Hier beschreiben wir eine Hochdurchsatz-Verfahren zur umfassenden Droge-Überwachung, die für die verbesserte Auflösung und Erkennung von großen Platten von Medikamenten, Missbrauch und deren Metabolite mit Qualitätskontrolle auf multisegment-Injektion-Kapillare ermöglicht Elektrophorese-Massenspektrometrie.
Neue Analysemethoden sind dringend notwendig, Hochdurchsatz-, aber dennoch umfassende Wirkstoff-Screening, angesichts eine alarmierende Opioid und verschreibungspflichtige Medikament Krise im Gesundheitswesen ermöglichen. Konventionelle Urin Drogentest basiert auf einem zweistufigen Immunoassay-Bildschirm gefolgt von einer Gaschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (GC-MS/MS) oder flüssige Chromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) Methode sind teuer und anfällig für Verzerrungen während limitiert auf gezielte Platten von bekannten Drogen (DoA). Hier beschreiben wir eine verbesserte Methode für Droge-Überwachung, die für die Auflösung und die Erkennung von eine erweiterte Gruppe von DoA und ihre Metaboliten ermöglicht die Verwendung multisegment-Injektion-Kapillar-Elektrophorese-Massenspektrometrie (MSI-CE-MS). Gemultiplext Trennungen von zehn Urinproben mit einer Qualitätskontrolle durch CE (< 3 min/Probe) in Verbindung mit einer Full-Scan Datenerfassung mit einer Time-of-Flight-Massenspektrometer (TOF-MS) unter positiven Ionen-Modus Erkennung die Identifikation ermöglicht und Quantifizierung von DoA oben empfohlenen Cut-off. Eine hervorragende Auflösung der Droge Isomere und Isobaren, einschließlich Hintergrund Interferenzen, erreichen wir bei MSI-CE-MS mit einer elektrokinetischen Abstandhalter zwischen Probe Segmenten, wo genaue Masse/Molekulare Formel zusammen mit der Comigration von einer passende deuterierter interner Standard und den Nachweis einer oder mehr Bio-transformierten Metaboliten ermöglichen eine DoA-Identifikation über ein breiteres Erkennung Fenster. Darüber hinaus können Urinproben direkt ohne Enzym Deconjugation für die schnelle Screening ohne komplizierte Muster Aufarbeitung analysiert werden. MSI-CE-MS ermöglicht die Überwachung eines breiten Spektrums von DoA, die für die Therapieüberwachung von Hochrisiko-Patienten, einschließlich bestätigt die Einhaltung der vorgeschriebenen Droge, enthüllt Gebrauch illegaler Drogen/Substitution und optimale Dosierung Regime Bewertung erforderlich ist Je nach Bedarf für neue Fortschritte in der Präzisionsmedizin.
Eine alarmierende Zunahme der Missbrauch und die Abhängigkeit von Opioiden für das Management von chronischen Schmerzen stellt zunehmende zu einer Bedrohung für die öffentliche Gesundheit, mit mehr als 70.000 Überdosierung Todesfälle in den USA im Jahr 20171geschätzt. Ebenso sind verschiedene andere Psychopharmaka auch weithin für Kinder und junge Erwachsene für die Behandlung von Angst, Depression und psychische Probleme2vorgeschrieben. Infolgedessen ist Urin Drogentests für den Arbeitsplatz und forensische Toxikologie, weit entwickelte Verfahren von entscheidender Bedeutung für die therapeutische Überwachung der verschriebenen Medikamente, die anfällig für Toleranz und Abhängigkeit3,4. Dies ist erforderlich, um Termintreue, optimale therapeutische Wirksamkeit und Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, während enthüllt mögliche Substitution, einschließlich der illegalen oder nonprescribed Drogenmissbrauch. Urin-Drogen-Tests für DoA setzen derzeit, auf einem zweistufigen Ansatz, bestehend aus einer anfänglichen wettbewerbsfähige Immunoassay Bildschirm über Point-of-Care-Geräten oder Labor-Analysatoren, gefolgt von ein Bestätigungstest mit größere Spezifität basierend auf GC-MS/MS und in zunehmendem Maße LC-MS/MS5. Immunoassays sind jedoch anfällig für die Vorspannung, da Antikörper Reagenzien nonspecifically an verschiedenen Substanzklassen zu binden, um ein vermutlicher Bildschirm-positives Ergebnis zu erzeugen, die eine zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung von komplexen Drogen oder spezielle Medikamente verhindert Mischungen-6. In diesem Zusammenhang genauer Urin-Drogen-Tests sind dringend notwendig, angesichts der exorbitanten Kosten für umfassende polyvalenten Bildschirme,7 einschließlich Designerdrogen und synthetischen Urin-Produkte, die konventionelle entziehen gezielt Assays.
