Development of mass spectrometric methods for the quantitation of drugs of abuse and therapeutic drugs (DAT/TDM) in clinical samples

Abstract

The aim of this dissertation was the development of mass spectrometric assays for the quantitation of therapeutic drugs and drugs of abuse in body fluids. New purification and separation techniques were used and their benefit on the performance of the assay was shown in comparison to established sample preparation and separation methods. Three representative pharmacologically active substances, including their metabolites and structurally similar compounds were chosen for this study: acetaminophen, a common analgesic and antipyruvic drug, and two cardiac glycosides, namely digoxin and digitoxin. Two LC-MS/MS methods were established for the quantitation of these analytes in serum and plasma. Both assays were validated and results for patient samples were compared to other laboratories for the main target substances. In a next step, analysis time reductions and automation of the analysis using new purification and separation technologies was investigated. An alternative sample preparation method using magnetic microparticles as extraction support was established for acetaminophen, which allowed specific and automated extraction of the target substances. The potential of differential ion mobility spectrometry (DMS) as an alternative separation method in comparison to high performance liquid chromatography was shown by means of digitoxin and three metabolites. This assay allowed a 10-fold speed increase while maintaining similar performance as compared to the conventional LC-MS/MS assay.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung massenspektrometrischer Verfahren zur Gehaltsbestimmung von Wirkstoffen und Drogen in Körperflüssigkeiten. Im Besonderen wurden dabei neue Technologien für die Aufreinigung und Trennung der Analyten untersucht und Vorteile zu konventionellen Methoden aufgezeigt. Als Beispiele dienten drei Substanzen und deren Metaboliten sowie strukturähnliche Substanzen: Acetaminophen, ein weit verbreitetes Analgetikum, und zwei Herzglykoside, Digoxin und Digitoxin. Zwei Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie Methoden basierend auf konventionellen Probenvorbereitungs- und Trennmethoden wurden entwickelt, welche die Quantifizierung aus Serum und Plasma ermöglichten. Nach erfolgreicher Validierung dieser Methoden erfolgte ein Vergleich mit anderen Laboratorien basierend auf Patientenkollektiven. In einem nächsten Schritt wurde die mögliche Beschleunigung und Automatisierung der Messsysteme untersucht. Eine Aufarbeitung mit magnetischen Mikropartikeln ist eine schnelle und automatisierbare Alternative für die Extraktion von Serumproben, wie am Beispiel des Acetaminophens bewiesen werden konnte. Das Potential der Ionenmobilitätstrennung konnte beispielhaft für Digitoxin und drei seiner Metabolite demonstriert werden. Dazu wurde eine differentielle Mobilitätsspektrometrie Methode ohne chromatographische Trennung entwickelt, die eine zehnfache Beschleunigung der Messung bei gleichbleibender Leistung erlaubte.