Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Analytik eines monoklonalen Antikörpers, der spezifisch auf Cisplatin-behandelte DNA reagiert und bereits routinemäßig zu diagnostischen Zwecken bei der Krebstherapie mit ebendiesem Zytostatikum eingesetzt wird. Zu diesem Zweck wurden vor allem massenspektrometrische Methoden eingesetzt, um einerseits den genauen Aufbau sowie die Zusammensetzung des Antikörpers zu untersuchen und andererseits die Antigenspezifität einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. Mit Hilfe von nano-ESI-MS konnte der Antikörper unter Erhalt der nativen Struktur in der Gasphase analysiert werden. Tandem-MS-Experimente lieferten nicht nur einen Einblick in typische Fragmentierungs-muster, sondern generierten z. T. auch Informationen über die Primärsequenz einiger Bereiche des Antikörpers. Die im Fc-Teil gebundenen Glycanstrukturen, die sowohl für die Struktur als auch die Funktionalität des Antikörpers eine entscheidende Rolle spielen, wurden nach enzymatischer Abspaltung separat mit Hilfe von MALDI-MS analysiert. Die vollständige Antikörpersequenz wurde durch proteolytische Spaltung des Antikörpers, Analytik mittels hochaufgelöster Tandem-MS und anschließendem Vergleich mit Daten aus der Sequenzierung auf DNA-Ebene bzw. bekannten Antikörpersequenzen aus Proteindatenbanken aufgeklärt. Im selben Zug konnten auf Peptidebene eine Vielzahl verschiedener posttranslationaler Modifikationen nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Antikörper unter Erhalt seiner Struktur und der antigenbindenden Eigenschaften an den Zuckerstrukturen mit einem eigens synthetisierten Metallkomplex markiert werden kann. Die für die Spezifitätsstudie des Antikörpers notwendigen Antigene wurden durch Inkubation synthetischer einzel- und doppelsträngiger DNA-Oligomere mit Cisplatin erzeugt und analysiert. Anschließend wurden die verschiedenen Antikörper-Antigen-Komplexe unter nativen Bedingungen hergestellt und massenspektrometrisch charakterisiert. Um einen Eindruck von der Komplexstabilität zu erhalten wurden zusätzlich MS/MS-Untersuchungen des Komplexes mit der platinierten doppelsträngigen DNA durchgeführt. Wie bei der Analytik des freien Antikörpers konnten auch hier spezifische Fragmente detektiert werden. / The focus of the thesis was the characterization of a monoclonal antibody, which binds specifically to cisplatin-treated DNA and is already used for diagnostic purposes in cancer therapy. The structure and composition of the antibody, as well, as the antigen specificity were investigated by mass spectrometry. Using nano-ESI-MS it was possible to analyse the antibody in its native state. Tandem-MS experiments revealed not only specific antibody fragments but also gave information on the primary structure of the antibody. The Fc-bound glycans that are responsible for antibody structure and functionality, were cleaved enzymatically and studied with MALDI-MS. For a detailed determination of the primary structure, the antibody was proteolysed with different enzymes and analyzed via high resolution Tandem-MS. The data was evaluated by comparism with results from sequence analysis on DNA level and known antibody sequences from protein databases. Simultaneously many different posttranslational modifications were identified. Furthermore, the antibody was successfully labelled with a metal complex at its sugar structures without loss of its structure and function. For investigation of the antibody specificity antigens were generated by incubation of well-defined single and double stranded DNA oligomers with cisplatin. Antibody-antigen-complexes were synthesized and analyzed by mass spectrometry under native conditions. The stability of the complex with double stranded DNA was also investigated by MS/MS-experiments. Thus, it was also possible to determine the specific fragmentation behavior for the complex just as for the free antibody.

