• No results found

Oxylipins in human plasma – method development and dietary effects on levels

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Oxylipins in human plasma – method development and dietary effects on levels"

Copied!
64
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

Oxylipins in human plasma – method development and dietary effects on levels

Jana Späth

Jana Späth

Degree Thesis in Chemistry 30 ECTS Master’s Level

Report passed: 05 March 2014

Supervisor: Malin L. Nording and Sandra Gouveia-Figueira

(2)

 

(3)

ABSTRACT 

The emerging field of lipidomics, as a subfield of metabolomics, studies the complex lipid composition  of  biological  samples  and  investigates  their  structures,  pathways  and  functions  in  the  metabolism. 

Nutritional lipidomics examines the network of dietary lipids and the effect of diets on lipid molecules. 

New understanding can be applied for improving human health. Oxylipins, as a part of the lipidome,  are  a  group  of  oxidized  metabolites  that  derive  from  various  fatty  acids  and  perform  a  variety  of  different functions in the human body. They are linked to many physiological processes such as cell  proliferation,  apoptosis,  tissue  repair,  blood  clotting,  blood  vessel  permeability,  inflammation,  and  immune cell behavior, and are associated to a multitude of autoimmune diseases. 

In this master thesis, the effect of both vegan and vegetarian diets on the oxylipin profile of human  plasma was examined. Oxylipin levels were analyzed in human plasma samples as a part of a study that  further  includes  the  analysis  of  another  group  of  regulatory  lipids,  endocannabinoids,  and  other  metabolites related to nutrition. One subject changed diet from vegan (year 1) to vegetarian (year 2). 

On  three  different  days  (both  year  1  and  2),  plasma  samples  were  collected  at  four  different  time  points,  one  at  a  fasting  state,  and  at  0.5h,  1h,  and  2h  after  a  well‐defined  meal,  representing  the  postprandial response. In total, 24 plasma samples were collected. Our specific aim was to find out if  there are any general differences in oxylipin profiles due to vegetarian and vegan diet as well as during  the postprandial response after a well‐defined meal. 

A  method  based  on  ultra‐performance  liquid  chromatography  coupled  to  electrospray  ionization  tandem  mass  spectrometry  (UPLC‐ESI‐MS/MS)  for  simultaneously  analyzing  37  oxylipins  was  developed  and  validated  in  accordance  to  the  U.S.  Food  and  Drug  Administration  guidelines.  The  method showed good linearity (0.9938 < R< 0.9996), limit of detection and quantification (0.0005 ‐  4.21 pg on column), inter‐ and intraday accuracy (80 ‐ 120%; except for 8 compounds) and precision (< 

18%), as well as recovery in PBS and plasma (71 ‐ 109%; except for 12(13)‐EpOME‐d4). The method  was successfully applied to quantify oxylipins in human plasma samples. 35 of the 37 oxylipins could  be detected in the samples with levels ranging over three orders of magnitude from 0.01 to 76 nM. 

Significantly different levels during the postprandial response were shown by five compounds (9,10‐

DiHOME, 12,12‐DiHOME, 13‐oxo‐ODE, 13‐HODE, and 9‐HODE) in vegan and by two compounds (13‐

HODE and 9‐HODE) in vegetarian samples. Comparing vegan and vegetarian diet, one compound (TXB2)  was  found  to  have  a  significantly  decreased  baseline  level  in  vegetarian  samples,  whereas  six  compounds  (9‐HODE,  13‐oxo‐ODE,  9,10‐EpOME,  12,13‐EpOME,  20‐HETE,  and  11,12‐DHET)  showed  significantly  lower  levels  in  vegetarian  samples  at  different  time  points  during  the  postprandial  response. 

(4)

In summary, the developed UPLC‐ESI‐MS/MS method may be applied for the quantification of oxylipins  in  different  biological  samples.  This  application  can  be  useful  to  gain  deeper  knowledge  about  the  various physiological processes of these important regulatory lipids. 

   

(5)

LIST OF ABBREVIATIONS 

AA  Arachidonic acid 

ACN  Acetonitrile 

AJS  Agilent Jet Stream 

ALA  α‐linolenic acid 

AV  Average 

BHT  Butylhydroxytoluene 

BMI  Body mass index 

COX  Cyclooxygenase 

CUDA  12‐[[(cyclohexylamino)carbonyl]amino]‐dodecanoic acid 

CYP450  Cytochrome P450 

DGLA  Dihomo‐γ‐linolenic acid 

DHA  Docosahexaenoic acid 

dMRM  Dynamic multiple reaction monitoring  EDTA  Ethylenediaminetetraacetic acid 

EETs  Epoxyeicosatrienoic acids 

EPA  Eicosapentaenoic acid 

ESI  Electrospray ionization 

FA  Fatty acid 

FDA  Food and Drug administration 

GC  Gas chromatography 

HETEs  Hydroxyeicosatetraenoic acids  HLB  Hydrophobic‐lipophilic balance 

HPLC  High performance liquid chromatography 

LA  Linoleic acid 

LC  Liquid chromatography 

LGC  Laboratory of the Government Chemist 

LOD  Limit of detection 

LOQ  Limit of quantification 

LOX  Lipoxygenase 

m/z  Mass to charge ratio 

MRM  Multiple reaction monitoring 

MS  Mass spectrometry 

MS/MS  Tandem mass spectrometry 

PBS  Phosphate buffer saline 

PG  Prostaglandin 

PUFA  Poly unsaturated fatty acid 

QC  Quality Control 

QQQ  Triple quadrupole 

R2  Coefficient of regression 

S/N  Signal to noise ratio 

SD  Standard deviation 

sEH  Soluble epoxide hydrolase 

SPE  Solid phase extraction 

SPE  Solid phase extraction 

TX  Thromboxane 

UPLC‐ESI‐MS/MS  Ultra‐performance liquid chromatography electrospray coupled to tandem  mass spectrometry 

   

(6)

INDEX OF CONTENTS   

ABSTRACT ... I  LIST OF ABBREVIATIONS ... III 

INDEX OF CONTENTS ... IV 

1.  Introduction ... 1 

1.1.  Lipidomics in nutritional research ... 1 

1.2.  Aim ... 2 

2.  Background ... 3 

2.1.  Vegetarian and vegan diets ... 3 

2.2.  Oxylipins ... 4 

2.3.  Oxylipin analysis ... 7 

2.3.1.  The analytical protocol ... 7 

2.3.2.  Agilent 6490 Triple Quadrupole ... 10 

2.4.  Method development ... 12 

2.5.  Method validation ... 13 

3.  Experimental section ... 14 

3.1.  Chemicals and materials ... 14 

3.2.  Method development for Agilent 6490 Triple Quadrupole ... 14 

3.3.  Method Validation ... 16 

3.3.1.  Linearity, LOQ and LOD ... 16 

3.3.2.  Precision and accuracy ... 17 

3.3.3.  Recovery ... 17 

3.3.4.  Stability ... 17 

3.4.  Oxylipin quantification of plasma samples from the diet study ... 17 

3.4.1.  Standard selection ... 17 

3.4.2.  Standard curve preparation ... 19 

3.4.3.  Internal standards and internal standard curve preparation ... 20 

3.4.4.  Solid phase extraction (SPE) ... 20 

3.4.5.  Statistical analysis ... 21 

3.4.6.  Diet study design ... 21 

4.  Results and discussion ... 21 

4.1.  Method development ... 21 

4.2.  Method validation ... 28 

4.3.  Oxylipin profiling of plasma samples from the diet study ... 31 

4.4.  Statistical analysis of plasma oxylipin levels ... 36 

5.  Conclusion ... 41 

6.  Future perspectives ... 42 

ACKNOWLEDGEMENTS ... 43 

REFERENCES ... 44 

APPENDIX ... 48 

(7)

1. Introduction 

1.1. Lipidomics in nutritional research 

The term lipidomics is relatively new and has emerged in the past decade. In lipidomics research, as a  subfield  of  metabolomics  investigations,  the  complex  lipid  composition  of  biological  samples  is  analyzed, structures are characterized, and roles in lipid metabolism are investigated [1]. In summary,  it can be defined as the study of the lipidome, which is the complete lipid profile present in any cell,  tissue, or biofluid [2]. 

