Name: high-throughput and comprehensive drug surveillance using multisegment injection-capillary electrophoresis-mass spectrometry
Uploaded: 2019-04-23T12:30:00
Duration: 10 min 17 s
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P.B.M. will finanzielle Unterstützung aus den Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada, die Kanada-Stiftung für Innovation und Genom Kanada McMaster Universität anerkennen. Die Autoren danken Howard Lee bei Seroclinix Corporation und Dr. Marcus Kim von Agilent Technologies für ihre aufschlussreiche Gespräche. Außerdem erkennen die Autoren Dr. Zainab Samaan von der Abteilung für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften an der McMaster University und die Stimmungen Störung Klinik am St. Joseph-Hospital für den Zugriff auf die zur Patienten Urinproben in dieser Studie verwendeten .

Verblindeten Urinproben wurden freundlicherweise von Dr. Zainab Samaan aus der Stimmung Störung Klinik am St. Joseph-Hospital (Hamilton, ON, Kanada), zur Verfügung gestellt deren Studie von Hamilton Integrated Research Ethics Board genehmigt wurde.
(1) Reagenzien und Lösungen Probenvorbereitung
<ol><li>
Hintergrund-Elektrolyt-Vorbereitung
	<ol>
<li>50 mL Hintergrund Elektrolyt (BGE) zweiwöchentlich, 1 M Ameisensäure, pH 1,8, mit 15 % V/V Acetonitril als einen Modifikator "Bio" vorzubereiten.</li>
		<li>Aliquoten 1,9 mL konzentrierte Ameisensäure-Lager (26,5 M) in eine volumetrische 50 mL-Flasche und fügen Sie 7,5 mL Acetonitril und 40,6 mL deionisiertes Wasser bringen das Gesamtvolumen auf 50 mL. Dann die Lösung für 15 min beschallen und überträgt es auf eine sterilisierte Flasche mit engen Dichtung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Scheide flüssige Zubereitung
	<ol>
<li>Bereiten Sie 200 mL Scheide flüssige Lösung wöchentlich, bestehend aus 0,1 % Ameisensäure im Verhältnis 60: 40 (MeOH:H2O vor).</li>
		<li>Aliquoten 200 µL der Ameisensäure (26,5 M bestand) in eine Flasche mit 120 mL MeOH und 80 mL H2O Mantel Flüssigkeit und degas es 15 min zu machen.</li>
		<li>Fügen Sie 10 µL der einzelnen der folgenden Verweis Ionen, Purin und Hexakis (2,2,3,3 Tetrafluoropropoxy) Phosphazine (HP-921), in die Scheide Flüssigkeit zu konstanten Masse Signale bei m/z 121.05087 und m/Z 922.00979, bzw.. Hinweis: Diese Referenz-Ionen ermöglichen Echtzeit-Masse Korrektur und auch für Matrix-induzierte Ion Unterdrückung oder Erweiterung Auswirkungen während der Trennung zu überwachen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Standard-Vorbereitung
	<ol>
<li>Bereiten Sie eine standard-Lösung mit eine 84-Medikament Panel Mischung bei 3 x klinische Screening Cut-off-level (L6)14 in 1 mL Methanol, mit Hilfe der Droge-Standards von einem chemischen Lieferanten gekauft. Bereiten Sie eine Mischung von 48 passende deuterierte interne Medikament Standard (d-ISs) mit einer 10-divisibel höhere Konzentration als der 84-Wirkstoff-Gemisch in 1 mL Methanol getrennt. Darüber hinaus bereiten Sie eine Stammlösung mit 200 µM 4-Fluoro -L-Phenylalanin (F-Phe) und 3-Chloro -L-Tyrosin (Cl-Tyr) in 1 mL entionisiertem H2O.</li>
		<li>Führen Sie eine fünffache Verdünnung der oben genannten 84-Wirkstoff-Mischung (20 µL) und 48 d-ISs (20 µL), sowie eine um das Zehnfache Verdünnung des 4-Fluorophenylalanine (F-Phe, 10 µL) und 3-Chlorotyrosine (Cl-Tyr, 10 µL) in einer zertifizierten synthetischer Urin-Matrix (40 µL) insgesamt zu machen Volumen von 100 µL in einem Zentrifugenröhrchen 250 µL.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Externe Kalibrierung Kurve Vorbereitung
	<ol>
<li>Bereiten Sie externe 5-Punkt-Kalibrierungskurven (wie unten beschrieben) in vervierfacht (n = 4) über einen 20-fold Dynamikumfang mit 84-Droge-Standardmischung und 48 ihre entsprechende d-ISS im Schritt 1.3.1 gemacht. Sorgen zum Beispiel dafür, dass eine externe 5-Punkt-Kalibrierung-Kurve, verdünnen die 84-Wirkstoff-Mischung (L6, Schritt 1.3.1), 2-, 4-, 10-, 20-, und 40-fold, ist es notwendig, eine fünffache Verdünnung der passenden d-ISs (20 µL) und eine um das Zehnfache Verdünnung der 4-F-Phe (vorzubereiten 10 µL) und Cl-Tyr (10 µL) wie eine zusätzliche in einer synthetischen Urin-Matrix zu einem Gesamtvolumen von 100 µL. In Fällen wenn eine passende d-IS nicht nach einem bestimmten Medikament zur Verfügung steht ist Einsatz 4-F-Phe als Surrogat für Datennormalisierung. Hinweis: Vermeiden Sie die Aufnahme von zusätzlichen d-ISs, die Kreuz-stören (Isobaren) mit anderen DoA innerhalb des Panels, wenn sie nicht vollständig durch die CE-Trennung gelöst werden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Urin-Probenvorbereitung
	<ol>
<li>Tauen Sie zur Morgen Urinproben aus einer repräsentativen Kohorte von zehn klinisch depressiven Patienten mit anamnestisch bekannter verschreibungspflichtige Medikament. Speichern Sie die Urinproben bei-80 ° C nach der Entnahme bis zur Analyse aufgetaut werden müssten. Hinweis: Vermeiden Sie mehrere Gefrier-Tau-Zyklen von Urin oder eine verzögerte Lagerung bei Raumtemperatur nach der Auflistung durch ihre Wirkung auf die chemische Beständigkeit von bestimmten DoA-Metaboliten und deren Konjugate.</li>
		<li>Wirbel der zur Morgenurin Proben für 30 s und dann für 1 min bei 14.000 X g für Sedimentation zentrifugieren. Danach verarbeitet aliquoten 10 µL des oben genannten Urin, 10 µL des d-ist, und 5 µL des F-Phe/Cl-Tyr und 25 µL entionisiertem H2O und Vortex für 1 min (wiederholen Sie diese Schritte in dreifacher Ausfertigung technischen Präzision zu beurteilen). Eine aliquote 20 µL der oben beschriebenen Mischung zu einem Polypropylen Fläschchen für die Analyse zu übertragen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Einstellung der CE-TOF-MS-System
<ol><li>Unbeschichtete fused-Silica Kapillaren Konditionierung Parameter
	<ol>
<li>Stellen Sie sicher, dass alle Standards, externe Kalibrierkurven und Urinproben vorbereitet in Abschnitten 1,3-1,5 mit Hilfe einer unbeschichteten Open tubular Fused-Silica Polyimid beschichteten Kapillaren mit einem Innendurchmesser von 50 μm, einem äußeren Durchmesser von 360 µm getrennt sind und eine Kapillare Gesamtlänge von 135 cm. Hinweis: Ein Diamant Fräser Werkzeug wird verwendet, um konsistente Kapillaren zu gewährleisten, die weiter kontrolliert werden, um einen flush und glatten Schnitt zu gewährleisten.</li>
		<li>Ca. 7 mm der Polyimid-Beschichtung von der distalen Kapillare beidseitig, mit einer Kapillare Fenster-Maker, Probe Verschleppung zu reduzieren und zu verhindern, dass potenzielle Polyimid Schwellung beim Kontakt mit organischen Lösungsmitteln zu entfernen.</li>
		<li>Achten Sie darauf, ragen etwa 2 mm Kapillare Austritt aus der CE Spritze Nadel und installieren die Kapillaren Einlass in der CE-Patrone von looping zwei 360° Umdrehungen. Dann sorgfältig installieren Sie die CE-Patrone in die CE zu und platzieren Sie die CE-Sprayer aus der Ionenquelle zu, wenn die Kapillare Konditionierung. Hinweis: Schneiden der Kapillaren Steckdose konsequent, da es entscheidend für die Gewährleistung einer stabilen Elektrospray Strom, wenn MS gekoppelt ist. Zwei verschiedene Sprayer wurden in dieser Arbeit verwendet: eine CE-Sprayer diente für die Analyse von Proben und ein LC-Sprayer war für die Masse Kalibrierung verwendet.</li>
		<li>Achten Sie darauf, die Kapillare, die Klimaanlage mit der CE-Sprayer nicht platziert in der Ionenquelle durchzuführen. Setzen Sie die LC-Spritze in der Ionenquelle. Hinweis: Dies ermöglicht eine Masse Kalibrierung unter Vermeidung von Verunreinigungen der koaxialen Hülle flüssigen Schnittstelle, die anschließend an die TOF-MS gekoppelt ist.</li>
		<li>Bedingen neue Kapillaren bündig Funktion (940 Mbar) auf der Hersteller Software verwendet, um das Gerät zu steuern und legen Sie die Dauer der Flush bei 30 min für vier verschiedene Lösungsmittel in der folgenden Reihenfolge: Methanol, 1 M NaOH entionisiertem Wasser und BGE. Achten Sie auf die isokratische Pumpe im Standby-Modus in der Kapillare Klimaanlage Zeit setzen.</li>
		<li>Wischen Sie die CE-MS-Spritze mit einem Gewebe Tuch getränkt in MeOH/H2O, alle verbleibenden Salzablagerungen zu entfernen.</li>
