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Chemistry

マルチ セグメントの注入キャピラリー電気泳動質量分析法による高スループットかつ包括的な薬物監視

Published: April 23, 2019 doi: 10.3791/58986
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 3, 3, 1
1Department of Chemistry and Chemical Biology, McMaster University, 2Agilent Technologies Inc., 3Seroclinix Corporation

ERRATUM NOTICE

Summary

ここでマルチ セグメント注入毛細血管に基づく品質管理と改良された解像度と薬物乱用とその代謝物の大型パネルの検出は、包括的な薬物監視用高スループット方法を説明します。電気泳動-質量分析法。

Abstract

公衆衛生における驚くべきオピオイド処方薬危機を与え高スループット、まだ包括的な薬剤のスクリーニングを有効にするのには、新しい分析方法が急務します。続いて従来尿薬物検査 2 層免疫画面に基づくガス ・ クロマトグラフィー-タンデム質量分析法 (GC-MS/ミリ秒) または液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析法 (MS/LCMS) メソッドは高価でバイアスする傾向がある中知られている薬物依存 (DoA) の対象となるパネルに限られる。ここで、我々 はマルチ セグメント注入キャピラリー電気泳動-質量分析法 (MSI-CE-MS) を使用する場合の解像度と到来方向推定及びその代謝物のエキスパンド パネルの検出により薬物監視法の改良を概説します。フル スキャン データ集録で、飛行時間型の質量分析計 (TOF-MS) ポジティブ イオン モード検出の下では、id を使用して組み合わせて CE (< 3 分/サンプル) による品質管理 10 尿試料の分離を多重化し、DoA の上記の定量化は、カットオフ レベルをお勧めします。薬物異性体と、バック グラウンド干渉を含む等圧線の優れた解像度を実現、正確なサンプル セグメント間電スペーサーで MSI CE MS を使用する場合の comigration と共に質量/分子式、内部標準と 1 つの検出と一致する重水素またはよりバイオ変換代謝広い検出ウィンドウ上到来方向識別を容易にします。さらに、複雑な試料精密検査なしの急速なスクリーニングのための酵素 deconjugation せずに直接尿を分析できます。MSI--MS 所定服薬アドヒアランスを確認、明らかに違法薬物使用/置換、および適正投与量の体制の評価を含め、ハイリスク患者の治療モニタリングに必要な DoA の広範囲の監視が可能にします。精密医学の新しい進歩の必要に応じて。

Introduction

誤用と慢性疼痛管理にオピオイド中毒の驚くべき増加は、公衆衛生、2017年1推定米国で 70,000 以上の薬物過剰摂取による死亡を増大する脅威を表します。同様に、様々 な他の向精神薬が子供や若い大人のための不安、抑うつ、および精神的健康の問題2の治療にも広く処方されています。その結果、尿の薬物検査の方法、広く職場や法医学毒物学のために開発、許容および依存の3,4になりやすい処方薬の治療モニタリングに重要です。これは、違法なまたは nonprescribed の薬物乱用を含む潜在的な置換を明らかにしながら密着性、最適の治療効果と患者の安全性を確保するため必要です。現在、DoA の尿薬物検査は、2 段階のアプローチに依存の初期の競合免疫測定法の画面を介して構成するポイント-オブ-ケア ・ ディバイスや研究室・ アナライザー、続いて確認試験 GC-MS/MS に基づく特異性と高いそして、ますます、クロマトグラフィー-タンデム質量5。ただし、免疫、抗体試薬は確実な同定や特定の薬物や複雑な薬物の定量化を防ぐ推定の画面-肯定的な結果を生成する様々 な薬物クラスを無指定に結合同様に、バイアスになりやすい混合6。この文脈においてより正確な尿中薬物検査7デザイナーの薬を含む包括的な polydrug 画面の法外なコストが急務し、従来を逃れるため人工尿製品対象の試金。

ポリファーマシーと DoA8,9 のパネルを拡大の時代の薬物監視用標的戦略として組み合わせてと高分解能 MS (HRMS) orbitrap または TOF 質量分析装置を用いた高効率分離を提案されています。.しかし、従来の LC 分離が遅い (> 15 分) 長い溶出時間原因解決のため化学的に多様なクラスの doa とその代謝物をグラジエント プログラムは、ルーチンの薬剤のスクリーニングのサンプル スループットを制限を使用しています。また、脱離イオン化 (デジ)10に基づいて直接分析法とレーザー ダイオードの熱脱離 (LDTD) より高速な薬剤のスクリーニングの分離11なし。ただし、こうして独立した検証テストを必要とする複雑な尿検体を分析する際、これらの周囲のイオン化法は定圧/異性体の干渉に傾向があります。