The spectrum of lipids covers various structurally and functionally different metabolites playing diverse  roles in nutrition and health [3].  They  are the major component of the  cell  membrane  (membrane  lipids),  and  function  as  important  signaling  molecules  (signaling  lipids),  and  energy  source  (storage  lipids). Whereas many lipids are endogenously produced in the body from simple precursors, some  essential  fatty  acids  (FAs)  cannot  be  synthesized  and  must  therefore  be  ingested  with  the  diet  [3]. 

Lipids can be divided into eight classes (fatty acyls, glycerolipids, glycerophospholipids, sphingolipids,  sterol lipids, prenol lipids, saccharolipids, and polyketides) [3]. 

In  contrast  to  proteins,  lipids  are  not  consisting  of  similar  units,  and  their  large  number,  complex  structures, chemical diversity, and wide concentration ranges (from attomolar to micromolar), makes  their  analysis  a  challenging  task.  Covering  the  whole  lipidome  cannot  be  enabled  by  one  single  analytical technique. The most commonly analytical approach is based on mass spectrometry (MS),  combined  with  chromatographic  separation  methods  such  as  gas  chromatography  (GC)  and  liquid  chromatography (LC). Advances in mass spectrometry in terms of speed, accuracy, and sensitivity, as  well as in the field of bioinformatics, has provided rapid progress of lipidomics research in the past  years [1], [3]. 

The  main  goal  of  lipidomics  research  is  to  gain  better  understanding  of  the  complex  lipid‐signaling  pathways  [3]  and  further  apply  this  knowledge  with  the  purpose  of  improving  human  health  [1]. 

Applications span from the detection of lipid alterations connected to various diseases, the assessment  of  medicine  or  nutritional  supplementation,  and  the  investigation  of  biomarkers.  Studied  diseases  cover  many  areas,  such  as  neurological  diseases  (e.g.  Alzheimer’s  and  Parkinson’s  diseases),  cardiovascular, ocular, dermatological, and pulmonary (e.g. asthma) diseases, especially those that are  linked to immune or inflammatory responses [2]. Lipidomics has further increasingly been utilized in  nutritional studies, the development of novel food technologies, and evaluation of food quality [3]. 

Former  research  showed  that  the  response  to  diet  is  unique  to  each  individual  and  therefore  individualized  analytical  approaches  are  indispensable  when  investigating  dietary  effects  [3],  [4]. 

(8)

variations,  making  the  characterization  of  dietary  effects  challenging  [3].  A  common  established  approach in nutritional lipidomics are cross‐over studies, where the subject undergoes both treatment  and control arm. Combined with the response‐to‐challenge model that measures metabolites not only  at the fasted state but also over the time course following a well‐defined meal (postprandial state),  this approach allows for revealing complex dietary effects on the lipidome [1], [4]. 

The group of signaling lipids includes oxylipins that are formed by oxidation and linked to the regulation  of various biological processes, such as both initiation and termination of inflammation [5]. Compared  to  analyzing  structures,  investigating  the  signaling  functions  of  lipids  is  even  more  ambitious.  The  influence of lipid oxidation on biological processes is therefore still poorly understood [1]. Currently, a  lot of research deals with the development of suitable methods for profiling oxylipins in order to better  understand their roles, with focus on clinical implications [6]. It has for instance been shown that the  oxylipin metabolome is affected by supplementation and challenge tests [7], [8], [9]. 

1.2. Aim 

The overall aim of the master thesis work was to develop and validate an ultra‐performance liquid  chromatography  coupled  to  electrospray  ionization  tandem  mass  spectrometry  (UPLC‐ESI‐MS/MS)  method for the analysis of oxylipins. 

Further,  the  master  thesis  work  was  intended  to  build  a  bridge  between  oxylipin  research  and  nutritional lipidomics by further investigating the oxylipin metabolome. Growing interest in alternative  diets and lifestyles like vegetarianism and veganism demands fundamental knowledge about expected  effects on health and therefore comprehensive analysis of involved metabolic pathways. To that end,  the effect of an altered diet (from vegan to vegetarian) on the oxylipin metabolome of human plasma  was studied. According to the response‐to‐challenge model, oxylipin levels were measured during the  time course after a well‐defined meal to investigate the postprandial response. The hypothesis was  that dietary changes have an impact on the individual lipid profile and may also result in alterations of  the oxylipin profile. The aim was to answer the following questions: 

1) Is there a general difference in oxylipin profiles due to vegetarian and vegan diets? 

2) If so, is it a diet‐dependent postprandial oxylipin response? 

3) Is  it  possible  to  detect  consistent  postprandial  responses  in  the  circulating  oxylipin  metabolome after a well‐defined meal? 

To that end, the developed and validated method for the analysis of oxylipins was applied to human  plasma  samples.  Besides  the  study  on  dietary  effects,  two  more  studies  investigating  the  oxylipin  metabolome after exposure with different chemicals and applying the same method are ongoing. The  date of these studies are used for the comparison of oxylipin baseline levels.   

(9)

2. Background 

2.1. Vegetarian and vegan diets 

In  Asia,  people  have  lived  by  vegetarian  principles  for  centuries,  especially  followers  of  the  Hindu,  Buddhist,  and  Jain  religions.  In  the  last  decades  the  interest  in  vegetarian  and  vegan  diets  has  immensely increased in the western world [10]. The share of vegetarians is between 1% and 10% of  the population in the European Union, the USA, and Canada [11]. Results of polls report for Germany  a number of about seven million people (8‐9% of the population) that consider themselves vegetarian  and about 800.000 people consider themselves vegan [12]. 

A vegetarian diet is traditionally interpreted to imply the absence of meat. Further, it can mean the  exclusion of all animal meat and all animal products. There are therefore several variations possible. 

Lacto‐vegetarians include dairy products and lacto‐ovo‐vegetarians include dairy products and eggs in  their diet. Vegans abstain from all foods of animal origin, including dairy products, eggs, and honey,  and may also exclude any products tested on animals, products manufactured from animal products,  as well as clothing from animals. Semi‐vegetarians include fish, seafood, and sometimes even poultry  to their diets, although this definition can be debated. All these diets are additionally characterized by  a greater consumption of fruit, vegetables, legumes, grains, and soy products [11], [13]. 

The  estimates  on  health  effects  of  vegetarian  and  vegan  diets  differ.  There  are  several  benefits  associated with these diets. The American Dietetic Association claims that vegetarian and vegan diets  – if appropriately planned – are healthful and have favorable effects on the prevention and treatment  of certain diseases [14]. Compared to omnivores, vegetarians have a reduced risk of chronic diseases  and  increased  life  expectancy.  Furthermore,  they  tend  to  have  lower  low‐density  lipoprotein  cholesterol levels, lower blood pressure, a lower body mass index, and fewer cases of type 2 diabetes  and cancer [11]. 

The health benefits cannot distinctively be linked to the absence of meat only. There are more factors  that come into play. Beneficial health effects may be due to the increased consumption of plant foods  and therefore higher intake of fiber, phytochemicals, antioxidants, folic acid, vitamin C and D. At the  same time vegetarians and vegans have a lower intake of saturated fat and cholesterol. This as well as  other  lifestyle  components  associated  with  vegetarian  diet  possibly  offering  protective  metabolic  advantages, a decreased blood pressure and BMI [11], [14]. 

