طريقة لفحص نظائر الفنتانيل بناء على وقت الاحتفاظ بها وحركتها ونمط تجزئة قياس الطيف الكتلي.
مقالة منهجية
طريقة لفحص نظائر الفنتانيل بناء على وقت الاحتفاظ بها وحركتها ونمط تجزئة قياس الطيف الكتلي.
أصبح استخدام الفنتانيل وظهور نظائر الفنتانيل على مدى العقود الأخيرة مصدر قلق متزايد للمجتمع ككل. الفنتانيل ونظائره هي المساهمين الرئيسيين في الجرعات الزائدة القاتلة وغير المميتة في الولايات المتحدة. ترتبط أحدث حالات الجرعة الزائدة المرتبطة بالفنتانيل بالفنتانيل المصنع بشكل غير مشروع والفعالية الشديدة المرتبطة به. في هذا العمل ، نصف بروتوكولا تحليليا عالي الإنتاجية لفحص نظائر الفنتانيل. يسمح استخدام الكروماتوغرافيا السائلة التكميلية ، ومطياف الحركة الأيونية المحاصرة ، وقياس الطيف الكتلي الترادفي بفصل وتخصيص مئات نظائر الفنتانيل من عينة واحدة في مسح واحد. يستفيد النهج الموصوف من التطور الأخير للاكتساب المعتمد على البيانات والاكتساب المستقل للبيانات باستخدام التراكم المتوازي في فخ التنقل متبوعا بالتجزئة المتسلسلة باستخدام التفكك الناجم عن الاصطدام. يتم تعيين نظائر الفنتانيل بثقة بناء على وقت الاحتفاظ بها وحركتها ونمط تجزئة مرض التصلب العصبي المتعدد.
الفنتانيل ونظائره هم المساهمون الرئيسيون في الجرعات الزائدة القاتلة وغير المميتة في الولايات المتحدة 1,2. أفاد مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) أن عدد الوفيات الناجمة عن الجرعات الزائدة من المواد الأفيونية الاصطناعية من عام 2013 حتى عام 2021 كان أكثر من 258,000. في عام 2021 وحده ، يمكن أن يعزى أكثر من 68,000 حالة وفاة بجرعة زائدة إلى المواد الأفيونية الاصطناعية ، أي ما مجموعه 82٪ من جميع الوفيات المرتبطة بالجرعة الزائدة في البلاد3. منذ عام 2013 ، تم تحديد المئات من نظائر الفنتانيل ، مع قوة متفاوتة4. مع ظهور نظائر الفنتانيل المصنعة بشكل غير مشروع ، يظل الجدول الثاني من المواد الأفيونية الاصطناعية نفسها أكثر المواد الأفيونية الاصطناعية شيوعا المتوفرة في الولايات المتحدة3. وفقا لمركز أبحاث وتعليم علوم الطب الشرعي (CFSRE) ، كان الفلوروفنتانيل هو أعلى نظير فنتانيل تم الإبلاغ عنه في عام 2022 ، مع إدخال مواد أفيونية اصطناعية إضافية غير مرتبطة بالفنتانيل الآن في إمدادات سوق الأدوية المتقلبة بمعدلسريع 5.
نظرا للحجم الهائل من الفنتانيل والنظائر المرتبطة بالفنتانيل المتداولة في سوق الأدوية ، نفذت إدارة مكافحة المخدرات برنامج تنميط توقيع الفنتانيل بعنوان عملية تنين الموت ، من أجل تتبع المنهجية المستخدمة لتجميع هذه المركبات على أمل ربط مضبوطات المخدرات بأصلها6. في عام 2018 ، تم تحديد 94 ٪ من مضبوطات المخدرات على أنها توليفها بواسطة طريقة يانسن ، في حين تم تصنيع 6 ٪ المتبقية مع طريقة سيغفريد6. الفرق الأساسي بين الطريقتين هو وجود نظير الفنتانيل ، البنزيل الفنتانيل ، الذي تم اكتشافه كشوائب في طريقة يانسن ، في حين أن وجود ديسبروبيونيل فنتانيل (4-ANPP) ، وهو مستقلب / سلائف الفنتانيل ، هو شوائب تم اكتشافها عند توليفها باستخدام طريقة سيغفريد7.