私たちの研究室は最近 MSI CE MS12に基づく高効率分離の解像度とデータの忠実性を維持しながらサンプルのスループットを多重分離プラットフォームを開発しました。新規データ ワークフローを設計できます MSI-CE-MS の標的代謝物プロファイリング (すなわちメタボロミクス) ボリューム制限 biospecimens の大規模な人口の必要に応じて、バッチ補正を可能にする品質管理 (QC) に対し13を研究します。この場合、分版は、単一の内の 10 以上のサンプルのシリアルの注射は、従来のシースの液体インターフェイスを使用してとき定常溶媒条件下で発生する溶質のイオン化をイソクラティック バッファーを使用して実行されます。到来方向推定及びその代謝物14多様なクラスの急速なまだ選択的な検診を実行します。この研究の焦点は、酵素加水分解15の必要がある「希釈と撃つ」メソッドを使用して臨床的にうつ病患者の代表的なコホートから本格的な尿試料の直接分析の MSI CE MS さらに検証することです。さらに、MSI CE MS16シリアル サンプル プラグ間の動電学的スペーサーの実装はさらに様々 な薬物異性体/等圧線の解像度を向上させるため、尿中の干渉を背景に行われたおよび/またはクロス干渉 DoA の大型パネルをスクリーニングします。社内基準を重水素化マッチングを用いたときの尿検体で DoA の絶対定量 (d-は) MSI CE MS を使用する場合を示したが。このアプローチも容易に画面陽性例で推奨される薬物のパネル混合物と比較した場合の適切なサンプル位置を推測し同様、薬の識別、カットオフ レベル内で内部参照/QC としても機能をスクリーニング同じ実行します。

Protocol

盲目の尿サンプルは、聖ヨセフ病院 (ハミルトン、オンタリオ、カナダ)、ハミルトン統合研究倫理委員会で承認されたその研究で気分障害クリニックから博士ページ Zainab Samaan によって提供された親切。

1. 試薬、サンプル ソリューションの準備

  1. 背景電解質の作製
    1. 背景電解質 (BGE) 隔週、1 M ギ酸による pH 1.8、有機修飾剤として 15 %v/v アセトニ トリル 50 mL を準備します。
    2. 割り切れる 1.9 mL はギ酸株式 (26.5 M) を 50 mL メスフラスコに集中し、7.5 mL のアセトニ トリルと脱イオン水 50 mL に合計ボリュームをもたらすに 40.6 mL を追加します。15 分のためのソリューションを超音波照射し、タイトなシールと滅菌ボトルにそれを転送します。
  2. シース液の準備
    1. シース液毎週、60: 40 (MeOH:H2O) の 0.1% ギ酸を含む 200 mL を準備します。
    2. 分注 200 μ L 120 mL メタノール、H2O 外装の液体と 15 分のドガの 80 mL を含むボトルにギ酸 (26.5 M 在庫)。
    3. 次に、次の参照のイオン、プリン、時の各 10 μ L を追加 (2,2,3,3 tetrafluoropropoxy) mで一定質量の信号を提供するシース液に phosphazine (HP-921)/z 121.05087 とm/z 922.00979、それぞれ。
      注: これらの参照イオン リアルタイム質量補正を可能にする、分離中に潜在的なマトリックスによるイオン抑制や促進効果の監視も。
  3. 標準的な準備
    1. 臨床スクリーニングのカットオフ × 3 で 84 薬パネル混合物レベル (L6)14 1 mL のメタノール、化学物質の供給者から購入薬標準を使用してを含む標準溶液を準備します。48 重水素内部薬剤基準 (d-ISs) メタノール 1 mL 中 84 薬物混合物よりも 10 倍高い濃度での混合物を別途ご用意します。さらに、4 の 200 μ M を含む原液を準備-フルオロ-L-フェニルアラニン (F Phe) と 3-クロロ-L-チロシン (Cl Tyr) 1 mL の脱イオン H2o.
    2. 4-fluorophenylalanine (F Phe、10 μ L) と 3 chlorotyrosine (Cl Tyr、10 μ L) を合計する認定合成尿行列 (40 μ L) で 10 倍希釈だけでなく、上記の 84 薬物混合物 (20 μ L) と 48 d-ISs (20 μ L) の 5 倍希釈を実行します。250 μ L 遠心管中 100 μ L のボリューム。
  4. 外部校正曲線の準備
    1. 4 連で (後述)、5 点外部較正曲線を準備 (n = 4) 84-薬剤の標準的な混合物および 1.3.1 の手順で、対応する d-ISs の 48 を使用して 20 の動的範囲を越えて。たとえば、5 点外部校正曲線を作るため 2-、4-、10-、20-84-薬物混合物 (L6、ステップ 1.3.1) を希釈することを確認し、40、一致する d ISs (20 μ L) と 4 F Phe (10 倍希釈の 5 倍希釈を準備する必要があるに対し10 μ L) と Cl Tyr (10 μ L) 追加は、100 μ L の総ボリュームを作成する合成尿行列。場合一致する d-が特定の薬剤を使用できない場合、データの正規化は使用 4-F-Phe の代理として。
      注: 追加 d ISs 間干渉の包含を避けるため (等圧) CE 分離により完全に解決されない場合は、パネル内の他の DoA と。
  5. 尿サンプル準備
    1. 知られている処方薬歴を持つ 10 の臨床的にうつ病患者の代表的なコホートから提供朝尿サンプルを解凍します。分析のため解凍する必要になるまで、コレクション後-80 ° C で尿を格納します。
      注: は、尿や DoA の代謝産物とその抱合体の化学的安定性への影響のためのコレクションの後室温で遅延ストレージの複数の凍結融解サイクルを避けてください。
    2. 渦提供早朝尿サンプルを 30 s、それらを遠心沈降の 14,000 × gで 1 分。その後、前述の 10 μ L 分注処理尿 10 μ L を d の-は、および 5 μ L の脱イオン H2O と 1 分の渦の F-ペー/Cl-Tyr および 25 μ L (3 通技術の精度を評価するためにこの手順を繰り返します)。上記の混合物の 20 μ L 因数を分析用ポリプロピレン バイアルに転送します。