Excluding all products of animal origin from the diet causes concerns related to insufficient nutrient  provision.  Likely  deficient  nutrients  are  iron,  vitamin  D  and  B12,  as  well  as  n‐3  fatty  acids.  Fish,  for  instance, contains the essential long‐chain n‐3 fatty acids eicosapentaenoic acid (C20:5n3, EPA) and 

(10)

They are components of the cell membrane and play a role in eye and brain development. The body  can  convert  the  plant‐based  n‐3  α‐linolenic  acid  (18:3n3,  ALA)  into  EPA  and  DHA,  but  with  a  low  efficiency.  Excluding  fish  from  the  diet  results  in  vegetarians  and  vegans  having  lower  blood  concentrations  of  EPA  and  DHA  [11].  To  compensate  for  nutrient  deficiencies,  foods  containing  nutrients of concern should be added to the diet. As for all diets it is therefore vital to assure a balance  of nutrients from a diversity of foods [11], [15]. 

The term vegetarian describes a large group of different diets in terms of nutrient and food content,  making  a  significant  comparison  challenging.  Clear  definitions  are  necessary.  Current  studies  demonstrating beneficial health effects of vegetarian and vegan diets often do not address whether  those effects are based on the absence of meat, on components of the replaced food, or on a generally  different vegetarian and vegan lifestyle [15]. In order to make a precise statement, more studies on  vegetarians and vegans are needed. 

2.2. Oxylipins 

The selection of oxylipins included in the method development is presented in Figure 1. Oxylipins are  a  group  of  oxidized  metabolites  deriving  from  various  polyunsaturated  fatty  acids  (PUFAs)  and  performing a variety of different functions in the human body [17]. Eicosanoids are oxylipins derived  from n‐6 arachidonic acid (C20:4n6, AA). AA is a component of membrane phospholipids. It can be  released  by  the  phospholipase  A2,  as  well  as  formed  from  diacylglycerol  by  diacylglycerol  lipase. 

Eicosanoids  include  the  well  investigated  prostaglandins  (PG)  and  thromoxanes  (TX),  as  well  as  leukotrienes, hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs), epoxyeicosatrienoic acids (EETs), and lipoxins [6]. 

Other  PUFAs  included  in  the  oxylipin  formation  are  for  instance  the  n‐6  fatty  acids  linoleic  acid  (C18:2n6, LA), γ‐ linolenic acid (C18:3n6), and dihomo‐γ‐linolenic acid (C20:3n6, DGLA), as well as the  n‐3 ALA, DHA, and EPA [18]. These precursor PUFAs interact with reactive oxygen and are converted  to  oxylipins  by  three  main  classes  of  enzymes,  cyclooxygenase  (COX),  lipoxygenase  (LOX),  and  cytochrome P450 (CYP), as well as by non‐enzymatic auto‐oxidation (Figure 2). Oxidation via the COX  pathway  generates  prostaglandins  and  thromboxanes,  e.g.  PGE2  and  TXBwith  arachidonic  acid  as  precursor PUFA. They are also referred to as class 2 PGs and TXs due to the two remaining double  bonds. Class 1 and 3 PGs and TXs are formed from DGLA and EPA, respectively. PGEfunctions as an  anti‐inflammatory,  anti‐proliferative  metabolite,  whereas  TXB2  has  pro‐coagulant,  proliferative  properties. 

The LOX pathway can be subdivided into the 5‐LOX, 12‐LOX, and 15‐LOX pathways. Leukotrienes are  generated via 5‐LOX. Other LOX products include alcohols such as the hydroxyeicosatetraenoic acids  (HETEs)  from  AA,  hydroxyoctadecadienoic  acids  (HODEs)  from  LA,  and  hydroxypentaenoic  acids 

(11)

(HEPEs)  from  EPA.  HETEs  serve  as  bioactive  lipid  mediators  in  chemotaxis  and  degranulation  progresses of neutrophils [5]. AA derived metabolites of the 5‐LOX pathway include pro‐inflammatory  5‐HETE,  5‐oxo‐ETE,  as  well  as  leukotriene  B4  (LTB4),  while  LA  products  include  9‐HODE  and  trihydroxyoctadecenoic acids (TriHOMEs). 12‐HETE,  12‐oxo‐HETE, and pro‐inflammatory 9‐HETE are  generated from AA via the 12‐ and 15‐LOX pathways. Several HODEs and HETEs can also be produced  by non‐enzymatic oxidation [5]. 

Oxidation  via  the  CYP  pathway  generates  epoxides  such  as  LA  derived  epoxyoctadecenoic  acids  (EpOMEs)  and  AA  derived  epoxyeicosatrienoic  acids  (EETs).  They  are  known  to  play  a  role  in  cardiovascular  functions  such  as  vasodilatation  of  coronary  arteries.  EpOMEs  and  EETs  are  further  converted  to  diols,  dihydroxyoctadecenoic  acids  (DiHOMEs)  and  dihydroxyeicosatrienoic  acids  (DHETs), by soluble epoxide hydrolase (sEH) [18], [19]. 

Oxylipins belong amongst other substances to the group of regulatory lipids and play important roles  in many physiological processes such as cell proliferation, apoptosis, tissue repair, blood clotting, blood  vessel permeability, inflammation, and immune cell behavior [6]. They are employed as signals in all  cell  types,  e.g.  in  platelets  for  inducing  the  blood  clotting  cascade  and  in  smooth  muscle  cells  for  promoting vasodilation. Further, they are associated to a multitude of autoimmune diseases such as  osteoarthritis, and inflammatory diseases such as heart disease and neural degeneration, as well as  cancer and have also been used as medication in these conditions [18]. Some of the oxylipin functions  have already been allocated, whereas others remain unclear. Further investigations on oxylipins may  provide novel insights into the regulation of biological processes [5]. The development of an accurate,  sensitive, and specific method for determining oxylipin levels will lead to a better understanding of the  often opposing functions of these regulatory lipids. As oxylipins are produced from numerous PUFAs  and  via  different  enzymatic  pathways,  they  form  a  diversity  of  different  molecules  with  yet  similar  structures,  chemistries,  and  physical  properties  [17],  [20].  The  analysis  of  these  metabolites  is  therefore  a  challenging  task  and  requires  high  class  instrumentation  and  advanced  method  development. 

   

(12)

 

 

  Figure  1:  Chemical  structures  of  oxylipins  derived  from  linoleic  acid  (A),  eicosapentaenoic  acid  /  docosahexaenoic acid (B), and arachidonic acid (C). Full oxylipin names are shown in Table A1 in the  appendix. 

(13)

  Figure 2: Formation of oxylipins via different enzymatic pathways and PUFA precursors. Adapted from  Zivkovic et al [18]. 

2.3. Oxylipin analysis 

There  are  several  approaches  for  analyzing  bioactive  lipids  such  as  oxylipins.  Immunoassays  (e.g. 

radioimmunoassay, enzyme‐linked immunosorbent assay) utilize antibodies to target only one or a few  analytes. Gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC‐MS) is a sensitive technique for a  larger spectrum of compounds. However, as derivatization is required, additional steps in the analytical  protocol are necessary and it is not suitable for thermally unstable analytes. Liquid chromatography  coupled to mass spectrometry (LC‐MS) avoids problems associated with GC‐MS. It is a method with  high sensitivity and currently used for simultaneously analyses of many compounds [5], [21]. 

2.3.1. The analytical protocol 

For the LC‐MS analysis of bioactive lipids, samples undergo a process including preparation by solid  phase extraction (SPE), separation by high performance liquid chromatography (HPLC), and detection  by MS, followed by quantification. 

(14)

  Figure 3: Overview of the analytical protocol used for oxylipin analysis of human plasma samples. 

Solid phase extraction 

SPE is a separation technique based on selective partitioning of the analytes of interest between a solid  and a liquid phase. It is used for extracting the analytes from plasma to remove compounds that might  cause  matrix  effects  during  analysis  later  on  and  concentrating  the  analytes  at  the  same  time. 

Therefore, a cartridge containing a solid adsorbent is first conditioned, loaded with the sample (in our  study usually 500 µL) and then washed to remove residues while the analytes retain in the adsorbent. 