Die oxidative Transformation der Thiol-Gruppe des Cysteins in verschiedene andere funktionelle Gruppen wird als sehr wichtige posttranslationale Modifikation (PTM) angesehen. Cysteinsulfensäure (SA) ist eine Zwischenstufe der Thiol-Oxidation: Sie kann entweder mit freien Thiolen reagieren, um Disulfide zu bilden oder durch reaktive Sauerstoffspezies (reactiveoxygenspecies, ROS) weiter oxidiert werden. Jede Störung des zellulären Redox-Haushalts wird mit altersbedingten Erkrankungen , daher stellt die Überwachung des SA-Spiegels einen vielversprechenden Wegdar, den Status dieses Redox-Haushalts festzustellen. Da bereits kleinste Änderungen der Proteinmengen und PTMs tiefe Einblicke in den Zustand des biologischen Systems liefern können, ist eine quantitative Bestimmung von großer Bedeutung.Technologische Fortschritte im Bereich der Trennungsmethoden und Massenspektrometrie (MS) erlaubten die Entwicklung umfassender Möglichkeiten in der Protein-Analytik. In dieser Arbeit wurde eine neue, hochsensitive und selektive Methode zur Detektion von SA entwickelt. Dafür wurde ein Alkin-β-Ketoester (KE) an einen Lanthanid-haltigen (Ln) Chelatkomplex. Zum Nachweis des Funktionsprinzips wurden, mittels H2O2, Sulfensäuren in verschiedenen Peptidsequenzen erzeugt, um die in biologischen Systemen durch ROS hervorgerufenen Oxidationen nachzustellen. Diese Sulfensäuren wurden anschließend durch den Ln-DOTA-KE-Komplex gebunden. Die Bildung dieser SA-Ln-DOTA-KE-Einheit wurde mittels (Elektronenspray-Ionisation/ ESI-MS) und (induktiv gekoppeltem Plasma/ICP-MS) nachverfolgt. Die entwickelte Methode wurde weiterhin auf die Bestimmung von SA-Bildung in humanem Serum angewandt, humanes Serumalbumin wurde angereichert via Affinitätschromatographie. ICP-MS diente der Bestimmung der SA-Ln-DOTA-KE-Einheit, durch Kombination mit einer Isotopenverdünnungsanalyse (IDA) wurde eine absolute Quantifizierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen oxidative Schäden bis zu 40 % des vorhandenen Albumins. / Oxidative transformation of cysteine thiol group into different functional groups is considered a significant posttranslational modification (PTM) of great importance. Cysteine sulfenic acid (SA) is the transient state for thiol group oxidation; it can react with free thiols to form disulfide bonds or can be further oxidized with reactive oxygen species (ROS) to form sulfinic and sulfonic acids. As any disturbance in the cellular reduction-oxidation (redox) balance is correlated to age-related diseases, the detection of SA transient state formed a sensor for such redox-mediated events. Whereas only any small change in the quantity of proteins, as well as the formed PTMs, can provide deeper insights into the status of the biological system, quantitative analysis should be carried out to reveal the status of the system. On the other hand, the technological advances, in particular the separation techniques and mass spectrometry (MS), allowed the development of several approaches for the comprehensive assessment of proteome analysis. Herein, we provide a new strategy for the highly sensitive and specific detection of SA using alkyne β-ketoester (KE) previously linked to a lanthanide (Ln)-containing chelator (Ln-DOTA. SA was generated by hydrogen peroxide (H2O2) in different peptide sequences by ROS and was detected by the prepared compound Ln-DOTA-KE. Molecular mass spectrometry (electrospray/ ESI-MS) and (Inductively coupled plasma mass spectrometry /ICP-MS) have been used to monitor the formation of SA linked to Ln-DOTA-KE. The developed strategy has been further applied to the determination of SA-induced formation in human serum by using affinity chromatography for purification of albumin followed by ICP-MS to monitor the formed SA linked to Ln-DOTA-KE in combination with isotope dilution analysis (IDA) for the absolute quantification. Quantitative results showed levels of oxidative damage regarding SA formation in human serum up to 40% of the albumin present.