2. CE TOF MS システムのセットアップ

  1. コーティングしていない石英キャピラリー調節パラメーター
    1. 規格・外部校正曲線、1.3 から 1.5 のセクションで尿試料 50 μ m、360 μ m の外径の内径とコーティングされていないオープン管状石英ポリイミド被覆キャピラリーを使用して離れていると135 cm のキャピラリー長さの合計。
      メモ: ダイヤモンド カッター工具は、フラッシュ、スムーズなカットを確認する検査がさらに一貫性のある毛細血管を確保するために使用されます。
    2. 約 7 mm の遠位キャピラリー、両端からキャピラリー ウィンドウ メーカーを使用してサンプルのキャリー オーバーを減らすために、潜在的なポリイミドが有機溶剤に接触すると膨潤を防止するポリイミド コーティングを削除します。
    3. CE 噴霧器針からキャピラリー出口の約 2 mm 突出して 2 つの 360 ° ターンをループすることによって CE カートリッジのキャピラリーの入口をインストールすることを確認します。慎重に、ce CE カートリッジをインストール、ときに毛細血管をエアコン、イオン源から CE 噴霧器を配置します。
      注記: 安定したエレクトロ スプレーの MS に結合する場合、電流を確保するために重要ですが一貫して毛細血管のコンセントを切り取る。この作品で使用された 2 つの異なるスプレーヤー: CE 噴霧器を用いてサンプル分析と LC 噴霧器を用いて質量の校正。
    4. イオン源に配置されていない CE スプレーでエアコン毛細管を実行することを確認します。イオン源における LC 噴霧器を置きます。
      メモ: これは TOF MS に結合されてその後同軸シース液界面の汚染を回避しながら質量校正できます。
    5. ベンダーのソフトウェア計測器を制御し、次の順序で 4 つの異なる溶媒のため 30 分でフラッシュの期間を設定するために使用フラッシュ関数(940 mbar) を選択して新しい毛細血管を条件: メタノール、1 M NaOH、脱イオン水と BGE。キャピラリーをご利用期間中にスタンバイにイソクラティック ポンプを配置することを確認します。
    6. メタノール/H2O 任意の残留塩堆積物を削除するに浸したティッシュで拭きます CE MS 噴霧器を拭いてください。
    7. サンプルを分析する前に CE MS システムの毎日の予防保守を実行します。(入口) CE 電極を拭くが、イソプロパノールを使用し、塩の蓄積を回避し、潜在的なサンプルのキャリー オーバーを制限することが重要である-MS インターフェイスをきれいにする (50: 50) の混合物を水メタノールを使用します。
    8. イオン源から LC 噴霧器を削除し、CE MS の同軸シース液界面で新しくエアコン毛細管の洗浄スプレーを配置します。
    9. イソクラティック ポンプをオンにし、適用電圧 30 kV 15 分尿検査の前に安定した CE の現在のプロファイルが実現されていることを確認します。
  2. CE を使用して注入し、分離の条件
    1. CE パラメーターを設定し、ステップを前処理に計測器を制御するため使用されるベンダー ソフトウェアを開きます。600のフラッシュ機能に設定 s BGE バイアル位置を指定するとします。
      注: 外部の水チラーは、これはボリューム制限サンプルの大規模なバッチを分析する際にサンプルの蒸発を防ぐために必要な冷却機能、サンプル トレイがない CE システムに接続する必要があります。
    2. 流体 5 100 mbar でサンプルを注入する注入機能を設定 s と界面注入 30 BGE スペーサー 75 kV s。
      注: このプロセスを繰り返します各サンプル注入 (異なるバイアル位置) から合計 11 個別のサンプルの分析のためのソフトウェアのメソッド プログラム内で自動的に実行される (同じバイアル位置) から BGE スペーサーが続くと、同じは MSI 形式を使用する場合を実行します。10 尿サンプルを分析各 MSI CE MS 実行の最初のサンプル位置としてスクリーニングのカットオフで 84 パネル薬剤混合した後ランダムな順序でレベルを注入します。
    3. 設定電圧30 kV、カートリッジ温度25 ° C と合計実行時間40 分、時刻表が分離中 2分 mbar の圧力勾配を 0 分から 40 分に適用します。
      注記: グラデーション圧力を可能にするいくつかの弱く、基本的なベンゾジアゼピン系を含む遅い移行する医薬品及び中性/酸性薬物 (例えばアセトアミノフェン、バルビツール酸塩) の溶出分離中に適用されます。しかし、最も基本的な到来方向及びその代謝物は 25 分、アンフェタミン、オピオイド、アルカロイドの他のクラスなどの陽イオンとして移行します。
    4. 次の日まで低圧 (50 mbar) BGE で毛細血管を洗浄するサンプルの収集が完了した後を確認します。600 用キャピラリーをそれ以外の場合、リンス高圧 (900 mbar) 水とし、600 s s の空気、し、次の使用までスプレー ホルダーに格納します。
  3. イソクラティック ポンプと液体をシース
    1. シース液 (60 0.1 %v/v ギ酸: 40 MeOH:H2O) を提供するのに CE MS 噴霧器に 10 μ L/分の速度で無限大のイソクラティック ポンプと無限脱を使用します。
  4. TOF MS 設定
    1. TOF MS 同軸シース液エレクトロ スプレー イオン源と加熱窒素ガスは CE 単位装備されていることを確認します。
    2. 肯定的なイオン検出質量mのスパンの下で TOF MS を操作/z 50-1,700、データ集録レートを 500 ms/スペクトルの。プロファイルと".d"ファイル形式でデータが格納されている重心の両方を確認します。
    3. エレクトロ スプレー イオン化条件を設定: 2,000 V で Vcap とノズルの電圧、10 psi でネブライザーガス、乾燥ガス 300 ° C、3.5 L/分 195 ° C でのシース ガス流で 8 L/分で配信さらに、それぞれ 120、65、および 750 V、fragmentor、スキマー、Oct1 RF の MS 電圧設定を設定します。
      注: Vcap とノズルの電圧としてネブライザーガス オフになっていた MSI-CE-MS の使用シリアル サンプル注入シーケンス中に、エレクトロ スプレー電流を防ぐために電気泳動の分離の開始後 1 分で引き返した予定されていた吸引効果によるエラー。
    4. ベンダーのソフトウェア (資材表) を使用して計測器制御やデータ集録を実行します。
  5. データ分析
    1. 処理、データの平滑化、および代表 DoA の抽出したイオン エレクトロフェロ (EIEs) の統合とその代謝物を含むベンダーのソフトウェアを使用して MSI CE MS データを分析します。
    2. ソフトウェアを開き、次のパラメーターを設定します。
      1. クロマト グラム、[抽出データ形式、およびクロマト グラムと質量スペクトル データ形式のプロファイルモードにします。
      2. スムージング機能機能の幅の 15 ポイントを「二次/立方サビツキー ・ ゴーレイを選択します。
      3. 統合 (MS)をクリック、するアジャイルインテグレーター、ピーク フィルターの下で最大 11 ピーク制限の最大数が選択されます。
      4. ビューをクリックして、統合ピーク ・ リストをクリックし、ピーク数、保持時間(RT)、ピーク面積、ピーク高さ、および信号対雑音比(SNR) を選択します。
      5. 一意のメソッド名の下でこれらのパラメーターを保存します。プロセスにこのメソッドを適用し、各データ セットを解釈します。
        注: ピーク番号一覧表、RT、ピーク面積、高さ、および SNR が右側に表示されます。測定 RT と統合されたピーク面積を d いずれか対応する到来方向毎のデータ正規化を実行-は (ない場合) または分析の精度を向上させる F Phe に。