The analytes are eluted from the cartridge with an appropriate solvent. This, as well as the solvent for  washing and the adsorbent material in the cartridge, should be chosen with regard to the chemical  and physical characteristics in relation to the analyte of interest. The Hydrophobic‐Lipophilic Balance  (HLB) cartridges used in our experimental procedure contain a polymeric reversed‐phase sorbent [22]. 

Due to mainly deviations caused by differences between cartridge batches and irregular use of the  required  vacuum,  the  use  of  type  I  internal  standard  is  recommended  to  compensate  for  those  deviations [23], [24]. 

High performance liquid chromatography 

HPLC is an analytical technique used to separate a sample into its single compounds giving a series of  chromatographic  peaks,  to  utilize  identification  and  quantification  of  each  compound.  Therefore,  a  liquid  sample,  or  a  solid  sample  dissolved  in  an  appropriate  solvent,  is  carried  through  a  chromatographic column (stationary phase) by a solvent (mobile phase). Chromatographic separation  is  achieved  by  different  kinds  of  interactions  of  the  compounds  with  the  stationary  phase  and  the  mobile  phase,  such  as  solute/stationary‐phase  interactions  (liquid‐solid  adsorption,  liquid‐liquid‐

partitioning, ion exchange, and size‐exclusion) and solute/mobile‐phase interactions. The higher the  affinity of the solute to the column material, the more it is retained in the column and the later it elutes  (longer retention time). The higher the affinity of the solute to the liquid phase, the earlier it elutes  (shorter retention time). 

(15)

Depending on the properties of stationary and mobile phases, two forms of liquid chromatography are  distinguished.  For  both,  the  elution  of  compounds  is  controlled  by  their  polarity.  In  normal‐phase  chromatography the stationary phase is polar and the mobile phase nonpolar. More commonly used  is reversed‐phase chromatography with a nonpolar stationary phase and a polar mobile phase. The  more polar a compound, the less it interacts with the stationary phase and therefore the sooner it  elutes from the column. On the other hand, the least polar compound is retained the longest in the  column and elutes at a later stage from the column. Longer or shorter retention times can be achieved  by increasing or decreasing the polarity of the mobile phase, respectively. The most commonly used  column  material  for  reversed‐phase  chromatography  is  an  organochlorosilane  for  which  the  alkyl  group is an n‐octyl (C8) or n‐octyldecyl (C18) hydrocarbon chain. Separation can be performed using  either a mobile phase with constant composition (isocratic elution) or varying composition (gradient  elution). For gradient elution, the composition of the mobile phase changes linearly, nonlinearly, or in  steps, during the analytical run. For reversed‐phase chromatography the mobile phase composition is  relatively polar at the beginning and becomes less polar during the run. It allows for optimal conditions  for both early and late eluting solvents. 

HPLC enables a highly resolved separation of a broad range of different substances in a short time. 

Contrary to GC it is suitable to low‐volatile and thermally unstable compounds if they are soluble in a  solvent. 

For  detecting  the  separated  compounds  several  types  of  detectors  (e.g.  UV/Vis,  fluorescence,  electrochemical) may be used. In LC‐MS the effluent from the column is directly transferred to a mass  spectrometer [23], [24], [25]. 

Tandem mass spectrometry 

Mass spectrometry is an analytical technique that is used for generation, separation, and detection of  ions in gas phase. A mass spectrometer consists of an ion source (for generating ions), a mass analyzer  (for separating ions), and an ion detector (for receiving and amplifying the signal). They are operated  under high vacuum conditions. The effluent from the LC column is led to the ionization chamber of the  mass spectrometer where the solvent is evaporated and solutes are ionized. Each solute is thereby  fragmented into characteristic ions. In the analyzer, the ions are separated by their mass to charge  ratio  (m/z).  The  qualitatively  and  quantitatively  detection  of  the  ions  by  their  respective  m/z  and  abundance then occurs in the detector [25], [26]. 

There are several ways for chemically or physically generating ions in the ion source. According to the  type of ion source either hard ionization (e.g. electron ionization) or soft ionization (e.g. electrospray  ionization) of analytes can be performed. For polar analytes and especially when coupling LC to MS, as 

(16)

it accomplishes the transfer of ions from the liquid to the gas phase, electrospray ionization (ESI) is one  of the most commonly used technique. None or only minor fragmentations are then generated. The  molecules are being desolvated and ionized to small droplets and further to molecular ions. An ESI ion  source consists of a capillary needle where the liquid sample is  nebulized  by  a high pressure being  applied and charged by a surrounding electrode at a potential of 3000‐4000 V. The mist consists then  of charged molecular ions. Entering the desolvating capillary the mist is being desolvated by a drying  gas (e.g. dehydrated nitrogen) or heat and the existing droplets divide into smaller droplets of either  positive or negative charge. The charged ions are then focused towards the mass analyzer [26], [27]. 

In the mass analyzer ions are separated according to their mass to charge ratio. To operate tandem  mass  spectrometry  (MS/MS)  the  mass  spectrometer  contains  more  than  one  analyzer.  A  triple  quadrupole (QQQ) is typically used for electrospray ionization. Three quadrupoles (Q1, Q2, and Q3) are  arranged  sequentially,  each  quadrupole  consists  of  two  positively  and  two  negatively  charged  rods  with alternating AC and DC currents. Potential differences accelerate the molecular ions through the  quadrupole. High vacuum conditions prevent the ions from colliding with the four rods and therefore  ensure they maintain charge and can be detected. Q1 and Q3 of the triple quadrupole serve as normal  mass filters and Q2 is used as a collision cell [27], [28]. 

For a triple quadrupole, tandem mass spectrometer multiple reaction monitoring (MRM) mode is most  commonly utilized. A precursor ion with a specific m/z is selected in the first quadrupole Q1 and then  transferred to the second quadrupole Q2 where it is fragmented. Then, a specific product ion is selected  by Q3. The two stages of mass selection enables a specific detection of analytes and little background  interferences even in a complex matrix like plasma [29]. 

2.3.2. Agilent 6490 Triple Quadrupole 

Plasma  samples  were  analyzed  using  an  Agilent  6490  Triple  Quadrupole  LC‐MS  system  promising  remarkable sensitivity (zeptomole), reliability, and up to six orders of dynamic range. It is equipped  with Agilent’s iFunnel technology consisting of three novel components, the Agilent Jet Stream (AJS)  technology, a hexabore capillary, and a dual ion funnel, enabling delivering far more ions to the mass  spectrometer while efficiently removing the gas load [30]. The iFunnel technology ensures high ion  generation and allows a more efficient ion transfer and therefore more ions to be captured by the  mass spectrometer. 

The  AJS  technology  consists  of  a  sprayer  that  surrounds  the  droplets  that  are  created  during  nebulization with a sheath of superheated gas. Gas temperatures of up to 400 °C effectively desolvate  the droplets and produce substantially smaller droplet sizes. The fast flowing gas focuses the spray  near the MS inlet and minimizes the ion rich zone to about one fifth the size of a regular ESI ion source  (Figure 4). This leads to much higher signal intensities. 

(17)

 

Figure 4: Comparison of Agilent Jet Stream spray (orange) and regular ESI spray (green). Adapted from  Agilent Technologies [31]. 

The hexabore capillary is composed of a circular array of six capillaries that span a horizontal distance  of 3 mm within the ion rich zone (Figure 5). Compared to a single inlet capillary (0.6 mm) more gas is  conducted  to  the  MS.  The  capillary  length  is  about  half  the  size  of  a  single  inlet  capillary  enabling  decreased  capillary  gas  flow  resistance  and  minimized  ion  loss  caused  by  high  mobility.  Therefore,  more ions are sampled from the AJS without the need of separating them from a large volume of gas. 

 

Figure 5: Hexabore capillary consisting of six capillaries and spanning within the ion rich zone. Adapted  from Agilent Technologies [31]. 