		<li>Führen Sie die tägliche vorbeugende Wartung der CE-MS-System vor der Analyse der Proben. Verwenden Sie Methanol zu wischen Sie CE-Elektrode (am Einlass) aber eine Isopropanol und Wasser (50: 50) Mischung um die CE-MS-Schnittstelle zu reinigen, die ist wichtig, Salz Ablagerungen zu vermeiden und mögliche Verschleppung von Probe zu begrenzen.</li>
		<li>Entfernen Sie die LC-Spritze aus der Ionenquelle und positionieren Sie die gereinigte Spritze mit einer neu konditioniert Kapillare in der koaxialen Hülle flüssigen Schnittstelle für CE-MS.</li>
		<li>Isokratische Pumpe einschalten und eine Spannung von 30 kV für 15 min um sicherzustellen, dass ein stabile CE aktuelles Profil vor der Urinanalyse erreicht wird.</li>
	</ol></li>
	<li>Injektion und Trennung Bedingungen mit CE
	<ol>
<li>Öffnen Sie die Hersteller-Software zur Steuerung des Gerätes verwendet werden, um die CE-Parameter einstellen und auswählen der Vorkonditionierung Schritt. Set Funktion spülen bis 600 s und geben Sie eine BGE-Fläschchen-Position. Hinweis: Ein externer Wasserkühler müssen CE-Systeme angeschlossen werden, die Probenteller Kühlung Funktionen fehlen, wie dies erforderlich ist, um Probe Verdunstung zu verhindern, wenn Sie große Chargen von Volumen eingeschränkt Proben analysieren.</li>
		<li>Stellen Sie die Injektion Funktion hydrodynamisch injizieren die Proben bei 100 Mbar für 5 s und electrokinetically injizieren BGE Abstandhalter 30 kV für 75 s. Hinweis: Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Probeninjektion (aus verschiedenen Fläschchen Position) gefolgt von einem BGE Abstandhalter (von der gleichen Vial-Position), die innerhalb eines Programms Methode auf die Software für eine Gesamtmenge von 11 diskrete Proben analysiert automatisch ausgeführt wird die dieselbe Strecke fahren, wenn Sie eine MSI-Format verwenden. 10 Urinproben analysieren in zufälliger Reihenfolge nach eine 84-Panel Droge-Mischung bei der Screening-Cut-Off Ebene wird als die erste Probenposition für jeden Lauf MSI-CE-MS eingespritzt.</li>
		<li>Legen Sie die angelegte Spannung , 30 kV, die Patrone Temperatur 25 ° C, und die Gesamtlaufzeit zu 40 min. mit dem Zeitplan gelten einem Druckgradienten von 2 Mbar/min von 0 min. bis 40 min. während der Trennung. Hinweis: Ein gradienter Druck wird angewandt, während der Trennung für die Elution von langsam-Migration, umfasst einige schwach, grundlegende Benzodiazepine und Neutral/sauer Drogen(z. B.Paracetamol, Barbiturate) zu ermöglichen. Allerdings Wandern grundlegendsten DoA und deren Metabolite als kationen innerhalb von 25 Minuten, einschließlich der Amphetamine, Opioide und andere Klassen von Alkaloiden.</li>
		<li>Nachdem die Probe-Übernahme abgeschlossen ist, stellen Sie sicher, die Kapillare mit niedrigem Druck (50 Mbar) mit BGE bis zum nächsten Tag zu spülen. Spülen Sie andernfalls die Kapillare für 600 s unter hohem Druck (900 Mbar) mit Wasser und dann für 600 s mit Luft, und speichern Sie es in einen Sprüher Halter bis zum nächsten Gebrauch.</li>
	</ol></li>
	<li>Isokratische Pumpe und Scheide Flüssigkeit
	<ol>
<li>Verwenden Sie eine Unendlichkeit isokratische Pumpe und ein Infinity-Degasser liefern die Scheide Flüssigkeit (60: 40 MeOH:H2O mit Ameisensäure 0,1 % V/V) mit einer Rate von 10 µL/min auf die CE-MS-Spritze.</li>
	</ol></li>
	<li>TOF-MS-Einstellungen
	<ol>
<li>Sicherstellen Sie, dass eine TOF-MS mit einem koaxialen Mantel-Liquid Elektrospray-Ionenquelle und beheiztem Stickstoffgas mit einem CE-Gerät ausgestattet ist.</li>
		<li>Betreiben die TOF-MS unter positiven Ionen-Erkennung , die überspannt eine Masse von m/Z 50-1.700 mit einer Akquisition Datenrate von 500 ms/Spektrum. Sicherstellen Sie, dass das Profil und der Schwerpunkt, die Daten in einem "d"-Dateiformat gespeichert werden.</li>
		<li>Legen Sie die Electrospray Ionisierung Bedingungen sein: Vcap und Düse Spannung bei 2.000 V, Vernebler Gas bei 10 Psi und das Trocknungsgas geliefert bei 8 L/min bei 300 ° C, mit einem Mantel Gasstrom von 3,5 L/min bei 195 ° C. Darüber hinaus soll die MS Spannungseinstellungen Fragmentor, Skimmer und Oct1 RF 120, 65 und 750 V, bzw.. Hinweis: Vcap und Düse Spannung sowie Vernebler Gas abgestellt wurden während der seriellen Probe-Injektion-Sequenz in MSI-CE-MS verwendet, aber die Elektrospray wurde programmiert, um 1 min nach der Einleitung der elektrophoretischen Trennung gegen Strom wieder eingeschaltet werden Fehler durch Absaugen Effekte.</li>
		<li>Führen Sie das Instrument und Datenerfassung mit der Hersteller Software (Table of Materials).</li>
	</ol></li>
	<li>Datenanalyse
	<ol>
<li>Analysieren Sie die MSI-CE-MS-Daten mit Hilfe der Hersteller Software, einschließlich der Verarbeitung, Glättung, Daten und die Integration der extrahierten Ion Electropherograms (Annäherung) für Vertreter DoA und deren Stoffwechselprodukte.</li>
		<li>Öffnen Sie die Software und stellen Sie die folgenden Parameter ein.<ol>
<li>Wählen Sie unter Chromatogrammedie Extraktion Datenformatund Profilmodus Chromatogramm und Masse spektrale Daten formatieren .</li>
			<li>Wählen Sie Quadratische/kubische Savitzky-Golay unter die Glättungsfunktion und Funktion breite bis 15 Punkte.</li>
			<li>Klicken Sie Zu integrieren (MS), setzen Sie den Integrator, Agileund wählen Sie die maximale Anzahl von Gipfeln begrenzt die größte 11 unter Peak-Filter.</li>
			<li>Klicken Sie auf Ansicht, klicken Sie auf Integration-Gipfel-Listeund wählen Sie die Höchstzahl, Verweilzeit (RT), Peakfläche, Scheitelhöheund Signal-Rausch - Verhältnis (SNR).</li>
			<li>Diese Parameter unter einem einzigartigen Methodennamen zu speichern. Wenden Sie diese Methode an, um den Prozess und interpretieren Sie jeder Datensatz zu. Hinweis: Eine Übersichtstabelle mit Höchstzahl, die RT die Peakfläche und Höhe und die SNR zeigt auf der rechten Seite. Führen Datennormalisierung für gemessene RT und integrierten Peakfläche für jedes DoA, entweder einen passenden d-ist oder (falls nicht vorhanden), F-Phe, analytische Präzision zu verbessern.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. Analyse der Urinproben und externe Kalibrierkurven
<ol><li>
Verschiedenen seriellen Injektion Konfigurationen verwendet in MSI-CE-MS
	<ol>
<li>Für die erste serielle Injektion Beispielkonfiguration, verwendet, um veranschaulichen Medikament Isomer/Isobar Auflösung (Abbildung 1A), sicherzustellen, dass fünf wiederholte Injektionen erfolgen auf eine Mischung aus 84 Medikament Standards mit d-ist 4-F-Phe/Cl-Tyr, gefolgt von einem sechsten Einspritzung, die eine leere Probe in synthetischer Urin ist, und fünf weitere Injektionen der standard Medikament Mischung.</li>
		<li>Für die zweite serielle Injektion Beispielkonfiguration, verwendet, um den Nachweis von DoA in einzelnen Proben von Patienten mit einem bekannten Rezept (Abbildung 2A), demonstrieren sicherzustellen, dass der erste Probe-Stecker ist eine Mischung aus 84-Medikament Standardmischung an eine 1 x Abkürzungniveau Screening (Positivkontrolle) gefolgt von einer randomisierten Injektion von 10 verdünnter Urinproben von Patienten: #293, #88 #309, #43, #281, #64, #221, #208, #183 und #50.</li>
		<li>Für die dritte serielle Injektion Beispielkonfiguration, verwendet um die Übernahme von externen Kalibrierungskurven in einem Durchlauf zu veranschaulichen sicherstellen, dass Kalibrator Lösungen für DoA bereit sind, über einen 20-fold linearen Dynamikbereich entspricht 0,25 x 0,5 x 1 X 2,5 X, und 5 x Cut-off-Konzentrationen, mit passenden d-IS und F-Phe/Cl-Tyr als zusätzliche IS in einer synthetischen Urin-Matrix (n = 4).</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>. Products - Vital Statistics Rapid Release - Provisional Drug Overdose Data Available from: <a target="_blank" href="https://www.cdc.gov/nchs/nvss/vsrr/drug-overdose-data.htm">https://www.cdc.gov/nchs/nvss/vsrr/drug-overdose-data.htm</a> (2018)</li><li>Olfson, M., King, M., Schoenbaum, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treatment+of+Young+People+With+Antipsychotic+Medications+in+the+United+States.">Treatment of Young People With Antipsychotic Medications in the United States.</a> JAMA Psychiatry. 72, 867-874 (2015).</li><li>Moeller, K. E., Kissack, J. C., Atayee, R. S., Lee, K. 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Die Autoren offenbaren ein US-Patent (PCT/CA2014/050454) auf MSI-CE-MS als ein Multiplex Screening-Plattform und Daten-Workflow für die chemische Analyse.

