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フェンタニル類似体の保持時間、移動度、および質量分析のフラグメンテーションパターンに基づいてフェンタニル類似体をスクリーニングする方法。
ここ数十年にわたるフェンタニルの使用とフェンタニル類似体の出現は、コミュニティ全体にとってますます懸念されています。フェンタニルとその類似体は、米国における致命的および非致命的な過剰摂取の主な原因です。フェンタニル関連の過剰摂取の最近の事例は、違法に製造されたフェンタニルとそれに関連する極端な効力に関連しています。本研究では、フェンタニル類似体のスクリーニングのためのハイスループット分析プロトコルについて説明します。補完型液体クロマトグラフィー、トラップドイオンモビリティー分析法、およびタンデム質量分析法を使用すると、1回のスキャンで1つのサンプルから数百のフェンタニル類似体を分離し、割り当てることができます。説明されたアプローチは、モビリティトラップでの並列蓄積とそれに続く衝突誘起解離を使用した逐次フラグメンテーションを使用したデータ依存取得およびデータ非依存取得の最近の開発を利用しています。フェンタニル類似体は、保持時間、移動度、および MS フラグメンテーションパターンに基づいて、自信を持って割り当てられます。
フェンタニルとその類似体は、米国における致命的および非致死的な過剰摂取の主な原因です1,2。米国疾病管理予防センター(CDC)は、2013年から2021年までの合成オピオイド関連の過剰摂取による死亡者数が258,000人を超えたと報告しました。2021年だけでも、68,000人以上の過剰摂取による死亡が合成オピオイドに起因する可能性があり、これは全米の過剰摂取関連死亡の82%を占めています3。2013年以降、数百種類のフェンタニル類似体が同定されており、その効力はさまざまです4。違法に製造されたフェンタニル類似体の出現により、スケジュールII合成オピオイド自体は、米国で入手可能な最も人気のある合成オピオイドであり続けています3。法医学研究教育センター(CFSRE)によると、2022年に報告されたフェンタニル類似体のトップはフルオロフェンタニルであり、現在、フェンタニルに関連しない合成オピオイドが急速に揮発性薬物市場に導入されています5。
麻薬市場ではフェンタニルおよびフェンタニル関連の類似体が圧倒的に大量に流通しているため、麻薬取締局(DEA)は、これらの化合物の合成に使用された方法論を追跡し、薬物の押収をその起源に結びつけることを期待して、オペレーション・デス・ドラゴン(Operation Death Dragon)と題したフェンタニル署名プロファイリングプログラムを実施しました6。2018年には、薬物押収の94%がヤンセン法で合成されたと特定され、残りの6%はジークフリート法で合成されました6。2つの方法の主な違いは、ヤンセン法では不純物として検出されるフェンタニル類似体であるベンジルフェンタニルが存在するのに対し、フェンタニルの代謝物/前駆体であるデスプロピオニルフェンタニル(4-ANPP)の存在は、ジークフリート法7で合成するときに検出される不純物です。
合成オピオイドの標的スクリーニングと定量のために、ガスクロマトグラフィーと液体クロマトグラフィーを質量分析(それぞれGC-MSおよびLC-MS)と組み合わせて使用することは、毒物学研究室で定期的に実施されています。GC-MSは、生体試料中の乱用薬物検出のゴールドスタンダードとされています。一般に入手可能な質量スペクトルライブラリ8およびプラグアンドプレイシステム9として販売されている装置へのアクセスは、GC-MSが包括的なスクリーニングと標的定量9,10の両方においてラボで不可欠な部分であり続けている理由の一部です。しかし、文献に記載されている現在の GC-MS 定量法は、分析種の範囲が限られている傾向があり11、すぐに古くなり、現在のケースワークには適用できなくなっています。さらに重要なことは、検出と定量の限界が LC-MS 分析法(< 1 ng/mL)12 と比較できないため、偽陰性の結果が出る可能性が高くなることです。死後検体を調べた GC-MS と LC-MS の比較の 1 つでは、これまでに最も強力な合成オピオイドの 1 つであるカルフェンタニルの 134 例が陽性と同定され、そのうち 104 例が GC-MS を使用してカルフェンタニルのスクリーニングで陰性であったことが指摘されました13。薬物分析ラボでは、GC-MS はより頻繁に使用され、分析されたサンプルの濃度が高いため、合成オピオイドに対して修正可能です。それでも、GC-MSは、これらの化合物を確認するために、フーリエ変換赤外分光法(FT-IR)や走査型電子顕微鏡(SEM)などの追加の技術と組み合わせて利用されています14。法医毒物学における生体試料の分析にGC-MSを適用するには、液液抽出(LLE)または固相抽出(SPE)15のいずれかを使用してこれらの化合物を抽出することを含むサンプル調製方法が必要です。LLEはさまざまな溶媒で実施できますが、高生産性のラボでは、LLEは費用対効果が高くなく、タイムリーではない場合があります。LLEは大量の溶媒とサンプル量を消費しますが、代替のSPEは自動化でき、最小限のサンプル量で済みます16。最近のGC-MS研究では、3つの別々のGCサーマルプログラム17を使用して、20の異なる異性体フェンタニル類似体の分離が報告されています。異性体間のベースライン分離は成功しましたが、この分析法が関連する法医学的ケースワークやワークフローに適用できる可能性は限られています。