The  dual  ion  funnel  consists  of  an  initial  funnel  operating  at  high  pressure  and  a  second  funnel  operating at low pressure (Figure 6) Voltages and radio frequencies (RF) of the first funnel focus and  accelerate ions to the second funnel and further to the entrance of the mass analyzer, while removing 

(18)

gas and neutral species. Combining these three elements enable the iFunnel technology to increase  ion sampling, gain in sensitivity, and lower the limits of detection [31]. 

  Figure  6:  Dual  ion  funnel  removes  gas  and  neutral  species  and  focuses  ions  to  the  mass  analyzer. 

Adapted from Agilent Technologies [31]. 

The Agilent 6490 Triple Quadrupole further includes the dynamic MRM mode. MRM is currently most  widely  utilized  and  therefore  time  segmentation  is  usually  the  common  approach.  Thereby  the  chromatographic run is dived into time segments. Mass scans are only performed for analytes that  elute  during  each  segment  so  that  there  are  fewer  concurrent  transitions  during  each  MS  scan. 

However, if the number of analytes increases so will the number of concurrent transitions. Dynamic  MRM offers a reduction of those transitions without the requirement of reducing dwell times for these  transitions  or  increasing  the  cycle  time  for  each  scan.  Retention  time  windows  for  every  analyte  transition are selected and analytes are only monitored at those times, whereas no monitoring occurs  where no compounds elute. In addition, modifications in the method e.g. adding more analytes can  easily  be  made.  Thus,  dynamic  MRM  provides  methods  for  accurately  analyzing  and  quantifying  hundreds  of  compounds  as  well  as  easier  method  development  [29].  Furthermore,  method  development is facilitated by the MassHunter Optimizer software since it allows automated compound  optimization  for transitions and  collision energies.  The  MassHunter Source Optimizer automatically  optimizes iFunnel RF and seven ion source parameters (capillary voltage, nozzle voltage, drying gas  temperature, drying gas flow, sheet gas temperature, sheet gas flow, and nebulizer gas flow). 

2.4. Method development 

There are special requirements when a method for analyzing bioactive lipids is developed. As most of  them are present in plasma at very low concentrations, a method with good sensitivity and low limit  of detection is indispensable. At the same time, their concentrations can deviate for more than three  orders of magnitude, so calibration curves should cover this range [6]. Many of them are structurally 

(19)

similar  or  even  isomers,  and  some  of  them  also  have  the  same  MRM  transitions.  Therefore  good  chromatographic  separation  is  needed.  Furthermore,  the  instability  of  some  compounds  as  well  as  matrix effects must be considered. Another important aspect is to analyze a broad range of analytes  simultaneously  during  as  short  as  possible  run  time.  Thus,  to  achieve  a  method  suitable  to  these  requirements,  it  is  necessary  to  carefully  optimize  all  steps  of  the  method,  especially  liquid  chromatography and mass spectrometry parameters [17]. 

2.5. Method validation 

A developed method must be tested to assure the suitability for its intended use. To that end it can be  validated  according  to  guidelines  given  by  different  organizations  such  as  the  Laboratory  of  the  Government Chemists (LGC) and the United States Food and Drug administration (FDA). The validation  process  should  be  performed  before  the  initial  use  of  a  method,  when  transferring  to  another  equipment or laboratory, and whenever single conditions change (e.g. using samples with a different  matrix). 

The validation can be established with the help of laboratory studies, several parameters are therefore  examined [32]. A method for the analysis of 39 oxylipins in plasma has previously been developed by  Yang  et  al  [8].  For  validation  purposes,  they  determined  linearity,  limit  of  quantification  (LOQ),  accuracy, precision, and the recovery. 

Linearity is defined as the ability of a method to obtain responses that are directly proportional to the  amount of the compounds in the sample. It can be assessed by injecting and analyzing serial dilutions  of  standard  solutions  that  span  80‐120%  of  the  expected  concentration  range  [32].  Peak  areas  are  plotted against the amount of compounds and curve equations are calculated by linear regression. The  coefficient of regression (R2) can be used to evaluate linearity. The closer it is to 1, the more linear the  equation. 

Limit of quantification is defined as the amount of sample giving a signal to noise ratio equal or greater  than 10 [17]. 

The  accuracy  identifies  how  close  the  result  of  an  experiment  is  to  the  expected  result.  For  determination of accuracy, quality control (QC) samples with known concentration are measured and  the results are compared to the true values. 

Precision is considered to be the scatter of values when a sample is measured a couple of times. It can  also be determined with the help of QC samples. By injecting them 3 times a day and replicates on 3  different days intraday precision and accuracy and interday precision and accuracy, respectively, can  be determined. 

(20)

When spiking the matrix with a specific amount of a compound, the recovery is defined as the amount  of  this  compound  that  can  be  detected  after  extraction  and  analysis.  As  the  recovery  provides  information  about  the  effectiveness  of  the  sample  preparation,  the  process  of  determining  the  recovery should mimic the sample preparation as much as possible [17], [23]. 

3. Experimental section 

3.1. Chemicals and materials 

Native  (PGF2a,  PGE2,  TXB2,  PGD2,  5(6)‐EET,  8(9)‐EET,  11(12)‐EET,  14(15)‐EET,  5,6‐DHET,  8,9‐DHET,  11,12‐DHET,  14,15‐DHET,  9(10)‐EpOME,  12(13)‐EpOME,  9,10‐DiHOME,  12,13‐DiHOME,  5‐HETE,  8‐

HETE,  9‐HETE,  11‐HETE,  12‐HETE,  15‐HETE,  20‐HETE,  9‐HODE,  13‐HODE,  15(S)‐HETrE,  12‐HEPE,  17‐

HDoHE,  5‐oxo‐ETE,  12‐oxo‐ETE,  15‐oxo‐ETE,  13‐oxo‐ODE,  LTB4,  Resolvin  D2,  and  Resolvin  D1)  and  internal  standards  (12,13‐DiHOME‐d4,  12(13)‐EpOME‐d4,  9‐HODE‐d4,  PGE2‐d4,  and  TXB2‐d4)  were  purchased  from  Cayman  Chemical  (Ann  Arbor,  MI,  USA)  with  exception  of  9,10,13‐TriHOME  and  9,12,13‐TriHOME  obtained  from  Larodan  (Sweden,  Malmö).  Recovery  standard  (CUDA)  was  from  Cayman Chemical (Ann Arbor, MI, USA). 

All solvents used for analysis were of HPLC grade. Ethyl acetate was purchased from Fisher Scientific  (Loughborough,  UK),  methanol  and  acetonitrile  (ACN)  from  Fisher  Scientific  (Loughborough,  UK)  or  Merck (Darmstadt, Germany), isopropanol from VWR PROLABO (Fontenay‐sous‐Bois, France). Acetic  acid  was  purchased  from  Aldrich  Chemical  Company,  Inc.  (Milwaukee,  WI,  USA).  Phosphate  buffer  saline  was  from  Fluka  Analytical,  Sigma‐Aldrich  (Buchs,  Switzerland).  Butylhydroxytoluene  from  Cayman  Chemical  (Ann  Arbor,  MI,  USA)  and  ethylenediaminetetraacetic  acid  from  Fluka  Analytical,  Sigma‐Aldrich (Buchs, Switzerland). Glycerol was from Fischer Scientific (Loughborough, UK). Oasis HLB  cartridges (60 mg) were purchased from Waters (Milford, MA, USA), 5 mL cryo tubes from Sarstedt  (Nümbrecht, Germany), vials from Thermo Scientific (Langerwehe, Germany). 

3.2. Method development for Agilent 6490 Triple Quadrupole 

An  in‐house  method  for  solid  phase  extraction  (SPE)  and  ultra‐performance  liquid  chromatography  coupled  to  mass  spectrometry  (UPLC‐ESI‐MS/MS)  for  analyzing  16  oxylipins  in  human  plasma  had  already  been  applied.  To  achieve  better  sensitivity  and  faster  data  acquisition,  this  method  was  transferred to a new and more sensitive instrument. Furthermore, the number of analytes in a single  analysis was increased from 16 to 37. Several steps of optimization were therefore taken. 

