Mass spectrometry and n-in-one analytics in early drug discovery: Combinatorial chemistry libraries, lipophilicity and absorption screening

This thesis describes current and past n-in-one methods and presents three early experimental studies using mass spectrometry and the triple quadrupole instrument on the application of n-in-one in drug discovery. N-in-one strategy pools and mix samples in drug discovery prior to measurement or analysis. This allows the most promising compounds to be rapidly identified and then analysed. Nowadays properties of drugs are characterised earlier and in parallel with pharmacological efficacy. Studies presented here use in vitro methods as caco-2 cells and immobilized artificial membrane chromatography for drug absorption and lipophilicity measurements. The high sensitivity and selectivity of liquid chromatography mass spectrometry are especially important for new analytical methods using n-in-one. In the first study, the fragmentation patterns of ten nitrophenoxy benzoate compounds, serial homology, were characterised and the presence of the compounds was determined in a combinatorial library. The influence of one or two nitro substituents and the alkyl chain length of methyl to pentyl on collision-induced fragmentation was studied, and interesting structurefragmentation relationships were detected. Two nitro group compounds increased fragmentation compared to one nitro group, whereas less fragmentation was noted in molecules with a longer alkyl chain. The most abundant product ions were nitrophenoxy ions, which were also tested in the precursor ion screening of the combinatorial library. In the second study, the immobilized artificial membrane chromatographic method was transferred from ultraviolet detection to mass spectrometric analysis and a new method was developed. Mass spectra were scanned and the chromatographic retention of compounds was analysed using extract ion chromatograms. When changing detectors and buffers and including n-in-one in the method, the results showed good correlation. Finally, the results demonstrated that mass spectrometric detection with gradient elution can provide a rapid and convenient n-in-one method for ranking the lipophilic properties of several structurally diverse compounds simultaneously. In the final study, a new method was developed for caco-2 samples. Compounds were separated by liquid chromatography and quantified by selected reaction monitoring using mass spectrometry. This method was used for caco-2 samples, where absorption of ten chemically and physiologically different compounds was screened using both single and nin- one approaches. These three studies used mass spectrometry for compound identification, method transfer and quantitation in the area of mixture analysis. Different mass spectrometric scanning modes for the triple quadrupole instrument were used in each method. Early drug discovery with n-in-one is area where mass spectrometric analysis, its possibilities and proper use, is especially important.

Tämä tutkielma kertoo vanhoista sekä uusista seosanalytiikan muodoista lääkkeen keksimisessä ja kehittämisessä sekä esittelee kolme varhaista kokeellista tutkimusta käyttäen kolmoiskvadrupoli massa spektrometri -laitteistoa. Lääkekehityksen seosanalytiikka, n-in-one, yhdistää tutkittavia kemikaaleja ja niiden näytteitä sekä ennen kokeellista määritystä että analysointia, ja siten mahdollistaa uusien yhdisteiden löytämisen ja tunnistamisen nopeasti. Aikaisessa vaiheessa, samanaikaisesti farmakologisten vaikutusten seulonnan kanssa, määritetään myös yhdisteiden ominaisuuksia. Työssä esitetyt in vitro menetelmät, kuten caco-2 solut ja kromatografiset lipidikalvot, mallintavat lääkeaineiden imeytymistä ja lipofiilisyyttä. Nestekromatografia massa spektrometria on herkkä ja erittäin erottelukykyinen tekniikka ja siksi se on erityisen tärkeä uusissa seosanalytiikan menetelmissä. Ensimmäisessä työssä tutkittiin kymmenen nitrofenoksibentsoaatti -rakenteisen molekyylin massaspektrometrinen hajoaminen. Tämä homologisarja myös yhdistettiin ja määritettiin kuin kombinatorinen kirjasto. Nitro ja di-nitro substituointi sekä molekyylien eripituiset alkyyliketjut aiheuttivat massaspektrometrisesti mielenkiintoisia rakenne/hajoaminen -suhteita. Kaksi nitro-ryhmää lisäsi hajoamista verrattuna yhteen, kun taas pidemmillä alkyyliketjuilla oli rakennetta stabiloiva vaikutus. Nitrofenoksi-ioni oli vallitsevin hajoamistuote, ja tätä hyödynnettiin myös kombinatorisen kirjaston seulonnassa. Seuraavassa työssä kehitettiin uusi menetelmä kromatografiselle lipidikalvolle, IAM – kolonnille, jossa vanhan menetelmän ultravioletti detektori vaihdettiin massa spektrometriksi. Yhdisteiden retentioajat määritettiin skannaamalla massaspektrejä ja suodattamalla spektreistä ionikromatogrammit. Tulokset osoittivat hyvää korrelaatiota vanhan menetelmän tuloksiin, vaikka menetelmässä vaihdettiin detektoria, puskuria ja lisättiin mahdollisuus seosanalytiikkaan. Lisäksi työssä esiteltiin nopea n-in-one menetelmä erilaisten yhdisteiden samanaikaiseen lipofiilisyyden luokitteluun käyttäen massaspektrometriä sekä gradienttia. Viimeisessä tutkimuksessa kehitettiin uusi menetelmä caco-2 näytteille. Yhdisteet erotettiin nestekromatografisesti ja pitoisuudet määritettiin massaspektrometrisesti valittujen reaktioiden avulla. Tätä menetelmää käytettiin caco-2 näytteille, jossa kymmenen kemiallisesti ja fysiologisesti erilaisen yhdisteen imeytyminen tutkittiin yksittäin sekä käyttäen seosanalyysejä. Nämä kolme tutkimusta käyttivät massaspektrometriaa ja seosanalytiikkaa yhdisteiden tunnistamisessa, menetelmän siirrossa sekä pitoisuuden määrityksessä. Jokaisessa tutkimuksessa käytettiin kolmoiskvadrupoli massaspektrometrin eri määritystapoja. Massaspektrometrisen analytiikan mahdollisuudet ja oikeanlainen käyttö ovat erityisen tärkeitä kun määritetään seoksia lääkkeen keksimisen varhaisessa vaiheessa.

Farmaseuttisen kemian osasto, farmaseuttinen kemia