يتم تنفيذ استخدام كروماتوغرافيا الغاز والسائل جنبا إلى جنب مع قياس الطيف الكتلي (GC-MS و LC-MS ، على التوالي) للفحص المستهدف والقياس الكمي للمواد الأفيونية الاصطناعية بانتظام في مختبرات السموم. يعتبر GC-MS المعيار الذهبي للكشف عن تعاطي المخدرات في العينات البيولوجية. يعد الوصول إلى المكتبات الطيفية الكتلية المتاحة للجمهور8 والأجهزة التي يتم تسويقها كأنظمة توصيلوتشغيل 9 بعض الأسباب التي جعلت GC-MS جزءا لا يتجزأ من المختبرات لكل من الفحص الشامل وكذلك القياس الكمي المستهدف 9,10. ومع ذلك ، فإن طرق القياس الكمي GC-MS الحالية في الأدبيات تميل إلى أن يكون لها نطاق محدود من التحليلات11 وسرعان ما تصبح قديمة ولا تنطبق على أعمال الحالة الحالية. والأهم من ذلك ، أن حدود الكشف والقياس الكمي لا يمكن مقارنتها بطرق LC-MS (< 1 نانوغرام / مل)12 ، مما يزيد من احتمال حدوث نتائج سلبية كاذبة. لاحظت إحدى هذه المقارنات بين GC-MS و LC-MS التي نظرت في عينات ما بعد الوفاة ، أنه من بين 134 حالة تم تحديدها بشكل إيجابي من carfentanil ، وهي واحدة من أقوى المواد الأفيونية الاصطناعية حتى الآن ، تم فحص 104 من هذه الحالات سلبية للكارفنتانيل باستخدام GC-MS13. في مختبرات تحليل المخدرات ، يتم استخدام GC-MS بشكل متكرر وقابل للتعديل للمواد الأفيونية الاصطناعية بسبب التركيز العالي للعينات التي تم تحليلها. ومع ذلك ، لا يزال GC-MS يستخدم جنبا إلى جنب مع تقنيات إضافية مثل التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتأكيد هذه المركبات14. يتطلب تطبيق GC-MS لتحليل العينات البيولوجية في علم السموم الشرعي طرق تحضير العينات التي تشمل استخراج هذه المركبات باستخدام إما استخراج السائل السائل (LLE) أو استخراج الطور الصلب (SPE)15. يمكن إجراء LLE باستخدام مجموعة متنوعة من المذيبات ، ولكن في مختبر عالي الإنتاج ، قد لا يكون LLE فعالا من حيث التكلفة أو في الوقت المناسب. يستهلك LLE كميات كبيرة من المذيبات بالإضافة إلى حجم العينة ، في حين أن البديل ، SPE ، يمكن أن يكون آليا ويتطلب الحد الأدنى من حجم العينة16. أفادت دراسة حديثة ل GC-MS عن فصل 20 نظيرا مختلفا من الفنتانيل الأيزوميري باستخدام ثلاثة برامج حرارية منفصلةGC 17. وفي حين أن فصل خط الأساس بين الأيزومرات كان ناجحا، فإن إمكانية تطبيق هذه الطريقة على أعمال الطب الشرعي ذات الصلة وتدفقات العمل محدودة.