Ultraschalllevitation kombiniert die Vorteile von Mikrofluidik, wie beispielsweise die sehr geringe benötigte Probenmenge, mit einer wandlosen Probenhandhabung. Obwohl die Kopplung zwischen le- vitierten Tröpchen und verschiedenster analytischer Methoden wie optischer Spektroskopie und Röntgenbeugung sehr genau untersucht ist, fehlt es immer noch an einer etablierten Kopplung mit einer massenspektrometrischen Methode für die Analyse auf molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Prinzipien, auf denen eine kontaktlose massenspektrometrische Analyse von levitierten flüssi- gen Proben beruht. Zuerst wurde der neu entworfene akustische Levitator bezüglich des Einflusses seiner Geometrie auf die Levi- tationseigenschaften experimentell und mittels numerischer Simul- tationen untersucht. Die anschließend durch geführten Experimen- te demonstrieren das Potential von Infrarot-Lasern als kombinierte Desorptions- und Ionisationsquelle für organische Substanzen aus einer Mischung aus Wasser und Glycerin als Cromophor. Um einen tieferen Einblick in die hierbei ablaufenden Ionisationsmechanismen zu erhalten, wurde als Modell ein “Sonic-Spray” Konus räumlich per Massenspektrometrie und Laser-induzierter Fluoreszenz untersucht. Levitator-Geometrie auf die Levitationseigenschaften stimmen sehr gut mit numerischen Simulationen überein. Als komplementäre Ionisationsmethode wurde eine Niedertemperatur-Plasmaquelle ein- gesetzt. Nach einer zeitaufgelösten Untersuchung der grundlegenden Ionisationsmechanismen wurde diese Quelle für die Untersuchung flüchtiger Spezies aus der levitierten Probe in deren direkten Umgebung ohne störende Interferenzen ge- nutzt. / Ultrasonic levitation combines advantages of microfluidics like the required small sample volumes with a wall-less sample handling. While the coupling of analytical methods like optical spectroscopy as well as x-ray scattering are very well elaborated, an established mass spectrometric method to obtain molecular analytical information is still lacking. The herein presented work describes the fundamental processes for a contactless mass spectrometric analysis of levitated droplets. First, the influences of the specially designed levitator geometry on the levitation capabilities is described. During further experiments, the use of infrared lasers has proven useful as a combined desorption and ionization source for organic molecules from a mixture of water and glycerol as chromophore. Subsequently, sonic-spray ionization was used to gain a deeper understanding of the ionization processes occurring within the spray plume. Mass spectrometric mapping as well as laser-induced fluorescence were performed to investigate the ionization during an aerodynamic breakup of the micro droplets in the spray process. As a complementary sampling method, the ionization with a low- temperature plasma source is described. First, a time-resolved mass spectrometric investigation of the ionization process is shown. Sub- sequent to this fundamental study, the application of such a plasma source for the direct analysis of volatile compounds from within the droplets in the surrounding environment without interferences from the droplets bulk phase is described.

Die von der caprotec bioanalytics GmbH entwickelte und vermarktete Capture Compounds Mass SpectrometryTM (CCMS-Technologie) ermöglicht die spezifische Isolierung und Identifizierung von Proteinen, basierend auf ihre gezielte Wechselwirkung mit kleinen trifunktionalen Moleküle (sog. Capture CompoundsTM). Dadurch wird sowohl eine Reduzierung der Komplexität zellulärer Proteingemische als auch eine Anreicherung niedrig abundanter Proteine erreicht. In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Synthese von neuartigen Capture Compounds, die dazu dienen sollen, unterschiedliche biochemische Fragestellungen zu beantworten und das Anwendungsspektrum der CCMS-Technologie stark erweitern. / The Capture Compound Mass SpectrometryTM (CCMS-Technology) is a novel technology developed and marketed by caprotec bioanalytics GmbH. CCMS allows the isolation of sub-proteomes based on specific interactions of target proteins with synthetic small molecules, called Capture Compounds (CCs). In this way, CCMS affords the functional reduction of complex protein mixtures that derived from e.g. cell lysates, and the enrichment and identification of low abundant proteins. In the present work, the synthesis of different novel Capture Compounds that helps studying different biological problems and overcoming present technological limitations of CCMS is described.

