Multiplex terapeutisk övervakning av Isotoputspädning HPLC-MS/MS av antibiotika i kritiska sjukdomar
Summary
Här presenterar vi ett tandem mass spectrometry-baserat protokoll för kvantifiering av vanliga antibiotika inom intensivvården, nämligen cefepime, meropenem, ciprofloxacin, moxifloxacin, linezolid och piperacillin.
Abstract
Det finns en ständigt ökande efterfrågan på terapeutisk övervakning av antibiotika i många kliniska faciliteter, särskilt när det gäller genomförandet av sjukhuset antibiotika stewardship program.
I det nuvarande arbetet presenterar vi ett multiplex high-performance liquid chromatography-tandem masspektrometri (HPCL-MS/MS) protokoll för kvantifiering av cefepime, meropenem, ciprofloxacin, moxifloxacin, linezolid och piperacillin, vanligen används antibiotika inom intensivvården. Metoden validerades tidigare utförligt enligt riktlinje av Europeiska läkemedelsmyndigheten.
Efter en snabb prov rensning av analyter separeras i en C8 omvänd-phase HPLC-kolonn inom 4 minuter och kvantifieras med motsvarande stabil isotop-märkt interna standarder i elektrospray masspektrometri jonisering (ESI +) i flera reaktion tid övervakning (MRM). Den presenterade metoden använder en enkel instrumentering med enhetliga gaskromatografiska förhållanden, vilket möjliggör den dagliga och robust antibiotika terapeutisk övervakning i kliniska laboratorier. Kalibreringskurvan sträcker sig över den farmakokinetiska koncentrationsintervall, därmed inklusive antibiotika belopp nära den minsta hämmande koncentrationen (MIC) av mottagliga bakterier och maximal koncentration (Cmax) som erhålls med bolus administration behandlingsregimer. Utan att serumspädningen innan provet rensningen, kan arean under kurvan för en administrerad antibiotika erhållas genom flera mätningar.
Introduction
Även om antibiotika har revolutionerat praktisk medicin, förbli svåra bakterieinfektioner en ledande orsak till sjuklighet och dödlighet i kritiska sjukdomar1. I detta avseende är snabb administrering av en lämplig anti-infective i en adekvat dosering av översta betydelse för sjukdom kontroll2.
En växande mängd bevis visar att empirisk behandling med bredspektrumantibiotika blir alltmer problematisk med komplexiteten i patientpopulationer. Detta är särskilt sant för intensivvårdsavdelningar (IVA), där en enorm interindividuell variabilitet av viktiga farmakokinetiska (PK) parametrar observeras ofta3,4. Följaktligen, ICU patienter löper överhängande risk för sub terapeutiska nivåer med faran av en otillräcklig terapeutisk framgång5,6. Då igen, utsätts patienter onödigt för alltför höga antibiotiska koncentrationerna som kan resultera i allvarliga biverkningar med inga kliniska fördelar7. Både antibiotika missbruk och otillräcklig dosering har också underblåst spridning av antibiotikaresistens, som blir ett växande hot mot folkhälsan8.
Att förbättra användningen av antibiotika och att bevara deras effectivenessas har länge som möjligt, Världshälsoorganisationen lanserat en global handlingsplan om antibiotikaresistens i 20159. Antibiotikum stewardship program utgör en viktig hörnsten i återhållsam antimikrobiella användning i nationella folkhälsan strategier10, att hjälpa klinikerna att avsevärt förbättra kvaliteten på patientvården11 och, samtidigt, att minska antibiotikaresistens12. Antimikrobiella dosering hos enskilda patienter genom tillämpning av terapeutisk övervakning (TDM) är ett viktigt instrument i detta sammanhang13.
Hittills, kommersiellt tillgängliga TDM finns analyser endast tillgängliga för glykopeptider antibiotika och aminoglykosider. Kvantifiering av ämnen från andra klasser kräver vanligen en egen metodutveckling eller validering som kan vara besvärligt. Vi presenterar därför i detalj protokollet för en robust mass spectrometry-baserad analys som kan användas för kvantifiering av de mest relevanta antibiotika i ICU inom deras kliniska relevanta koncentration spänner14. Metoden nyligen etablerats i vår masspektrometri anläggning och har tillämpats för rutinen TDM i ICU sedan dess. Proceduren använder en okomplicerad och enkel analytisk inställning med en enhetlig prov rensning, vilket möjliggör ett snabbt genomförande av antibiotika TDM i den utmärkta servicen och de suveräna faciliteterna med masspektrometri kapacitet.