3. 尿と外部校正曲線の解析

  1. MSI-CE-MS で使用される異なるシリアル注入構成
    1. 薬物異性体/等圧線解像度 (図 1 a) を示すために使用、最初のシリアル サンプル注入構成繰り返される 5 の注射は d と 84 の医薬品基準の混合物に実行されることを確認-は 4-F-ペー/Cl-Tyr に続く 6 回目空白のサンプルは、人工尿、注入と標準的な薬物混合物の 5 つの追加の注射。
    2. 知られている処方 (図 2 a)、患者個々 の尿サンプルの到来方向の検出を示すために使用する 2 番目のシリアル サンプルの注入構成で 84 薬標準混合物の混合物である最初のサンプルのプラグインを確認します。患者から無作為化 10 の希釈尿注射続くカットオフ スクリーニング レベル (肯定的な制御) x 1: #293、#88、#309、#43、#281、#64、#221、#208、#183、#50。
    3. 単一の実行、外部校正曲線の獲得を説明するために使用される 3 番目のシリアル サンプル注入構成 0.25 に対応する 20 線形ダイナミック レンジで DoA の calibrant ソリューションが準備されていることを確認、倍、1 倍、0.5 x 2.5 x、5 倍の人工尿行列の追加は d は、F-ペー/Cl-チロシンラジカルを一致すると共に、カットオフ濃度 (n = 4)。