The UPLC system consisted of an Agilent 6490 Triple Quadrupole system equipped with the iFunnel  Technology  source  (Agilent  Technologies,  Santa  Clara,  CA,  USA).  Using  the  MassHunter  Optimizer  software (Agilent), transitions and collision energies for all standards and internal standards (solutions 

(21)

at 0.5 µg/mL) could be determined using negative mode. The collision energy range was set from 0 to  40 V. The two most intense transitions were selected for each compound, one to use as quantifier and  the other as qualifier. After comparing the results with data found in the literature, for two compounds  also a manual optimization was performed. 

Different  gradients  and  different  solvents  found  in  the  literature  were  compared  and  tested.  A  comparison is shown in Table A2 (see Appendix). Different flow rates were tested as well. The optimal  conditions  are  summarized  in  Table  1.  For  chromatographic  separation  an  Acquity  UPLC  BEH  C18  column (Waters, Milford, MA, USA) with In‐Line filter (1.7 µm, 2.1 x 150 mm) and a constant flow rate  of 0.3 mL/min was used. The autosampler temperature was kept at 10 °C, the column at 40 °C. 

Table 1: Applied HPLC gradient. Eluent A: 0.1% acetic acid in water. Eluent B: acetonitrile / isopropanol  (90:10). 

Time [min]  [%] B 

0.0‐3.5  10‐35 

3.5‐5.5  40 

5.5.‐7.0  42 

7.0‐9.0  50 

9.0‐15.00  65 

15.0‐17.0  75 

17.0‐18.5  85 

18.5‐19.5  95 

19.5‐21.0  10 

21.0‐25.0  10 

The Source and iFunnel Optimization was executed for optimizing eight parameters. A mixture of all  native  and  internal  standards  was  injected  and  run  with  column.  The  electrospray  ionization  was  conducted  in  negative  mode  with  the  capillary  and  nozzle  voltage  set  at  4000  V  and  1500  V,  respectively.  Drying  gas  temperature  was  set  at  230  °C  with  a  gas  flow  of  15  L/min.  Sheet  gas  temperature was set at 400 °C with a gas flow of 11 L/min. The nebulizer gas flow was 35 psi, high and  low pressure RF at 90 and 60 V, respectively. The dynamic MRM option was used and performed for  all compounds with optimized transitions and collision energies. The determination and integration of 

(22)

all  peaks  was  manually  performed  using  MassHunter  Workstation  software.  Peaks  were  smoothed  before integration and peak to peak S/N was determined using the area. 

iFunnel high pressure and low pressure RF were optimized together because they were dependent on  each other. Sheath gas temperature and flow, drying gas temperature and flow, as well as capillary  voltage, nozzle voltage, and nebulizer pressure were optimized individually. In total around 100 runs  were  performed.  For  each  run  and  for  each  compound,  peak  areas  and  S/N  were  determined  and  compared. The settings that gave highest areas were considered to be optimal. But since compounds  were optimized at different parameters, compromises had to be made. 

Instead of setting up certain time segments to maximize dwell times, a dynamic MRM method was  used. Retention times and a delta retention time windows were therefore set for each compound. 

By comparing retention times, internal standards were assigned to each native standard. 

The retention times were established by injecting individually 10 µL of each compound’s stock solution  (10 µg/mL). 

3.3. Method Validation 

The method was validated according to the U.S. Food and Drug Administration (FDA) guidelines over  three consecutive days for linearity, limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ), inter‐ 

and intraday precision and accuracy, and recovery. Stability tests are still undergoing. 

3.3.1. Linearity, LOQ and LOD 

To determine the linearity of the method, a standard mixture (S1) consisting of stock solutions of each  native standard was prepared and then diluted with methanol several times to establish LOD and LOQ  (S2‐S18).  For  injection,  90  µL  of  the  standard  mixture  (Sn)  was  spiked  with  10  µL  internal  standard  mixture  (IS4,  50000/25000  pg/mL)  and  10  µL  recovery  standard  solution  (0.005  µg/mL  CUDA  (12‐

[[(cyclohexylamino)carbonyl]amino]‐dodecanoic acid)). After UPLC‐ESI‐MS/MS analysis, the ratios of  standard peak area and corresponding internal standard peak area were plotted against the amount  of standard on column. Calibration curve equations for each native standard were calculated by linear  regression  using  the  equation  y  =  m(x)  +  b  where  “y”  was  equal  to  the  ratio  of  standard  area  and  corresponding internal standard area, “m” was equal to the slope of the curve, and “b” was equal to  the y‐interception of the curve (set to 0). Dilutions and concentrations of the standard mixtures are  shown in Table A3 in the appendix. 

LOQ and LOD were defined as the concentration at which the S/N was equal or greater than 10 and 3,  respectively. 

 

(23)

3.3.2. Precision and accuracy 

Accuracy and precision were determined using 4 quality control samples (QC) of 100 mM phosphate  buffer saline (PBS) spiked with native standard mixtures at different concentrations (S2: 130000 pg/mL,  S4: 33000 pg/mL , S5: 1600 pg/mL, S7: 4100 pg/mL). Three replicates of each QC sample were prepared  and extracted by SPE as described below and analyzed by UPLC‐ESI‐MS/MS in the same batch together  with a complete set of calibration standards on three different days. The concentration of each QC  sample was determined using the calibration curve obtained in each batch. 

The intraday precision was calculated by dividing the standard deviation by the average value of the 3  injections. The intraday accuracy was determined by comparing the average value of the 3 injections  and the expected value, and expressed as fraction of the expected value (in %). 

Interday precision and accuracy were determined as the average value of the 3 intraday precision and  accuracy values, respectively. 

3.3.3. Recovery 

The recovery of the method was established by spiking 250 µL of 100 mM phosphate buffer saline  (PBS) solutions with 10 µL of different internal standard mixtures (IS1: 1000000/500000 pg/mL, IS2:  200000/100000  pg/mL,  IS4: 50000/25000  pg/mL)  prior  to  extraction.  The  same  procedure  was  repeated for internal standards in human plasma. 

The ratios of the internal standard area and the recovery standard area were plotted against the on  column  amount,  and  concentrations  were  calculated  using  internal  standard  curve  equations.  The  recovery for each internal standard was determined by the fraction of the measured value in relation  to the expected value. 

3.3.4. Stability 

The stability of each analyte was determined by measuring the concentrations in the samples directly  after collection and at different time points after storage at ‐20 and ‐80 °C and with two freeze‐thaw  cycles. Stability of working solutions was determined by comparing fresh solutions and solutions stored  at ‐80 °C for four weeks. 

3.4. Oxylipin quantification of plasma samples from the diet study 

Plasma  samples  obtained  from  the  diet  study  were  extracted  and  analyzed  by  UPLC‐ESI‐MS/MS  according to the previously developed and validated method. 

3.4.1. Standard selection 

The aim was to increase the number of analytes measured simultaneously in a single analytical run. A 

(24)

compared to assess importance of investigated oxylipins [33], [17], [34], [35], [36], [5]. Main emphasis  was put on n‐6 AA and LA derived metabolites because they have been found to be present in plasma  the most [5]. The final selection of 37 oxylipins is shown in Table 2. 