LC-MSは、特に不揮発性で熱に敏感な化合物18,19に関するGC-MSの制限により、法医学検査で人気を博しています。トリプル四重極(QQQ)とイオントラップ装置を用いたLC-MSスクリーニングは、低濃度(<1 ng/mL)での合成オピオイドの検出に成功しています12,20,21,22,23,24。通常、これらのLC-MS分析法は、イムノアッセイおよび/またはGC-MSの結果を補完するための二次確認法として使用されます。2017 年、マイアミ・デイド郡検死官部門(MDME)毒物学研究所の Shoff らは、超高圧液体クロマトグラフィー(UHPLC)-イオントラップMS n 13 を使用して、44 のオピオイド関連化合物の包括的なスクリーニング法を開発しました。ターゲットMRM法と同様に、このイオントラップ法では、保持時間、プリカーサーターゲットイオン、および可能な場合はMS3スペクトルフラグメンテーション用のプライマリードーターイオンを含むスケジュールされたプリカーサーリスト(SPL)を利用しました。このスクリーニング法がトリプル四重極イオントラップやリニア四重極イオントラップで開発された方法と異なるのは、スペクトルデータで得られる追加の詳細点です。このスクリーニング法では提供できないのは、イオントラップ装置ではめったに開発されない定量分析や、未知化合物の同定です13。合成オピオイドの LC-QQQ 分析法では、事前定義されたターゲットリストを同時にスクリーニングし、定量化できます。化合物の同定および定量のための多重反応モニタリング(MRM)トランジションの使用は、信頼できるデータ収集技術であり、合成オピオイドの検出に関する文献で利用されている最も一般的な技術である12,20。合成オピオイドのアレイの定量に関する報告された線形範囲は 0.01 〜 100 ng/mL で、カルフェンタニルなどのより強力な合成オピオイドは1 1,24,25,26,27 未満で検出されます。
異性体合成オピオイドの分離は、LC-MS 分析法で取り組まれています。そのような方法の1つは、ビフェニルカラムを使用して16分間の実行時間内に174の異性体フェンタニル類似体を分離した28。さらに、カラム効率、移動相のpH、圧力変化などのLC依存パラメーターの変動により、一貫したモニタリングとより大きな収集ウィンドウ(>0.4分)を備えたターゲットアッセイでは、保持時間のシフトを考慮する必要があります。これにより、一度分離したこれらの異性体がオーバーラップする可能性があります。異性体を分離するための追加のクロマトグラフィー技術が検討されており、これには2次元液体クロマトグラフィー(2D-LC)の使用が含まれます29。また、この手法には化合物の直交的な分離を提供する能力がありますが、欠点は、過剰な分析時間、コスト、メソッド開発の難しさ、および代替の分離と比較した有用性などの利点を上回ります30。
高分解能質量分析(HRMS)は、合成オピオイドの同定においてますます信頼性が高まっています。いくつかの機器製造会社は、複雑な生物学的マトリックス中の広範囲の合成オピオイドを同定する目的で開発された標的分析法を販売している19,28,31。これらの方法は、前に説明した方法とは異なり、遡及分析のために分析データを保存できます。したがって、以前に分析され、結果が未確定であった標本は、新たに同定された化合物の発見のために後で再検討することができます。HRMS と QQQ の違いは、正確な質量同定です。どちらのMS技術も低濃度で正確に定量できますが、HRMSは未知化合物32,33,34の初期スクリーニングと発見により効果的であることが証明されています。HRMS、特に飛行時間型(TOF)MS分析装置は、NPS発見の最前線に立っており、法医学検査ラボが新しい化合物に関する時間的制約のあるデータを法執行機関と科学界の両方に提供し、これらの化合物の一部の拡散を拡大しながら、意識と教育を向上させることを可能にしています33。乱用薬物の検出にTOFを使用することは、10分間のクロマトグラフィープログラム内で分離された600以上の化合物を含む分析法により、非常に包括的になりました。以前の研究では、異性体オピオイドの検出と分離のためのTOFと組み合わせたトラップイオンモビリティー分光法(TIMS)の利点が報告されています35。
