Possibilities and limitations of the sewage-based epidemiology approach in the context of clinical toxicology

Abstract

This thesis presents a comprehensive investigation into development, validation, and application of analytical methods used for wastewater (WW)-based epidemiology (WBE). By developing and validating analytical methods for WBE, elucidating the metabolism of five new psychoactive substances and investigating their stability in WW, this thesis aimed to elucidate the possibilities and limitations of WBE in the context of clinical toxicology. For this purpose, two complementary analytical methods for the qualitative and quantitative screening of four drugs of abuse, one cognitive enhancer, and three of their metabolites as biomarkers in WW samples were developed and validated. Furthermore, 24 h composite WW samples and WW gab samples were analyzed, and data then compared to a prior study in the same geographical area as well as to a Europe-wide study. Additionally, the in vivo metabolic fate of five deschloroketamine derivatives was elucidated and their microbial biotransformation and WW stability assessed with the aim of finding suitable biomarkers for further WBE studies. Limitations of WBE when used in the context of clinical toxicology were shown, as obtained data is limited to a population size level and cannot be easily transferred to a single patient. Nevertheless, WBE proved to be a useful complementary tool for clinicians.

Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung zur Entwicklung, Validierung und Anwendung analytischer Methoden im Kontext der abwasserbasierten (AW) Epidemiologie (ABE). Durch die Entwicklung und Validierung analytischer Methoden für die ABE, sowie die Aufklärung des Metabolismus von fünf neuen psychoaktiven Substanzen (NPS) und die anschließende Untersuchung ihrer Stabilität im AW, verfolgte diese Arbeit das Ziel, die Möglichkeiten und Limitationen von ABE im Kontext von klinischer Toxikologie (KT) zu untersuchen. Dazu wurden zwei sich ergänzende analytische Methoden für die qualitative und quantitative Analyse von vier Missbrauchsdrogen, einem kognitiven Stimulanz und drei Metaboliten als Biomarker im AW entwickelt und validiert. Weiterhin wurden 24- Stunden AW-Sammelproben und AW-Stichproben analysiert, sowie die erhaltenen Daten anschließend mit einer vorherigen Studie in dieser geographischen Region, sowie Daten aus einer europaweiten Studie verglichen. Des Weiteren wurde der in vivo Metabolismus von fünf Deschloroketamin-Derivaten sowie deren Stabilität im AW untersucht. Die daraus erhaltenen Daten sollten genutzt werden, um potenzielle Biomarker der NPS im AW zu etablieren. Die Grenzen der ABE im Kontext KT zeigten sich dadurch, dass die erhobenen Daten zwar auf einer Populationsebene nutzbar sind, allerdings nicht auf den einzelnen Patienten übertragen werden können. Dennoch erwies sich die ABE als nützliches, ergänzendes Werkzeug für klinische Toxikologen.