采用多段注射-毛细管电泳质谱法进行高通量和综合药物监测
April 23rd, 2019
在这里, 我们描述了一种用于全面药物监测的高通量方法, 该方法可以提高大型药物滥用药物及其代谢物的分辨率和检测能力, 并在多段注射-毛细管的基础上进行质量控制电泳质谱。
目前尿液药物筛查的策略对于对越来越多的滥用药物进行常规分析（如工作场所检测所需的常规分析）以及治疗药物监测应用的成本很高。此外，基于氨基测定的方法容易产生偏差，最终仅限于对已知药物面板进行目标分析。我们的方法的主要优点，即MSI-CE-MS，是它允许快速筛选无限的药物面板及其代谢物，高精度和最小的样品工作。
迫切需要一种高通量和负担得起的筛查方法，通过确认依从性并优化药物剂量制度，同时揭示非法药物使用情况，改善患者的结果。这种多路复用分离平台可应用于与复杂生物样品中目标或非靶向代谢物剖析相关的其他各种研究领域。首先解冻从已知处方药病史中采集的早间尿液样本，将零下80摄氏度储存在冰上，并旋转解冻的样品30秒。
其次，通过离心沉淀样品，将每个样品的3个10微升等同物与10个脱白内部标准微升、5微升4-氟-L-苯丙氨酸和3-氯-L-酪氨酸溶液以及25微升脱水。然后将混合物离心一分钟，将每个样品的20微升转移到单独的聚丙烯小瓶中。要设置未涂层熔融石英毛细管调节参数，请从滑阀上切割一个长 135 厘米、50 微米内径和 360 微米外径毛细管。
使用毛细管窗制造商从每个毛细管的两端去除约 7 毫米的聚酰胺涂层。接下来，将毛细管入口安装到毛细管电泳或 CE 气管中，通过循环每个毛细管两个 360 度转弯，注意将大约两毫米的毛细管插座伸出 CE 喷雾器针头。安装所有毛细管后，请小心地将 CE 墨盒装入 CE 系统中，然后将 CE 喷雾器从离子源中存放。
将液相色谱或 LC 喷雾器放入离子源中，并在系统软件中选择冲洗以设置毛细管调节。将甲醇、一个氢氧化钠、去离子水和背景电解质的持续时间设置为每冲洗 30 分钟，并在毛细管调节期间将等电位泵置于待机状态。最后一次冲洗后，用甲醇浸泡湿巾清洁毛细管电泳质谱仪或 CE-MS 喷雾器，以及 CE 电极。
使用一对一异丙醇水溶液清洁 CE-MS 接口，以清除任何残留盐沉积。将 LC 喷雾器更换为清洁的 CE-MS 喷雾器和新调节的毛细管，并放入同轴护套液体接口中。然后打开等电位泵，施加 30 千伏的电压 15 分钟，以确保在尿液分析之前实现稳定的 CE 电流轮廓。
在系统软件中，选择预置，将刷新设置为 600 秒，并指定背景电解质文件位置。将注射设置为以 100 毫巴水动力学注入样品 5 秒，以 30 千伏电镀注入背景电解质空间 75 秒。将施加的电压设置为 30 千伏，将墨盒温度设置为 25 摄氏度，将总运行时间设置为 40 分钟。
然后，使用时间表，在分离期间应用每分钟两毫巴的压力梯度，从零到 40 分钟。样品采集完成后，在离子源中的 CE 喷雾器中，用背景电解质在 50 毫巴压力下冲洗毛细管。将 TOF-MS 正离子检测设置为跨 50 到 1，700 的海电比，每个频谱的数据采集速率为 500 毫秒，并确认配置文件和质心数据存储在 D 文件格式中。
将电喷电离条件设置为毛细管和喷嘴电压各 2000 伏，雾化器气体设置为每平方英寸 10 磅，将干燥气体在采集过程中以 300 摄氏度的速度将干燥气体输送设置为每分钟 8 升，在采集过程中，护套气体流量为每分钟 3.5 升，达到 195 摄氏度。然后将分片器、脱脂器和八极一号射频的MS电压设置分别设置为120、65和750伏，并根据实验设计设置仪器控制和数据采集参数。对于数据分析，请打开系统软件中的多段 CE-MS 数据。
在色谱图下，将提取数据、色谱图和质量光谱数据格式设置为剖面模式。在平滑下，选择二次立方萨维茨基-戈莱，将功能宽度设置为 15 点。然后单击"集成 MS"并将集成器设置为敏捷。
在峰值滤波器下，将峰值的最大数量设置为 11。在视图中，单击集成峰值列表并选择峰值编号、保留时间、峰值区域、峰值高度和信噪比。然后将参数保存在唯一的方法名称下，并应用该方法到每个数据集的解释过程中。
在这项对各种异构药物的滥用及其代谢物的代表性分析中，从药物混合物的10个独立样品中检测到30个解析的峰值，而没有进行样品结转。另外两种等量类阿片类药物可以通过完全扫描数据采集，作为 20 个不同的峰值完全解决。同样，在这项多段CE-MS分析中，两种安非他明位置异构体问题得到完全解决，以区分非法甲基安非他明滥用和可能滥用苯丙胺，而芬特明是一种处方兴奋剂，用作减肥的食欲抑制剂。
在这项具有代表性的药物筛选分析中，通过检测与美沙酮d3峰值和低质量误差的较大信号峰共同迁移，推导出了美沙酮的阳性筛选测试结果。在同一运行中，任何其他尿样中未检测到其他信号，检测到的美沙酮浓度超过建议的截止限值的 13 倍，与样品中测量的离子响应比相比，并经过四倍尿液稀释因子的校正，从而确认患者对美沙酮维持治疗的坚持。在这里，多段CE-MS的串行注射配置，包括五种不同的药物卡布里剂，在一次运行中与合成尿空白一起重复分析。
药物代谢物被检测为其盆栽分子离子超过其筛选截止限。遵循这个程序，大量的极性代谢物和离子代谢物在尿液也可以由MSI CMS分析，以支持基于发现性的代谢研究。此外，可以全面监测各种外源药物及其代谢物，包括非处方药和容易滥用的非法药物。
这种优化的方法也可用于定期筛查其他滥用药物。这些可能是大麻或酒精代谢物，我们的方法也可以区分合成或假尿基和自然，真实，真实捐赠的尿样。使用生物液体时，请记住要谨慎。
概述
本研究介绍了一种使用多段注射-毛细管电泳-质谱（MSI-CE-MS）进行药物监测的高通量方法。该方法通过提高准确性和最小化样品制备来增强对广泛范围内的药物及其代谢物的检测。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 药理学
- 分析化学
背景
- 当前的尿液药物筛查方法成本高昂，且仅限于已知的药物组。
- 需要经济实惠的高通量筛查方法。
- MSI-CE-MS 提供了快速筛查无限药物组的能力。
- 该方法也可以应用于生物样本中的代谢物分析。
研究目的
- 通过确认药物依从性来改善患者预后。
- 优化药物剂量方案。
- 有效检测非法药物使用。
所使用的方法
- 解冻和涡流混合尿液样品。
- 离心和用内标准准备样品。
- 毛细管调节和 CE-MS 参数设置。
- 使用特定软件设置进行数据采集和分析。
主要结果
- 从 10 个独立的药物混合样品中检测到 30 个分辨峰。
- 两种同分异构体阿片类药物被完全分辨为 20 个不同的峰。
- 两种苯丙胺位置异构体被有效区分。
- 在分析过程中未观察到样品交叉污染。
结论
- MSI-CE-MS 方法为药物筛查提供了全面的方法。
- 它允许高精度检测广泛的药物范围。
