Forschungsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkt Athleten-Exposom

Athletinnen und Athleten sind, ebenso wie viele andere Personen, einer Vielzahl von Faktoren ausgesetzt, bedingt durch und variierend mit u.a. dem jeweiligen Lebensstil, geografischen und sozialen Umfeld, physikalisch-chemischen Parametern, etc.  Im Gegensatz zu den meisten Personen werden Sportlerinnen und Sportler jedoch regelmäßig chemisch-analytischen Untersuchungen im Rahmen von Dopingkontrollen unterzogen, wobei dabei generiete Ergebnisse (beeinflusst durch das aus den genannten Parametern zusammengesetzte Exposom) hier andere berufliche Konsequenzen nach sich ziehen können. Daher ist ein zentraler Schwerpunkt der Forschungen am Institut für Biochemie der DSHS Köln dem Athleten-Exposom gewidmet, um umfangreiche Informationen zur Beurteilung und Einordnung analytischer Befunde bereitzustellen.

Die Exposom-Forschung beinhaltet u.a. die Untersuchung von Kausalzusammenhängen bei analytischen Befunden, ausgelöst z.B. durch Substanzrückstände in Lebensmitteln, kontaminierte oder gefälschte Nahrungsergänzungsmittel, Metabolismus- und Umwandlungswege zulässiger Medikamente und Chemikalien, interindividueller Medikamenten- und Metabolitenübertrag (z.B. durch Intimkontakt), usw. Hier ist ein stetig wachsender Forschungsbedarf, insbesondere zum Schutze der Athletinnen und Athleten, zu sehen, z.B. um die Fragen zu adressieren welchen Mengen Athleten zu welchem Zeitpunkt wahrscheinlich ausgesetzt waren, auf welchem Wege, etc.

Forschungsschwerpunkt Methodenentwicklung

Die Dopinganalytik muss den Entwicklungen in der Dopingszene möglichst schnell durch neue gerichtsfeste Nachweismethoden entgegentreten.

In diesem Schwerpunkt werden neu in der Verbotsliste der Welt Anti-Doping Agentur (WADA) aufgenommene Substanzen wie z.B. neue anabole Wirkstoffe, Antikörper- oder siRNA-basierte Wirkstoffe, naturidentische Hormone, etc. in bestehende Screeningmethoden eingebaut oder dedizierte Testverfahren etabliert. Außerdem werden effizientere Screeningmethoden für zahlreiche Dopingsubstanzen (weiter)entwickelt.

Forschungsschwerpunkt Massenspektrometrie anaboler Wirkstoffe

Die Identifizierung von Steroidhormonen sowie deren Metaboliten erfolgt mit Hilfe der Massenspektrometrie. In der Regel wird die MS-Technik in Kombination mit einer vorhergehenden gaschromatographischen bzw. flüssigkeitschromatographischen Trennung angewendet. Die unter Elektronenstoß-Ionisation generierten Massenspektren von Substanzen zeigen substanzspezifische Fragmentierungen (vergleichbar mit ’Fingerprints’). Grundlagenforschungen hinsichtlich der Aufklärung der Fragmentierungen von Steroidhormonen, von deren Metaboliten sowie von den durch Phase II Metabolismus nach Körperpassage entstehenden Steroidglucuroniden nach geeigneter Derivatisierung sind hierbei Projektschwerpunkte. Ergänzt wurden diese durch die Erforschung der selektiven Androgenrezeptor Modulatoren (SARMs) sowie deren Metabolite.

Forschungsschwerpunkt Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie

Mit der Anwendung der Isotopen-Bestimmung (Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, IRMS = isotope ratio mass spectrometry) ist es seit 1996 möglich, die Anwendung von verbotenen synthetischen Steroidhormonen wie z.B. DHEA, Androstendion, Androstendiol und Testosteron, die auch vom menschlichen Organismus synthetisiert werden, nachzuweisen. Diese Technik ermöglicht eine eindeutige Unterscheidung zwischen dem synthetischen (Doping) und dem im Körper produzierten Steroidhormon. Mit der Isotopentechnik werden auch Methoden im Rahmen der Nandrolonproblematik entwickelt, wobei eine Unterscheidung zwischen endogen produziertem Norandrosteron (Metabolit von Nandrolon und seinen Vorhormonen) und einer in geringen Mengen möglichen körpereigenen Produktion möglich ist. Des Weiteren hat sich die IRMS als ein besonders hilfreiches Werkzeug bei der Identifizierung von Metaboliten bewiesen, wenn diese beispielsweise als deuterierte Analoga verstoffwechselt werden. 

Forschungsschwerpunkt Steroidprofil-Analytik

In diesem Schwerpunkt sollen vor allem Referenzwerte von urinären Steroid-Parametern bei Athleten erstellt werden. Referenzwerte von Steroidprofilparametern erlauben ein Screening und den Nachweis von Doping mit körperidentischen anabol androgenen Steroidhormonen sowie deren Vorläufern. Die Kenntnis solcher Referenzwerte dient u.a. der Aufdeckung von Manipulationsversuchen.

