Der Konsum von legalen und illegalen Rauschmitteln schließt weltweit eine Vielzahl an unterschiedlichen Substanzen ein. Neben Alkohol und den „klassischen“ Betäubungsmitteln treten seit mehreren Jahren Neue psychoaktive Substanzen (NPS) immer mehr in den Vordergrund. Die teilweise kaum erforschten Substanzen besitzen nicht nur ein Gesundheitsrisiko für die Konsumenten selbst, sondern können unter Umständen auch zu einer Gefährdung weiterer Personen (z.B. die eigenen Kinder) beitragen. Insbesondere die rasant zunehmende Anzahl an NPS sowie deren höhere Potenz und dadurch bedingte hohe Toxizität bei niedrigen Konzentrationen in biologischen Matrices stellen Herausforderungen für forensisch-toxikologische Analysenlabore dar, welchen nur mit geeigneten und stets aktuell gehaltenen Nachweismethoden begegnet werden kann. Weiterhin ist die Konsumhäufigkeit solcher Substanzen in der Allgemeinbevölkerung bisher nur wenig erforscht. Eine entsprechende Untersuchung kann mittels der Analyse von Haaren möglicher Konsumenten erfolgen. Neben der Überprüfung der allgemeinen Nachweisbarkeit von NPS in Haaren sowie der Bestimmung der Prävalenz, bestand die Hauptaufgabe dieser Arbeit darin, die bisher wenig vorhandenen Literaturdaten deutlich zu erweitern, um eine fundierte Interpretation von NPS-positiven Haarproben in der forensischen Fallarbeit vornehmen zu können. Weiterhin wurde ein wesentlicher Beitrag zur Befundinterpretation von positiven Kinderhaarproben geleistet.
Für die hochempfindliche Bestimmung von verschiedenen Designerstimulanzien (synthetische Cathinone und Piperazine) in Haaren wurde zunächst mittels Flüssigchromatographie in Kopplung mit der Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) eine zielgerichtete Analysenmethode entwickelt. Die Eignung und Zuverlässigkeit der Analysenmethode wurden im Rahmen einer vollständigen Methodenvalidierung nach den Richtlinien der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie (GTFCh) überprüft. Dabei zeigten sich keine störenden Interferenzen durch die Haarmatrix. Die Linearität der analytspezifischen Kalibrationsbereiche (max. 10 – 3000 pg/mg) war durch die Verwendung von Wichtungsfaktoren gegeben. Es wurden sehr niedrigen Nachweis- und Bestimmungsgrenzen (3 – 14 pg/mg bzw. 5 – 24 pg/mg) ermittelt. Die Validierungsparameter Genauigkeit, Stabilität, Wiederfindung und Matrixeffekte erfüllten ebenfalls alle Vorgaben der GTFCh. Die Anwendbarkeit der Methode wurde an 40 authentischen Haarproben aus unterschiedlichen forensischen Anwendungsbereichen gezeigt. Neben verschiedenen Betäubungsmitteln wurden in 30 % der untersuchten Haarproben mindestens ein synthetisches Cathinonderivat nachgewiesen. In dieser Studie wurde gezeigt, dass Haaranalysen zur Klärung einer NPS-bezogenen Konsumvergangenheit beitragen können und ein Konsum von synthetischen Cathinonen insbesondere bei bekanntem Betäubungsmittelabusus wahrscheinlich ist.