Table 2: Selected oxylipins 

Oxylipin  Abbreviation  Class  Precursor 

fatty acid 

Pathway

Prostaglandin F2a  PGF2a  Triol  AA  COX 

Prostaglandin E2  PGE2  Diol/Ketone AA  COX 

Thromboxane B2  TXB2  Triol  AA  COX 

Prostaglandin D2  PGD2  Diol/Ketone AA  COX 

5(6)‐epoxy‐eicosatrienoic acid  5(6)‐EET  Epoxide  AA  CYP 

8(9)‐epoxy‐eicosatrienoic acid  8(9)‐EET  Epoxide  AA  CYP 

11(12)‐epoxy‐eicosatrienoic acid  11(12)‐EET  Epoxide  AA  CYP  14(15)‐epoxy‐eicosatrienoic acid  14(15)‐EET  Epoxide  AA  CYP 

5,6‐dihydroxy‐eicosatrienoic acid  5,6‐DHET  Diol  AA  CYP 

8,9‐dihydroxy‐eicosatrienoic acid  8,9‐DHET  Diol  AA  CYP 

11,12‐dihydroxy‐eicosatrienoic acid  11,12‐DHET  Diol  AA  CYP  14,15‐dihydroxy‐eicosatrienoic acid  14,15‐DHET  Diol  AA  CYP 

9(10)epoxy‐octadecenoic acid  9(10)‐EpOME  Epoxide  LA  CYP 

12(13)epoxy‐octadecenoic acid  12(13)‐EpOME  Epoxide  LA  CYP 

9,10‐dihydroxy‐octadecenoic acid  9,10‐DiHOME  Diol  LA  CYP 

12,13‐dihydroxy‐octadecenoic acid  12,13‐DiHOME  Diol  LA  CYP 

5‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  5‐HETE  Alcohol  AA  5‐LOX 

8‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  8‐HETE  Alcohol  AA  15‐LOX 

9‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  9‐HETE  Alcohol  AA  15‐LOX 

11‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  11‐HETE  Alcohol  AA  15‐LOX 

12‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  12‐HETE  Alcohol  AA  15‐LOX 

15‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  15‐HETE  Alcohol  AA  15‐LOX 

20‐hydroxy‐eicosatetraenoic acid  20‐HETE  Alcohol  AA  CYP 

9‐hydroxy‐octadecadienoic acid  9‐HODE  Alcohol  LA  5‐LOX 

13‐hydroxy‐octadecadienoic acid  13‐HODE  Alcohol  LA  5‐LOX 

(25)

15‐hydroxy‐eicosatrienoic acid  15(S)‐HETrE  Alcohol  AA  15‐LOX  12‐hydroxy‐eicosapentaenoic acid  12‐HEPE  Alcohol  EPA  15‐LOX  17‐hydroxy‐docosahexaenoic acid  17‐HDoHE  Alcohol  DHA  15‐LOX 

5‐oxo‐eicosatetraenoic acid  5‐oxo‐ETE  Ketone  AA  5‐LOX 

12‐oxo‐eicosatetraenoic acid  12‐oxo‐ETE  Ketone  AA  15‐LOX 

15‐oxo‐eicosatetraenoic acid  15‐oxo‐ETE  Ketone  AA  15‐LOX 

13‐oxo‐octadecadienoic acid  13‐oxo‐ODE  Ketone  LA  5‐LOX 

9,10,13‐trihydroxy‐octadecenoic acid  9,10,13‐TriHOME  Triol  LA  5‐LOX  9,12,13‐trihydroxy‐octadecenoic acid  9,12,13‐TriHOME  Triol  LA  5‐LOX 

Leukotriene B4  LTB4  Diol  AA  5‐LOX 

7S,16R,17S‐trihydroxy‐

4Z,8E,10Z,12E,14E,19Z‐

docosahexaenoic acid 

Resolvin D2  Triol  DHA  5, 15‐

LOX 

7S,8R,17S‐trihydroxy‐

4Z,9E,11E,13Z,15E,19Z‐

docosahexaenoic acid 

Resolvin D1  Triol  DHA  5, 15‐

LOX 

 

3.4.2. Standard curve preparation 

As  methyl  acetate  is  unsuitable  for  analysis  due  to  its  high  volatility,  standards  supplied  in  methyl  acetate were first evaporated under nitrogen and reconstituted in either 50 or 500 µL ethanol. To solid  standards,  1000  µL  ethanol  was  added.  Stock  solutions  of  each  standard  in  methanol  with  concentrations of 10 µg/mL were prepared by adding either 10 or 100 µL of the commercial solution  to 990 or 900 µL methanol, respectively. For the strongest standard mixture (S1) 100 µL of each stock  solution was added to a final volume of 3.8 mL. Exact steps of preparations are shown in Table A3 in  the appendix. 

To  obtain  the  calibration  curve  solutions,  serial  dilutions  in  methanol  were  prepared  (S2‐S13).  The  dilution  steps  and  concentrations  of  the  standard  curve  solutions  are  shown  in  Table  A4  in  the  appendix. The calibration curves were determined as previously described in the method validation  section. 

Only standard mixtures generating peaks with S/N > 10 were used for the calibration curves of each  standard. Thus, for many standards the lowest standard mixture (S13) was not included. 

 

(26)

3.4.3. Internal standards and internal standard curve preparation 

Stock solutions of each internal standard in methanol with concentrations of either 5 or 10 µg/mL were  prepared.  Internal  standards  supplied  in  methyl  acetate  were  evaporated  under  nitrogen  and  reconstituted in either 100, 250, or 500 µL ethanol. The strongest internal standard mixture (IS1) was  prepared by adding 250 µL of each stock solution to a final volume of 1250 µL It was then diluted 5  times to obtain the internal standard curves (IS2‐IS6). Dilutions and concentrations are found in Table  A5 and Table A6 in the appendix. 90 µL of methanol was spiked with 10 µl of each internal standard  mixture  and  10  µL  of  the  recovery  standard  solution  (0.005  µg/mL  CUDA)  and  the  solutions  were  analyzed by UPLC‐ESI‐MS/MS. The calibration curves were determined as previously described in the  method  validation  section.  To  determine  the  internal  standard  mixture  for  spiking  samples  and  standards, the obtained internal standards areas were compared to match with the native standard  areas. 

For the recovery calculations, solutions of CUDA in methanol were prepared. 5 mg CUDA was dissolved  in 5 mL of methanol (concentration: 1000 µg/mL) and then diluted in methanol several times to obtain  the stock solution (100 µg/mL), a working solution (1 µg/mL) and potential spiking solutions (0.05 and  0.005  µg/mL).  Spiking  solutions  were  analyzed  by  UPLC‐ESI‐MS/MS  to  determine  the  proper  concentration for spiking samples and standards. 

3.4.4. Solid phase extraction (SPE) 

A previously published SPE protocol was adapted for sample preparation [37]. Briefly, on the day of  extraction the plasma samples were thawed at room temperature and centrifuged. 

SPE  Waters  Oasis  HLB  cartridges  (60  mg  sorbent,  30  μm  particle  size)  were  first  washed  with  one  column  volume  of  ethyl  acetate,  two  column  volume  of  methanol,  and  then  conditioned  with  two  column volumes of wash solution (5% methanol, 0.1% acetic acid). A quantitative volume of plasma  (300 ‐ 500 µL depending on the amount supplied) was loaded onto the SPE cartridges and spiked with  10  μL  of  internal  standard  solution  (SI4)  and  10  µL  antioxidant  solution  (0.2  mg/mL  BHT/EDTA  in  methanol/water (1:1)). 

Cartridges were washed with two CV wash solution, dried under high vacuum for about 2 minutes, and  eluted with 2 mL methanol and 2 mL ethyl acetate into tubes containing 6 µL of a glycerol solution  (30%  in  methanol).  Glycerol  operates  as  a  trap  solution  for  the  compounds.  After  extraction,  high  vacuum was applied for 1‐3 minutes to remove remaining ethyl acetate. Afterwards, the solvents were  evaporated under vacuum (SpeedVAC system, Farmingdale, NY, USA) until only glycerol remained and  the tubes were stored at ‐80 °C until analysis. The residues were then reconstituted in 100 µL methanol 

(27)

and tubes were vortexed. The solutions were transferred to LC vials and 10 µL of the recovery standard  solution was added (0.005 µg/mL CUDA) and UPLC‐ESI‐MS/MS analysis was performed immediately. 

3.4.5. Statistical analysis 

Analyte  levels  were  calculated  and  expressed  as  mean  ±  standard  error  of  the  mean,  using  the  GraphPad  Prism  6  (San  Diego,  CA,  U.S.A.).  Differences  between  time  points  within  the  vegan  and  vegetarian diet for each compound were assessed using two‐way ANOVA conducted with post hoc  Tukey’s multiple comparison test. Student’s t‐test was used to detect significant differences between  the vegan and vegetarian diets for each time point. The significant level was defined as p < 0.05. 