Hocheffizienz Trennungen in Verbindung mit hochauflösenden MS (HRMS) mit TOF oder Orbitrap Massen-Analysatoren sind als nontargeted Strategie für Droge-Überwachung in einem Zeitalter der Polypharmazie und Ausbau Platten von DoA8,9 vorgeschlagen worden . Herkömmlichen LC-Trennungen sind jedoch langsam (> 15 min) aufgrund der langen Elution Zeiten für die Auflösung von chemisch unterschiedliche Klassen von DoA und ihre Metaboliten mit Gradienten Elution Programme, die der Probendurchsatz für routinemäßige Drogentest begrenzt. Alternativ, direkte Analysemethoden anhand der Desorption Ionisation (DESI)10 und Laser Diode thermische Desorption (LDTD) ermöglichen schnellere Drogen-screening ohne Trennung11. Allerdings sind diese ambient Ionisation Methoden Isobaren/Isomeren Störungen anfällig bei der Analyse von komplexen Urinproben, erfordern somit unabhängige bestätigenden Tests.
Unser Labor hat vor kurzem eine Multiplex Trennung Plattform um Probendurchsatz bei gleichzeitiger Beibehaltung der Auflösung und Treue einer hocheffizienten Trennung basierend auf MSI-CE-MS12entwickelt. Neuartige Daten-Workflows können in MSI-CE-MS für die nontargeted Metabolit Profilierung (d.h., Metabolomik) Volumen eingeschränkt Bioproben ausgelegt werden, Qualitätskontrolle (QC) für die Batch-Korrektur Bedarf für großflächige Bevölkerung zulassen, daß Studien-13. In diesem Fall werden mit Hilfe eines isokratischen Puffers mit gelösten Ionisation unter Lösungsmittel Steady-State-Bedingungen auftreten, wenn eine konventionelle Mantel flüssigen Schnittstelle, ermöglicht eine serielle Injektionen von 10 oder mehr Proben innerhalb eines einzelnen Trennungen durchgeführt führen Sie für das schnelle noch selektive Screening der verschiedenen Klassen von DoA und ihre Metaboliten14. Der Fokus dieser Studie ist es, weitere validieren MSI-CE-MS für die direkte Analyse von authentischen Urinproben von einer repräsentativen Kohorte von klinisch depressiven Patienten, die mit einer “verdünnen-and-Shoot”-Methode, die die Notwendigkeit einer Enzym Hydrolyse15vermeidet. Darüber hinaus erfolgte die Umsetzung eines elektrokinetischen Abstandhalter zwischen seriellen Probe Steckern in MSI-CE-MS16 weiter verbessern die Auflösung der verschiedenen Drogen Isomere/Isobaren, Hintergrund Harn Störungen und/oder Kreuz-Störungen beim screening großer Platten von DoA. Die absolute Quantifizierung von DoA in Urinproben bei Verwendung von passenden internen Standards deuterierter (d-ist) zeigt sich bei der Verwendung der MSI-CE-MS. Dieser Ansatz erleichtert auch die Droge Identifikation sowie Ableitung der richtige Probenposition des Bildschirm-positiven Fällen im Vergleich zu einer Droge Panel Mischung auf die empfohlene screening Abkürzungniveau, das funktioniert auch als eine interne Referenz/QC innerhalb den gleichen Lauf.