Konventionelle chromatographische Trennungen setzen in der Regel auf eine einzelne Probeninjektion pro Lauf, von einen Gradienten Elution gefolgt für die Lösung komplexer Wirkstoff-Mischungen und Spalte Überholung. Diese Anforderungen grundlegend zu begrenzen, Probendurchsatz und Pflicht Zyklus, auch wenn Sie optimale Säulenschaltung Programme verwenden. In diesem Zusammenhang hochvolumigen Urinanalyse Drogen für den Arbeitsplatz, Toxikologie oder therapeutische Überwachungsanwendungen durch GC-MS/MS und in zunehmendem Maße, LC-MS/MS sind somit parallel durchgeführt, sondern bevorzugt als L2- oder bestätigende testen wann notwendig (d.h. juristische oder medizinische Kontext). Dies ist aufgrund der viel höheren Investitionen und Betriebskosten sowie Komplikationen mit Datenanalyse instrumental plattformübergreifend in einem akkreditierten Labor analysierte Proben im Vergleich. Infolgedessen bleiben Immunoassays noch die Hauptmethode zur routinemäßigen Drogentest trotz als anfällig für falsch-positive und falsch-negative unter vielen Substanzklassen mit begrenztem Zugang zu Antikörper Reagenzien für aufstrebende Designer-Drogen. Frühere Studien haben gezeigt, dass gemultiplexten Trennungen basierend auf MSI-CE-MS eine einfache Lösung bieten um den Probendurchsatz bis zu einer Größenordnung zu erhöhen. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz für die Gestaltung der neuen Daten-Workflows für die Entdeckung von Biomarkern mit hoher Wiedergabetreue basierend auf die Umsetzung von effektiven Batch-Korrektur und Qualitätskontrolle12,13,14. Die Einführung von 10 oder mehr serielle hydrodynamischen Injektionen bei MSI-CE-MS verkürzt jedoch die effektive Kapillarlänge verpflichtet, Hocheffizienz Trennungen, die die Selektivität gefährden kann, bei der Analyse von DoA und deren Metaboliten in menschlicher Urin.
Hierin, führten wir eine elektrokinetischen Injektion von der BGE nach jeder hydrodynamischen Probeninjektion so, dass die Trennung die volle Kapillarlänge (120 cm) nutzt, damit die Verbesserung der Auflösung des wichtiges Medikament Isobaren/Isomere bei Verwendung Full-Scan Datenerfassung von TOF-MS (Abbildung 1A). Im Vergleich zu einem jüngsten Bericht14besserer Auflösung erreicht für mehrere wichtige Isobaren/Isomeren DoA und deren Metabolite, die beim screening für großen Drogen-Panele kritisch ist. Zum Beispiel war die Auflösung der mehrere wichtige strukturelle und funktionelle Gruppe Isomere realisiert einschließlich drei analoge opioid Drogen/Metaboliten (Abbildung 1 b), zwei nicht miteinander verwandten opioid Isobaren (Abbildung 1) und zwei Methamphetamin, positionelle Isomere (Abbildung 1). In allen Fällen ist Probe Übertrag von seriellen Injektion von verschiedenen Kalibrator Lösungen innerhalb der gleichen Ausführung nicht signifikant durch eine negative Urin Kontrolle/leere bestätigt. Darüber hinaus verbesserte Auflösung erfolgt auch für mehrere Kreuz-Interferenzen mit bestimmten d-ISs mit Isobaren Drogen innerhalb des Panels, wie Cotinin-d3 und 3,4-Methylenedioxyamphetamine (MDA), EDDP-d3 und Imipramin, Norfentanyl-d5 und Ketamin, Codein-d6 und Sertralin, und Kokain-d3 und Zolpidem. Dieses Ergebnis wird erweitert zu anderen Isobaren Störungen innerhalb des Droge-Panels, die in dieser Studie (z. B.Noroxycodone/Oxymorphone, Normeperidine/Methylphenidat) besser gelöst wurden sowie wichtigen Hintergrund Harn Störungen (z.B. Source -fragment Ionen von Kreatinin mit Amphetamin)14. Zugriff auf zwei orthogonalen Parameter, die vermeintliche Identifizierung von spezifischen DoA zu befriedigen ist entscheidend für die Reduzierung der Fehlalarme durch isobare Störungen, nämlich genaue Masse kombiniert mit Comigration mit d-ISs. Auch die Erkennung von einem oder mehreren biotransformiert Metaboliten der übergeordneten Droge innerhalb derselben Probe, wie hydroxylierten, demethylated oder intakt Glucuronid Droge conjugate(s), fügt weiter Vertrauen in Richtung Droge Identifikation beim Ausbau der Fenster für die Erkennung.
Die empfohlene Cut-off-Ebenen für Urin Drogentest unterschiedlich für verschiedene Klassen von DoA (von 50 bis 1.000 ng/mL) je nach ihrer Pharmakokinetik, Toxizität und Hintergrund Eingriffe, um Methode Voreingenommenheit basierend auf Richtlinien von zu verringern die Substance Abuse and Mental Health Services Administration (SAMHSA)14. Das Potenzial für MSI-CE-MS zur Detektion und Identifizierung von verschiedenen Klassen von DoA direkt im Urin mit minimales Beispiel Vorbehandlung wurde auf eine Gruppe von klinisch depressiven Patienten mit einer bekannten Rezept angewendet. Die endgültige Identifizierung von Methadon (verschrieben), Amphetamin (nonprescribed/illegalen), Venlafaxin (vorgeschrieben) und médicaments (vorgeschriebenen) in verdünnter, doch nonhydrolyzed, Urinproben zeigte sich bei der Verwendung der MSI-CE-MS. Dies beruhte auf einen direkten Vergleich eines Arzneimittels in eine spezielle Injektion Position in Bezug auf die 84-Wirkstoff-Mischung eingeführt in der ersten Probenposition bei den empfohlenen erkannt screening Abkürzungniveau dient als interne Referenz/QC und Positivkontrolle (Abbildung 2). Absolute Droge Quantifizierung ist auch möglich, wenn mit Hilfe externer Kalibrierungskurven (Abbildung 3) basierend auf dem Ion-Antwort-Verhältnis für ein Medikament im Vergleich zu ihren d gemessen-ist. Im Gegensatz zu den meisten chromatographische Trennungen, gibt es keine Auswirkungen auf Migration Zeitunterschiede zwischen einem d Deuterium-Effekt-ist und seine nondeuterated Droge, da sie analoge elektrophoretische Mobilitäten in kostenlose Lösung in CE besitzen. In der Tat ist das Migrationsverhalten von DoA in CE, basierend auf ihrer grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften/chemische Struktur, nämlich molekulare Volumen und effektive Ladung (pKein)14genau modelliert. Da viele Medikamente auch bedeutende Sekundärstoffwechsels vor-Ausscheidung im Urin (z. B.Morphin Glucuronid), Screening-Cut-off, die Ebenen, dass Anpassung unterziehen erfordern wie ihre gemessenen Konzentrationen niedriger als sind erwartet, im Vergleich zu Methoden, die Enzym-Hydrolyse für insgesamt Drogennachweis nutzen. Ein großer Vorteil von "verdünnen-and-Shoot" Urin Drogentest, neben der Verringerung von Kosten/Zeit, Probenbehandlung, und eine mögliche Verzerrung oder Batch Abweichungen aufgrund unvollständiger Enzym Hydrolyse, ist, dass die mutmaßliche Bildschirm-positiven Fällen weiter bestätigt die Erkennung von ein oder mehrere verwandte Droge Metaboliten innerhalb derselben Probe. Dies bietet auch tiefere Einblicke in Droge Pharmakokinetik und optimale Dosierung-Anforderungen für den einzelnen Patienten und verbessert die Erkennung für "schnell" abbauen oder vorgeschriebenen/illegalen Drogen mit kurzen Halbwertszeiten. Darüber hinaus Comigration mit einem passenden d-nutzt spielt zwei wichtige Funktionen für zuverlässige Wirkstoff-screening bei MSI-CE-MS — nämlich, identifiziert es die genaue Probenposition Injektion (d.h. Patienten #) während auch Berichtigung für Unterschiede bei den Ion Antworten/Injektionsvolumina für verbesserte Präzision und Genauigkeit.
Zukunft Arbeit zielt auf die Entwicklung von Individualsoftware Tools zur automatisierten Datenverarbeitung gemultiplexten Trennungen mit HRMS Bedarf für hochvolumige Urin Drogentests mit QC/QA gekoppelt. Strenge Validierung von MSI-CE-MS für das Breitspektrum-Screening von DoA wird auch geprüft werden, unter einer größeren Kohorte von Patienten mit hohem Risiko um verschriebene Medikament festhalten und Potenzial Missbrauch/Substitution Objektiv zu bewerten, die beeinträchtigen könnten Wirksamkeit der Behandlung, Patientensicherheit, und/oder psychiatrische Auswertung/Diagnose. Eine ergänzende Analyse der sauren/anionischen Klassen von DoA und deren Metabolite erfolgt auch durch MSI-CE-MS unter alkalischen Bedingungen mit Negativ-Ionen-Modus Erkennung Bedarf für die umfassende Überprüfung der natürliche/synthetische Cannabinoide. Dies ist wichtig, angesichts der drohenden gesundheitspolitischen Folgen der Legalisierung von Freizeit Marihuana in Kanada und mehreren US-Bundesstaaten. Ein wesentlicher Vorteil des Full-Scan Datenerfassung von TOF-MS ist, dass die Retrospektive Analyse von Proben durchgeführt werden kann, selbst wenn Urinproben nicht mehr für Follow-up-Tests zur Verfügung stehen, während andere Lebensstil oder diätetische Aufnahmen besser beurteilt werden kann differenzierte Antworten auf eine medikamentöse Therapie zu verstehen. Zusammenfassend lässt sich sagen bietet eine schnelle und dennoch präzise Medikament Überwachung Methode von MSI-CE-MS wesentliche Vorteile zu herkömmlichen gezielte Immunoassays sowie direkte Infusion/ambient Ionisierung-MS/MS-Methoden, die anfällig für Interferenzen/Vorspannung beim Lösen von erweiterte Platten von DoA und deren Metaboliten in komplexen biologischen Proben an Mehrkosten.