Representative Results

MSI CE MS により、スループットを高める単一の実行に 10 以上の個別サンプルのシリアルの注入 (< 3 分/サンプル) 複雑な楽器の変更、カラム スイッチ プログラム、または高価なインフラストラクチャなし投資 (図 1 a)。サンプルの流体の注射と BGE の動電学的スペーサーの交互になるシリーズは、イオンのゾーン電気泳動分離が強く酸性電解質 (pH 条件下で発生する未修正の溶融シリカ毛細管内で実行されます。1.8). 溶質イオン化にも定常状態の条件下で発生します。この場合、質量 calibrant と同軸シース液体は質量 calibrant イオン信号がモニターしている最小限イオン抑制や促進効果を持つ陽イオン モード検出下 CE MS のインターフェイスとして使用されます。TOF は MSI CE MS を使用する場合、標的スクリーニング/医薬品監視アプリケーションに最適高速データ集録の堅牢でコスト効率の高い人事管理システムを表します。たとえば、さまざまな定圧/異性体到来方向及びその代謝物、3 つオピオイド構造異性体、すなわち norhydrocodone、ヒドロモルホンそしてモルヒネ (図 1 b) の構造異性体を含むため印象的な解像度を実現します。この場合、30 の解決サンプル繰越なし薬剤の混合物の 10 の独立したサンプルからピークが検出されました。人工尿空白/負尿コントロールはシリアル注入シリーズ内で含まれています (サンプル 6 番)。また、すなわち 6 acetylmorphine (非アクティブなヘロイン代謝) とナロキソン (オピオイドの過量の緊急治療に使用されるオピオイド受容体アンタゴニスト) 2 つの等圧のオピオイドはフル スキャン データ集録 (20 の明確なピークとして完全に解決図 1)。同様に、2 つのアンフェタミンの位置異性体は MSI--MS フェンテルミン、減量のための食欲抑制剤として使用される所定の覚醒剤の潜在的な悪用から違法メタンフェタミン乱用を区別するために完全に解決されます。

Figure 1
図 1: 抽出したイオン エレクトロフェロ (EIE) 代表的な到来方向異性体/等圧線 MSI-CE-質量分析法による単一の run 内の空白 10 個のサンプルを分析し解決されるためのシリーズです。(A) 図の MSI-CE-MS 合成尿中 84 DoA パネル用シリアル挿入の構成を示す。この多重分離メソッドが 11 の個々 のサンプリングと空白の流体力学的注射の交互になるシリーズを使用してバッファーの電気泳動注入に続いてフル スキャン データ、イオンのゾーン電気泳動分離を開始ポジティブ イオン モード検出 TOF MS による買収。(B) 3 等圧機能グループ オピオイド異性体 (m/z 286.1438)、モルヒネ、ヒドロモルホン、norhydrocodone など、10 の離散サンプル注射から 30 解決ピークを構成する CE で区切られました。(C) 2 つの等圧オピオイド薬物とその代謝物 (m/z 328.1543)、6-acetylmorphine (ヘロイン代謝物質) とナロキソンなどを含む 10 の離散サンプル注入から 20 解決ピークを構成する CE で区切られました。(D) 2 等圧機能グループ アンフェタミン異性体、CE で区切られたを含む 10 離散サンプル注射、メタンフェタミンとフェンテルミンなどから 20 解決ピーク。すべてのケースで否定的な尿コントロール/ブランク MSI-CE-MS の 6 番目のサンプル位置で導入されたサンプル繰越のごくわずかな証拠があった。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

DoA を選別する MSI-CE-MS のシリアル注入構成使用 84 薬パネル混合物にオススメ 10 代表的な尿の無作為化分析が続く (すべての実行最初の射出位置) としてカットオフ濃度のスクリーニング知られている処方薬歴と臨床的にうつ病患者からのサンプル。例えば、肯定的なスクリーニング テストの結果メタドン (m/z 310.2165) 患者から #208 (図 2 a) が低いとメタドン d3 comigrates (注射 #9 発) 大信号ピークの検出によって推測されます大量のエラー (< 5 ppm)。同じ実行中の尿の他の信号は検出されません。メタドン濃度参照薬物混合物/QC (インジェクション #1) (インジェクション #9) サンプルでの測定イオン応答比を比較するとき、推奨カットオフ制限 x 13 を超えるし、4 倍の尿希釈倍率によって修正します。したがって、この結果は患者のメタドンの維持療法の遵守を確認します。昇格したアンフェタミン レベルにより nonprescribed アンフェタミン摂取量 (図 2 b) の証拠を示す (m/z 136.1121) をだった 1 つ患者 (射出 #11 患者 #50) MSI CE MS 実行中でのみ検出します。測定濃度が推奨カットオフ レベルをわずかに上回った (1.3 倍)。これはアンフェタミン d5 と comigrates し、分子式の上位ランク マッチで低い大量のエラーが発生しました。抗うつ薬ベンラファキシンの陽性の検査結果 (m/z 278.2115)、選択的セロトニン-ノルエピネフリン再取り込み阻害薬は患者 #281 (注射 #6) においても実証されています。この場合、濃度は推奨カットオフ レベル (15 倍) を超える、これは、識別によってその正確な質量または分子式-一致、一緒に comigrating ベンラファキシン d6 (図 2)。またその正確な質量のみに依存する場合、注意の必要性を強調する田形トレース内で検出される未知の等圧線は、後者の基準が満たされていません。またのと同様、神経因性疼痛の治療法に規定されている所定のプレガバリンの決定的な検出一般化不安患者 #309 の実演も、その著しく高濃度 (64 x) 上記の推奨に基づいてカットオフ レベル (図 2 D)。それは、しかしで認識されない 9 その他同じで分析した患者の尿サンプルを実行します。その他のスクリーン陽性例と同様に、注射 #4 comigrates pregabalin d6、MSI-CE-質量分析法による分析すべての尿サンプルに含まれています。