Konventionelle chromatographische Trennungen setzen in der Regel auf eine einzelne Probeninjektion pro Lauf, von einen Gradienten Elution gefolgt für die Lösung komplexer Wirkstoff-Mischungen und Spalte Überholung. Diese Anforderungen grundlegend zu begrenzen, Probendurchsatz und Pflicht Zyklus, auch wenn Sie optimale Säulenschaltung Programme verwenden. In diesem Zusammenhang hochvolumigen Urinanalyse Drogen für den Arbeitsplatz, Toxikologie oder therapeutische Überwachungsanwendungen durch GC-MS/MS und in zunehmendem Maße, LC-MS/MS sind somit parallel durchgeführt, sondern bevorzugt als L2- oder bestätigende testen wann notwendig (d.h. juristische oder medizinische Kontext). Dies ist aufgrund der viel höheren Investitionen und Betriebskosten sowie Komplikationen mit Datenanalyse instrumental plattformübergreifend in einem akkreditierten Labor analysierte Proben im Vergleich. Infolgedessen bleiben Immunoassays noch die Hauptmethode zur routinemäßigen Drogentest trotz als anfällig für falsch-positive und falsch-negative unter vielen Substanzklassen mit begrenztem Zugang zu Antikörper Reagenzien für aufstrebende Designer-Drogen. Frühere Studien haben gezeigt, dass gemultiplexten Trennungen basierend auf MSI-CE-MS eine einfache Lösung bieten um den Probendurchsatz bis zu einer Größenordnung zu erhöhen. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz für die Gestaltung der neuen Daten-Workflows für die Entdeckung von Biomarkern mit hoher Wiedergabetreue basierend auf die Umsetzung von effektiven Batch-Korrektur und Qualitätskontrolle12,13,14. Die Einführung von 10 oder mehr serielle hydrodynamischen Injektionen bei MSI-CE-MS verkürzt jedoch die effektive Kapillarlänge verpflichtet, Hocheffizienz Trennungen, die die Selektivität gefährden kann, bei der Analyse von DoA und deren Metaboliten in menschlicher Urin.
Hierin, führten wir eine elektrokinetischen Injektion von der BGE nach jeder hydrodynamischen Probeninjektion so, dass die Trennung die volle Kapillarlänge (120 cm) nutzt, damit die Verbesserung der Auflösung des wichtiges Medikament Isobaren/Isomere bei Verwendung Full-Scan Datenerfassung von TOF-MS (Abbildung 1A). Im Vergleich zu einem jüngsten Bericht14besserer Auflösung erreicht für mehrere wichtige Isobaren/Isomeren DoA und deren Metabolite, die beim screening für großen Drogen-Panele kritisch ist. Zum Beispiel war die Auflösung der mehrere wichtige strukturelle und funktionelle Gruppe Isomere realisiert einschließlich drei analoge opioid Drogen/Metaboliten (Abbildung 1 b), zwei nicht miteinander verwandten opioid Isobaren (Abbildung 1) und zwei Methamphetamin, positionelle Isomere (Abbildung 1). In allen Fällen ist Probe Übertrag von seriellen Injektion von verschiedenen Kalibrator Lösungen innerhalb der gleichen Ausführung nicht signifikant durch eine negative Urin Kontrolle/leere bestätigt. Darüber hinaus verbesserte Auflösung erfolgt auch für mehrere Kreuz-Interferenzen mit bestimmten d-ISs mit Isobaren Drogen innerhalb des Panels, wie Cotinin-d3 und 3,4-Methylenedioxyamphetamine (MDA), EDDP-d3 und Imipramin, Norfentanyl-d5 und Ketamin, Codein-d6 und Sertralin, und Kokain-d3 und Zolpidem. Dieses Ergebnis wird erweitert zu anderen Isobaren Störungen innerhalb des Droge-Panels, die in dieser Studie (z. B.Noroxycodone/Oxymorphone, Normeperidine/Methylphenidat) besser gelöst wurden sowie wichtigen Hintergrund Harn Störungen (z.B. Source -fragment Ionen von Kreatinin mit Amphetamin)14. Zugriff auf zwei orthogonalen Parameter, die vermeintliche Identifizierung von spezifischen DoA zu befriedigen ist entscheidend für die Reduzierung der Fehlalarme durch isobare Störungen, nämlich genaue Masse kombiniert mit Comigration mit d-ISs. Auch die Erkennung von einem oder mehreren biotransformiert Metaboliten der übergeordneten Droge innerhalb derselben Probe, wie hydroxylierten, demethylated oder intakt Glucuronid Droge conjugate(s), fügt weiter Vertrauen in Richtung Droge Identifikation beim Ausbau der Fenster für die Erkennung.