3.4.6. Diet study design 

Plasma samples were collected from a subject at two different dietary conditions. At first collection  occasion, the subject was on a vegan diet excluding all foods of animal origin. Samples were collected  at 4 different time points, one at a fasting state after an overnight fast, and at 0.5h, 1h, and 2h after a  well‐defined meal in order to monitor the postprandial response. The meal consisted of approximately  350  g  bananas  and  provided  15  %  of  daily  calories.  The  sample  collection  was  repeated  on  three  different days. After sampling, the subject changed the diet from vegan to vegetarian and therefore  adding dairy products and egg to the diet. The same sampling protocol was carried out after 1.5 years  on the new diet, on three different days in accordance to the previous time points (at a fasting state,  and at 0.5h, 1h, and 2h after the same well‐defined meal). In total 24 plasma samples were collected. 

The subject was a healthy female aged 29‐30 with BMI 20. 

4. Results and discussion 

4.1. Method development 

A  UPLC‐ESI‐MS/MS  method  was  developed  and  validated  for  the  analysis  of  37  oxylipins  in  human  plasma samples. Several parameters were tested. For LC separation, a previously published gradient  [17]  consisting  of  0.1%  acetic  acid  in  water  (eluent  A)  and  acetonitrile  /  methanol  /  acetic  acid  (85:15:0.1%)  (eluent  B)  led  to  a  poor  separation  of  the  two  isomers  PGE2  and  8‐iso‐PGE2  that  are  especially  relevant  for  further  studies.  Separation  of  all  compounds  including  PGE2  and  8‐iso‐PGE2  could  be  achieved  by  changing  eluent  B  to  acetonitrile  /  isopropanol  (90:10),  in  accordance  with  Strassburg et al [5]. Optimized conditions and the applied gradient are shown above (in the Method  development  for  Agilent  6490  Triple  Quadrupole  section).  Adding  0.1%  acetic  acid  to  eluent  B  improved  signals  for  the  prostaglandins  PGD2,  PGE2,  PGF,  and  TXB2,  but  worsened  signals  for  the  other compounds. 

MassHunter  Optimizer  software  gave  transitions  and  collision  energies  for  all  native  and  internal 

(28)

(on standard mixtures) and therefore transitions reported in the literature [5] were manually added. 

MRM  chromatograms  for  all  native  and  internal  standards  are  shown  in  Figure  7  and  Figure  8.  A  detailed  list  of  MRM  transitions  and  collision  energies  can  be  found  in  Table  3.  The  most  intense  transitions were used for quantification purposes and are marked in bold; the second transition was  used as qualifier fragment. Internal standards were assigned to each native standard according to their  retention times, with the exception of 14(15)‐EET, 11(12)‐EET, 5‐oxo‐ETE, 8(9)‐EET, and 5(6)‐EET that  were  eluting  close  to  12(13)‐EpOME‐d4  but  were  assigned  to  9‐HODE‐d4,  because  better  linearity  could be achieved since there was low recovery of 12(13)‐EPOME‐d4. 

Strassburg  et  al.  [5]  and  Yang  et  al.  [38]  have  developed  methods  for  the  analysis  of  oxylipins. 

Strassburg et al. analyze 100 oxylipins in a single analytical run using a similar equipment to ours, while  Yang et al use a triple quadropole MS of another brand. The method by Strassburg et al comprehends  oxylipins that are also included in our method, with the exception of Resolvin D2 and D1 (only included  in our method). They determined different transitions for PGE2, 5,6‐DHET, 12‐HEPE, 13‐HODE, 9‐HODE,  15‐HETE, 5‐HETE, and 12(13)‐EpOME (Table 3). The other transitions match our results. 

Eight parameters were optimized using the Source and iFunnel Optimization software and peak areas  for each run and each compound were compared. Table 4 shows the parameters that were found to  be optimal for most of the compounds. Strassburg et al. found similar optimal parameters. 

Dynamic MRM with defined retention time windows instead of time segments was performed allowing  the instrument to monitor transitions only during the stated time window and therefore reducing the  number  of  concurrent  transitions.  An  extracted  ion  chromatogram  of  all  oxylipins  included  in  the  method is shown in Figure 9. 

 

(29)

 

23 

  Figure 7: Multiple reaction monitoring (MRM) chromatograms of native standards included in the method. 

(30)

 

24 

  Figure 8: Multiple reaction monitoring (MRM) chromatograms of native and internal standards included in the method. 

(31)

 

25 

Table 3: Optimized multiple reaction monitoring (MRM) transitions and collision energies for all 37 native and 5 internal standards. Most intense transitions  are marked in bold. 

Standard  Internal standard  Retention  time [min] 

Parent  ion  [M‐H]‐ 

Product ions   

Collision  energy [V] 

Fragmentor  voltage [V] 

Product ions  Strassburg [5] 

Product ions  Yang [38] 

TXB2‐d4  ‐  7.545  373.25  173.00 

199.00 

9  9 

380  173.10  ‐ 

TXB2  TXB2‐d4  7.573  369.23  169.10 

195.00 

13  9 

380  169.10  195.10 

9,12,13‐TriHOME  TXB2‐d4  8.145  329.23  211.10 

229.10 

21  17 

380  211.20  211.10 

9,10,13‐TriHOME  TXB2‐d4  8.317  329.23  171.00 

139.10 

21  21 

380  171.10  171.10 

PGF2a  TXB2‐d4  8.332  353.23  193.30 

211.00 

21  21 

380  193.20  309.30 

PGE2‐d4  ‐  8.601  355.24  319.20 

275.20 

5  13 

380  275.20  ‐ 

PGE2  PGE2‐d4  8.640  351.21  315.10 

271.20 

5  13 

380  315.00  271.10 

PGD2  PGE2‐d4  9.082  351.21  315.20 

271.10 

9  13 

380  315.20  271.10 

Resolvin D2  PGE2‐d4  9.456  375.21  215.10 

216.10 

13  13 

380  ‐  ‐ 

Resolvin D1  PGE2‐d4  9.865  375.21  215.10 

217.1 

17  13 

380  ‐  ‐ 

LTB4  PGE2‐d4  12.912  335.22  195.10 

317.20 

13  9 

380  195.20  195.10 

12,13‐DiHOME‐d4  ‐  13.152  317.26  185.10 

‐ 

21 

‐ 

380  185.20  ‐ 

12,13‐DiHOME  12,13‐DiHOME‐d4  13.224  313.24  183.20  99.00 

17  25 

380  183.20  183.20 

9,10‐DiHOME  12,13‐DiHOME‐d4  13.686  313.20  201.00  17  380  201.10  201.20 

References

Related documents

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

This result becomes even clearer in the post-treatment period, where we observe that the presence of both universities and research institutes was associated with sales growth

Däremot är denna studie endast begränsat till direkta effekter av reformen, det vill säga vi tittar exempelvis inte närmare på andra indirekta effekter för de individer som

The literature suggests that immigrants boost Sweden’s performance in international trade but that Sweden may lose out on some of the positive effects of immigration on

I regleringsbrevet för 2014 uppdrog Regeringen åt Tillväxtanalys att ”föreslå mätmetoder och indikatorer som kan användas vid utvärdering av de samhällsekonomiska effekterna av

Parallellmarknader innebär dock inte en drivkraft för en grön omställning Ökad andel direktförsäljning räddar många lokala producenter och kan tyckas utgöra en drivkraft

I dag uppgår denna del av befolkningen till knappt 4 200 personer och år 2030 beräknas det finnas drygt 4 800 personer i Gällivare kommun som är 65 år eller äldre i

Since all case studies were cross-border M&amp;As and in none of those cases were large existing R&amp;D centers moved following the M&amp;A, geographically dispersed R&amp;D,