Figure 2
図 2: MSI-CE-MS で 84 薬パネルを含むを使用して推奨される抽出したイオン エレクトロフェロ (EIE) として 10 の臨床的にうつ病患者のコホートから、代表的な画面正尿薬物検査の結果のためのシリーズを確認内部参照/QC として最初のサンプル注入位置、注入のカットオフ レベル。田形 (A) オーバーレイ メタドン - メタドンと comigrates、d3 に対応する 1 つだけの尿サンプルを強調 (射出位置 #9) カットオフ レベルをはるかに上回るメタドン濃度を高めた。(B) 田形オーバーレイ アンフェタミン-d3 は、アンフェタミンと comigrates に対応する 1 つだけの尿サンプルを強調 (射出位置 #11) カットオフ レベル以上の濃度を高めた。(C) 田形オーバーレイ ベンラファキシン-d6、ベンラファキシンと comigrates に対応する 1 つだけの尿サンプルを強調 (射出位置 #6) カットオフ レベル以上の濃度を高めた。(D) 田形オーバーレイ pregabalin-d6、プレガバリンの comigrates に対応する 1 つだけ尿サンプルを強調 (射出位置 #4) カットオフ レベルを超える濃度を高めた著しく。全ての尿検体を直接 d 一緒に一致する添加脱イオン水で 5 倍希釈した後行った-(ある場合) です。MSI-CE-MS の画面-肯定的な結果の質量誤差の低い d ISs と comigrates 薬物に対応 (< 5 ppm) と正しい分子式は、その濃度を超えるとカットオフとして内部参照/QC で同時に分析します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

到来方向推定及びその代謝物の絶対定量は、MSI-CE-質量分析法による外部校正曲線に基づく急速に単一の実行で取得された DoA の calibrant 基準を使用して達成されます。D 84 薬 calibrant 混合一緒にマッチングのシリアル希薄を例えば、-は、固定の濃度は複雑な尿サンプルの信頼性の高い定量的解析を提供します。これは、潜在的なマトリックスによるイオン抑制や強化のため、サンプル間の毛細血管で注入量の変化を補正します。ケースで一致する d ですが商業的利用できないまたはコストが特定の DoA のサロゲートは、先ほど説明した同じ薬のクラスまたは合成化合物で見つかりません尿 (F Phe)、内から d はなど、データの正規化の使用14. 代表 EIEs とオキシコドンの外部校正曲線図 3 aBに表示されます。図 3dでシタロプラムの。これらが広く処方鎮痛薬や抗うつ薬、それぞれ、乱用の可能性を持つ。相対イオン応答比そのマッチングに d-は測定されます。この場合、MSI-CE-MS、5 つの異なる薬物 calibrants を含むのシリアル注入構成は空白人工尿と共に単一の run 内重複で分析されます。全体的に、良い直線性 (R2 > 0.990) 20 濃度の範囲を実現した到来方向推定及びその代謝物 (すなわち、カチオン性アルカロイド) 大半の検出感度が十分な 84 薬パネル内14. そのプロトン化分子イオン [MH+] スクリーニングにカットオフの制限としてすべてのケースで薬物代謝物が検出された (> 50 ng/mL) の下で貧困層のイオン化効率を持つある特定の中性/酸性薬物を除いて、カンナビノイド (例えば、THC COOH)、(例えば、別名セコバルビ タール)、バルビツール酸系、カーバメイト (例えばカリソプロドル) などの肯定的なイオン モードです。