- 该方法在各种研究领域具有潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-throughput, comprehensive drug surveillance is critical for biopharma R&D, especially in the context of evolving drug abuse patterns and precision medicine. The MSI-CE-MS platform enables rapid, multiplexed detection of a broad spectrum of drugs and metabolites, supporting both discovery and translational workflows. This capability enhances predictive confidence and operational efficiency at key decision points in drug development and therapeutic monitoring.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables unbiased detection of known and unknown drug metabolites in complex biological matrices.
- Supports mechanistic de-risking by resolving isobaric and isomeric compounds with high accuracy.
- Facilitates functional validation of drug exposure and metabolic pathways in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Delivers high-throughput, quantitative analysis of multiple samples with minimal carryover.
- Standardizes assay conditions for reproducible detection of drugs and metabolites above regulatory cutoffs.
- Prepares validated biological systems for downstream screening and compound evaluation workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns drug surveillance outputs with translational biomarker strategies for patient adherence and exposure monitoring.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by supporting comprehensive metabolite profiling.
- Reduces risk in dose optimization and therapeutic monitoring for high-risk patient populations.
Pipeline & Workflow Integration
MSI-CE-MS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing robust, multiplexed analytics for drug and metabolite surveillance.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through untargeted metabolite detection.
- Screening: Offers reproducible, quantitative outputs for assay readiness and compound triage.
- Analytics: Provides high-resolution, full-scan data for comparative analysis across conditions and cohorts.
- Translational Research: Bridges discovery and clinical research by confirming drug adherence and exposure in patient samples.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, reusable platform for ongoing drug surveillance and metabolomics research.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in drug exposure studies.
- Operational Value: Streamlines workflows with minimal sample preparation and high-throughput capacity.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital allocation by enabling comprehensive surveillance.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of drug candidates and monitoring protocols.
Implementation Considerations
- Requires expertise in capillary electrophoresis-mass spectrometry and data analysis.
- Demands access to advanced instrumentation and analytical infrastructure.
- Benefits from standardized protocols for cross-team reproducibility and data comparability.
- Adaptable to various biological matrices and drug panels with appropriate method optimization.
- Sample handling and biosafety protocols are essential when working with clinical specimens.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:10
Urine Sample Preparation
2:12
Capillary Electrophoresis-Time-of-Flight-Mass Spectrometer (CE-TOF-MS) System Setup
4:29
CE Injection and Separation Condition Setup
5:31
TOF-MS Setup
6:36
Data Analysis
7:41
Results: Representative High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance
9:25
Conclusion
