18. August 2026

Wie ermöglichen stabilisotopenmarkierte Referenzverbindungen das Humanbiomonitoring?

Kurzantwort: Stabilisotopenmarkierte Referenzverbindungen ermöglichen es, bestimmte Substanzen und ihre Metaboliten mittels LC–MS/MS zuverlässig zu identifizieren und zu quantifizieren. Sie verhalten sich sehr ähnlich wie die zu messenden Verbindungen, lassen sich jedoch anhand ihrer definierten Massendifferenz von diesen unterscheiden. Dadurch sind sie als interne Standards in komplexen biologischen Proben wie Urin besonders wertvoll.

Wirksamkeit und Toxizität sind zwei gegensätzliche Begriffe bei der Bewertung jeder aktiven chemischen Verbindung.

Das war bereits zu einer Zeit bekannt, als die synthetische Chemie noch gar nicht „erfunden“ war: Jeder aktive „Wirkstoff“ kann sowohl Heilmittel als auch Gift sein – es hängt nur von seiner Dosis ab. Oder – mit den berühmten Worten von Paracelsus: „Sola dosis facit venenum“.

Dose–response concept showing beneficial and toxic effects at different exposure levels, illustrated with Paracelsus and a balance scale. — Biological effects depend on dose and exposure. Hazard and risk are related but not interchangeable concepts.

Biologische Wirkungen hängen von Dosis und Exposition ab. Gefährdung und Risiko hängen zusammen, sind aber keine austauschbaren Begriffe.

Heute, da nicht nur natürliche Extrakte und Mineralien, sondern auch Zehntausende künstlich hergestellte Verbindungen zur Verfügung stehen, ist diese grundlegende Erkenntnis wichtiger denn je. Mit den besten Absichten synthetisieren Chemiker seit mehr als 200 Jahren neue Moleküle, um Krankheiten zu heilen, das Pflanzenwachstum zu unterstützen, Parasiten zu bekämpfen und die Lebensqualität zu verbessern.

Von Anfang an war bekannt, dass die Suche nach einer wirksamen Molekülstruktur ein schwieriges und langwieriges Unterfangen ist. Trial-and-Error-Ansätze wurden durch Hochdurchsatzstrategien sowie durch mehr oder weniger ausgefeilte und wissenschaftlich begründete Struktur-Wirkungs-Beziehungen ergänzt.

Heute gibt es bewährte Wege, neue Wirkstoffe für ein bestimmtes Target zu entwickeln. Angesichts der höheren Gewinnmargen sind diese Ansätze bei pharmazeutischen Anwendungen anspruchsvoller als in den Agrarwissenschaften oder der Kosmetik. Letztendlich gelingt es Industrie und akademischer Forschung jedoch, jedes Jahr Dutzende neue Wirkstoffstrukturen zu entdecken.

Ist damit alles in Ordnung? Wenn wir zum Anfang dieses Artikels zurückkehren, wissen wir: Die Entwicklung neuer Wirkstoffe ist nur eine Seite der Medaille. Jede Substanz kann bei ausreichend hoher Dosis toxisch sein – selbst Wasser. Das lässt sich nicht bestreiten. Das tatsächliche Risiko hängt jedoch von der Dosierung und der Anwendung ab.

Folglich müssen wir uns auch mit der anderen Seite der Medaille beschäftigen: Wie lässt sich das Sicherheitsprofil bestimmen? Wie können Schäden für Menschen, Tiere, Pflanzen und die Umwelt vermieden werden?

Zunächst gibt es die sicherste, aber auch nihilistische Idee, überhaupt keine künstlichen Wirkstoffe oder Substanzen – Arzneimittel, Fungizide, Kosmetika, Farbstoffe oder Materialien – einzusetzen. Die Verfechter dieses Ansatzes können sicher sein, in der Diskussion stets auf der „sicheren Seite“ zu stehen. Allerdings bedeutet dies auch, auf alle neuen, hilfreichen und vielversprechenden Eigenschaften neu entwickelter Verbindungen zu verzichten. Für eine Menschheit mit mehr als acht Milliarden Menschen ist das sicherlich keine Option.

Was muss also getan werden, damit wir von neuen Wirkstoffen profitieren können, ohne Menschen und Natur zu gefährden?

Welche Rolle spielt ein Auftragssyntheseunternehmen wie ChiroBlock in diesem Prozess?

