه المركبات هي البارابينات، استرات الفثالات، مبيدات الكلور العضوية ومركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتم عمل مسح لها في عينات بيولوجية. تم تطوير طريقة تحليلية بسيطة وفعالة لتقدير البارابينات في الأنسجة السرطانية، تضمنت هذه الطريقة الاستخلاص بالمذيب بمساعدة الميكروويف متزامناً مع الاستخلاص الدقيق باستخدام مادة صلبة، متبوعين بالتحليل باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الاداء مع كاشف الأشعة فوق البنفسجية. وتضمنت البارابينات تحت الدراسة كل من باربين الميثيل، الإيثيل، البروبيل والبوتيل. تم إجراء عملية تحسين للمتغيرات التجريبية، وتراوح الانحراف المعياري النسبي المئوي ما بين 0.09 – 2.81 % بينما وصلت قيمة مربع معامل الإرتباط إلى 0.9962 في مدى من التراكيز تراوح بين 0.5 – 200 نانوغرام لكل جم، وتراوحت الحدود الأدنى الكشف بين 0.005 – 0.0244 نانوغرام لكل جم. تم إجراء اختبار مبدئىي للطريقة على عينات من الجمبري لإثبات قابليتها للتطبيق على المصفوفات البيولوجية المعقدة. أظهرت الدراسات الأولية على أنسجة سرطانية للمبيض في الإنسان وجود هذه البارابينات، كما أظهرت التحاليل وجود مستويات أعلى من البارابينات في عينات الأنسجة الخبيثة مقارنة بعينات الأنسجة السرطانية الحميدة. للمرة الأولى تم استخدام مسحوق بذور البان الزيتوني كمادة مازة طبيعية قليلة التكلفة وفعالة في الاستخلاص الدقيق بالمادة الصلبة، حيث إنها تحتوي على مجموعات وظيفية مختلفة وشبكة من الألياف المترابطة. تعتبر هذه الطريقة في الاستخلاص طريقة متكاملة، حيث تشتمل على إزالة البروتينات والمواد الدهنية، واستخراج و تركيز التحاليل المستهدفة في خطوة واحدة. وقد تم اختيار ثلاثة عشرة من المركبات المستهدفة من استرات الفثالات لتطوير وتقييم الطريقة. تمت دراسة بعض المعايير الأساسية التي تؤثر على كفاءة الاستخلاص مثل نوع الغشاء، كمية المادة الماصة زمن الاستخلاص. كما تمت دراسة نوع وحجم مذيب الإنحلال والزمن اللازم لذلك، وتأثير إضافة الملح. تحت الظروف الأمثل تم الحصول على مجال خطي جيد جدا لجميع المواد المحللة تحت الدراسة بمعاملات ارتباط تراوحت ما بين 0.9768 و 0.9977، وتراوحت الحدود الأدنى الكشف بين 0.01 – 1.2 ميكروغرام لكل لتر. أظهرت الطريقة المقترحة نتائج تكرار مرضية مع انحرافات معيارية نسبية مئوية تراوحت بين 3.6 – 10.2 % (عدد مرات التكرار = 7). أخيراً، تم تطبيق هذه الطريقة لتقدير استرات الفثالات في مجموعة من عينات الحليب المعبأة. تم إدخال تعديل جديد في الغشاء للاستخلاص الدقيق بواسطة مادة صلبة للكشف عن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في عينات مصل الدم. في هذا التركيب الجديد تم وضع قضيب تحريك مع المادة الماصة داخل غشاء البولي بروبلين وتم قفله بالحرارة لمنع محتوياته من التسرب للخارج. هذا الترتيب يمنع المادة المازة من الالتصاق بجدار الغشاء كما يمنعها من الطفو فوق سطح المحلول مما يزيد من مساحة سطح المادة المازة. بعد استخلاص مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من عينات مصل الإنسان، تم تحليلها بواسطة كروماتوغرافيا الغاز المقترنة بمطياف الكتلة. تم تحسين العوامل التي تؤثر على كفاءة الاستخلاص، وتحت الظروف الأمثل تم الحصول على مجال خطي جيد جدا في مدى من التراكيز تراوح بين 0.1 – 100 نانوغرام لكل مل بمعاملات ارتباط تراوحت ما بين 0.9868 و 0.9992، بينما تراوحت الحدود الأدنى الكشف بين 0.003 – 0.047 نانوغرا لكل مل. أظهرت الطريقة المقترحة نتائج تكرار مقبولة مع انحرافات معيارية نسبية مئوية تراوحت بين 3.2 – 9.1 % في أيام مختلفة و 3.1 – 7.2 % خلال اليوم الواحد. في عمل آخر، تم دمج أكسيد الزنك ذو الحجم النانوي في رغوة الكربون بغرض تكوين مادة مازة لاستخلاص مبيدات الكلور العضوية من عينات الحليب. تم تحضير المادة المازة بتفاعل بسيط وفي خطوة واحدة بين السكروز و نترات الزنك. وتم تشخيصها بواسطة المسح الإلكتروني المجهري وحيود الأشعة السينية. تمت تعبئة هذه المادة المازة داخل غشاء البولي بروبلين المسامي والذي تم الصاق جوانبه بالحرارة لعمل أداة للاستخلاص الدقيق بواسطة مادة صلبة. تم تحسين العوامل التي تؤثر على كفاءة الاستخلاص، وتحت الظروف الأمثل تم الحصول على مجال خطي جيد جدا وصلت إلى 0.9998، وتراوحت الحدود الأدنى الكشف بين 0.19 – 1.64 نانوغرا لكل مل. أظهرت الطريقة نتائج تكرار مقبولة مع انحرافات معيارية نسبية مئوية تراوحت بين 2.3 – 10.1 % في أيام مختلفة وخلال اليوم الواحد. في الجزء الأخير من هذا البحث تم فحص مركبات الكلور العضوية ومركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في عينات حقيقية لأنسجة سرطانية وعينات بلازما بشرية وتمت دراسة أنماط التراكم وذلك لفرز هذه المركبات التي أوضح الكشف عنها عن وجودها في معظم الأحيان.

