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ICP-MS在药物分析中的挑战

嘉峪检测网        2021-12-06 22:46

01药品中闪烁的金属光芒

 

根据美国FDA的数据,目前市场上销售的药物有超过20000种,其中约300种为新兴的生物制剂,其余绝大多数是小分子有机化合物。小分子药物大多由碳、氢、氧和氮四种元素组成,但也有一些药物的结构中含有硫或卤素,此外也有少数药物包含铂、铁等金属元素。甚至还有药物本身即是无机盐。

 

一个比较典型的例子是碳酸锂(Li2CO3)。双相情感障碍(Bipolar Disorder,BD)是既有躁狂又有抑郁发作的一类心境障碍。与每个人都会经历的情绪波动起伏不同,双相情感障碍患者的情绪波动会更大,往往严重影响日常生活。据世界卫生组织统计,全球双相情感障碍的平均发病率为2%-3%。在中国,双相障碍患者占各类精神障碍患者总数的1%-1.5%。目前对于该疾病躁狂发作的心境稳定药物,临床首选是碳酸锂,治疗效果很好。但由于其治疗浓度和中毒浓度很接近,且个体差异大,使用时剂量控制要拥有丰富的治疗经验。[1-2]

 

除碳酸锂之外,其他以金属元素广为人知的药物还有治疗乳腺肿瘤的铂系(Pt)抗肿瘤药(顺铂、奥沙利铂等)。[3]

 

相比于常规的小分子有机药物,这些含有金属元素的药物在进行定量分析时,除了紫外光谱法、荧光光谱法和常规的液相色谱-质谱联用之外,还应该考虑使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)。

 

ICP-MS在药物分析中的挑战

 

ICP-MS的适用范围[6]

 

02ICP-MS的原理

 

自从1980年代初发表第一篇里程碑式的论文后,很快相应的商品化ICP-MS仪器就投入了市场。四十年来,随着ICP-MS技术的发展,它的应用范围逐渐拓展,使用经验也不断积累,已经成为一种成熟可靠的定量分析手段。[4-5]

 

ICP-MS的关键部件是一组安装在高频感应线圈中央的炬管,当矩管中部通入工作气体时,线圈接入电源,“引燃”工作气,就可以将工作气电离形成等离子体。此时若有待测样品经过等离子体,就会带上电荷,随后被质量检测器捕获。与更为常见的有机质谱不同,ICP-MS的电离过程能量非常高,分析物无法保持完整的分子结构,最终形成的并不是分子离子,而是单个原子的离子。因此,ICP-MS特别适合于特征性金属元素的定性和定量分析。[4-5]

 

ICP-MS在药物分析中的挑战

 

典型的ICP线圈。

 

图中为钇溶液经过等离子体,被离子化[7]

 

ICP-MS的原理与ICP-OES并不相同。尽管都使用ICP对金属元素进行处理,但OES检测的是元素被高能激发后发射的光谱,根据不同金属激发光谱的波长来做区分。由于光谱和质谱自身灵敏度的差异,通常而言,可以认为ICP-MS的检测灵敏度比ICP-OES高1000倍。

 

03ICP-MS的应用领域

 

传统上ICP-MS应用最深入的是环境科学、地球科学、无机金属材料学等等,而药物研发工作者也将ICP-MS应用到生物分析研究领域中。从作为营养学和毒理学的研究手段,进入药物学家的视野,就迸发出了独特的光彩,在生物和医学方面就成为了ICP-MS广泛应用的舞台。

 

除了前面所提到的含有金属元素的药物的生物分析,用以评估药代动力学和安全性,ICP-MS的生物分析还可以用于支持以下研究:

 

毒理学检测

 

例如血液中砷(As),镉(Cd)和铅(Pb)等重金属元素的定量分析,可以判断一个人是否曾经受到某种污染的侵害;

 

营养学分析

 

例如用于检测人体内铁(Fe),铜(Cu)和锌(Zn)等微量元素的含量是否正常;

 

安全性评估

 

例如监测肾透析治疗的病人体内的铝(Al),或者核磁共振检查(MRI)的显影剂钆(Gd)是否在患者体内残留。[4-5]

 

ICP-MS在药物分析中的挑战

 

ICP-MS检测生物样品的应用领域[6]

 

04ICP-MS在生物分析中的挑战

 

尽管ICP-MS具有优越而独特的性能,以及许多亮眼的表现,但还是有一些因素制约了它在生物分析行业的普及。

 

首先是ICP-MS的生物样品处理条件与常见的LC-MS/MS法迥然不同。使用以ESI/APCI为离子源的有机质谱时,一般来说会选择尽可能“轻柔”的方式来处理生物样品,以免破坏有机物的分子结构。然而ICP-MS的样品处理策略却与此不同,它要求将生物样品“挫骨扬灰”,往往需要使用高浓度的酸(如,硝酸),将样品彻底消解。这需要根据生物样品的基质特性和分析要求,由有经验的方法开发者针对性的设计样品处理条件。

 

其次,对于需要进行痕量金属元素检测的研究,实验室环境和实验耗材的要求极高。由于环境背景中本来就存在微量的金属元素,容易对分析过程造成干扰,形成假阳性的结果。因此,进行痕量金属元素检测的ICP-MS必须要设置在配套的超净实验室。采集生物样品所使用的耗材也要经过预先处理,以排除偶然沾染的金属元素,影响分析结果。而涉及新药申报的临床前/临床研究,法规对数据规范性和可追溯性的要求非常严格。中国能够在GLP体系下运行ICP-MS分析平台的检测机构不多。

 

BAS的经验和优势

 

药明康德生物分析部(BAS)成立于2005年,在生物样品分析领域积累了非常丰富的经验;依托药明康德一体化药物研究平台,早在2013年,BAS就在中国完成了符合GLP规范的ICP-MS生物样品分析项目。

 

近年来,BAS不断使用ICP-MS技术,为全球客户提供临床前/临床样品分析服务,并于2017年获得了Cerium Oxide分析的技术专利。

 

ICP-MS在药物分析中的挑战

 

#对于血浆中铂的检测,BAS可以分别测定游离铂和总铂。

 

*BAS具有的发明专利(ZL201710794888.4)

 

 

BAS拥有ICP-MS分析平台,一直提供高质量的服务以满足全球药物研发的需求,为临床前/临床,毒理学、药代动力学等研究提供生物样品分析支持。

 

Reference:

 

[1] Adam J. Smith, et al., Plasma and brain pharmacokinetics of previously unexplored lithium salts, RCS Advances, 2014

[2] Elisa C. Santa Cruz, et al., Association between trace elements in serum from bipolar disorder and schizophrenia patients considering treatment effects, Journal Pre-proof, 2020

[3] Nico Laur, et al., ICP-MS trace element analysis in serum and whole blood, PLOS ONE, 2020

[4] 刘虎生等,电感耦合等离子体质谱技术与应用,化学工业出版社,北京:2005年

[5] Roobert Thomase著,李金英等译,ICP-MS实践指南,原子能出版社,北京:2007年

[6] Daniel PrÖfrock, et al., Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry (ICP-MS) for Quantitative Analysis in Environmental and Life Sciences: A Review of Challenges, Solutions, and Trends, Applied Spectroscopy, 2012

[7] Sina Alavi, et al, Conical Torch: The Next-Generation Inductively Coupled Plasma Source for Spectrochemical Analysis, Analytical Chemistry, 2017

 
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