Die Massenspektrometrie stellt eine der bedeutendsten Techniken in der analytischen Chemie dar. Bislang können jedoch noch immer nicht alle Prozesse im Massenspektrometer vollständig erklärt werden. Um dazu einen Beitrag zu leisten, wurden DNA Oligonukleotide untersucht. Mit Hilfe der Ionenmobilitätsmassenspektrometrie wurde die räumliche Ausdehnung von Einzelstrang-DNA in Bezug auf ihr Ladungslevel und ihre Sequenz zur Feststellung der nötigen Fragmentationsenergie hin geprüft. So konnte ein sequenzunabhängiger Fragmentierungspunkt ermittelt werden, welcher ausschließlich vom Ladungslevel bestimmt wurde. Es zeigte sich ein linearer Anstieg der benötigten Energie bei zunehmender Ladung, wobei bei mittleren Ladungszuständen ein Sattelpunkt erreicht wurde. Durch IM-MS konnte dieser Bereich als geometrische Umfaltungszone bestätigt werden. Anschließend wurden die Produktfragmente aus unterschiedlichen kollisionsbasierten Fragmentierungstechniken verglichen, wobei sich herausstellte, dass einzelsträngige DNA aufgrund der komplexen und vielseitigen Dissoziationskanäle im Gegensatz zu anderen Stoffklassen große Unterschiede zwischen den Methoden auswies und daher als empfindlicher Sensor für geringfügige Unterschiede in der Fragmentationtechnik dienen kann. Des Weiteren wurden Doppelstränge verschiedenster Sequenzen mittels kollisionsinduzierter Dissoziation bezüglicher ihrer Zerfallswege untersucht. Dabei konnten spezifische Fragmentationsmuster ermittelt werden. Nachdem verschiedene etablierte Tandem-MS-Techniken angewendet wurden konnte abschließend eine neue Vakuumultraviolette Strahlung-basierte MS/MS-Methode entwickelt werden. Bei höher geladenen Ionen konnte eine Ladungsreduktion durch das Herausschlagen von Elektronen erreicht werden. Des Weiteren konnten die bereits bekannten Dissoziationspfade, wie beispielsweise in DNA, beobachtet werden. Außerdem konnten bei anderen Proben, wie z.B. ATP, ebenfalls neue Produktionen generiert werden. / Mass spectrometry represents one of the most important techniques in analytical chemistry today. So far, however, despite extensive use, not all processes in the mass spectrometer can be fully explained. In order to contribute to this, DNA oligonucleotides were investigated. Ion mobility was used to examine the spatial extent of single-stranded DNA in terms of its charge level and sequence in combination with a MS to determine the required fragmentation energies. Thus, structural changes of the ions can be detected. A sequence-independent fragmentation point could be determined, which was determined exclusively by the charge level. It showed a linear increase in the required energy with increasing charge, with a saddle point was present at intermediate charge states. By ion mobility spectrometry this area could be confirmed as a geometric refolding zone. Subsequently, the product ions from different collision-based fragmentation techniques were compared, and it was found that single-stranded DNA showed large differences between the methods due to the complex and versatile dissociation channels. Therefore, it could serve as a sensitive sensor for minor differences in fragmentation technique. Furthermore, double strands of different sequences were investigated by means of collision-induced dissociation with respect to their fragmentation pathways. Specific fragmentation patterns could be identified, which could be assigned to clear trends. After various established tandem MS techniques were used a new vacuum ultraviolet radiation -based MS/MS method was developed and tested. For this purpose, a commercially available deuterium lamp that has a short wavelength, installed in an ion trap MS. With higher charged ions, a charge reduction could be achieved by the ejection of electrons. Subsequently, the already known dissociation pathways could be observed. In addition, new product ions could also be generated for other samples, such as adenosine triphosphate.