English Abstract

Endocrine disrupting compounds (EDCs) pose serious health risks to human and wild life due to their toxicity, very long half-lives and bioaccumulation. EDCs induce a variety of carcinogenic and non-carcinogenic disorders in human and they become functional at extremely low concentrations. Efficient and cost-effective analytical methods are always demanded in order to extract and determine such low concentrations of EDCs in environmental and biological samples. In this research work, different analytical methods were developed for extraction and determination of different classes of EDCs in biological samples. Analytical methods were developed by using four famous classes of EDCs i.e. parabens, phthalate esters (PEs), organochlorine pesticides (OCPs) and polychlorinated biphenyls (PCBs). EDCs were also screened in biological samples. A simple and efficient analytical method was developed for quantification of parabens in cancer tissues. This method involved the simultaneous use of microwave-assisted solvent extraction (MASE) and micro-solid phase extraction (μ-SPE), in tandem with high performance liquid chromatography (HPLC/UV). The parabens studied included methyl, ethyl, propyl and butyl parabens. Optimization of the experimental parameters for MASE and μ-SPE was performed. RSDs ranged from 0.09 – 2.81%. Coefficients of determination (R2) up to 0.9962 were obtained across a concentration range of 5.0- 200 ng g-1. The method detection limits for parabens ranged from 0.005 - 0.0244 ng g-1. The procedure was initially tested on prawn samples to demonstrate its feasibility on a complex biological matrix. Preliminary studies on human ovarian cancer tissues showed presence of parabens. Higher levels of parabens were detected in malignant ovarian tumor tissues compared to benign tumor tissue samples. For the first time, an efficient and cost effective natural material (seed powder of Moringa oleifera) was employed as sorbent in µ-SPE. The sorbent was found to be naturally enriched with variety of functional groups and having a network of interconnected fibers. This method of extraction integrated different steps such as removal of proteins and fatty stuff, extraction and pre-concentration of target analytes into a single step. Thirteen phthalate esters were selected as target compounds for the development and evaluation of method. Some key parameters affecting the extraction efficiency were optimized, including selection of membrane, selection and amount of sorbent, extraction time, desorption solvent, volume of desorption solvent, desorption time and effect of salt addition. Under the optimum conditions, very good linearity was achieved for all the analytes with coefficient of determinations (R2) ranging between 0.9768 and 0.9977. The limits of detection ranged from 0.01 to 1.2 µg L-1. Proposed method showed satisfactory reproducibility with relative standard deviations ranging from 3.6% to 10.2% (n=7). Finally, the developed method was applied to tetra pack and bottled milk samples for the determination of phthalate esters. A novel modification in membrane protected micro-solid phase extraction was introduced for screening of PCBs in serum samples. This new configuration of micro-solid phase extraction was termed as stir-bar supported micro-solid-phase extraction (SB-µ-SPE). A tiny stir-bar was packed inside the porous polypropylene membrane along with sorbent material and the edges of membrane sheet were heat sealed to secure the contents. The packing of stir-bar inside the µ-SPE device, does not allow the device to stick with the wall or any corner or float over the surface of the sample solution. This mode also enhances effective surface area of the sorbent exposed to sample solution. Polychlorinated biphenyls (PCBs) were selected as model compounds and the method performance was evaluated in human serum samples. After extraction, samples were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). The factors that affect extraction efficiency of SB-µ-SPE were optimized. Under optimum conditions, a good linearity (0.1 – 100 ng mL-1) with coefficients of determinations ranging from 0.9868 to 0.9992 were obtained. Limits of detections were ranged between 0.003 and 0.047 ng mL-1. Acceptable values for inter-day (3.2 – 9.1%) and intra-day (3.1 – 7.2%) relative standard deviations were obtained. The optimized method was successfully applied to determine the concentration of PCB congeners in human serum samples. In another work, ZnO nanoparticles incorporated porous carbon foam was utilized as sorbent for extraction and preconcentration of OCPs in milk samples. This sorbent was prepared by a facile single step reaction between the sucrose and zinc nitrate by slight modification of a reported procedure. The sorbent was characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The sorbent was then packed inside a porous polypropylene membrane sheets by heat sealing of membrane to construct µ-SPE devices. The factors that affect performance of µ-SPE were optimized. This method provided good linearity up to 0.9998 with limit of detections ranging from 0.19 to 1.64 ng/mL. This method also provided satisfactory values for intra and inter-day precision with RSDs ranged between 2.3 to 10.2%. In the last part of the work, OCPs and PCBs were screened in real human cancer tissues and plasma samples and accumulation patterns were studied to sort out most frequently detected compounds.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Chanbasha, Basheer
Committee Members:	Abulkibash, Abdallah and Ullah, Nisar and Alsaadi, Abdulaziz and Riaz, Mohammad
Depositing User:	MUHAMMAD SAJID (g201107510)
Date Deposited:	29 Sep 2016 09:02
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140082