Figure 3
図 3: 抽出されたイオン エレクトロフェロ (EIE) 代表 DoA の定量化のためのシリーズです。その相対的なイオン応答比に基づいて外部校正曲線を生成することによってこれは、一致する d-20 線形ダイナミック レンジであります。(A) オキシコドン calibrants オキシコドン d3 と空白の 5 点較正曲線の注入を複製します。(B) 外部校正曲線オキシコドン、±1σ を表す誤差範囲と感度 (斜面) と直線性 (R2) を導出する線形回帰を次の (n = 4)。(C) シタロプラム calibrants、シタロプラム d6 と空白の 5 点較正曲線の注入を複製します。(D) 外部校正曲線シタロプラム、エラーの感度 (斜面) と直線性 (R2) を導出する線形回帰を次のバー表す ± 1 SD (n = 4)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

従来のクロマトグラフィー分離は通常あたりの実行は、後グラジエント複雑な薬剤の混合物および列が再調整を解決するために、1 つのサンプル注入に依存します。これらの要件は基本的にサンプル スループットと義務を制限サイクルの最適な列の切り替えプログラムを使用する場合でも。このコンテキストで職場、毒性、または GC-MS/MS にますます LC ・ MS/MS による治療の監視アプリケーションの大量尿薬物分析がこのように並列で行われますが、第 2 層として優先的に使われるまたは検証テスト時必要に応じて (つまり、法的または医学的コンテキスト)。認定ラボ内で複数の機器プラットフォーム分析したサンプルを比較する場合、これは複雑なデータ分析と同様、はるかに高い設備投資と運用コスト原因です。その結果、免疫抗体試薬に新興のデザイナーの薬のためのアクセス制限のある偽陽性や多くの薬物クラスの間で false ネガになりやすいにもかかわらずルーチン薬剤スクリーニングのための主な方法が残っています。以前の研究は、MSI CE MS に基づく多重分離が一桁までサンプル スループットを向上させるシンプルなソリューションを提供することを実証しています。さらに、このアプローチは効果的なバッチ補正と品質管理12,13,14の実装に基づいて高データの忠実性とバイオ マーカー探索に新規データ ワークフローの設計できます。ただし、MSI-CE-MS の 10 またはよりシリアルの流体力学的注射の導入が高効率分離到来方向及びその代謝産物を解析するとき、選択する可能性を維持するために必要な効果的なキャピラリー長さを短く尿。

ここで、紹介した各流体のサンプル注入 BGE の電気泳動注入分離向上重要な薬物等圧線/異性体の解像度を使用する場合完全キャピラリー長さ (120 cm) を活用するようフルスキャン TOF MS (図 1 a) によるデータ収集。最近のレポート14と比較してより良い解像度いくつか重要な定圧/異性体到来方向及びその代謝物の大手製薬パネルのスクリーニングは重要な実現します。たとえば、いくつかの重要な構造・機能グループの異性体の解像度を実現した、3 つ類似しているオピオイド薬物/代謝物 (図 1 b)、2 つの無関係なオピオイド等圧線 (図 1)、2 つの覚醒剤など位置異性体 (図 1)。すべてのケースで実行同じ内の異なる calibrant のソリューションのシリアルの注射からサンプル繰越は負尿コントロール/ブランクで確認重要ではないです。さらに、改良された解像度もコチニン d3 と 3, 4-メチレンジオキシアンフェタミン (MDA)、EDDP d3、イミプラミンなどのパネル内で定圧薬と特定の d-ISs を含むいくつかのクロス干渉のため実現ノルフェンタニルの定量 d5 とケタミン、コデイン d6 とゾルピデムとコカイン d3 をセルトラリン。この結果、主要な背景尿中の干渉だけでなく、本の研究 (例えば処置、noroxycodone/normeperidine/メチルフェニ デート) で解決された方、薬物パネル内の他の定圧干渉に拡張 (など、ソースのフラグメント イオンのアンフェタミンとクレアチニン)14。実際、特定の到来方向の推定同定を満たすために 2 つの直交パラメーターへのアクセスは偽陽性による定圧干渉、すなわち正確な d ISs と comigration 併用大量を減らす上で重要です。また、水酸化、脱、またはそのままグルクロニド薬など、同じサンプル内親薬物の 1 つまたは複数の biotransformed 代謝物の検出 conjugate(s)、ウィンドウを拡大しながら薬物同定に向けて自信をさらに追加検出。