In dieser Studie wurde eine Charakterisierung von Eisenpräparaten entwickelt, die als parenterale und orale Präparate zur Behandlung schwerer Anämie auf Basis von Fe-Kohlenhydrat-Nanopartikeln und Bioverfügbarkeitsstudien in biologischen Proben verwendet werden. Eine vollständige Charakterisierung eines kommerziellen Präparats für die parenterale Behandlung von Anämie (Venofer®) wurde durchgeführt. Solubilisationsstudien des Arzneimittels wurden in Serum und Blut durchgeführt, um die Bioverfügbarkeit von Eisen zu untersuchen. Es wurden Speziationsexperimente von Serumproteinen durchgeführt (UV-vis, ICP-MS), die detailliertere Informationen über das Arzneimittel und sein Verhalten im Körper liefern. Tartrat-modifizierte Eisenoxid-Nanopartikel (FeNPs) und isotopisch angereicherte 57Fe wurden synthetisiert. Nanopartikel wurden weiter in Bezug auf Partikelgröße und -form charakterisiert. Da diese Nanopartikel möglicherweise für die orale Supplementierung bei der Die Labilität dieser FeNPs wurde in saurem Medium bewertet, und das gesamte Fe wurde in nanopartikulärer und löslicher Fraktion quantifiziert. Zur Bestimmung des Nanostrukturverhaltens in zellulären Medien wurde eine Speziationsstrategie für Nanopartikel und ionische Eisenspezies basierend auf einer reversed phase high performance liquid chromatography, gekoppelt an ICP-MS, durchgeführt und erstmals auf Caco-2-Zellen angewendet Proben. Darüber hinaus wurde ein Quantifizierungsansatz durch Anwendung einer Isotopenverdünnungsanalyse mit 57Fe. Die Zytotoxizität wurde untersucht: kolorimetrische Assays wurden in verschiedenen Zelllinien durchgeführt, und die oxidative Schädigung wurde durch Messung der ROS-Produktion bestimmt. Schließlich wurden In-vivo-Modelle zur Bestimmung der Eisenresorption im Dünndarm nach Perfusionsexperimenten an Ratten verwendet. Das Schicksal der FeNPs wurde auch untersucht, indem andere Gewebe wie Leber, Niere, Milz oder Blut nach der intestinalen Aufnahme analysiert wurden. / In this study, a characterization of iron supplements used as parenteral and oral preparations for the treatment of severe anaemia based on Fe-carbohydrate nanoparticles and bioavailability studies in biological samples have been developed. A complete characterization of a commercial preparation for the parenteral treatment of anaemia (Venofer®), has been carried out. Solubilisation studies of the drug have been conducted in serum and blood to evaluate iron bioavailability. Moreover, speciation experiments of serum proteins were conducted using UV-vis and ICP-MS detection, providing more in-depth information about the drug and its behaviour in the body. Tartrate-modified coated-iron oxide nanoparticles (FeNPs) and isotopically enriched 57FeNPs have been synthesized. Nanoparticles were further characterized in terms of particle size and shape. As these nanoparticles are potentially suitable for the oral supplementation in anaemia’s treatment, the lability of these FeNPs in acidic medium was evaluated, and total Fe was quantified in nanoparticulate and soluble fraction. For the determination of nanostructure behaviour in cellular media, a speciation strategy for nanoparticles and ionic species of iron based on a reversed-phase high-performance liquid chromatography coupled to ICP-MS was carried out and applied for the first time to Caco-2 cell samples. Moreover, a quantification approach was also tackled by applying an online post-column isotope dilution analysis with 57Fe as isotopically enriched standard. Cytotoxicity from these tartrate-modified iron oxide nanoparticles was evaluated: colorimetric assays have been conducted in different cell lines and oxidative damage was assessed by measuring ROS production. Finally, in vivo models were used to determine iron absorption in the small intestine after perfusion experiments in rats. The fate of the FeNPs was also studied by analysing other tissues as liver, kidney, spleen, or blood after the intestinal uptake.