Wie kann ein Unternehmen, das selbst keine pharmazeutischen Wirkstoffe, kosmetischen Inhaltsstoffe oder anderen funktionellen Moleküle entwickelt, zur Sicherheit solcher Verbindungen beitragen?

Auf diese Fragen gibt es mehrere Antworten:

Identifizierung des sichersten Synthesewegs zur Herstellung dieser Substanzen
Entwicklung von Strategien zur Vermeidung toxischer Nebenprodukte
Nutzung der Natur durch den Einsatz unbedenklicher Naturstoffe als Ausgangsmaterialien
Herstellung weniger toxischer Derivate, die dennoch ausreichend wirksam sind
Entwicklung analytischer Methoden zur Überwachung des „Schicksals“ einer Verbindung nach ihrer Anwendung
Synthese analytischer Standards für diese Methoden
Synthese von Referenzverbindungen jeder Art

…

Heute möchte ich mich auf den letzten Punkt konzentrieren: die „Referenzverbindungen“. Dieser Begriff führt regelmäßig zu Verwirrung – insbesondere in Bezug auf „analytische Standards“ und hinsichtlich der Beziehung einer Referenzverbindung zum ursprünglichen aktiven Molekül.

Referenzverbindungen umfassen auch „analytische Standards“, ihre Bedeutung ist jedoch wesentlich weiter gefasst.

Definition: Eine Referenzverbindung ist eine chemisch definierte Substanz, die zur Identifizierung, zum Vergleich oder zur Quantifizierung einer anderen Substanz verwendet wird. Sie kann die Zielverbindung selbst, einen Metaboliten, eine Verunreinigung, ein Abbauprodukt oder ein isotopenmarkiertes Analogon darstellen. Ein analytischer Standard ist eine Referenzverbindung, die für einen bestimmten analytischen Zweck charakterisiert und qualifiziert wurde.

Welche Arten von Referenzverbindungen gibt es?

Es gibt Verbindungen mit einer völlig anderen Molekülstruktur, die eine vergleichbare Aktivität aufweisen. Solche Verbindungen werden als „Referenz“ betrachtet, wenn neue Substanzen gesucht werden, die dasselbe Target adressieren. Ein Beispiel hierfür können kundenspezifisch hergestellte Proben sein, die aus dem Patent eines Wettbewerbers abgeleitet wurden.
Es gibt „analytische Standards“. Dabei handelt es sich um Verbindungen mit derselben oder einer verwandten Struktur wie die Zielverbindung. Darüber hinaus werden sie durch sehr detaillierte und anspruchsvolle Spezifikationen qualifiziert. Ihre Identität und Reinheit werden von erfahrenen Analyselaboren zertifiziert, die strenge Vorschriften einhalten und validierte analytische Methoden einsetzen.
Es gibt Referenzverbindungen für „Verunreinigungen“. Dabei handelt es sich um kundenspezifisch synthetisierte Substanzen von Verunreinigungen, die im Produktionsprozess gefunden wurden.
Es gibt Referenzverbindungen für „Abbauprodukte“, die synthetisiert werden, um Verbindungen zu überwachen, die während einer Langzeitlagerung entstehen.
Es gibt Referenzverbindungen, welche die Molekülstruktur von Metaboliten im Menschen oder von Abbauprodukten in der Umwelt abbilden.
Es gibt Referenzverbindungen, die an definierten Positionen des Moleküls mit „kalten“ oder „heißen“ Isotopen markiert sind.
Und schließlich gibt es Referenzverbindungen, die mehr als nur eines der genannten Merkmale aufweisen.

Warum die Stabilisotopenmarkierung bei LC–MS/MS wichtig ist: Eine stabilisotopenmarkierte Referenzverbindung besitzt nahezu dasselbe chemische Verhalten wie der entsprechende unmarkierte Analyt, weist jedoch eine andere Molekülmasse auf. Als interner Standard kann sie dabei helfen, Verluste während der Probenvorbereitung, Matrixeffekte und Schwankungen bei der massenspektrometrischen Detektion auszugleichen. Dadurch verbessert sich die Zuverlässigkeit quantitativer Biomonitoringdaten.

Was haben diese Referenzverbindungen gemeinsam?

