Novel approaches in clinical toxicology using high-resolution MS/MS and dual LC for analyzing biological samples

Abstract

Analytical methods utilizing high-resolution tandem mass spectrometry (HRMS/MS) coupled to liquid chromatography (LC) allow the reliable detection and quantification of harmful compounds and drugs across various biological samples. This dissertation aimed to explore the capabilities of a state-of-the-art Orbitrap-based mass spectrometer paired with a dual LC system. The focus was on developing LC-HRMS/MS methods that prioritize time-efficient sample preparation, flexible and sustainable analytical strategies, and sufficient sensitivity to enable detection of analytes with diverse physico-chemical properties. Four distinct methods were developed and validated, encompassing the analysis of both low and high molecular weight compounds in plasma, the implementation of antibody-based extraction techniques for detecting toxic peptides in plasma and urine, and a comparative study of microflow LC versus analytical flow LC for identifying selected abused drugs in oral fluid. While certain limitations were observed during method development and validation, the resulting methods proved effective in addressing critical toxicological questions. This work highlighted the flexibility and versatility of current LC-HRMS/MS instruments and analysis in the field of analytical toxicology.

Analytische Methoden basierend auf hochauflösender Tandem-Massenspektrometrie (HRMS/MS) gekoppelt an Flüssigchromatographie (LC) ermöglichen die Detektion und Quantifizierung von schädlichen Verbindungen und Arzneistoffen in verschiedenen biologischen Proben. Diese Dissertation zielte darauf ab, die Möglichkeiten eines modernen Orbitrap-basierten Massenspektrometers in Verbindung mit einem dualen LC System zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung von LCHRMS/ MS Methoden, um eine zeitsparende Probenvorbereitung, flexible und nachhaltige Analysestrategien sowie eine ausreichende Empfindlichkeit für den Nachweis von Analyten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften zu ermöglichen. Vier verschiedene Methoden wurden entwickelt und validiert, welche die Analyse von Verbindungen mit niedrigem und hohem Molekulargewicht in Plasma, die Anwendung von Extraktionstechniken auf Antikörperbasis zum Nachweis toxischer Peptide in Plasma und Urin sowie eine vergleichende Studie zur Mikrofluss LC und analytischen LC zur Identifizierung ausgewählter missbräuchlich verwendeter Drogen in Speichel umfassten. Methodenentwicklung und Validierung zeigten bestimmte Limitationen auf, die resultierenden Methoden erwiesen sich aber als wirksam bei der Beantwortung kritischer toxikologischer Fragestellungen. Diese Arbeit verdeutlicht die Flexibilität und Vielseitigkeit aktueller LC-HRMS/MS-Instrumente und Analysen im Bereich der analytischen Toxikologie.