In der Entwicklung neuer Agrochemikalien ist es essentiell das weitere Schicksal im Bezug zum Abbau durch abiotische und biotische Einflüsse vorherzusagen. Pestizide gehören zu den Agrochemikalien und durch abiotischen und biotischen Stress werden Transformationsprodukte (TPs) gebildet. Daher ist es von Bedeutung, die TPs von Pestiziden und deren Entstehungsprozess zu untersuchen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit biotischen und abiotischen Umwandlungsprozessen von zwei Modell-Pestiziden, nämlich Chlorpyrifos (ein Insektizid) und Fluopyram (ein Fungizid) unter Verwendung von Modellsystemen. Lebermikrosomeninkubation und elektrochemische Durchflusszellen, die an Online-Massenspektrometrie gekoppelt waren, wurden als experimenteller Modellansatz zu untersuchen um die Biotransformationsprozesse (phase I und phase II) der Ziel-Pestizide. Im zweiten Teil dieser Arbeit, wurden Photodegradationsprodukte der beiden Modellverbindungen durch Bestrahlung mit keimtötendem ultraviolettem Licht (200 - 280 nm) untersucht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Elektrochemie-Massenspektrometrie auf die Herstellung von Referenzstandards für Transformationsprodukte für das gezielte Screening in Lebensmittelproben ausgedehnt. Die strukturelle Aufklärung der Transformationsprodukte erfolgte mittels HPLC, gekoppelt an verschiedene Massenspektrometrietechniken (Single Quad, Triple Quad, FT-ICR HRMS, Triple TOF-MS, Orbitrap HRMS). Zusammenfassend konnte die Kopplung von EC/(LC)/MS als schnelle, zuverlässige, kostengünstige und matrix-unabhängige Methode genutzt werden, um den oxidativen Phase-I und II Metabolismus von Fluopyram und Chlorpyrifos zu simulieren. EC/MS könnte weiterhin zur Synthese von TP Referenzstandards und zur Messung von Realproben genutzt werden. Neue TPs und deren Bildungsmechanismen konnten im Rahmen dieser Dissertation für beide untersuchten Substanzen identifiziert werden. / One of the crucial steps of developing a new agrochemical product is predicting its fate following biotic or abiotic stress. In this regard, pesticides undergo transformation processes in response to biotic and abiotic stress. Therefore, it is important to investigate pesticides’ transformation products (TPs) and the formation processes they undergo. This dissertation deals on biotic and abiotic transformation processes of two model pesticides namely chlorpyrifos (an insecticide) and fluopyram (a fungicide) using model systems. Liver microsome incubation and electrochemical-flow-through cell coupled to online mass spectrometry were used as a model experimental approach to investigate phase I and phase II biotransformation processes of the targeted pesticides. In the second part of this thesis, photodegradation products of the two model compounds were investigated by irradiating with germicidal ultraviolet light (200 – 280 nm). In the last part of this work, electrochemistry-mass spectrometry was scaled-up to the production of transformation product reference standards for targeted screening in different food samples. Structural elucidations of transformation products were performed using HPLC coupled to different mass spectrometry techniques (single quad, triple quad, FT-ICR HRMS, TripleTOF-MS, Orbitrap HRMS). In summary, a fast, reliable, cost-effective and matrix-free simulation of oxidative metabolism (phase I and II) of fluopyram and chlorpyrifos was achieved here by EC/(LC)/MS. EC/MS could, therefore, be scaled up to synthesis TP reference standards for real sample investigation. Additionally, new TPs and their mechanisms were identified for both investigated compounds.

Inositolpyrophosphate (PP-InsP) sind eine Gruppe sekundärer Signalmoleküle, die in einer Vielzahl zellulärer Prozesse, von Phosphathomeostase über Insulinsignalisierung bis Apoptose eine Rolle spielen. Die Art und Weise, wie PP-InsPs ihre Funktion ausführen, noch weitgehend unbekannt. Deshalb wurden zwei neue analytische Methoden basierend auf Kernspinresonanzspektroskopie und Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (LCMS) entwickelt. Um die limitierende Sensitivität der Kernresonanzspektroskopie zu umgehen, wurde die Synthese von kernspinresonanzaktivem, 13C-markiertem Inositol optimiert. Des Weiteren wurde eine chemoenzymatische Synthese für alle Säugetier-PP-InsP-Isomere entwickelt, die auf der skalierbaren Ausfällung mittels Mg2+ Ionen basiert. Menschliche Zellen wurden mit 13C-Inositol isotopenmarkiert und in den Spektren der Zellextrakte