Eine alarmierende Zunahme der Missbrauch und die Abhängigkeit von Opioiden für das Management von chronischen Schmerzen stellt zunehmende zu einer Bedrohung für die öffentliche Gesundheit, mit mehr als 70.000 Überdosierung Todesfälle in den USA im Jahr 20171geschätzt. Ebenso sind verschiedene andere Psychopharmaka auch weithin für Kinder und junge Erwachsene für die Behandlung von Angst, Depression und psychische Probleme2vorgeschrieben. Infolgedessen ist Urin Drogentests für den Arbeitsplatz und forensische Toxikologie, weit entwickelte Verfahren von entscheidender Bedeutung für die therapeutische Überwachung der verschriebenen Medikamente, die anfällig für Toleranz und Abhängigkeit3,4. Dies ist erforderlich, um Termintreue, optimale therapeutische Wirksamkeit und Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, während enthüllt mögliche Substitution, einschließlich der illegalen oder nonprescribed Drogenmissbrauch. Urin-Drogen-Tests für DoA setzen derzeit, auf einem zweistufigen Ansatz, bestehend aus einer anfänglichen wettbewerbsfähige Immunoassay Bildschirm über Point-of-Care-Geräten oder Labor-Analysatoren, gefolgt von ein Bestätigungstest mit größere Spezifität basierend auf GC-MS/MS und in zunehmendem Maße LC-MS/MS5. Immunoassays sind jedoch anfällig für die Vorspannung, da Antikörper Reagenzien nonspecifically an verschiedenen Substanzklassen zu binden, um ein vermutlicher Bildschirm-positives Ergebnis zu erzeugen, die eine zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung von komplexen Drogen oder spezielle Medikamente verhindert Mischungen-6. In diesem Zusammenhang genauer Urin-Drogen-Tests sind dringend notwendig, angesichts der exorbitanten Kosten für umfassende polyvalenten Bildschirme,7 einschließlich Designerdrogen und synthetischen Urin-Produkte, die konventionelle entziehen gezielt Assays.
Hocheffizienz Trennungen in Verbindung mit hochauflösenden MS (HRMS) mit TOF oder Orbitrap Massen-Analysatoren sind als nontargeted Strategie für Droge-Überwachung in einem Zeitalter der Polypharmazie und Ausbau Platten von DoA8,9 vorgeschlagen worden . Herkömmlichen LC-Trennungen sind jedoch langsam (> 15 min) aufgrund der langen Elution Zeiten für die Auflösung von chemisch unterschiedliche Klassen von DoA und ihre Metaboliten mit Gradienten Elution Programme, die der Probendurchsatz für routinemäßige Drogentest begrenzt. Alternativ, direkte Analysemethoden anhand der Desorption Ionisation (DESI)10 und Laser Diode thermische Desorption (LDTD) ermöglichen schnellere Drogen-screening ohne Trennung11. Allerdings sind diese ambient Ionisation Methoden Isobaren/Isomeren Störungen anfällig bei der Analyse von komplexen Urinproben, erfordern somit unabhängige bestätigenden Tests.
Unser Labor hat vor kurzem eine Multiplex Trennung Plattform um Probendurchsatz bei gleichzeitiger Beibehaltung der Auflösung und Treue einer hocheffizienten Trennung basierend auf MSI-CE-MS12entwickelt. Neuartige Daten-Workflows können in MSI-CE-MS für die nontargeted Metabolit Profilierung (d.h., Metabolomik) Volumen eingeschränkt Bioproben ausgelegt werden, Qualitätskontrolle (QC) für die Batch-Korrektur Bedarf für großflächige Bevölkerung zulassen, daß Studien-13. In diesem Fall werden mit Hilfe eines isokratischen Puffers mit gelösten Ionisation unter Lösungsmittel Steady-State-Bedingungen auftreten, wenn eine konventionelle Mantel flüssigen Schnittstelle, ermöglicht eine serielle Injektionen von 10 oder mehr Proben innerhalb eines einzelnen Trennungen durchgeführt führen Sie für das schnelle noch selektive Screening der verschiedenen Klassen von DoA und ihre Metaboliten14. Der Fokus dieser Studie ist es, weitere validieren MSI-CE-MS für die direkte Analyse von authentischen Urinproben von einer repräsentativen Kohorte von klinisch depressiven Patienten, die mit einer "verdünnen-and-Shoot"-Methode, die die Notwendigkeit einer Enzym Hydrolyse15vermeidet. Darüber hinaus erfolgte die Umsetzung eines elektrokinetischen Abstandhalter zwischen seriellen Probe Steckern in MSI-CE-MS16 weiter verbessern die Auflösung der verschiedenen Drogen Isomere/Isobaren, Hintergrund Harn Störungen und/oder Kreuz-Störungen beim screening großer Platten von DoA. Die absolute Quantifizierung von DoA in Urinproben bei Verwendung von passenden internen Standards deuterierter (d-ist) zeigt sich bei der Verwendung der MSI-CE-MS. Dieser Ansatz erleichtert auch die Droge Identifikation sowie Ableitung der richtige Probenposition des Bildschirm-positiven Fällen im Vergleich zu einer Droge Panel Mischung auf die empfohlene screening Abkürzungniveau, das funktioniert auch als eine interne Referenz/QC innerhalb den gleichen Lauf.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>7100 Capillary Electrophoresis System</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>G7100A</td>
			<td>CE instrument used for separation of drug mixtures, desalting and anotation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6230 Series Time-of-Flight Mass Spectrometer</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>G6230B</td>
			<td>HRMS mass analyzer used for drug detection and anotation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CE-ESI-MS Sprayer Kit</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>G1603A</td>
			<td>CE/MS coaxial sheath liquid interface and capillary casette</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1260 Infinity Isocratic Pump and Degasser</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>G1310B</td>
			<td>Isocratic pump to deliver sheath liquid/mass calibrant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MassHunter Workstation Data Acquisition Software (B.06.01)</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>--</td>
			<td>Software used for control of CE-MS system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MassHunter Qualitative Analysis Software (B.06.01)</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>--</td>
			<td>Software used for processing of CE-MS data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shortix Capillary Cutter</td>
			<td>Agilent Technologies Inc.</td>
			<td>5813-4620</td>
			<td>Cutting tool with diamond blade used to cut capillaries</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capillary Window Maker</td>
			<td>Microsolv Inc.</td>
			<td>07200-S</td>
			<td>Burner with 7 mm window size to remove polyimide coating from CE capillary</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flexible Fused-silica Capillary Tubing</td>
			<td>Polymicro Technologies Inc.</td>
			<td>TSP05375</td>
			<td>Standard polyimide coated fused-silica capillary for CE separation (50 micron ID; 360 micron OD)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drug standards, deuterated internal standards, synthetic urine matrix (SURINE)</td>
			<td>Cerilliant Inc.</td>
			<td>Miscellaneous</td>
			<td>Certified drugs of abuse reference standards (86 drug panel) with 48 deuterated internal standards and negative urine control (Surine)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-throughput and comprehensive drug surveillance using multisegment injection-capillary electrophoresis-mass spectrometry