Protokollet beskrivs här var optimerad för kvantifiering av cefepime, meropenem, ciprofloxacin, moxifloxacin, linezolid och piperacillin i humant serum med isotopen utspädning vätskekromatografi (LC) i kombination med en tandem mass masspektrometri (MS/MS). För Isotoputspädning LC-MS/MS metod läggs stabil isotop-märkt föreningar till ett urval av intresse med en specifik matris (t.ex., serum). Isotop-märkt standarder kan skiljas från sin omärkta motsvarighet, nämligen analyten av intresse, på grund av olika molekylvikter av naturliga molekylen och fragmentering produkter, kallas en förälder-ion-till-dotter-Jon övergång. Isotop-märkt föreningar har en nästan identisk övergripande fysikalisk-kemiska beteende jämfört med deras omärkt motsvarighet, är de idealiska interna standarder för MS/MS, vilket gör att en nästan matrix-oberoende analyten kvantifiering med en hög grad av noggrannhet15. Numera är många stabil isotop-märkt interna standarder som kan användas för småmolekylär kvantifiering, inklusive TDM av antimikrobiella medel, kommersiellt tillgängliga.
Kromatografisk separation av den antibiotiska analyter i protokollet beskrivs utförs med en analytisk C8 alkyl-kedja-längd bakåt-phase-kolonn (100 mm x 2,1 mm, 3 µm partikel-storlek). Under metodutvecklingen var de inre standard normaliserade matrix faktorerna för alla analyter mellan 94,6 och 105,4 procent, med en variationskoefficient för ≤8.3%14.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta manuskript, redovisar vi protokollet för en enkel och robust tandem mass spectrometry-baserad metod för kvantifiering av ofta använda antibiotika i ICU19, nämligen cefepime, meropenem, ciprofloxacin, moxifloxacin, linezolid, och piperacillin14. Ett kalkylblad medföljer manuskriptet för beredning av antibiotika stamlösningar, kalibratorer och kvalitetskontroller, med hänsyn till renheten av antibiotika och molekylvikten för deras counterions. Med tanke på a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tacka Dr Schütze för hans hjälp med att upprätta den presenterade metoden och Dr Zoller för värdefull input om korrekt kalibreringsområdet. Författarna också erkänna den tekniska personalen i anläggningen masspektrometri.
Materials
| cefepime hydrochloride | Sigma-Aldrich | 1097636 | USP Reference Standard |
| meropenem trihydrate | Sigma-Aldrich | Y0001252 | EP Reference Standard |
| ciprofloxacin | Sigma-Aldrich | 17850 | |
| moxifloxacin hydrochloride | Sigma-Aldrich | SML1581 | |
| linezolid | Toronto Research Chemicals | L466500 | |
| piperacillin sodium salt | Sigma-Aldrich | 93129 | |
| cefepime-13C12D3 sulfate | Alsachim | C1297 | Isotope labelled internal standard for cefepime |
| meropenem-D6 | Toronto Research Chemicals | M225617 | Isotope labelled internal standard for meropenem |
| ciprofloxacin-D8 | Toronto Research Chemicals | C482501 | Isotope labelled internal standard for ciprofloxacin |
| moxifloxacin-13C1D3 hydrochloride | Toronto Research Chemicals | M745003 | Isotope labelled internal standard for moxifloxacin |
| linezolid-D3 | Toronto Research Chemicals | L466502 | Isotope labelled internal standard for linezolid |
| piperacillin-D5 | Toronto Research Chemicals | P479952 | Isotope labelled internal standard for piperacillin |
| methanol | JT Baker | 8402 | |
| HPLC grade water | JT Baker | 4218 | |
| formic acid | Biosolve | 6914132 | |
| acetic acid | Biosolve | 1070501 | |
| ammonium formate | Sigma-Aldrich | 70221-25G-F | |
| tert-Butyl methyl ether | Merck | 101845 | |
| Fortis 3 μm C8 100 * 2.1 mm | Fortis | F08-020503 | |
| Ti-PEEK-encased Prifilter (2 μm) | Chromsystems | 15011 | |
| 2795 Alliance HPLC system | Waters | 176000491 | |
| Quattro micro API Tandem Quadrupole System | Waters | 720000338 | |
| QuanLynx 4.1 software | Waters | / | Data evaluation software provided by the mass spectrometer manufacturer |
References
- Fleischmann, C., et al. Assessment of Global Incidence and Mortality of Hospital-treated Sepsis. Current Estimates and Limitations. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 193 (3), 259-272 (2016).