wurde, basierend auf den PP-InsP-Standards, Fingerabdrucksignale identifiziert mit denen die Konzentrationen der dazugehörigen Moleküle bestimmt werden konnte. Die LCMS basierte Methode wurde auf dem Prinzip der Umsetzung von hochgeladenen Inositolpyrophosphaten zu ihren korrespondieren Methylestern mittels Trimethylsilyldiazomethan geplant. Die ungeladenen, permethylierten PP-InsPs wären geeignet für LC-Auftrennungen und MS-Messungen und sollten eine von Kernspinresonanzspektroskopie nicht erreichbare Sensitivität ermöglichen. Die Methode wurde mittels Inositolhexakisphosphat (InsP6), einem einfacheren PP-InsP-Analog, etabliert und methyliertes InsP6 konnte in Mengen von 10 femtomol detektiert werden. Die Adaption der Methode für die PP-InsPs gestaltete sich jedoch herausfordernd, da der Analyt während der Reaktion zersetzt wurde. Ein Wechsel zu Diazomethan als Methylierungsagens zeigte vielversprechende Resultate. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are a well conserved group of second messengers that are involved in a plethora of cellular processes including phosphate homeostasis, insulin signaling, and apoptosis. Despite much effort, it is still mostly unknown how PP-InsPs exert their diverse functions. In order to decipher the mechanisms, researchers have relied either on metabolic labeling with radioactive inositol or on electrophoretic separation on polyacrylamide gels but these methods either lack ease of use or sensitivity. Therefore, two new analytical tools, based on nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and liquid chromatography coupled mass spectrometry (LCMS), were developed. To overcome the limited sensitivity provided by NMR spectroscopy, a high yielding synthesis of NMR-active 13C-labeled inositol was designed and optimized. Furthermore, a chemoenzymatic synthesis of all mammalian PP-InsPs isomers was developed that relied on a scalable purification strategy utilizing precipitation with Mg2+ ions. Human cells were metabolically labeled with 13C-inositol and the prepared PP-InsPs were used as standards to identify peaks in the NMRspectra. These fingerprint signals enabled the quantification of the corresponding molecules. The LCMS-based method was based on the derivatization of the highly charged inositol pyrophosphates to their corresponding methyl esters by trimethylsilyldiazomethane. The permethylated InsPs and PP-InsPs were suitable for LC separation and MS measurement, and provide a sensitivity unmatched by NMR spectroscopy. The method was established using inositol hexakisphosphate, a simpler analog of PP-InsPs, and methylated InsP6 could be detected at quantities as low as 10 femtomole. However, the adaptation of the derivatization for PP-InsPs proved challenging as the reaction caused degradation of the analyte but strategies to circumvent the decay by changing the derivatization agent to diazomethane were promising.

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation (LA-ICP-MS) wird zunehmend für die Einzelzellanalyse eingesetzt, jedoch wird eine weitere verbreitete Verbreitung durch den geringen Durchsatz behindert. Daher wurde in dieser Arbeit der Durchsatz von Einzelzellen-LA-ICP-MS untersucht und verbessert. Zunächst werden die beiden möglichen Ablationsmodi, Bildgebung und Einzelpunktanalyse (SSA), hinsichtlich ihrer analytischen Gütezahlen (Signal-Rausch-Verhältnis, Präzision, Genauigkeit, Durchsatz) verglichen. Hierfür wurden adhärente 3T3-Fibroblastenzellen mit zwei Metallfarbstoffen angefärbt und mit beiden Methoden mehrere Dutzend Zellen vermessen. SSA zeigte überlegene Eigenschaften hinsichtlich Durchsatz und Nachweisgrenzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass >400 Zellen analysiert werden müssen, um zufriedenstellende Statistiken für einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse zu erhalten, was als zu mühsam befunden wurde. Daher wurde ein Einzelzellen-Arraying-Schritt integriert, um eine automatisierte LA-ICP-MS-Analyse zu ermöglichen. Hierfür wurden zwei Arrayingverfahren getestet: Zunächst wurde das mikrofluidische Arraying von Zellen getestet, jedoch verhinderte das Einklemmen von weichen PDMS-Chips eine erfolgreiche Anwendung, und eine Neugestaltung des Chips wäre erforderlich. Daraufhin wurde eine neuartige Technologie getestet, die auf dem Arraying von Tröpfchen in Verbindung mit der Bilderkennung von Zellen beruht, wobei ein Anordnungsdurchsatz von 550 Zellen pro Stunde und eine beispiellose Einzelzellengenauigkeit (> 99%) gefunden wurde. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde ein Zellarray von THP-1-Suspensionszellen mittels LA-ICP-TOF-MS analysiert und erstmals gleichzeitig endogene und exogene Isotope einzelner Zellen als Isotopen-Fingerabdrücke von Zellen mit Nachweisgrenzen von lediglich wenigen hundert attogramm. Schließlich wurden diese Ergebnisse mit der derzeit gebräuchlichsten Analysemethode Single-Cell (sc)-ICP-MS verglichen. / Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is increasingly used for single-cell analysis. However, a more widespread use of LA-ICP-MS in single cell analysis is hampered by its low throughput. Hence, in this work the throughput of single cell LA-ICP-MS was studied and improved. First, the two possible ablation modes, imaging and single spot analysis (SSA) of single cells using a large laser spot, are compared regarding their analytical figures of merit (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as regarding ease of operation and data evaluation. For that, adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes and several dozen cells were measured using both modes. SSA showed superior characteristics regarding throughput and detection limits. Moreover, it was shown that >400 cells must be analyzed to reach satisfactory statistics for a quantitative comparison of results, which would have been too laborious. Thus, a single cell arraying step was integrated to enable automated LA-ICP-MS analysis. Two different arraying methods were evaluated: First, arraying via hydrodynamic front trapping of cells using a microfluidic device was tested, but clamping of soft PDMS-chips prevented successful arraying and it was concluded that a major redesign of the chip is necessary. Secondly, and a novel technology relying on a microdroplet arrayer in conjunction with image recognition of cells was tested and a moderate arraying throughput (550 cells per hour) and an unprecedented single-cell accuracy (>99%) was found. In a proof of principle experiment, a cell array of THP-1 suspension cells was analyzed using LA-ICP-TOF-MS and endogenic and exogenic isotopes of individual cells were detected for the first time simultaneously as isotopic fingerprints of cells with detection limits as low as hundred attogram. Finally, these results were compared to the currently more commonly used analysis method single-cell (sc)-ICP-MS.

In dieser Arbeit wurde eine neue Markierungsstrategie von Antikörpern mit dem Markierungsreagenz MeCAT (Metal Coded Tag) unter physiologischen Reaktionsbedingungen, sowie deren Anwendung in einem 8-fach Multiplex-Immunoassay von in Formalin-fixierten und in Paraffin-eingebetteten Gewebeschnitten entwickelt. Für eine aussagekräftige LA-ICP-MS Detektion von MeCAT-modifizierten Antikörpern, wurde eine Standardisierung für biologische Proben auf NC-Membranen, basierend auf einer homogenen Aufbringung eines internen Standards und Kalibrierstandards durch einen kommerziell verfügbaren Tintenstrahldrucker entwickelt und mit der ICP-MS Analyse von Lösungen evaluiert. Die LA-ICP-MS wurde in zwei 8-fach Multiplex-Immunoassays von Tissue Micro Arrays vom Prostatakarzinom und in Maushirngewebeschnitten zur Einschätzung von neurogenerative Erkrankungen erfolgreich eingesetzt werden. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass das Nachweisvermögen, der hier entwickelten Methode bereits ausreicht, um die gängigen klinischen Biomarker mit guter Ortsauflösung nachzuweisen. / In this work a new tagging strategy of antibodies with the tagging reagent MeCAT (Metal Coded Tag) was developed under physiological reaction conditions. Their application was proved in an 8-fold multiplex immunoassay of formalin-fixed and paraffin-embedded tissue sections. For a significant LA-ICP-MS detection of MeCAT tagged antibodies standardization for biological samples owere developed. The standardization based on a homogeneous deposition onto the NC membrane via conventional CD-ink-jet printer was validated in addition with the ICP-MS analysis of solutions. The internal standardization of LA-ICP-MS was successfully applied in two 8-fold multiplex immunoassays for Tissue Micro Arrays (TMA) of prostate cancer and for detection of biomarkers for neurodegenerative diseases in mouse brain tissue sections. In both examples it could be shown that the detection capability of the new tagging strategy in combination with the printing standardization allows the detection of the clinical biomarker with good spatial resolutions.