اكتسب LC-MS شعبية في اختبارات الطب الشرعي ، خاصة بسبب قيود GC-MS عندما يتعلق الأمر بالمركبات غير المتطايرة والحساسة للحرارة18,19. نجح فحص LC-MS باستخدام رباعيات الأقطاب الثلاثية (QQQ) وأجهزة مصيدة الأيونات في اكتشاف المواد الأفيونية الاصطناعية بتركيزات منخفضة (<1 نانوغرام / مل) 12،20،21،22،23،24. عادة ، يتم استخدام طرق LC-MS هذه كطرق تأكيد ثانوية لاستكمال نتائج المقايسة المناعية و / أو GC-MS. في عام 2017 ، طور Shoff et al. في مختبر علم السموم التابع لقسم الفاحص الطبي في مقاطعة ميامي (MDME) طريقة فحص شاملة ل 44 مركبا مرتبطا بالمواد الأفيونية باستخدام كروماتوغرافيا سائلة عالية الضغط (UHPLC) - مصيدة أيون - MSn 13. على غرار طرق MRM المستهدفة ، استخدمت طريقة مصيدة الأيونات هذه قائمة سلائف مجدولة (SPL) تحتوي على أوقات الاحتفاظ ، وأيونات هدف السلائف ، بالإضافة إلى الأيونات الابنة الأولية للتجزئة الطيفية MS3 عندما يكون ذلك ممكنا. ما يفصل طريقة الفحص هذه عن الطرق التي تم تطويرها على الرباعيات الثلاثية ومصائد الأيونات الرباعية الخطية هو التفاصيل الإضافية الواردة في البيانات الطيفية. ما لا يمكن أن توفره طريقة الفحص هذه هو التحليل الكمي ، والذي نادرا ما يتم تطويره على أجهزة مصيدة الأيونات ، بالإضافة إلى تحديد المجهول13. يمكن لطرق LC-QQQ للمواد الأفيونية الاصطناعية أن تقوم في وقت واحد بفحص وتحديد قائمة مستهدفة محددة مسبقا. يعد استخدام انتقالات مراقبة التفاعل المتعدد (MRM) لتحديد المركبات وقياسها كميا تقنية موثوقة للحصول على البيانات وهي التقنية الأكثر شيوعا المستخدمة في الأدبيات للكشف عن المواد الأفيونية الاصطناعية12,20. تمتد النطاقات الخطية المبلغ عنها للقياس الكمي لمجموعة من المواد الأفيونية الاصطناعية من 0.01-100 نانوغرام / مل ، مع اكتشاف مواد أفيونية اصطناعية أكثر قوة ، مثل كارفنتانيل ، في نطاق أقل من نانوغرام / مل11،24،25،26،27.
تمت معالجة فصل المواد الأفيونية الاصطناعية الأيزومرية في طرق LC-MS. فصلت إحدى هذه الطرق 174 نظيرا من الفنتانيل الأيزوميري في غضون 16 دقيقة من وقت التشغيل باستخدام عمود ثنائي الفينيل28. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التقلبات في المعلمات المعتمدة على LC مثل كفاءة العمود ، ودرجة الحموضة في الطور المتحرك ، وتغيرات الضغط تخلق تحولات زمنية للاحتفاظ يجب أخذها في الاعتبار في المقايسات المستهدفة مع المراقبة المتسقة ونوافذ التجميع الأكبر (>0.4 دقيقة) ، مما قد يؤدي إلى تداخل محتمل لهذه الأيزومرات التي تم حلها مرة واحدة. وقد تم استكشاف تقنيات كروماتوغرافية إضافية لفصل الأيزومرات، بما في ذلك استخدام الكروماتوغرافيا السائلة ثنائية الأبعاد (2D-LC)29؛ وعلى الرغم من أن هذه التقنية لديها القدرة على توفير فصل متعامد للمركبات ، فإن العيوب تفوق المزايا بما في ذلك أوقات التشغيل المفرطة والتكلفة وصعوبة تطوير الطريقة والفائدة مقارنة بالفواصل البديلة30.