Aufgrund weniger Vergleichsdaten war eine genaue Interpretation der ermittelten Substanzkonzentrationen nicht möglich. Eine deutliche Erweiterung der wissenschaftlichen Datengrundlage stand daher im Fokus der nächsten Studie. Zusätzlich sollte die Prävalenz unter drogenkonsumierenden Verstorbenen bestimmt werden. Angesichts der steten Zunahme an verfügbaren NPS erfolgte zunächst eine Erweiterung der entwickelten Analysenmethode auf 67 Analyten aus unterschiedlichen Substanzgruppen (u.a. Phenethylamine, Cathinone, Benzodiazepine, Opioide, Halluzinogene) sowie eine erneute Validierung der Methode. Mit der anschließenden Analyse von 1203 postmortalen Haarproben aus dem Zeitraum von 2008 bis 2020 berücksichtigte diese Studie das bis dahin größte untersuchte Kollektiv und einen deutlich längeren Untersuchungszeitraum als die zuvor publizierten Studien. Mindestens eine neue psychoaktive Substanz wurde in 31,6 % der Haarproben nachgewiesen, wobei ca. ein Drittel der Haarproben (n = 107) positiv für zwei bis zu zehn verschiedene NPS waren. Unter den insgesamt 48 verschiedenen Substanzen waren N-Ethylamphetamin, α-Pyrrolidinovalerophenon, Mephedron, Benzedron, Metamfepramon sowie 4-Fluoramphetamin die am häufigsten detektierten NPS. Innerhalb des untersuchten Zeitraums von 13 Jahren wurde ein Anstieg an positiven Fällen festgestellt. Eine Zu- oder Abnahme von bestimmten NPS vor und nach Einführung des NpSG zeichnete sich jedoch aufgrund der oft nur seltenen Nachweise (n ≤ 5) nicht ab. Während größtenteils niedrige Substanzkonzentrationen nachgewiesen wurden, lagen in einigen Fällen sehr hohe Haarkonzentrationen (z.B. 113 ng/mg 4-Fluoramphetamin) vor. Um die große Streuung der Konzentrationen und die durch den postmortalen Charakter der Haarproben bedingten möglichen Einschränkungen auszugleichen, wurde für einige Analyten für die statistische Auswertung eine perzentile Darstellung gewählt. Unter Beachtung der in der Arbeit diskutierten Einschränkungen hat diese Studie wesentlich zur Erweiterung der wissenschaftlichen Daten für neue psychoaktive Substanzen in Haaren beigetragen. Durch den bereits in der forensischen Haaranalytik etablierten Ansatz der perzentilen Auswertung konnte in dieser Studie weiterhin eine bedeutende Grundlage für die genauere Interpretation von NPS-positiven Haarproben geschaffen werden. Für einige Substanzen wurden erstmals quantitative Daten vorgestellt.
In drei weiteren Studien wurde gezeigt, dass ein Umgang mit Rauschmitteln im Umfeld von minderjährigen Kindern durch eine entsprechende Haaranalyse erkannt werden kann. Diese Studien wurden im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit den Sozialämtern der Hansestadt Bremen und Bremerhaven durchgeführt, bei dem Haarproben von Kindern und deren Eltern aus Familien mit einem vermuteten oder bekannten Suchtproblem in regelmäßigen Abständen untersucht werden. Zur Ersteinschätzung der Familiensituation bezüglich eines Konsums von Betäubungsmitteln und zur Verlaufskontrolle von Unterstützungsmaßnahmen wurden Haarproben von 141 wiederholt getesteten Familien (insgesamt 251 Haarbefunde) ausgewertet. In 4,3 % bzw. 5,5 % (Erst- bzw. Kontrolluntersuchung) der Fälle wurden keine Betäubungsmittel in den Haarproben nachgewiesen. Die überwiegende Mehrheit enthielt hingegen durchschnittlich zwei Betäubungsmittel in den Haarproben aller Familienmitglieder, wobei die Haarkonzentrationen in den Folgeanalysen deutlich niedriger waren. Die Betäubungsmittel Kokain und THC wurden am häufigsten nachgewiesen, gefolgt von Methadon, Heroin, Amphetamin und Ecstasy. In 25 % der Fälle waren die Mutter, in 24 % der Vater oder beide Elternteile (16 %) die wahrscheinlichsten Konsumenten der Betäubungsmittel. Eine ähnliche Analytenverteilung im Haar der Kinder zu deren Eltern konnte in 47,8 % festgestellt werden. Die Übereinstimmung nahm bei einem regelmäßigen Betäubungsmittelkonsum der Eltern sowie jüngeren Kindern deutlich zu. Die Substanzkonzentrationen in den Haaren der Kinder waren allgemein niedriger als bei deren Bezugspersonen, wobei Jungen im Vergleich zu Mädchen ein tendenziell größeres Konzentrationsverhältnis (Kind/Eltern) aufwiesen.