Die empfohlene Cut-off-Ebenen für Urin Drogentest unterschiedlich für verschiedene Klassen von DoA (von 50 bis 1.000 ng/mL) je nach ihrer Pharmakokinetik, Toxizität und Hintergrund Eingriffe, um Methode Voreingenommenheit basierend auf Richtlinien von zu verringern die Substance Abuse and Mental Health Services Administration (SAMHSA)14. Das Potenzial für MSI-CE-MS zur Detektion und Identifizierung von verschiedenen Klassen von DoA direkt im Urin mit minimales Beispiel Vorbehandlung wurde auf eine Gruppe von klinisch depressiven Patienten mit einer bekannten Rezept angewendet. Die endgültige Identifizierung von Methadon (verschrieben), Amphetamin (nonprescribed/illegalen), Venlafaxin (vorgeschrieben) und médicaments (vorgeschriebenen) in verdünnter, doch nonhydrolyzed, Urinproben zeigte sich bei der Verwendung der MSI-CE-MS. Dies beruhte auf einen direkten Vergleich eines Arzneimittels in eine spezielle Injektion Position in Bezug auf die 84-Wirkstoff-Mischung eingeführt in der ersten Probenposition bei den empfohlenen erkannt screening Abkürzungniveau dient als interne Referenz/QC und Positivkontrolle (Abbildung 2). Absolute Droge Quantifizierung ist auch möglich, wenn mit Hilfe externer Kalibrierungskurven (Abbildung 3) basierend auf dem Ion-Antwort-Verhältnis für ein Medikament im Vergleich zu ihren d gemessen-ist. Im Gegensatz zu den meisten chromatographische Trennungen, gibt es keine Auswirkungen auf Migration Zeitunterschiede zwischen einem d Deuterium-Effekt-ist und seine nondeuterated Droge, da sie analoge elektrophoretische Mobilitäten in kostenlose Lösung in CE besitzen. In der Tat ist das Migrationsverhalten von DoA in CE, basierend auf ihrer grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften/chemische Struktur, nämlich molekulare Volumen und effektive Ladung (pKein)14genau modelliert. Da viele Medikamente auch bedeutende Sekundärstoffwechsels vor-Ausscheidung im Urin (z. B.Morphin Glucuronid), Screening-Cut-off, die Ebenen, dass Anpassung unterziehen erfordern wie ihre gemessenen Konzentrationen niedriger als sind erwartet, im Vergleich zu Methoden, die Enzym-Hydrolyse für insgesamt Drogennachweis nutzen. Ein großer Vorteil von “verdünnen-and-Shoot” Urin Drogentest, neben der Verringerung von Kosten/Zeit, Probenbehandlung, und eine mögliche Verzerrung oder Batch Abweichungen aufgrund unvollständiger Enzym Hydrolyse, ist, dass die mutmaßliche Bildschirm-positiven Fällen weiter bestätigt die Erkennung von ein oder mehrere verwandte Droge Metaboliten innerhalb derselben Probe. Dies bietet auch tiefere Einblicke in Droge Pharmakokinetik und optimale Dosierung-Anforderungen für den einzelnen Patienten und verbessert die Erkennung für “schnell” abbauen oder vorgeschriebenen/illegalen Drogen mit kurzen Halbwertszeiten. Darüber hinaus Comigration mit einem passenden d-nutzt spielt zwei wichtige Funktionen für zuverlässige Wirkstoff-screening bei MSI-CE-MS — nämlich, identifiziert es die genaue Probenposition Injektion (d.h. Patienten #) während auch Berichtigung für Unterschiede bei den Ion Antworten/Injektionsvolumina für verbesserte Präzision und Genauigkeit.
Zukunft Arbeit zielt auf die Entwicklung von Individualsoftware Tools zur automatisierten Datenverarbeitung gemultiplexten Trennungen mit HRMS Bedarf für hochvolumige Urin Drogentests mit QC/QA gekoppelt. Strenge Validierung von MSI-CE-MS für das Breitspektrum-Screening von DoA wird auch geprüft werden, unter einer größeren Kohorte von Patienten mit hohem Risiko um verschriebene Medikament festhalten und Potenzial Missbrauch/Substitution Objektiv zu bewerten, die beeinträchtigen könnten Wirksamkeit der Behandlung, Patientensicherheit, und/oder psychiatrische Auswertung/Diagnose. Eine ergänzende Analyse der sauren/anionischen Klassen von DoA und deren Metabolite erfolgt auch durch MSI-CE-MS unter alkalischen Bedingungen mit Negativ-Ionen-Modus Erkennung Bedarf für die umfassende Überprüfung der natürliche/synthetische Cannabinoide. Dies ist wichtig, angesichts der drohenden gesundheitspolitischen Folgen der Legalisierung von Freizeit Marihuana in Kanada und mehreren US-Bundesstaaten. Ein wesentlicher Vorteil des Full-Scan Datenerfassung von TOF-MS ist, dass die Retrospektive Analyse von Proben durchgeführt werden kann, selbst wenn Urinproben nicht mehr für Follow-up-Tests zur Verfügung stehen, während andere Lebensstil oder diätetische Aufnahmen besser beurteilt werden kann differenzierte Antworten auf eine medikamentöse Therapie zu verstehen. Zusammenfassend lässt sich sagen bietet eine schnelle und dennoch präzise Medikament Überwachung Methode von MSI-CE-MS wesentliche Vorteile zu herkömmlichen gezielte Immunoassays sowie direkte Infusion/ambient Ionisierung-MS/MS-Methoden, die anfällig für Interferenzen/Vorspannung beim Lösen von erweiterte Platten von DoA und deren Metaboliten in komplexen biologischen Proben an Mehrkosten.
The authors have nothing to disclose.
P.B.M. will finanzielle Unterstützung aus den Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada, die Kanada-Stiftung für Innovation und Genom Kanada McMaster Universität anerkennen. Die Autoren danken Howard Lee bei Seroclinix Corporation und Dr. Marcus Kim von Agilent Technologies für ihre aufschlussreiche Gespräche. Außerdem erkennen die Autoren Dr. Zainab Samaan von der Abteilung für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften an der McMaster University und die Stimmungen Störung Klinik am St. Joseph-Hospital für den Zugriff auf die zur Patienten Urinproben in dieser Studie verwendeten .
7100 Capillary Electrophoresis System | Agilent Technologies Inc. | G7100A | CE instrument used for separation of drug mixtures, desalting and anotation |
6230 Series Time-of-Flight Mass Spectrometer | Agilent Technologies Inc. | G6230B | HRMS mass analyzer used for drug detection and anotation |
CE-ESI-MS Sprayer Kit | Agilent Technologies Inc. | G1603A | CE/MS coaxial sheath liquid interface and capillary casette |
1260 Infinity Isocratic Pump and Degasser | Agilent Technologies Inc. | G1310B | Isocratic pump to deliver sheath liquid/mass calibrant |
MassHunter Workstation Data Acquisition Software (B.06.01) | Agilent Technologies Inc. | — | Software used for control of CE-MS system |
MassHunter Qualitative Analysis Software (B.06.01) | Agilent Technologies Inc. | — | Software used for processing of CE-MS data |
Shortix Capillary Cutter | Agilent Technologies Inc. | 5813-4620 | Cutting tool with diamond blade used to cut capillaries |
Capillary Window Maker | Microsolv Inc. | 07200-S | Burner with 7 mm window size to remove polyimide coating from CE capillary |
Flexible Fused-silica Capillary Tubing | Polymicro Technologies Inc. | TSP05375 | Standard polyimide coated fused-silica capillary for CE separation (50 micron ID; 360 micron OD) |
Drug standards, deuterated internal standards, synthetic urine matrix (SURINE) | Cerilliant Inc. | Miscellaneous | Certified drugs of abuse reference standards (86 drug panel) with 48 deuterated internal standards and negative urine control (Surine) |