Sie müssen synthetisiert, gereinigt und analysiert werden. Und genau das ist die Aufgabe von CRO-Laboren wie ChiroBlock. Eine sehr begrenzte Anzahl von Referenzverbindungen ist in den Katalogen spezialisierter Anbieter von „analytischen Standards“ oder „Referenzverbindungen“ verfügbar. Die meisten dieser Substanzen müssen jedoch exklusiv synthetisiert werden – insbesondere dann, wenn Antworten auf neue Fragestellungen, Sicherheitsbedenken oder Umweltprobleme gesucht werden.

Solche Aufgaben erfordern umfassende Fachkenntnisse auf dem Gebiet der synthetischen Chemie. Sie können normalerweise weder von Kataloganbietern noch vom Hersteller eines neuen pharmazeutischen Wirkstoffs, kosmetischen Inhaltsstoffs oder funktionellen Materials gelöst werden.

Warum werden spezialisierte Syntheseunternehmen für die Herstellung neuer Referenzverbindungen benötigt?

Viele dieser Verbindungen sind nur schwer zugänglich und erfordern anspruchsvolle Synthesestrategien.
Der bekannte Syntheseweg zum eigentlichen Wirkstoff kann in den meisten Fällen nicht verwendet werden.
Die Anforderungen unterscheiden sich vollständig von denen an ein Endprodukt: Kleine Mengen, eine einmalige Synthese, hohe Reinheit, sehr detaillierte Spezifikationen mit anspruchsvollen analytischen Methoden, niedrige Ausbeuten und ein langer Syntheseweg können akzeptabel sein. Außerdem gelten andere regulatorische Anforderungen und IP-Vorgaben. Die Kosten pro Gramm sind deutlich höher als bei Produkten oder Katalogstandards.
Eine unvoreingenommene Bewertung aller Syntheseoptionen ist hilfreich.
Zeitpläne und Flexibilität sind außerordentlich wichtig.
Bei Projekten, in denen spezielle Referenzverbindungen benötigt werden, spielt häufig auch die Beratung eine wesentliche Rolle.

Ein Beispiel hilft häufig dabei, ein komplexes Thema zu verdeutlichen. Es beantwortet zugleich die eingangs gestellte Frage nach dem Wert solcher spezifischen Referenzverbindungen für Sicherheitsbewertungen.

Schauen wir uns eine kürzlich veröffentlichte Biomonitoringstudie zur Verbindung „Climbazol“ genauer an. Ursprünglich als Fungizid entwickelt, wird Climbazol auch als Antischuppenwirkstoff in auszuspülenden Kosmetikprodukten wie Shampoos verwendet.

Climbazol:

Climbazol ist ein antimykotischer Imidazolwirkstoff, der in definierten kosmetischen Anwendungen eingesetzt wird, darunter auszuspülende Antischuppenshampoos.

Für Azolverbindungen – also die Stoffgruppe, zu der Climbazol gehört – wurden mögliche endokrine Wirkungen bei Fischen diskutiert.[1] Infolgedessen wurde diese durchaus wirksame Verbindung aus vielen Kosmetikprodukten verbannt. Ist das gerechtfertigt? Wie sieht ein akzeptables Verhältnis zwischen dem Nutzen für Menschen aus, die unter Schuppen leiden – beispielsweise etwa 50 Prozent aller Teenager – und der tatsächlichen Toxizität beim Menschen? Wie sicher ist Climbazol in auszuspülenden Kosmetikprodukten also tatsächlich?

Young adult holding anti-dandruff shampoo while a balance scale contrasts the potential benefit and risk of climbazole exposure. — Human biomonitoring measures internal exposure and provides data for risk assessment; it does not evaluate product efficacy or prove universal safety.

Humanbiomonitoring misst chemische Substanzen oder ihre Metaboliten in biologischen Proben wie Blut oder Urin. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf die tatsächlich aufgenommene Menge einer Substanz.

Antworten können nur im Rahmen langfristiger Biomonitoringstudien gefunden werden. Dazu wird die betreffende Substanz – hier Climbazol – in Blut- oder Urinproben analysiert, um die Menge des aufgenommenen Wirkstoffs zu bestimmen.

Die Autoren einer kürzlich veröffentlichten Studie analysierten deshalb den Urin von 300 Studierenden aus den Jahren 2002 bis 2022. Sie suchten gezielt nach zwei Climbazolmetaboliten: (OH)₂-Climbazol und cx-OH-Climbazol.