Für eine umfassendere Evaluation des Rauschmittelkonsums in diesen Familien wurden mit der in dieser Arbeit entwickelten Analysenmethode weitere 1537 Haarprobenextrakte (von u.a. 318 wiederholt getesteten Kinder unter 14 Jahren) auf NPS reanalyisiert. In 227 Proben (14,8 %) wurde mindestens eine neue psychoaktive Substanz nachgewiesen. Benzedron, α-Pyrrolidinovalerophenon, N-Ethylamphetamin, Dimethyltryptamin und Pyrovaleron waren unter den insgesamt 42 verschiedenen identifizierten NPS die häufigsten Substanzen. Die in dieser Studie erstmals auch in den Haarextrakten der Kinder nachgewiesenen NPS stimmten stets mit den Haarbefunden eines oder beider Elternteile überein. Im Vergleich zu den zuvor untersuchten Betäubungsmitteln wurde, mit Ausnahme für THC und Benzodiazepine, eine höhere relative Konsumhäufigkeit für fast alle Betäubungsmittel unter den NPS-positiven Proben gegenüber den NPS-negativen Proben festgestellt (z.B. Kokain 69,6 % vs. 56,0 % oder Amphetamin 16,3 % vs. 7,7 %). Bei den NPS-positiven Befunden handelte es sich hauptsächlich um eindeutig unterhalb der Bestimmungsgrenze identifizierte Spuren. Die niedrigen Substanzkonzentrationen sind mit einem Substanzabbau während der bis zu 5 Jahre währenden eingefrorenen Lagerung der Haarextrakte vereinbar. Die Langzeitstabilität (> 12 Monate) von NPS in Haaren bzw. Haarextrakten wurde bisher noch nicht untersucht, sodass für eine annähernde Bewertung weitere Haar-Rückstellproben erneut extrahiert wurden. Die zuvor in den Extrakten positiv getesteten NPS wurden ebenfalls in ca. 80 % der Rückstellproben nachgewiesen.
Ferner wurden die Haarproben von zum Teil wiederholt getesteten 126 Kinder auf den Alkoholkonsummarker Ethylglucuronid untersucht (insgesamt 161 Haarproben). In 15,5 % der Fälle wurde eine erhöhte EtG-Konzentration (3,0 – 42,6 pg/mg; Median 6,4 pg/mg) festgestellt, wobei überwiegend Kleinkinder im Alter von 1 bis 5 Jahren betroffen waren. Bei mindestens einem Elternteil der positiven Kinder wurde in 85,7 % der Fälle ebenfalls Ethylglucuronid nachgewiesen. Obwohl eine systemische Aufnahme nicht komplett ausgeschlossen werden kann, ist eine Substanzeinlagerung in die Haare der Kinder durch eine externe Kontamination eher anzunehmen. Während bei Betäubungsmitteln und NPS eine Übertragung durch Stäube, Rauch oder Schweiß der konsumierenden Eltern in Betracht kommt, lassen sich die positiven EtG-Befunde nicht durch eine Kontamination mit Ethanol erklären. Eine Kontamination kann in diesem Fall nur durch Ethylglucuronid selbst erfolgen (z.B. durch Rot- und Weißweine, Schweiß oder Urin von Konsumenten). Trotz dieser Einschränkung konnte in diesen Studien aufgrund der großen untersuchten Fallzahlen eine umfassendere Interpretation der Zusammenhänge zwischen den Haarbefunden der Kinder und deren Eltern erfolgen.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Konsumhäufigkeit von NPS in unterschiedlichen Populationen gewonnen. Zudem wurde die Datengrundlage für neue psychoaktive Substanzen in Haaren bedeutend erweitert. Die Arbeit hat dadurch wesentlich zu einer fundierten Interpretation von NPS-positiven Haarproben beigetragen. Weiterhin wurde gezeigt, dass neben einer Verbreitung von Betäubungsmitteln auch erhöhte Konzentrationen von Alkoholkonsummarkern und der Nachweis von NPS in Haaren von Kindern aus Familien mit Suchtproblemen keine Seltenheit darstellen.