Neue Analysemethoden sind dringend notwendig, Hochdurchsatz-, aber dennoch umfassende Wirkstoff-Screening, angesichts eine alarmierende Opioid und verschreibungspflichtige Medikament Krise im Gesundheitswesen ermöglichen. Konventionelle Urin Drogentest basiert auf einem zweistufigen Immunoassay-Bildschirm gefolgt von einer Gaschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (GC-MS/MS) oder flüssige Chromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) Methode sind teuer und anfällig für Verzerrungen während limitiert auf gezielte Platten von bekannten Drogen (DoA). Hier beschreiben wir eine verbesserte Methode für Droge-Überwachung, die für die Auflösung und die Erkennung von eine erweiterte Gruppe von DoA und ihre Metaboliten ermöglicht die Verwendung multisegment-Injektion-Kapillar-Elektrophorese-Massenspektrometrie (MSI-CE-MS). Gemultiplext Trennungen von zehn Urinproben mit einer Qualitätskontrolle durch CE (< 3 min/Probe) in Verbindung mit einer Full-Scan Datenerfassung mit einer Time-of-Flight-Massenspektrometer (TOF-MS) unter positiven Ionen-Modus Erkennung die Identifikation ermöglicht und Quantifizierung von DoA oben empfohlenen Cut-off. Eine hervorragende Auflösung der Droge Isomere und Isobaren, einschließlich Hintergrund Interferenzen, erreichen wir bei MSI-CE-MS mit einer elektrokinetischen Abstandhalter zwischen Probe Segmenten, wo genaue Masse/Molekulare Formel zusammen mit der Comigration von einer passende deuterierter interner Standard und den Nachweis einer oder mehr Bio-transformierten Metaboliten ermöglichen eine DoA-Identifikation über ein breiteres Erkennung Fenster. Darüber hinaus können Urinproben direkt ohne Enzym Deconjugation für die schnelle Screening ohne komplizierte Muster Aufarbeitung analysiert werden. MSI-CE-MS ermöglicht die Überwachung eines breiten Spektrums von DoA, die für die Therapieüberwachung von Hochrisiko-Patienten, einschließlich bestätigt die Einhaltung der vorgeschriebenen Droge, enthüllt Gebrauch illegaler Drogen/Substitution und optimale Dosierung Regime Bewertung erforderlich ist Je nach Bedarf für neue Fortschritte in der Präzisionsmedizin.