Die Studie „Exposure of young German adults to the anti-dandruff agent climbazole from 2002 to 2022: Analysis of specific biomarkers in urinary samples“ erschien 2024 in Chemosphere.[2]

Die Idee dahinter war, diese Metaboliten im Urin zu quantifizieren und anhand bekannter Stoffwechselwege auf die ursprüngliche Climbazolexposition zurückzurechnen.

Das Studienkonzept war also klar, die Urinproben waren vorhanden und selbst eine anspruchsvolle analytische LC–MS/MS-Methode war bereits entwickelt und validiert worden.[3]

Was fehlte für die LC–MS/MS-Analyse?

Die beiden Climbazolmetaboliten wurden als Referenzsubstanzen benötigt – und zwar in unmarkierter Form sowie als stabilisotopenmarkierte interne Standards.

Diese Referenzverbindungen waren nicht einfach aus einem Katalog verfügbar. Sie mussten gezielt synthetisiert, gereinigt, charakterisiert und für die analytische Anwendung bereitgestellt werden.

Genau an diesem Punkt kommen spezialisierte CROs ins Spiel. ChiroBlock konzipierte, testete und realisierte die Synthese beider Metaboliten, die zur Unterstützung der massenspektrometrischen Analytik mit mehreren stabilen Isotopen markiert wurden.[3]

Analytischer Zweck: Die unmarkierten Metaboliten dienen als Referenzmaterialien zur Identifizierung und Kalibrierung. Die stabilisotopenmarkierten Analoga werden den Proben als interne Standards zugesetzt. Aufgrund ihrer definierten Massendifferenz können sie im Massenspektrometer von den natürlich vorkommenden Metaboliten unterschieden werden.

Dabei verhält sich der markierte interne Standard während der Probenaufbereitung und chromatographischen Trennung weitgehend wie der zu bestimmende Analyt. Unterschiede bei Extraktion, Matrixeinflüssen und Detektionsintensität können so besser kontrolliert werden.

Was zeigte die Biomonitoringstudie?

Die Wissenschaftler untersuchten insgesamt 300 Urinproben aus den Jahren 2002, 2007, 2012, 2017 und 2022. Die Proben stammten von 20- bis 29-jährigen Studierenden aus Halle/Saale.

In 16 Proben wurde mindestens einer der untersuchten Metaboliten in quantifizierbarer Konzentration nachgewiesen. Die höchste aus den Messwerten zurückgerechnete tägliche Climbazolaufnahme betrug 1,8 µg pro Kilogramm Körpergewicht und Tag.

Nach Angaben der Autoren lag dieser Wert mehr als um den Faktor 8.300 unter dem in der Publikation herangezogenen subchronischen NOAEL und mehr als um den Faktor 2.700 unter dem entsprechenden NOEL.[2]

Die Studie lieferte starke Hinweise darauf, dass Climbazol in der untersuchten Anwendung als auszuspülender kosmetischer Inhaltsstoff nicht das erwartete Risiko darstellt.

Wenn das zutrifft, ist ein Verbot dieser Substanz in vielen Produkten möglicherweise nicht gerechtfertigt. Der Nutzen für Menschen mit Schuppen scheint deutlicher ausgeprägt zu sein als die Sicherheitsprobleme. Darüber hinaus könnte die fortgesetzte Verwendung von Climbazol die Entwicklung neuer Verbindungen mit weniger bekannten Eigenschaften vermeiden und dadurch möglicherweise auch die Umweltbelastung verringern.

Was zeigt dieses Beispiel über Referenzverbindungen?

Die Studie wäre ohne geeignete Referenzverbindungen nicht in derselben Form durchführbar gewesen. Erst die Kombination aus:

definierten Climbazolmetaboliten,
stabilisotopenmarkierten internen Standards,
validierter LC–MS/MS-Analytik und
gut dokumentierten Humanproben

ermöglichte die zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung der untersuchten Biomarker.

Zentrale Aussage: Stabilisotopenmarkierte Referenzverbindungen sind kein nebensächliches Laborzubehör. Sie können eine entscheidende Voraussetzung dafür sein, Expositionen belastbar zu bestimmen und toxikologische oder regulatorische Fragestellungen auf der Grundlage realer Humanbiomonitoringdaten zu diskutieren.

Welche Aufgabe übernimmt ChiroBlock?

ChiroBlock entwickelt keine kosmetischen Wirkstoffe und trifft keine regulatorischen Entscheidungen über deren Zulassung oder Anwendung.