The worldwide use of legal and illegal drugs includes a large number of different substances. In addition to alcohol and conventional drugs, new psychoactive substances (NPS) have increasingly come into focus in recent years. These rarely researched substances not only pose a health risk to the users themselves, but may also endanger third parties (e.g., their own children). In particular, the increasing number of NPS as well as their high potency and toxicity at low concentrations in biological matrices are a challenge for forensic laboratories, which can only be met with suitable and always up-to-date analytical methods. Furthermore, insufficient research has been conducted on the prevalence of use in the general population. The investigation can be done by analyzing hairs of possible users. Besides investigating the general detectability of NPS in hair and determining their prevalence, the main aim of this work was to substantially expand the literature data in order to make a more profound interpretation of NPS-positive hair samples in forensic casework. Furthermore, a significant contribution to the interpretation of positive findings of child hair samples was made.
For the detection and quantification of different designer stimulants (synthetic cathinones and piperazines) in hair, a liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) method was first developed. The suitability and reliability of the method were verified by a complete method validation according to the guidelines of the Society for Toxicological and Forensic Chemistry (GTFCh). No interfering signals by the hair matrix or other coeluting substances were found. The linearity of the analyte-specific calibration ranges (max. 10 – 3000 pg/mg) was achieved by using weighting factors. The very low limits of detection and quantitation (3 – 14 pg/mg and 5 – 24 pg/mg) were determined. The validation parameters accuracy, stability, recovery and matrix effects fulfilled all GTFCh requirements as well. The applicability of the method was demonstrated by testing 40 authentic hair samples from different forensic settings. In addition to illegal drugs, at least one synthetic cathinone was detected in 30 % of the investigated hair samples. In this study, it was shown that hair analysis can help to clarify past use of NPS. Furthermore, synthetic cathinone use is particularly likely in the presence of well-known drug abuse.
Due to a lack of available data, an accurate interpretation of the substance concentrations in hair was not possible. Therefore, a significant expansion of the scientific data was the focus of the next study. In addition, the prevalence among deceased drug users was determined. Because of the increasing number of NPS, the analytical method was extended to 67 analytes from different substance groups (e.g., phenethylamines, cathinones, benzodiazepines, opioids, hallucinogens) and revalidated. Subsequently, the analysis of 1203 postmortem hair samples from 2008 to 2020 was performed. Thus, this represents the largest number of investigated hair samples from postmortem cases and the longest investigated time period at the time of writing. One new psychoactive substance was detected in 31.6 % of hair samples, with approximately one-third of hair samples (n = 107) positive for two to ten different NPS. Among 48 different substances, N-ethylamphetamine, α-pyrrolidinovalerophenone, mephedrone, benzedrone, metamfepramone, and 4-fluoroamphetamine were the most frequently detected NPSs. Within the 13-year period, an increase in positive case numbers was observed. However, due to the often rare findings (n ≤ 5), no increase or decrease of specific NPS was detected before and after their ban. While mostly low substance concentrations were determined, in some cases very high hair concentrations were detected (e.g., 113 ng/mg of 4-fluoroamphetamine) were present in some cases. To compensate the large scatter of concentrations and the limitations due to the postmortem nature of the hair samples, a percentile evaluation was chosen for some analytes. Regarding the limitations discussed in the thesis, this study has significantly contributed to the expansion of scientific data for new psychoactive substances in hair samples. Using the percentile assessment, which is already established in forensic hair analysis, this study provided an important basis for more precise interpretation of NPS-positive hair samples. For some substances, quantitative data were presented for the first time.