Forschungsschwerpunkt Nahrungsergänzungsmittel

In diesem Projekt werden Methoden zum Nachweis von anabol androgenen Steroiden und anderen dopingrelevanten Substanzen in Nahrungsergänzungsmitteln entwickelt. Mit diesen Methoden soll der Nahrungsergänzungsmittelmarkt auf kontaminierte Produkte überprüft werden und analytische Daten im Zusammenhang mit positiven Befunden ermöglicht werden.

Forschungsschwerpunkt Peptidhormon-Analytik

Hier liegen Schwerpunkte auf der Erythropoietin-(Epo) Forschung sowie der Simulation von Peptidhormon-Metabolismuswegen und dem Nachweis relevanter Abbauprodukte in Blut und Urin. Sowohl naturidentische Peptide und Proteine (z.B. Wachstumshormon (hGH), Insulin, Insulinähnlicher Wachstumsfaktor-I (IGF-I), Ghrelin, usw.) aber auch körperfremde peptidische Wirkstoffe (z.B. Insulinanaloga, hGH-freisetzende Peptide (GHRPs und GHRHs), Mitochondrien-Biogenese stimulierende Peptide wie MOTS-c, etc.) werden unter anderem hinsichtlich ihres Abbaus bei subkutaner oder intravenöser Gabe und in natürlicher Zirkulation untersucht, wobei ebenfalls stabil Isotopen-markierte Substrate bei Simulationen des Metabolismus zum Einsatz kommen. Abbauprodukte werden dann mittels IRIS (isotope-labeled reporter ion screening) per hochauflösender Massenspektrometrie identifiziert und charakterisiert. 

Forschungsschwerpunkt Organ-on-a-Chip Metabolismus-Simulation 

Anti-Doping Arbeit beruht unter anderem auf umfangreichen Kenntnissen insbesondere der Verstoffwechselung von dopingrelevanten sowie strukturell verwandten Verbindungen. Da insbesondere nicht zugelassene Präparate nur sehr selten im Menschen und nur sehr aufwändig im Tiermodell zu studieren sind, werden modernste Alternativen anstelle von Applikations-/Eliminationsstudien etabliert. Ein wesentlicher Meilenstein ist hierbei die Entwicklung von Systemen, welche Ein- und Mehrorganmodelle auf Chip-Technologiebasis nutzen. Dazu werden so genannte Spheroide konstruiert, die Organe wie Leber, Haut, oder Niere simulieren und an einen (Blut-imitierenden) Versorgungskreislauf angeschlossen sind und somit die Untersuchung von Stoffwechselwegen, Abbauprodukten und damit Zielanalyten für die Dopinganalytik erlauben.

Forschungsschwerpunkt Gendoping

Die Entwicklung von Testverfahren bezüglich Gendoping hat sich als langwieriger und komplexer Auftrag erwiesen, wobei insbesondere der Nachweis eines Erythropoietin Gentransfers bereits ermöglicht wurde. Die enormen Fortschritte in Gentherapie und Biotechnologie erfordern allerdings die Berücksichtigung zahlreicher weiterer Zielgene sowie Manipulationsmöglichkeiten, weswegen die Erfassung weiterer Transgene, bevorzugt in einer umfassenden Analytik, entwickelt werden soll. Hierzu sind Multiplex-fähige Systeme mit erforderlicher Testempfindlichkeit und optimierter Probenvorbereitung von Nöten bzw. zusätzliche Teststrategien unabdingbar, welche z.B. Gen- und Genexpressions-Manipulationen auf Basis von CRISPR/Cas, RNA-Interferenz, etc. erfassbar machen.  

Forschungsschwerpunkt Alternative Matrices

Die Ergänzung und Erweiterung der Testmöglichkeiten im Anti-Doping Bereich ist von besonderem Interesse sowohl seitens der Athletenpopulation als auch der Anti-Doping Organisationen. Wesentliche Antriebe sind u.a. die Reduktion der Invasivität und Intrusivität der Kontrollen, schnellere und kostengünstigere Alternativen, komplementäre Informationen z.B. hinsichtlich der möglichen Einnahme oder Exposition zu verbotenen Wirkstoffen, höhere Testfrequenzen, usw. Insbesondere die Forschung hinsichtlich Möglichkeiten und Limitationen der Blutstropfenanalytik (dried blood spots / DBS) wird seit mehr als 10 Jahren in zahlreichen Projekten betrieben und hat seit September 2021 eine unmittelbare Legitimation durch die Welt Anti-Doping Agentur (WADA) auch im Routinebetrieb der Dopinganalytik erhalten. Qualitative und quantitative Aussagen zu verbotenen Wirkstoffen, (Langzeit-)Stabilitäten der Analyten, Automatisierungsoptionen, Hämatokrit-Bestimmung aus DBS, usw. werden untersucht und etabliert.

Zudem werden Mehrwert und Chancen der Atemluftanalytik im Hinblick auf verbotene Substanzen seit 2015 untersucht. Mittels einfacher Probennahme durch Beatmung einer Testkartusche (mit Elektret-Membran) können Aerosol-Partikel, welche insbesondere Stimulanzien, Beta-Blocker, und Narkotika aber auch anabole Wirkstoffe bislang erfassen lassen, zu Kontrollzwecken erhalten und analysiert werden. Im Speziellen für ausgewählte Gruppen des Spitzensports könnte dieses Testverfahren eine sehr gute Alternative zu konventionellen Testungen darstellen.

Juli 2022