尿中薬物スクリーニングの推奨カットオフ レベルはからガイドラインに基づく法バイアスを減らすために彼らの薬物動態、毒性、およびバック グラウンド干渉によって到来 (50 から 1,000 ng/mL まで) の異なるクラスの広く変わる薬物乱用および精神衛生サービス管理 (SAMHSA)14。MSI-CE-MS 検出して最小限のサンプルの前処理で尿に直接到来の多様なクラスを識別するための潜在性は、知られている処方の記録で臨床的にうつ病患者のグループに適用されました。メタドン (規定する)、アンフェタミン (nonprescribed/違法)、ベンラファキシン (規定する) と希薄化後、まだ nonhydrolyzed、尿中プレガバリン (規定) の決定的な同定は、MSI CE MS を使用するときに示されました。これは推奨される最初のサンプル位置に導入された 84 薬物混合物に対する特定の噴射位置で検出された薬物の直接比較に基づいていたスクリーニングのカットオフ レベル内部参照/QC と肯定的な制御を提供しています(図 2)。その d を基準にして薬のイオン応答比に基づいて外部校正曲線 (図 3) を用いて測定したときまた、絶対薬物定量は可能-です。最もクロマトグラフィーの分離とは異なり d 間の移行時間差に影響を及ぼす重水素効果がありません-が、CE の無料ソリューションで類似電気泳動移動度を所有しているので、nondeuterated の薬。確かに、DoA の移行挙動は ce、すなわち分子量と有効電荷 (pK)14の基本的な物理化学的特性・化学構造に基づいて正確にモデル化します。多くの薬物はまた尿 (例えば、モルヒネ グルクロナイド)、レベル調整、測定濃度がより低い予想と比較すると必要とするスクリーニングのカットオフで排泄する前に重要な二次代謝を受けるので合計薬物検出のための酵素加水分解を利用する方法。コスト/時間、検体の取扱いと潜在的なバイアスや不完全な酵素加水分解によるバッチのバリエーションを減らすことに加え、「希釈と撃つ」尿薬物テストの主な利点は推定画面陽性例がによって確認はさらに、同じサンプル内の 1 つまたは複数の関連薬物代謝物の検出。これはまた、「高速」代謝または短命の半分と規定/違法薬物の検出を向上させながら薬物をより深く洞察個々 の患者の薬物動態と最適投与量要件を提供します。さらに、comigration、対応する d-MSI CE MS を使用して信頼性の高い薬剤のスクリーニングのときの再生 2 つの重要な機能-すなわち、またイオンの違いを補正しながら正確なサンプル注入位置 (すなわち、患者 #) を識別します。精度の向上と精度の応答/注入量。

将来仕事大量尿薬物の QC/QA とテストに必要な人事管理システムに結合された多重分離の自動データ処理を容易にするカスタマイズされたソフトウェア ツールの開発を目指しています。処方薬アドヒアランスと潜在的な誤用/置換が侵害を客観的に評価するために、MSI--MS の DoA の広域スペクトルのスクリーニングのための厳格な検証の高リスク患者の大規模コホート調査されますも治療効果、患者の安全性および/または精神医学的評価・診断します。到来方向推定及びその代謝物の酸性/アニオン性クラスの相補的な分析は、MSI-CE-質量分析法による天然/合成カンナビノイドの包括的なスクリーニングのため必要に応じてマイナス イオン モード検出アルカリ条件下でも実行されます。これは、カナダと米国のいくつかの州の間で娯楽マリファナの合法化の迫り来る公衆衛生への影響を与えられる重要です。TOF MS による完全スキャン データ収集の主な利点は、利用場合でも尿検体はもはやフォロー アップ テスト、その他のライフ スタイルや食生活のエクスポー ジャーをより評価するのに対し、試料の回顧の分析を実行できることです。差分レスポンス薬物療法を理解してください。要約すると、MSI-CE-質量分析法による迅速で正確な薬物の監視方法は、従来のターゲットを絞った免疫および直接注入/周囲のと同様に重要な利点電離・ MS/MS メソッドを解決するときに干渉/バイアスになりやすいがDoA と増分コストで複雑な生体試料中の代謝物の拡張パネル。

Disclosures

著者は、MSI--MS 多重スクリーニングとしての米国特許 (PCT/CA2014/050454) を開示化学分析のためのプラットフォームとデータのワークフロー。

Acknowledgments

P.B.M. は、イノベーション ・ ゲノム カナダ ・ マクマスター大学自然科学や工学研究評議会カナダのカナダの財団から基金を認めることを願っています。著者は、洞察力に富んだ議論のため Seroclinix 株式会社ハワード リーとアジレント ・ テクノロジーからマーカス キム博士をありがとうございます。さらに、著者認める本研究で使用される提供患者の尿サンプルに精神科マクマスター大学で行動科学・ アクセスのための聖ヨセフの病院で気分障害クリニックから博士ページ Zainab Samaan.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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)

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References

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Tags

取り消し、問題 146、薬物検査、薬物監視、薬物乱用、薬物代謝物、尿、キャピラリー電気泳動、質量分析法、臨床的うつ病、慢性的な痛みの高速スクリーニング

Erratum

Formal Correction: Erratum: High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry
Posted by JoVE Editors on 05/16/2019. Citeable Link.

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High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-capillary Electrophoresis Mass Spectrometry

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High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry

マルチ セグメントの注入キャピラリー電気泳動質量分析法による高スループットかつ包括的な薬物監視
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Shanmuganathan, M., Macklai, S.,… More

Shanmuganathan, M., Macklai, S., Barrenas Cárdenas, C., Kroezen, Z., Kim, M., Zizek, W., Lee, H., Britz-McKibbin, P. High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (146), e58986, doi:10.3791/58986 (2019).

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