أصبح قياس الطيف الكتلي عالي الدقة (HRMS) موثوقا بشكل متزايد لتحديد المواد الأفيونية الاصطناعية. قامت العديد من شركات الأجهزة بتسويق طرق مستهدفة تم تطويرها لأغراض تحديد مجموعة واسعة من المواد الأفيونية الاصطناعية في المصفوفات البيولوجية المعقدة19،28،31. هذه الطرق ، على عكس الطرق التي تمت مناقشتها سابقا ، يمكنها تخزين البيانات التحليلية للتحليل بأثر رجعي. وبالتالي ، يمكن إعادة النظر في العينات التي تم تحليلها مسبقا بنتائج غير محددة لاحقا لاكتشاف المركبات المحددة حديثا. ما يفصل نظام إدارة الموارد البشرية عن QQQ هو التحديد الدقيق للكتلة. في حين أن كلا من تقنيات MS يمكن أن تحدد بدقة بتركيزات منخفضة ، فقد ثبت أن HRMS أكثر فعالية للفحص الأولي واكتشاف المركبات غير المعروفة32،33،34. كان نظام إدارة الموارد البشرية ، وتحديدا مع محللات MS لوقت الرحلة (TOF) ، في طليعة اكتشاف NPS ، مما سمح لمختبرات اختبار الطب الشرعي بتقديم بيانات حساسة للوقت عن المركبات الجديدة لكل من إنفاذ القانون والمجتمع العلمي لتوسيع نطاق انتشار بعض هذه المركبات مع زيادة الوعي والتعليم33. أصبح استخدام TOF للكشف عن تعاطي المخدرات شاملا للغاية ، مع طرق تحتوي على ما يزيد عن 600 مركب مفصولة ضمن برنامج كروماتوغرافي مدته 10 دقائق. تم الإبلاغ عن الدراسات السابقة مزايا التحليل الطيفي للحركة الأيونية المحاصرة (TIMS) إلى جانب TOF للكشف عن المواد الأفيونية الأيزومرية وفصلها35.
من خلال الاستفادة من التعامد بين اللوني السائل وقياس الطيف الأيوني المحاصر وقياس الطيف الكتلي ، توفر الطريقة المقدمة توصيفا واسعا لنظائر الفنتانيل بناء على وقت الاحتفاظ والنمط النظيري والتنقل ونمط التجزئة.
1. إعداد العينة
2. إعداد مراحل HPLC المتنقلة
3. تطوير طريقة HPLC
4. تهيئة HPLC
5. تطوير طريقة TIMSTOF MS / MS
6. التنقل ومعايرة الكتلة
7. إنشاء اكتساب البيانات المستقلة (dia) طريقة التراكم المتوازي - التجزئة التسلسلية
8. HPLC أيون التنقل TOF معالجة البيانات
تم تقسيم مجموعة الغربلة التناظرية الفنتانيل المكونة من 250 معيارا من النظائر إلى 14 مجموعة: 12 مجموعة من 17 نظيرا ومجموعتين من 16 نظيرا ، لتجنب تداخلات m / z. يتميز كل نظير أيضا بنمط تجزئة m / z ووقت الاحتفاظ (RT) والتنقل (K) ونمط تجزئة MS / MS.
يتم عرض أمثلة على الانفصال الأيزومري في الشكل 3 والشكل 4 للصيغة الكيميائية C22H28N2O2 و C21H28N2OS ، على التوالي.
تحتوي مجموعة الغربلة التناظرية للفنتانيل على أربعة أيزومرات مع الصيغة الكيميائية C22H28N2O2 (انظر الشكل 3). ويبين فحص الشكل 4 مخطط كروماتوجرام الأيونات المستخرج [M+H]+ ومخططات الحركة المتنقلة والنمط النظيري ونمط تجزئة MS/MS. ينفصل ميثوكسي أسيتيل فنتانيل وكربامات الفنتانيل جيدا في مجالات LC والتنقل عن شبه ميثوكسي أسيتيل فنتانيل و B-هيدروكسيل فنتانيل. ومع ذلك ، يتم تحقيق فصل واضح بين شبه ميثوكسي أسيتيل فنتانيل و B-هيدروكسيل فنتانيل من خلال أنماط تجزئتها.
