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Yu, Qianqian (2013): Configuration, optimization and evaluation of a novel instrumental platform for automated SPE-LC-MS/MS analysis of drugs in whole blood. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät
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Abstract

The thesis describes the configuration, optimization and evaluation of a novel instrumental platform for fully automated SPE-LC-MS/MS analysis of small molecules, such as drugs, in whole blood. The immunosuppressant Cyclosporine A was chosen as a model analyte, as this drug is predominantly bound to erythrocytes. First, anticoagulated blood is converted into so-called Cell-Disintegrated Blood (CDB) by heat-shock or cryogenic treatment. CDB represents a homogenous blood sample and consists of subcellular particles which do not sediment on standing and do not clog capillaries, sieves or HPLC column packings. For in-line treatment of anticoagulated whole blood, i.e. generation of CDB, a sample mixing unit, two special liquid handling units and two home-made sample processing modules were embedded into a XYZ-autosampler. The module for heat-shock treatment consists of a stainless-steel capillary jacketed with a heating sleeve. Under optimal conditions for sampling and in-line processing of 20 µL of whole blood, it takes 13 seconds at 75 °C to generate CDB. The latter is stored in a holding loop before further treatment. For cryogenic treatment of a blood sample, a stainless-steel processing needle with a large inner diameter was installed in one of the liquid handling units. The autosampler was programmed to introduce the processing needle containing the blood sample (40 µL) into a stand-pipe, which is located in a thermo-flask filled with liquid nitrogen. The processing needle therefore contacts liquid nitrogen and the blood sample is snap-frozen. Optimal conditions were found to be 10 seconds for snap-freezing at -196 °C and 60 seconds for thawing at room temperature. A CDB sample obtained either by heat-shock or cryogenic treatment is further processed by being pumped via a switching-valve through an in-line filter to retain cell nuclei and “cell debris”. It was found that a depth filter packed with spherical hydrophilic silica is optimal. This filter allows at least 200 analysis cycles before it has to be replaced. Next, the CDB sample is pumped on-line via another switching-valve through a SPE column (50 x 0.5 mm ID) at a high flow rate. Due to the special packing material and the very small inner diameter, a high linear flow velocity is achieved and turbulent flow is generated. By this, high-molecular matrix components such as proteins are eluted in the void volume to waste. The low-molecular weight target analyte Cyclosporine A and the Internal Standard Cyclosporine D are retained and extracted by reversed phase partitioning chromatography (RPC). After fractionation of CDB on the SPE column, the analyte and the IS are transferred to a series-connected analytical column and separated from residual matrix components by RPC. Finally, the analyte is detected by a tandem mass spectrometer applying electrospray ionization (ESI) and multiple reaction monitoring (MRM). The optimized method has a total analysis time of less than 11 minutes. The analytical procedure and the instrumental platform were validated for heat-shock treated blood samples with respect to linearity, range (10 - 1000 ng/mL), lower limit of quantitation (10 ng/mL), intra-day and inter-day accuracy and precision, as well as matrix-independent and matrix-dependent recovery (around 100 %). It was shown that the electrospray induced ionization is suppressed by approximately 25 %. These matrix effects, however, can be totally compensated for by the addition of an Internal Standard, i.e. Cyclosporine D. A comparison with a semi-automated SPE-LC-MS/MS method, established in the Institute, revealed a very good agreement. This was shown by Passing and Bablok plots. The robustness of the fully automated SPE-LC-MS/MS analysis platform was monitored during 500 consecutive analysis cycles with heat-shock treated blood samples. The relative standard deviation for the signal response was 15.6 % for Cyclosporine A and 15.2 % for Cyclosporine D. The back pressure of the total system rose only by 52 bar. These findings show that, despite its instrumental and chromatographic complexity, the described analysis platform fulfills the prerequisites to be used in routine clinical-chemical analysis.