MSI-CE-MS ermöglicht die serielle Injektion von zehn oder mehr diskreten Proben in einem Durchgang, was erheblich Durchsatz steigert (< 3 min/Probe) ohne komplizierte instrumentale Modifikationen, Säulenschaltung Programme oder kostenintensive Infrastruktur Investitionen (Abbildung 1A). Eine wechselnde Abfolge von hydrodynamischen Injektionen der Probe und elektrokinetischen Distanzstück aus BGE erfolgt innerhalb von eine unveränderte fused-Silica Kapillaren, wo zonale elektrophoretische Trennungen von Ionen unter stark sauren Elektrolyten Bedingungen (pH auftreten 1.8). gelösten Ionisation tritt auch unter Steady-State-Bedingungen. In diesem Fall ist eine koaxiale Scheide Flüssigkeit mit einer Masse Kalibrator für CE-MS unter die positiven Ionen-Modus Erkennung mit minimalen Ion Unterdrückung oder Verstärkung Effekte wie von der Masse Kalibrator Ionen Signal überwacht als Schnittstelle verwendet. TOF ist ein robustes und dennoch kostengünstige HRMS mit eine schnelle Datenerfassung, ideal geeignet für die nontargeted Screening/Medikament Überwachungsanwendungen bei MSI-CE-MS. Beispielsweise wird die beeindruckende Auflösung für verschiedene Isobaren/Isomeren DoA und deren Metabolite, einschließlich strukturelle Isomere von drei opioid strukturelle Isomere, nämlich Norhydrocodone, Hydromorphone und Morphin (Abbildung 1 b) erreicht. In diesem Fall aufgelöst 30 Gipfeln aus 10 unabhängige Stichproben einer Droge-Mischung ohne Probe Übertragung erkannt werden. Eine synthetischer Urin leer/negativ Urin Kontrolle ist ebenfalls enthalten innerhalb der seriellen Injektion-Serie (Stichprobe Position #6). Auch sind zwei andere isobare Opioide, nämlich 6-Acetylmorphine (ein Metabolit von inaktiven Heroin) und Naloxon (ein opioid-Rezeptor-Antagonist für die Notfallbehandlung von opioid Überdosis verwendet) als 20 verschiedene Gipfel mit Full-Scan-Daten Akquisition (vollständig aufgelöst Abbildung 1). Ebenso sind zwei Amphetamin positionellen Isomere vollständig gelöst in MSI-CE-MS illegaler Methamphetamin Missbrauch von den potenziellen Missbrauch von Phentermine, vorgeschriebenen Stimulans zu unterscheiden, die als Appetitzügler für Weight Loss verwendet wird.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58986/58986fig1.jpg"> Abbildung 1: eine Reihe von extrahierten Ion Electropherograms (EIE) für repräsentative DoA-Isomere/Isobaren, die von MSI-CE-MS behoben werden, durch die Analyse von zehn Proben und ein Leerzeichen in einem einzigen Lauf. (A) schematische von MSI-CE-MS, das zeigt die serielle Injektion-Konfiguration für ein 84-DoA-Panel in synthetischer Urin verwendet. Diese gemultiplexten Trennung Methode verwendet eine alternierende Reihe von hydrodynamischen Injektionen von 11 diskrete Proben und Blank mit einer elektrokinetischen Injektion eines Puffers, die zonale elektrophoretische Trennung von Ionen, gefolgt von einem Full-Scan-Daten zu initiieren Übernahme von TOF-MS mit positiven Ionen-Modus Erkennung. (B) drei isobare funktionelle Gruppe opioid Isomere (m/Z 286.1438), getrennt durch CE, bestehend aus 30 gelöst Gipfeln aus 10 diskrete Probe-Injektionen, einschließlich Norhydrocodone, Hydromorphone und Morphin. (C) zwei Isobaren opioid Drogen und deren Stoffwechselprodukte (m/Z 328.1543), getrennt durch CE, bestehend aus 20 gelöst Gipfeln aus 10 diskrete Probe-Injektionen, einschließlich 6-Acetylmorphine (Heroin Metabolit) und Naloxon. (D) zwei Isobaren Funktionsgruppe Amphetamin Isomere, getrennt durch CE, bestehend aus 20 gelöst Gipfeln aus 10 diskrete Probe-Injektionen, einschließlich Methamphetamin und Phentermine. In allen Fällen hatte negative Urin Kontrollen/Rohlinge eingeführt an der sechsten Stelle der Probe in MSI-CE-MS vernachlässigbar Beweise für Probe-Übertragungen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58986/58986fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
DoA auf dem Bildschirm, eine serielle Injektion Konfiguration in MSI-CE-MS verwendet eine 84-Medikament Panel-Mischung auf die empfohlene screening Cut-off-Konzentrationen (als die erste Injektion Position für alle Läufe) gefolgt von einer randomisierten Analyse der 10 repräsentative Urin Proben aus klinisch depressiven Patienten mit anamnestisch bekannten Rezept. Zum Beispiel eine positive Screening Testergebnis für Methadon (m/Z 310.2165) vom Patienten #208 (Abbildung 2A) wird durch eine Erkennung von ein großes Signal Peak (stammend aus Injektion #9), der mit Methadon-d3 mit einem niedrigen comigrates abgeleitet Masse Fehler (< 5 ppm). Keine andere Signale werden in anderen Urinproben innerhalb der gleichen Ausführung erkannt. Methadon-Konzentration 13 x die empfohlene Grenzwert übersteigt, beim Vergleich des gemessenen Ion Antwort Verhältnis in der Probe (Injektion #9) mit der Referenz Droge Mischung/QC (Injektion #1) und durch eine vierfache Urin Verdünnungsfaktor korrigiert. Dieses Ergebnis bestätigt der Patient Einhaltung von Methadon Erhaltungstherapie. Hinweise auf nonprescribed Amphetamin-Aufnahme (Abb. 2 b) zeigt sich durch eine erhöhte Amphetamin (m/Z 136.1121) nachgewiesen wurde, nur bei einem Patienten (Patient #50 Einspritzung #11) innerhalb der MSI-CE-MS-Lauf. Die gemessene Konzentration leicht übertroffen die empfohlenen Cut-off-Ebenen (1.3 X). Das comigrates mit Amphetamin-d5 und hatte einen niedrige Masse Fehler mit einem Top-Rankings Summenformel Spiel. Ein positives Testergebnis für das Antidepressivum Venlafaxin (m/Z 278.2115), ein selektiver Serotonin-Noradrenalin-Reuptake-Hemmer, zeigt sich auch bei Patienten #281 (Injektion #6). In diesem Fall die Konzentration überschreitet die empfohlenen Cut-off-Ebenen (15 X), diese ist gekennzeichnet durch seine genaue Masse - oder molekulare Formel-Match, zusammen mit comigrating Venlafaxin-d6 (Abbildung 2). Das Kriterium ist nicht für einen unbekannten Isobar erfüllt, die auch innerhalb der EIE Spur, dem die Notwendigkeit Vorsicht beim verlassen sich ausschließlich auf seine genaue Masse erkannt wird. Auch eine definitive Erfassung des vorgeschriebenen médicaments, die für die Behandlung des neuropathischen Schmerzes sowie vorgeschrieben ist generalisierte Angst, auch für Patienten #309 gezeigt ist, basierend auf seiner grob erhöhter Konzentration (64 X) oberhalb der empfohlenen Cut-off-Ebenen (Abb. 2D). Es ist, jedoch nicht in den neun anderen erkannt Patienten Urinproben analysiert innerhalb derselben ausgeführt. Ähnlich wie bei den anderen Bildschirm-positiven Fällen, Injektion #4, comigrates mit médicaments-d6, das in allen Urinproben von MSI-CE-MS analysiert enthalten ist.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58986/58986fig2.jpg"> Abbildung 2: eine Reihe von extrahierten Ion Electropherograms (EIE) für repräsentative Bildschirm-positiven Urin Medikament Testergebnisse aus einer Kohorte von 10 klinisch depressiven Patienten als bestätigt, wenn MSI-CE-MS, umfasst eine 84-Droge-Panel auf die Verwendung empfohlen Abkürzungniveau, als die ersten Probenort Injektion dient als interne Referenz/QC injiziert. (A) EIE überlagern entsprechend Methadon-d3, die mit Methadon comigrates, Hervorhebung, dass nur eine Urinprobe (Injektion Position #9) hat Methadon-Konzentrationen, die weit über die Abkürzungniveau erhoben. (B) EIE überlagern Amphetamin-d3, die comigrates mit Amphetamin, entsprechend hervorheben, dass nur eine Urinprobe (Injektion Position #11) hat erhöhten Konzentrationen über dem Cut-off-Niveau. (C) EIE überlagern entsprechend Venlafaxin-d6 mit Venlafaxin comigrates, Hervorhebung, dass nur eine Urinprobe (Injektion Platz #6) hat erhöhten Konzentrationen über dem Cut-off-Niveau. (D) EIE überlagern entsprechend médicaments-d6 mit médicaments comigrates, Hervorhebung, dass nur eine Urinprobe (Injektion Position #4) hat grob erhöhten Konzentrationen von mehr als Cut-off-Ebenen. Alle Urinproben wurden analysiert, direkt nach einer fünffachen Verdünnung in entionisiertem Wasser zusammen mit dem Zusatz von einem passenden d-ist (wenn vorhanden). Ein Bildschirm-positives Ergebnis im MSI-CE-MS entspricht ein Medikament, das mit d-ISs mit einem geringen Masse Fehler comigrates (< 5 ppm) und die korrekte Summenformel, deren Konzentration überschreitet die Cut-off, die innerhalb der gleichen Flucht als interne Referenz/QC analysiert wird. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58986/58986fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Die absolute Quantifizierung von DoA und ihre Metaboliten erfolgt auch durch MSI-CE-MS basierend auf externen Kalibrierkurven mit Kalibrator Referenzstandards für DoA, die schnell in einem Durchlauf erfasst werden. Zum Beispiel die serielle Verdünnung eine 84-Medikament Kalibrator Mischung zusammen mit einem passenden d-ist bei eine feste Konzentration bietet eine zuverlässige Quantitative Analyse in komplexen Urinproben. Dies entschädigt für den potenziellen Matrix-induzierte Ion Unterdrückung oder Verbesserung, sondern auch für Variationen in das Injektionsvolumen in der Kapillare zwischen den beiden Stichproben. In Fällen wenn eine passende d-IS kommerziell nicht verfügbar oder für bestimmte DoA kostspielig ist ein Surrogat ist dient zur Datennormalisierung, wie z. B. eine d-IS von innerhalb derselben Medikament oder eine synthetische Verbindung nicht gefunden im Urin (F-Phe), wie zuvor gezeigt 14. Vertreter EIEs und externe Kalibrierkurven für Oxycodon sind in Abbildung 3A, Bdargestellt. und für Citalopram in Abbildung 3, D. Diese sind häufig Schmerzmittel und Antidepressiva, bzw. mit Missbrauchspotential verschrieben. Relative Ion Antwort Verhältnisse zu ihrer passenden d-wird gemessen. In diesem Fall eine serielle Injektion Konfiguration in MSI-CE-MS, bestehend aus fünf verschiedenen Droge Kalibrierstandards werden analysiert, in zweifacher Ausfertigung in einem Arbeitsgang zusammen mit einem synthetischen Urin leer. Insgesamt, gute Linearität (R2 > 0.990) über eine 20-fold Konzentration wurde erreicht mit ausreichende Sensitivität für den Nachweis der Mehrheit der DoA und deren Stoffwechselprodukte (z.B. kationische Alkaloide) innerhalb des Panels 84-Medikament 14. in allen Fällen Droge Metaboliten erkannt werden, da ihre protonierten molekulare Ionen [MH+] über ihre Screening-Cut-off beschränkt (> 50 ng/mL), mit Ausnahme bestimmter sauer/Neutral Medikamente, die eine schlechte Ionisation Effizienz unter den positive Ionen-Modus, wie Cannabinoide (z.B.THC-COOH), Barbiturate (z.B.Secobarbital) und Carbamate (z. B.Carisoprodol).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58986/58986fig3.jpg"> Abbildung 3: eine Reihe von extrahierten Ion Electropherograms (EIE) für die Quantifizierung der Vertreter DoA. Dies geschieht durch die Generierung von externen Kalibrierkurven basierend auf ihre relative Ion-Antwort-Verhältnis mit einer passenden d-ist über einen 20-fold linearen Dynamikbereich. (A) Injektion einer fünf-Punkt-Kalibrierung-Kurve für Oxycodon Kalibrierstandards zusammen mit Oxycodon-d3 und eine leere zu duplizieren. (B) externe Eichkurve für Oxycodon, lineare Regression Empfindlichkeit (Steigung) und Linearität (R2), zur Ableitung mit Fehlerbalken vertreten ±1σ nach (n = 4). (C) Injektion einer fünf-Punkt-Kalibrierung-Kurve für Citalopram Kalibrierstandards, zusammen mit Citalopram-d6 und ein leeres Feld zu duplizieren. (D) externe Eichkurve für Citalopram, lineare Regression Empfindlichkeit (Steigung) und Linearität (R2), zur Ableitung mit Fehler nach bars vertreten ±1 SD (n = 4). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58986/58986fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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