液体クロマトグラフィー、トラップドイオン移動度分析法、質量分析法の直交性を利用して、提示された分析法は、保持時間、同位体パターン、移動度、およびフラグメンテーションパターンに基づいてフェンタニル類似体の広範な特性評価を提供します。
1. サンプル調製
2. HPLC移動相の調製
3. HPLC法開発
4. HPLCの初期化
5. timsTOF MS/MSメソッド開発
6. 移動度と質量のキャリブレーション
7. データ独立集録(dia)の並列蓄積-シリアルフラグメンテーション法の作成
8. HPLCイオンモビリティーTOFデータ処理
250種類のアナログ標準物質からなるフェンタニルアナログスクリーニングキットは、m/z干渉を避けるために、17種類のアナログからなる12グループと16種類のアナログからなる2つのグループからなる14のグループに分けられました。各アナログは、m/z、保持時間(RT)、移動度(K)、およびMS/MSフラグメンテーションパターンによってさらに特徴付けられます。
高異性体含有量を含む生体サンプルの分析分離は、分析的に困難な場合があります。この論文では、記載されている方法は、250のオピオイド標準キットから合計185の類似体に対して、29の異性体セットを特徴付けることを目的としています。試験群の準備では、実験的に区別できないm/zの類似体が2つ存在しないことを確認することが重要です。ここで説明するデータ...
Matthew WillettsとMelvin A. Parkは、商用楽器timsTOF Pro2のメーカーであるBruker Daltonics Inc.の従業員です。他のすべての著者は、利益相反を宣言しません。
著者は、初期のメソッド開発における Cesar Ramirez 博士の初期サポートに感謝したいと思います。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ammonium formate for HPLC | Fluka | 17843-50G | |
Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Safe-Lock Tubes | Fisher | 05-402-25 | |
ESI-L Low Concentration Tuning mix | Agilent | G1969-85000 | |
Fentanyl Analog Screening (FAS) Kit | Cayman Chemical | 9003237, 9003286, 9003380, 9003381 | kit of 250 snthetic opioids, 210 fentanyl analogs, broken up into one kit and emergent panel versions 1-4 |
Formic acid Optima LC/MS | Fisher | A117-50 | |
Onyx guard column (5 x 4.6 mm) | Phenomenex | CHO-7649 | guard column for C18 columns |
Onyx monolithic C18 HPLC column (100 x 4.6 mm) | Phenomenex | CHO-7643 | reverse phase C18 LC column |
Optima grade acetonitrile | Fisher | A996-4 | |
Optima grade methanol | Fisher | A454-4 | |
Optima grade water | Fisher | W7-4 | |
Pipette | Fisher | 05-719-510 | kit of 1-10 µL, 10-100 µL, and 100-1000 µL pipette |
Pipette tips 10µL | Fisher | 94060100 | |
Pipette tips 1000µL | Fisher | 94056710 | |
Pipette tips 200µL | Fisher | 94060310 | |
Plate mixer | IKA | MS 3 D S1 | IKA MS 3 digtital |
Prominence LC-20 CE ultrafast liquid chromatograph | Shimadzu, Japan | equiped with DGU-20A5, LC-20AD, SIL-20AC, CTO-20A, SPD-M20A, CBM-20A, SPD-20A | |
timsTOF Pro | Bruker Daltonics Inc., Billerica, MA | timsTOF instrument with PASEF |
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