In three additional studies, it was shown that dealing with drugs in the environment of underage children can be detected by hair analysis. These studies were conducted as part of a cooperation with the social services of the Hanseatic City of Bremen and the Institute of Forensic Medicine in Berlin. In this project, hair samples from children and their parents from families with a suspected or known addiction problem were analyzed at regular intervals. For initial assessment of the family situation and follow-up of support measures, hair samples from 141 repeatedly tested families (a total of 251 hair tests) were evaluated with regard to drug use. In 4.3 % and 5.5 % (initial and control test) of the cases, no drugs were detected in the hair samples. In contrast, the vast majority contained an average of two drugs in the hair samples of all family members, with significantly lower hair concentrations in follow-up analyses. The illegal substances cocaine and THC were detected most frequently, followed by methadone, heroin, amphetamine and ecstasy. In 25 % of cases, the mother, in 24 % the father, or both parents (16 %) were the most probable drug users. A similar analyte distribution in hair of the children and their parents was found in 47.8 %. The agreement increased significantly in case of regular drug use by parents and younger children. Substance concentrations in children's hair were generally lower than in their caregivers, although the concentration ratio (child/parent) tended to be higher in boys than in girls.
For a more comprehensive evaluation of these families, additional 1537 hair extracts (from 318 repeatedly tested children under 14 years of age) were reanalyzed for NPS using the analytical method developed in this work. At least one new psychoactive substance was detected in 227 cases (14.8 %). Benzedrone, α-pyrrolidinovalerophenone, N-ethylamphetamine, dimethyl-tryptamine and pyrovalerone were the most frequent substances out of 42 different identified NPS. New psychoactive substances were detected in children's hair in this study for the first time. The NPS detected in the hair extracts of the children always agreed with the hair findings of one or both parents. Compared to previously studied drugs, with the exception of THC and benzodiazepines, NPS-positive cases were found to have a higher relative consumption frequency for almost all drugs compared to NPS-negative cases (e.g., cocaine 69.6 % vs. 56.0 % or amphetamine 16.3 % vs. 7,7 %). Most of the NPS-positive findings were clearly identified traces below the limit of quantification. The low substance concentrations are compatible with substance degradation during frozen storage of the hair extracts for up to 5 years. The long-term stability (> 12 months) of NPS in hair or hair extracts has not been investigated so far. For comparison and to confirm the stability of NPS in the extracts, residues from 27 hair samples, which were still available after the first analysis, were re-extracted and also tested for NPS. The NPS previously tested positive in the extracts was also detected in approx. 80 % of the reference samples.
Additionally, hair samples from 126 repeatedly tested children were analyzed for the alcohol marker ethyl glucuronide (161 hair samples in total). In 15.5 % of the cases, an increased EtG concentration (3.0 - 42.6 pg/mg; median 6.4 pg/mg) was detected, with predominantly young children between 1 and 5 years of age being involved. Ethyl glucuronide was also detected in at least one parent of the positive children in 85.7 % of the cases. Even if a systematic uptake cannot be completely excluded, it is more likely that the substances enter the children's hair through external contamination. Whereas in the case of drugs and NPSs, a transfer via dust, smoke or sweat of the consuming parents can be considered, positive EtG findings cannot be explained by a contamination with ethanol. In this case, contamination can only occur through ethyl glucuronide itself (e.g., by red and white wines, sweat or urine of consumers). Despite this limitation, the large number of studied cases allowed these studies to provide a more comprehensive interpretation of the relationships between the hair findings of the children and their parents.
In summary, this work provided new insights into the frequency of use of NPS in different populations. In addition, the database for new psychoactive substances in hair was significantly expanded. Thus, the work has contributed essentially to a more profound interpretation of NPS-positive hair samples. Furthermore, it was shown that, in addition to a widespread use of drugs, increased alcohol marker findings and the presence of NPS in children's hair from families with addiction background are not uncommon.