Hier beschreiben wir eine Hochdurchsatz-Verfahren zur umfassenden Droge-Überwachung, die für die verbesserte Auflösung und Erkennung von großen Platten von Medikamenten, Missbrauch und deren Metabolite mit Qualitätskontrolle auf multisegment-Injektion-Kapillare ermöglicht Elektrophorese-Massenspektrometrie.

High-Throughput und umfassende Droge-Überwachung mittels Massenspektrometrie Multisegment-Injektion-Kapillar-Elektrophorese

New analytical methods are urgently needed to enable high-throughput, yet comprehensive drug screening, given an alarming opioid and prescription drug ...

Aktuelle Strategien für ein Urin-Drogen-Screening sind teuer für die routinemäßige Analyse von immer größeren Panels von Missbrauchsmedikamenten durchzuführen, wie es für Arbeitsplatztests erforderlich ist, sowie für therapeutische Drogenüberwachungsanwendungen. Darüber hinaus sind Methoden, die auf Amino-Assays basieren, anfällig für Verzerrungen und sind letztlich auf die Zielanalyse bekannter Arzneimittelpanels beschränkt. Der Hauptvorteil unserer Methode, die als MSI-CE-MS bezeichnet wird, ist, dass sie das schnelle Screening eines unbegrenzten Medikamentenpanels und ihrer Metaboliten mit hoher Genauigkeit und minimalem Probenaufbau ermöglicht.Es besteht ein dringender Bedarf an einem hohen Durchsatz und erschwinglichen Screening-Methode, um die Patientenergebnisse zu verbessern, indem die Einhaltung bestätigt und die Dosierungssysteme für Medikamente optimiert werden, während illegaler Drogenkonsum aufgedeckt wird. Diese Multiplex-Trennplattform kann auf eine Vielzahl anderer Forschungsbereiche angewendet werden, die sich auf gezielte oder nicht zielgerichtete Metabolitenprofile in komplexen biologischen Proben beziehen. Beginnen Sie mit dem Auftauen de-identifizierten morgendlichen Urinproben von Patienten mit einem bekannten verschreibungspflichtigen Medikament Geschichte für minus 80 Grad Celsius Lagerung auf Eis und Wirbel nusdien die aufgetauten Proben für 30 Sekunden.Als nächstes die Proben durch Zentrifugation zu sedimentieren und drei 10 Mikroliter Aliquots jeder Probe mit 10 Mikroliteren deuterated internal standards, fünf Mikroliter eines 4-Fluor-L-Phenylalanins und 3-Chlor-L-Tyrosin-Lösung und 25 Mikroliter entionisiertes Wasser zu kombinieren. Zentrifugieren Sie dann die Mischungen für eine Minute und übertragen Sie 20 Mikroliter jeder Probe in einzelne Polypropylen-Fläschchen. Um die unbeschichteten Kopillarkonditionierungsparameter für geschmolzene Kieselsäure-Kapillare einzustellen, schneiden Sie eine 135 Zentimeter lange, 50 Mikrometer Innendurchmesser und 360 Mikrometer Außendurchmesser Kapillare aus einer Spule.Verwenden Sie einen Kapillarfenstermacher, um etwa 7 Millimeter Polyamidbeschichtung von beiden Enden jeder Kapillare zu entfernen. Als nächstes installieren Sie die Kapillareinlässe in die Kapillarelektrophorese oder CE-Patrone, indem Sie jede Kapillare für zwei 360-Grad-Drehungen schleifen und dabei darauf achten, etwa zwei Millimeter der Kapillarauslässe aus der CE-Sprühnadel herauszuragen. Wenn alle Kapillaren installiert sind, laden Sie die CE-Patrone vorsichtig in das CE-System und lagern Sie den CE-Sprüher aus der Ionenquelle.Legen Sie die Flüssigkeitschromatographie oder LC-Sprüher in die Ionenquelle und wählen Sie Bündig in der Systemsoftware aus, um die Kapillarkonditionierung einzurichten. Stellen Sie die Dauer von Methanol, einem mollaren Natriumhydroxid, entionisiertem Wasser und Hintergrundelektrolytspülung auf 30 Minuten pro Spülung ein und legen Sie die isotrattische Pumpe während der kapillaren Konditionierungsphase in den Standby-Zustand. Reinigen Sie nach der letzten Spülung das Kapillarelektrophorese-Massenspektrometer oder CE-MS-Sprühgerät und die CE-Elektrode mit methanolgetränkten Tüchern.Reinigen Sie die CE-MS-Schnittstelle mit einer Eins-zu-Eins-Isopropanol-Wasserlösung, um Restsalzablagerungen zu entfernen. Ersetzen Sie den LC-Sprüher durch den gereinigten CE-MS-Sprüher und eine neu konditionierte Kapillare in die koaxiale Mantelflüssigkeitsschnittstelle. Schalten Sie dann die isotratische Pumpe ein und wenden Sie eine Spannung von 30 Kilovolt für 15 Minuten an, um sicherzustellen, dass vor der Urinanalyse ein stabiles CE-Stromprofil erreicht wird.Wählen Sie in der Systemsoftware die Vorbedingung aus, stellen Sie die Leerung auf 600 Sekunden ein, und geben Sie eine Position der Hintergrundelektrolytdatei an. Stellen Sie die Injektion ein, um die Proben fünf Sekunden lang hydrodynamisch auf 100 Millibar zu injizieren und die Elektrolyt-Abstandshalter im Hintergrund für 75 Sekunden mit 30 Kilovolt elektrokinetisch zu injizieren. Stellen Sie die angelegte Spannung auf 30 Kilovolt, die Patronentemperatur auf 25 Grad Celsius und die Gesamtlaufzeit auf 40 Minuten ein.Wenden Sie dann nach dem Zeitplan während der Trennung einen Druckgradienten von zwei Millibar pro Minute von null bis 40 Minuten an. Wenn die Probenaufnahme abgeschlossen ist, spülen Sie die Kapillare mit 50 Millibar Druck mit den Hintergrundelektrolyten über Nacht, während sich die Kapillare im CE-Sprühgerät in der Ionenquelle befindet. Legen Sie die TOF-MS-Positivionenerkennung so fest, dass sie ein Massen-Zu-Lade-Verhältnis von 50 bis 1 700 mit einer Datenerfassungsrate von 500 Millisekunden pro Spektrum umfasst, und bestätigen Sie, dass sowohl das Profil als auch die Schwerpunktdaten im D-Dateiformat gespeichert sind.Stellen Sie die Elektrospray-Ionisationsbedingungen auf Kapillare und Düsenspannungen von jeweils 2000 Volt, das Verneblergas auf 10 Pfund pro Quadratzoll und die Trocknungsgaszufuhr auf acht Liter pro Minute bei 300 Grad Celsius bei einem Mantelgasstrom von 3,5 Litern pro Minute bei 195 Grad Celsius während der Erfassung. Stellen Sie dann die MS-Spannungseinstellungen des Fragmenters, Skimmers und Octapols eine Hochfrequenz auf 120, 65 und 750 Volt, und legen Sie die Gerätesteuerungs- und Datenerfassungsparameter entsprechend dem Design des Experiments fest. Öffnen Sie zur Datenanalyse die