تحتوي مجموعة الغربلة التناظرية للفنتانيل على ثلاثة أيزومرات مع الصيغة الكيميائية C21H28N2OS. ويبين فحص الشكل 4 مخطط كروماتوجرام الأيونات المستخرج [M+H]+ ومخططات الحركة المتنقلة والنمط النظيري ونمط تجزئة MS/MS. ينفصل a-methyl thiofentanyl و (±)-trans-3-methyl thiofentanyl في مجال LC ولكن ليس في مجال التنقل. علاوة على ذلك ، (±) -trans-3-methyl thiofentanyl و (±) -cis-3-methyl thiofentanyl منفصلان في مجال التنقل وليس في مجال LC. وهذا يدل على تكامل LC وفصل التنقل مما يحسن تحديد الأنواع الأيزومرية من خلال تعامد المجالات. يلخص الشكل 4D هذه النتيجة التي قدمتها LC والتنقل.

الشكل 1: منحدر التدرج في البرنامج. يتدرج مربع حوار طريقة نظام ICF النقاط الزمنية المطبقة أثناء الفصل اعتمادا على النسبة المئوية لتركيز B. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: إعدادات نافذة dia-PASEF. ضمن أساليب dia-PASEF MS ، تكون إعدادات MS / MS فريدة. يوضح الرسم البياني الموجود على اليسار مضلعات النوافذ المعدلة من البيانات المسجلة في طريقة dda-PASEF. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: مخطط كروماتوجرام الأيونات المستخرج النموذجي ، مخطط موبيلوجرام المستخرج ، وإسقاط MS المضخم للمواد الأفيونية الأيزومرية. أ: تراكيب ميثوكسي أسيتيل فنتانيل، وشبه ميثوكسي أسيتيل فنتانيل، وفنتانيل β هيدروكسي، وكربامات الفنتانيل والوقت (ب) للاحتفاظ النموذجي، (ج) التنقل النموذجي، (د) الإشارة الأيزومريكية، (ه) الشظايا الرئيسية، (و) تمثيل التجزئة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: الكروماتوجرام الأيوني المستخرج النموذجي والمخططات المتحركة المستخلصة للمواد الأفيونية الأيزومرية (أ) تراكيب α-ميثيل ثيوفنتانيل، و(±)-ترانس-3-ميثيل ثيوفنتانيل، و(±)-رابطة الدول المستقلة-3-ميثيل ثيوفنتانيل. بالنسبة للمتشاكلات ذات الصلة (ب) وقت الاحتفاظ النموذجي ، (ج) التنقل النموذجي ، (د) التعامد بين وقت الاحتفاظ والتنقل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجدول التكميلي 1: مجموعات المخلوط. يوضح هذا الجدول المواد الأفيونية الموجودة في كل من المخاليط ال 14 التي تم إنشاؤها لهذا الإجراء. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
يمكن أن يكون الفصل التحليلي للعينات البيولوجية التي تحتوي على محتوى أيزوميري عالي تحديا من الناحية التحليلية. في هذه الورقة ، تهدف الطريقة الموصوفة إلى توصيف 29 مجموعة أيزومر ، ليصبح المجموع 185 نظيرا من 250 مجموعة قياسية من المواد الأفيونية. أثناء إعداد مجموعة الاختبار ، من المهم التأكد من عدم وجود نظيرين مع m / z لا يمكن تمييزهما تجريبيا. تستخدم البيانات الموصوفة هنا معايير ليست من مصفوفة بشرية ، إذا كانت هذه الطريقة ستستخدم في تجربة ميدانية ؛ ومن الضروري إجراء تجارب إضافية باستخدام مصفوفة الاهتمام لضمان إمكانية تطبيق الطريقة. قد تتسبب المصفوفة في تأين المواد المراد تحليلها بشكل مختلف عما يحدث في تجربة خالية من المصفوفة، مما يجعل من الضروري تحديد الأشكال الأيونية السائدة التي سيتم ملاحظتها. وفي التحليل، يستند التحديد إلى الأنماط النظيرية لأكثر الأشكال وفرة (مثل [M+H]+1 و[M+Na]+1).