Abstract

Die Doktorarbeit beschreibt die Konfiguration, Optimierung und Evaluierung einer neuartigen instrumentellen Plattform für die vollständig automatisierte SPE-LC-MS/MS Analyse von kleinen Molekülen, wie beispielsweise Arzneistoffe, im Vollblut. Das Immunsuppressivum Cyclosporin A wurde als Modellanalyt gewählt, da dieser Arzneistoff vorwiegend an Erythrozyten gebunden ist. Zunächst wird antikoaguliertes Blut durch eine Hitze- oder Kälteschock Behandlung in sogenanntes Zell-desintegriertes Blut (Cell-Disintegrated Blood, CDB) überführt. CDB stellt eine homogene Blutprobe dar und besteht aus subzellulären Partikel, die beim Stehen nicht sedimentieren und keine Kapillaren, Siebe und HPLC- Packungsmaterialien verstopfen. Für die in-line Behandlung von antikoagulierten Vollblut, d.h. für die Herstellung von CDB, wurde ein Gerät zum Mischen der Probe, zwei spezielle Bauteile für die Handhabung von Flüssigkeiten und zwei selbst-gebaute Module für die Probenprozessierung in einen XYZ-Probengeber eingebaut. Das Modul für die Hitze-Schock Behandlung besteht aus einer Edelstahlkapillare, die mit einer Heizmanschette ummantelt ist. Unter optimalen Bedingungen für die Probenahme und in-line Prozessierung von 20 µL Vollblut werden 13 Sekunden und 75 °C benötigt um CDB herzustellen. Letzteres wird vor einer weiteren Behandlung in einer Rückhalteschleife gelagert. Für die Tieftemperatur Behandlung einer Blutprobe wurde eine weitlumige Edelstahlnadel zur Prozessierung in eines der Bauteile für die Handhabung von Flüssigkeiten eingebaut. Der Probengeber wurde so programmiert, dass die Nadel, welche die Blutprobe (40 µL) enthält, in ein Steigrohr, welches sich in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Isolierbehälter befindet, eingeführt wird. Hierdurch wird die Nadel mit flüssigem Stickstoff kontaktiert und die Blutprobe schockgefroren. Als optimale Bedingungen wurden 10 Sekunden für das Schockgefrieren bei -196 °C und 60 Sekunden für das Auftauen bei Raumtemperatur gefunden. Eine CDB Probe, die entweder durch Hitze- oder Kälteschock-Behandlung gewonnen wurde, wird weiter prozessiert, indem sie über ein Schaltventil durch einen in-line Filter gepumpt wird, um Zellkerne und „Zellbruchstücke“ zurückzuhalten. Es stellte sich heraus, dass ein Tiefenfilter, der mit sphärischem hydrophilem Kieselgel gepackt ist, optimal ist. Dieser Filter ermöglicht mindestens 200 Analysen-Zyklen bevor er ausgetauscht werden muss. In einem weiteren Schritt wird die CDB Probe on-line über ein weiteres Schaltventil mit einer hohen Flussrate durch eine SPE Säule (50 x 0.5 mm ID) gepumpt. Aufgrund des speziellen Packungsmaterials und dem sehr kleinen Innendurchmesser wird eine hohe lineare Flussgeschwindigkeit erreicht und eine turbulente Strömung erzeugt. Hierdurch werden hochmolekulare Matrixkomponenten wie beispielsweise Proteine im Totvolumen in den Abfall eluiert. Niedermolekulare Zielanalyte wie Cyclosporin A und der interne Standard Cyclosporin D werden über Umkehrphasen- Verteilungschromatographie (RPC) reteniert und extrahiert. Nach der Fraktionierung von CDB auf der SPE Säule, wird der Analyt und der interne Standard auf eine in Serie geschaltete analytische Säule überführt und von restlichen Matrixbestandteilen über RPC abgetrennt. Zum Schluss wird der Analyt in einem Tandem-Massenspektrometer über eine Elektrospray Ionisation (ESI) und Multiple Reaction Monitoring (MRM) detektiert. Die optimierte Methode weist eine Gesamtanalysezeit von weniger als 11 Minuten auf. Das Analysenverfahren und die instrumentelle Plattform wurden für Hitzeschock behandelte Blutproben hinsichtlich Linearität, Messbereich (10 – 1000 ng/mL), unterer Bestimmungsgrenze (10 ng/mL), Richtigkeit und Präzision innerhalb eines Tages und von Tag zu Tag, sowie Matrix-unabhängiger und Matrix-abhängiger Wiederfindung (um 100 %) validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die über Elektrospray induzierte Ionisation um ca. 25 % unterdrückt wird. Diese Matrixeffekte können jedoch durch Zugabe des internen Standards Cyclosporin D vollständig kompensiert werden. Ein Vergleich mit einer teilautomatisierten SPE-LC-MS/MS Routinemethode, die im Institut etabliert ist, ergab eine sehr gute Übereinstimmung. Dies konnte anhand von Passing und Bablok Plots aufgezeigt werden. Die Robustheit der vollständig automatisierten SPE-LC-MS/MS Analysenplattform wurde während 500 aufeinander folgenden Analysezyklen mit Hitzeschock behandelten Blutproben überprüft. Die relative Standardabweichung für das MS-signal betrug 15.6 % für Cyclosporin A und 15.2 % für Cyclosporin D. Der Rückdruck des gesamten Systems stieg nur um 52 bar an. Diese Ergebnisse zeigen, dass – trotz der instrumentellen und chromatographischen Komplexität – die beschriebene Analysenplattform die Anforderungen, die in der klinisch-chemischen Routineanalytik gestellt werden, erfüllt.