multisegmentierenden CE-MS-Daten in der Systemsoftware.Legen Sie unter Chromatogramme die Extraktionsdaten und die Chromatogramm- und Massenspektraldatenformate in den Profilmodus. Wählen Sie unter Glättung quadratischekubische Savitzky-Golay aus und stellen Sie die Funktionsbreite auf 15 Punkte ein. Klicken Sie dann auf MS integrieren, und legen Sie den Integrator auf agil fest.Legen Sie unter Spitzenfiltern die maximale Anzahl von Spitzen auf 11 fest. Klicken Sie in der Ansicht auf Integrationsspitzenliste, und wählen Sie Spitzenzahl, Aufbewahrungszeit, Spitzenfläche, Spitzenhöhe und Signal-Rausch-Verhältnis aus. Speichern Sie dann die Parameter unter einem eindeutigen Methodennamen, und wenden Sie die Methode für die Interpretation jedes Datensatzes auf den Prozess an.In dieser repräsentativen Analyse verschiedener isobareric isomerischer Missbrauchsmedikamente und ihrer Metaboliten wurden 30 gelöste Spitzen aus 10 unabhängigen Proben einer Arzneimittelmischung ohne Probenübertragung nachgewiesen. Zwei weitere isobarische Opioide könnten als 20 verschiedene Spitzen mit der vollständigen Scan-Datenerfassung vollständig aufgelöst werden. In ähnlicher Weise wurden zwei Amphetamin-Positions-Isomere in dieser multisegmentierten CE-MS-Analyse vollständig gelöst, um illegalen Methamphetamin-Missbrauch vom potenziellen Missbrauch von Phentermine zu unterscheiden, einem vorgeschriebenen Stimulans, das als Appetitzügler zur Gewichtsabnahme verwendet wird.In dieser repräsentativen Arzneimittel-Screening-Analyse wurde ein positives Screening-Testergebnis für Methadon durch den Nachweis eines großen Signalspitzen abgeleitet, der mit dem Methadon-d3-Peak mit einem geringen Massenfehler kodukiert. In anderen Urinproben innerhalb desselben Laufs wurden keine anderen Signale nachgewiesen, und die nachgewiesene Methadonkonzentration überstieg das 13-fache des empfohlenen Grenzwerts im Vergleich zu dem gemessenen Ionenansprechverhältnis in der Probe und wurde durch einen vierfachen Urinverdünnungsfaktor korrigiert, was die Einhaltung der Methadon-Erhaltungstherapie durch die Patienten bestätigte. Hierbei wurde eine serielle Injektionskonfiguration in Multisegment CE-MS, bestehend aus fünf verschiedenen Wirkstoffkalibrazianten, in einem einzigen Durchlauf zusammen mit dem synthetischen Urinrohling doppelt analysiert.Die Wirkstoffmetaboliten wurden als ihre potenierten molekularen Ionen über ihre Screening-Grenzwerte nachgewiesen. Nach diesem Verfahren kann eine große Anzahl von polaren und ionischen Metaboliten im Urin auch von MSI CMS zur Unterstützung der auf Entdeckungen basierenden Stoffwechselforschung analysiert werden. Darüber hinaus kann eine umfassende Überwachung einer breiten Palette von exogenen Drogen und deren Metaboliten erreicht werden, einschließlich nicht verordneter Medikamente und illegaler Drogen, die anfällig für Missbrauch sind.Diese optimierte Methode kann auch verwendet werden, um routinemäßig andere Drogen des Missbrauchs zu überprüfen. Dies können Cannabis- oder Alkoholmetaboliten sein und unsere Methode kann auch zwischen einer synthetischen oder gefälschten Urinmatrix und einer natürlichen, echten, authentisch gespendeten Urinprobe unterscheiden. Denken Sie daran, bei der Arbeit mit biologischen Flüssigkeiten immer Vorsicht walten zu lassen.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Rapid High Throughput Amylose Determination in Freeze Dried Potato Tuber Samples

Schnelle High Throughput Amylose Bestimmung in Gefriergetrocknete Potato Tuber Proben

This protocol describes a high through put colorimetric method that relies on the formation of a complex between iodine and chains of glucose molecules in ...

Forschung

Chemie

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Analyse von Proteindynamik mit Wasserstoffwechsel Massenspektrometrie

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique ...

A High-throughput-compatible FRET-based Platform for Identification and Characterization of Botulinum Neurotoxin Light Chain Modulators

Botulinum neurotoxin (BoNT) is a potent and potentially lethal bacterial toxin that binds to host motor neurons, is internalized into the cell, and ...

Improved In-gel Reductive &#946;-Elimination for Comprehensive O-linked and Sulfo-glycomics by Mass Spectrometry

Improved In-gel Reductive ÃƒÅ½Ã‚Â²-Elimination for Comprehensive O-linked and Sulfo-glycomics by Mass Spectrometry

Verbesserte In-Gel-reduktive β-Elimination für umfassende O-gebundene und Sulfo-Glykomik durch Massenspektrometrie

Separation of proteins by SDS-PAGE followed by in-gel proteolytic digestion of resolved protein bands has produced high-resolution proteomic analysis of ...

Analysis of Volatile and Oxidation Sensitive Compounds Using a Cold Inlet System and Electron Impact Mass Spectrometry

Analyse flüchtiger und oxidationsempfindlichen Verbindungen mit einem kalten Einlasssystem und Elektronenstoß-Massenspektrometrie

This video presents a protocol for the mass spectrometrical analysis of volatile and oxidation sensitive compounds using electron impact ionization. The ...

Deacetylation Assays to Unravel the Interplay between Sirtuins (SIRT2) and Specific Protein-substrates

Deacetylation Assays to Unravel the Interplay between Sirtuins SIRT2 and Specific Protein-substrates

Deacetylierung Assays zu entwirren, das Zusammenspiel zwischen Sirtuine (SIRT2) und spezifische Protein-Substrate

Acetylation has emerged as an important post-translational modification (PTM) regulating a plethora of cellular processes and functions. This is further ...

Rapid High-throughput Species Identification of Botanical Material Using Direct Analysis in Real Time High Resolution Mass Spectrometry

Schnelle Hochdurchsatz-Spezies Identifizierung von Pflanzen von Material mit Direktanalyse in Echtzeit hochauflösender Massenspektrometrie

We demonstrate that direct analysis in real time-high resolution mass spectrometry can be used to produce mass spectral profiles of botanical material, ...