يعد اختيار برنامج LC أمرا بالغ الأهمية في الحالات التي لا يتم فيها فصل الأيزومرات في مجال التنقل. يمكن أن يؤدي تقليل ميل التدرج إلى زيادة خصوصية الطريقة عن طريق زيادة الفرق بين القمم الكروماتوغرافية.
أثناء تحليل البيانات ، من المهم تجاهل الإشارات غير ذات الصلة عند تحديد وقت الاحتفاظ والتنقل. تسمح مزايا نظام إدارة الموارد البشرية بنوافذ m / z الضيقة (دقة كتلة نموذجية تبلغ ~ 50000) مع تصفية إضافية للتنقل ، وبالتالي تقليل الضوضاء الكيميائية.
توفر الطريقة الموصوفة هنا مكتبة مرجعية لفحص نظائر الفنتانيل من عينة غير معروفة. ويستخدم نمط تجزئة RT وK والنظير وMS المبلغ عنه كمؤهلات أثناء معالجة البيانات والتخصيص غير المعروف. عند مقارنتها بتحليل MRM LC-QQQ التقليدي ، في حين أن LOD المماثل يمكن تحقيقه13،19،27 ، فإن الميزة الفريدة هي فحص المواد الأفيونية البديلة غير المدرجة في قاعدة البيانات التي تم إنشاؤها باستخدام مجموعة FID. سيتطلب كل مادة أفيونية جديدة التحليل باستخدام معيار اصطناعي للتحقق النهائي من صحته.
ماثيو ويليتس وملفين أ. بارك موظفان في شركة Bruker Daltonics Inc ، الشركة المصنعة للأداة التجارية timsTOF Pro2. يعلن جميع المؤلفين الآخرين عدم وجود تضارب في المصالح.
يود المؤلف أن يعترف بالدعم الأولي للدكتور سيزار راميريز خلال تطورات الطريقة الأولية.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| فورمات الأمونيوم ل HPLC | Fluka | 17843-50G | |
| Eppendorf ؛ أنابيب القفل الآمن لأجهزة الطرد المركزي | Fisher | 05-402-25 | |
| ESI-L مزيج ضبط منخفض التركيز | Agilent | G1969-85000 | |
| Fentanyl Analog Screening Kit ؛ | كايمان كيميكال | 9003237 ، 9003286 ، 9003380 ، مجموعة 9003381 | من 250 مادة أفيونية ، 210 نظائر فنتانيل ، مقسمة إلى مجموعة واحدة وإصدارات لوحة ناشئة 1-4 |
| حمض الفورميك Optima LC / MS | Fisher | A117-50 | |
| عمود حماية الجزع (5 × 4.6 مم) ؛ | Phenomenex | CHO-7649 | عمود الحراسة لأعمدة C18 |
| العقيق المتآلف C18 HPLC العمود (100 × 4.6 مم) | Phenomenex | CHO-7643 | المرحلة العكسية C18 LC العمود |
| Optima الصف acetonitrile | فيشر | A996-4 | |
| Optima الصف الميثانول | فيشر | A454-4 | |
| أوبتيما الصف المياه | فيشر | W7-4 | |
| ماصة | فيشر | 05-719-510 | مجموعة من 1-10 ومايكرو ؛ L ، 10-100 وميكرو ؛ L ، و 100-1000 & L ماصة |
| أطراف ماصة 10 & ميكرو ؛ L | فيشر | 94060100 | |
| أطراف الماصة 1000 & مايكرو ؛ L | فيشر | 94056710 | |
| نصائح الماصة 200 & مايكرو ؛ L | فيشر | 94060310 | |
| خلاط لوحة | IKA | MS 3 D S1 | IKA MS 3 digtital |
| Prominence LC-20 CE كروماتوجراف سائل فائق السرعة | شيمادزو ، اليابان | مجهزة ب DGU-20A5 ، LC-20AD ، SIL-20AC ، CTO-20A ، SPD-M20A ، CBM-20A ، SPD-20A | |
| timsTOF Pro | Bruker Daltonics Inc. ، Billerica ، MA | timsTOF instrument with PASEF ؛ |
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن