Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/169469
Author(s): Filipa Nunes Pita
Title: Pyrolysis Products of Synthetic Cannabinoids: Chemical Profiling and Early In Vitro Neurotoxicity Assessment
Issue Date: 2025-09-30
Abstract: The rapid emergence of synthetic cannabinoids (SCs) as new psychoactive substances has outpaced regulatory and toxicological understanding. In particular, the neurotoxicity of their pyrolysis byproducts remains largely unexplored, despite these substances being mainly consumed via smoking. As such, this work aimed to ascertain the chemical profiling of volatile and semi-volatile compounds produced during the pyrolysis of SC-containing herbal blends (Esfinge) and to assess the in vitro neurotoxicological study of these degradation products. For chemical analysis, the herbal mixtures were subjected to controlled smoking simulations using an in-house-built smoking simulator. Pyrolysis vapours were captured and extracted using headspace-solid-phase microextraction (HS-SPME) and solvent-based methods (methanol and dichloromethane). Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) enabled the identification of over 60 unique pyrolysis products, including halogenated aromatics, nitriles, and heterocyclic derivatives not present in the unburned material. To assess the blends' potential neurotoxicity, SH-SY5Y human neuroblastoma cells were exposed to smoke-derived extracts for 24h at a concentration range of 0.0986 μM to 24.67 μM, replicating inhalation exposure. Both MTT reduction and neutral red uptake assays revealed significant cytotoxicity at the highest concentration, with smoke-generated extracts exhibiting greater toxicity than their non-smoked counterparts (~58 % vs ~0 %), implicating pyrolysis byproducts in enhanced metabolic activity, cytosolic oxidoreductase activity dependent on NAD(P)H, and lysosomal dysfunction. To determine whether the plant matrix contributed to toxicity, the assays were also performed using Artemisia vulgaris and Turnera diffusa. Notably, plant-only extracts induced up to 55 % cytotoxicity, revealing a synergistic matrix effect wherein both SC-derived pyrolysis byproducts and thermolysis of phytochemicals contribute to neuronal injury. These findings demonstrate that SC pyrolysis yields a complex mixture of neuroactive compounds with higher cytotoxicity than parent SCs, and that the herbal matrix itself represents a significant source of neurotoxic compounds. This underscores the necessity of including thermal degradation products in both forensic investigations and risk assessments. Limitations include the in vitro model's inability to replicate systemic metabolism, blood-brain barrier dynamics, and immune interactions, as well as the lack of analytical standards for absolute quantification of many byproducts. Overall, this research highlights a critical public health concern: the neurotoxicity of SC smoke extends beyond the parent compounds and demands proactive regulatory and scientific attention.
Description: O rápido surgimento de canabinoides sintéticos (SCs) como novas substâncias psicoativas ultrapassou a compreensão regulamentar e toxicológica. Em particular, a neurotoxicidade dos seus subprodutos de pirólise permanece largamente inexplorada, apesar destas substâncias serem consumidas principalmente por via inalatória, após combustão. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo determinar o perfil químico e estudar in vitro a neurotoxicidade dos compostos voláteis e semi-voláteis produzidos durante a pirólise de misturas herbáceas contendo SCs (Esfinge). Para a análise química, as misturas foram submetidas a simulações controladas de fumo, utilizando um simulador de fumo construído internamente. Os vapores gerados durante a pirólise foram capturados e extraídos por microextração em fase sólida no espaço de cabeça (HS-SPME) e por métodos baseados em solventes (metanol e diclorometano). A análise por cromatografia gasosa acoplada a espetrometria de massa (GC-MS) permitiu a identificação de mais de 60 produtos de pirólise distintos, incluindo compostos aromáticos halogenados, nitrilos e derivados heterocíclicos ausentes no material não queimado. Para avaliar o potencial neurotóxico das misturas, células de neuroblastoma humano SH-SY5Y foram expostas a extratos derivados do fumo durante 24 horas, numa gama de concentrações entre 0,0986 μM e 24,67 μM, simulando a exposição por inalação. Os ensaios de redução de MTT e de absorção de neutral red revelaram uma citotoxicidade significativa na concentração mais elevada, com os extratos fumados a apresentarem maior toxicidade do que os seus equivalentes não fumados (~58% vs ~0%). Estes resultados implicam os subprodutos de pirólise numa maior atividade metabólica, atividade de oxidorredutases citosólicas dependente de NAD(P)H e disfunção lisossomal. Para averiguar se a matriz vegetal contribuía para a toxicidade observada, realizaram-se ensaios adicionais com Artemisia vulgaris e Turnera diffusa. De forma notável, os extratos das plantas isoladamente induziram até 55% de citotoxicidade, revelando um efeito sinérgico da matriz vegetal, no qual tanto os subprodutos de pirólise dos SCs como os compostos resultantes da termólise dos fitoquímicos contribuem para a lesão neuronal. Os resultados obtidos demonstram que a pirólise de SCs origina uma mistura complexa de compostos neuroativos com maior citotoxicidade do que os compostos originais, e que a própria matriz herbácea representa uma fonte significativa de compostos neurotóxicos. Estes dados sublinham a importância de incluir os produtos de degradação térmica nas investigações forenses e nas avaliações de risco. Entre as limitações do estudo destaca-se a incapacidade do modelo in vitro para replicar o metabolismo sistémico, a dinâmica da barreira hematoencefálica e as interações imunitárias, bem como a ausência de padrões analíticos para a quantificação absoluta de muitos dos subprodutos identificados. De forma geral, esta investigação realça uma preocupação crítica de saúde pública: a neurotoxicidade associada ao fumo de SCs vai além dos compostos parentais e exige uma resposta regulamentar e científica proativa.
Subject: Ciências médicas e da saúde
Medical and Health sciences
Scientific areas: Ciências médicas e da saúde
Medical and Health sciences
TID identifier: 204143055
URI: https://hdl.handle.net/10216/169469
Document Type: Dissertação
Rights: embargoedAccess
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Embargo End Date: 2026-09-29
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