Die Aufgabe liegt an einer anderen Stelle: ChiroBlock entwickelt Synthesestrategien für schwer zugängliche Referenzverbindungen, stellt unmarkierte und isotopenmarkierte Zielverbindungen her und unterstützt Forschungspartner bei chemischen Fragestellungen zur Identität, Synthese und Charakterisierung dieser Substanzen.

Im beschriebenen Climbazolprojekt betraf dies die Synthese und Charakterisierung der für die LC–MS/MS-Methode benötigten Referenzsubstanzen.[3]

Damit trägt spezialisierte Auftragssynthese dazu bei, dass unabhängige Forschungsgruppen neue analytische Methoden entwickeln und reale Expositionen untersuchen können.

Fazit

Die Bewertung chemischer Wirkstoffe erfordert mehr als theoretische Annahmen über ihre Wirksamkeit oder Toxizität. Entscheidend sind belastbare Daten zur tatsächlichen Exposition.

Humanbiomonitoring kann solche Daten liefern. Damit entsprechende Untersuchungen funktionieren, werden jedoch geeignete analytische Methoden und chemisch eindeutig definierte Referenzverbindungen benötigt.

Das Beispiel Climbazol zeigt, wie stabilisotopenmarkierte Metabolitenstandards, LC–MS/MS und Humanbiomonitoring ineinandergreifen. Es zeigt zugleich, welche Rolle spezialisierte Syntheseunternehmen übernehmen können: nicht als Entwickler des untersuchten Wirkstoffs und nicht als regulatorische Instanz, sondern als chemischer Partner für die Herstellung der Substanzen, ohne die eine präzise Messung häufig nicht möglich wäre.

Quellen und wissenschaftliche Nachweise

1. Review zu Azolverbindungen und möglichen endokrinen Wirkungen bei Fischen

Publikation: A review of the effects of azole compounds in fish and their possible involvement in masculinization of wild fish populations

Autoren: Peter Matthiessen und Lennart Weltje

Journal: Critical Reviews in Toxicology, Band 45, Ausgabe 5, Seiten 453–467, 2015

Verlagsseite: Taylor & Francis

PubMed: PMID 25899164

DOI: 10.3109/10408444.2015.1018409

Institutionen zum Zeitpunkt der Publikation:

Peter Matthiessen: Independent Consultant in Ecotoxicology, Old School House, Brow Edge, Backbarrow, Ulverston, Cumbria, Vereinigtes Königreich. Die institutionelle Zuordnung ist im PubMed-Datensatz der Publikation dokumentiert.
Lennart Weltje: BASF SE, Crop Protection – Ecotoxicology, Limburgerhof, Deutschland.

Wissenschaftliche Einordnung: Die Publikation untersucht mögliche Wirkungen verschiedener Azolverbindungen bei Fischen. Sie ist keine Humanstudie und liefert keinen allgemeinen Sicherheits- oder Risikonachweis für Climbazol beim Menschen.

2. Humanbiomonitoringstudie zur Climbazolexposition

Publikation: Exposure of young German adults to the anti-dandruff agent climbazole from 2002 to 2022: Analysis of specific biomarkers in urinary samples

Autoren: Isabell Schönrath, Christoph Schmidtkunz, Katja Küpper, Till Weber, Gabriele Leng und Marike Kolossa-Gehring

Journal: Chemosphere, Band 367, Artikel 143611, November 2024

Verlagsseite: ScienceDirect

PubMed: PMID 39447771

DOI: 10.1016/j.chemosphere.2024.143611

Institutionen zum Zeitpunkt der Publikation:

Currenta GmbH & Co. OHG – Institut für Biomonitoring, Leverkusen, Deutschland: Isabell Schönrath, Christoph Schmidtkunz, Katja Küpper und Gabriele Leng.
Umweltbundesamt – Human-Biomonitoring, Berlin, Deutschland: Till Weber und Marike Kolossa-Gehring.

3. Validierte LC–MS/MS-Methode für Climbazolmetaboliten

Publikation: A validated LC-MS/MS method for the quantification of climbazole metabolites in human urine

Autoren: Christoph Schmidtkunz, Katja Küpper, Wolfgang Gries und Gabriele Leng

Journal: Journal of Chromatography B, Band 1173, Artikel 122677, 30. Mai 2021