- Dellinger, R. P., et al. Surviving Sepsis Campaign: international guidelines for management of severe sepsis and septic shock, 2012. Intensive Care Medicine. 39 (2), 165-228 (2013).
- Lodise, T. P., Drusano, G. L. Pharmacokinetics and pharmacodynamics: optimal antimicrobial therapy in the intensive care unit. Critical Care Clinics. 27 (1), 1-18 (2011).
- Macedo, R. S., Onita, J. H., Wille, M. P., Furtado, G. H. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of antimicrobial drugs in intensive care unit patients. Shock. 39, 24-28 (2013).
- Petersson, J., Giske, C. G., Eliasson, E. Standard dosing of piperacillin and meropenem fail to achieve adequate plasma concentrations in ICU patients. Acta Anaesthesiologica Scandinavica. 60 (10), 1425-1436 (2016).
- Abdul-Aziz, M. H., Lipman, J., Mouton, J. W., Hope, W. W., Roberts, J. A. Applying pharmacokinetic/pharmacodynamic principles in critically ill patients: optimizing efficacy and reducing resistance development. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 36 (1), 136-153 (2015).
- Imani, S., Buscher, H., Marriott, D., Gentili, S., Sandaradura, I. Too much of a good thing: a retrospective study of beta-lactam concentration-toxicity relationships. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 72 (10), 2891-2897 (2017).
- Ventola, C. L. The antibiotic resistance crisis: part 1: causes and threats. Pharmacy & Therapeutics. 40 (4), 277-283 (2015).
- Pulcini, C. Antibiotic stewardship: update and perspectives. Clinical Microbiology and Infection. 23 (11), 791-792 (2017).
- Cairns, K. A., et al. The impact of a multidisciplinary antimicrobial stewardship team on the timeliness of antimicrobial therapy in patients with positive blood cultures: a randomized controlled trial. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 71 (11), 3276-3283 (2016).
- Baur, D., et al. Effect of antibiotic stewardship on the incidence of infection and colonisation with antibiotic-resistant bacteria and Clostridium difficile infection: a systematic review and meta-analysis. Lancet Infectious Diseases. 17 (9), 990-1001 (2017).
- Roberts, J. A., Norris, R., Paterson, D. L., Martin, J. H. Therapeutic drug monitoring of antimicrobials. British Journal of Clinical Pharmacology. 73 (1), 27-36 (2012).
- Paal, M., Zoller, M., Schuster, C., Vogeser, M., Schutze, G. Simultaneous quantification of cefepime, meropenem, ciprofloxacin, moxifloxacin, linezolid and piperacillin in human serum using an isotope-dilution HPLC-MS/MS method. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 152, 102-110 (2018).
- Vogeser, M., Seger, C. Pitfalls associated with the use of liquid chromatography-tandem mass spectrometry in the clinical laboratory. Clinical Chemistry. 56 (8), 1234-1244 (2010).
- United States Pharmacopeia and National Formulary. Chapter <621>. CHROMATOGRAPHY (USP 37-NF 32 S1). , 6376-6385 (2014).
- Wong, G., Sime, F. B., Lipman, J., Roberts, J. A. How do we use therapeutic drug monitoring to improve outcomes from severe infections in critically ill patients?. BMC Infectious Diseases. 14, 288 (2014).
- . Cefepime hydrochloride: Highlights of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2016/050679s040lbl.pdf (2016)
- . Meropenem: Highlights of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2008/050706s022lbl.pdf (2006)
- . Ciprofloxacin hydrochloride: Highlights of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2016/019537s086lbl.pdf (2016)
- . Moxifloxacin hydrochloride: Highlights of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2010/021277s038lbl.pdf (2010)
- . Linezolid: Highlights of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2012/021130s028lbl.pdf (2011)
- . Piperacillin and Tazobactam: Highlighs of prescribing information Available from: https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/Label/2017/050684s88s89s90_050750s37s38s39lbl.pdf (2017)
- Zander, J., et al. Effects of biobanking conditions on six antibiotic substances in human serum assessed by a novel evaluation protocol. Clinical Chemistry and Laboratory. 54 (2), 265-274 (2016).
- Zander, J., et al. Quantification of piperacillin, tazobactam, cefepime, meropenem, ciprofloxacin and linezolid in serum using an isotope dilution UHPLC-MS/MS method with semi-automated sample preparation. Clinical Chemistry and Laboratory. 53 (5), 781-791 (2015).
