The analysis and detection of new psychoactive substances in biological matrices

New psychoactive substances (NPSs) have appeared on the recreational drug market at an unprecedented rate in recent years. Many are not new drugs but failed products of the pharmaceutical industry. The speed and variety of drugs entering the market poses a new complex challenge for the forensic toxicology community. The detection of these substances in biological matrices can be difficult as the exact compounds of interest may not be known. Many NPS are sold under the same brand name and therefore users themselves may not know what substances they have ingested. The majority of analytical methods for the detection of NPSs tend to focus on a specific class of compounds rather than a wide variety. In response to this, a robust and sensitive method was developed for the analysis of various NPS by solid phase extraction (SPE) with gas chromatography mass spectrometry (GCMS). Sample preparation and derivatisation were optimised testing a range of SPE cartridges and derivatising agents, as well as derivatisation incubation time and temperature. The final gas chromatography mass spectrometry method was validated in accordance with SWGTOX 2013 guidelines over a wide concentration range for both blood and urine for 23 and 25 analytes respectively. This included the validation of 8 NBOMe compounds in blood and 10 NBOMe compounds in urine. This GC-MS method was then applied to 8 authentic samples with concentrations compared to those originally identified by NMS laboratories. The rapid influx of NPSs has resulted in the re-analysis of samples and thus, the stability of these substances is crucial information. The stability of mephedrone was investigated, examining the effect that storage temperatures and preservatives had on analyte stability daily for 1 week and then weekly for 10 weeks. Several laboratories identified NPSs use through the cross-reactivity of these substances with existing screening protocols such as ELISA. The application of Immunalysis ketamine, methamphetamine and amphetamine ELISA kits for the detection of NPS was evaluated. The aim of this work was to determine if any cross-reactivity from NPS substances was observed, and to determine whether these existing kits would identify NPS use within biological samples. The cross- reactivity of methoxetamine, 3-MeO-PCE and 3-MeO-PCP for different commercially point of care test (POCT) was also assessed for urine. One of the newest groups of compounds to appear on the NPS market is the NBOMe series. These drugs pose a serious threat to public health due to their high potency, with fatalities already reported in the literature. These compounds are falsely marketed as LSD which increases the chance of adverse effects due to the potency differences between these 2 substances. A liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method was validated in accordance with SWGTOX 2013 guidelines for the detection for 25B, 25C and 25I-NBOMe in urine and hair. Long-Evans rats were administered 25B-, 25C- and 25I-NBOMe at doses ranging from 30-300 µg/kg over a period of 10 days. Tail flick tests were then carried out on the rats in order to determine whether any analgesic effects were observed as a result of dosing. Rats were also shaved prior to their first dose and reshaved after the 10-day period. Hair was separated by colour (black and white) and analysed using the validated LC-MS/MS method, assessing the impact hair colour has on the incorporation of these drugs. Urine was collected from the rats, analysed using the validated LC-MS/MS method and screened for potential metabolites using both LC-MS/MS and quadrupole time of flight (QToF) instrumentation.

Metabolomics as a tool to explore the staphylococcal biofilm

Orthopaedic infections can be polymicrobial existing as a microbiome. Infections often incorporate staphylococcal species, including Staphylococcus aureus. Such infections can lead to life threatening illness and implant failure. Furthermore, biofilm formation on the implant surface can occur, increasing pathogenicity, exacerbating antibiotic resistance and altering antimicrobial mechanism of action. Bacteria change dramatically during the transition to a biofilm growth state: phenotypically; transcriptionally; and metabolically, highlighting the need for research into molecular mechanisms involved in biofilm formation. Metabolomics can provide a tool to analyse metabolic changes which are directly related to the expressed phenotype. Here, we aimed to provide greater understanding of orthopaedic infection caused by S. aureus and biofilm formation on the implant surface. Through metagenome analysis by employing: implant material extraction; DNA extraction; microbial enrichment; and whole genome sequencing, we present a microbiome study of the infected prosthesis to resolve the causative species of orthopaedic hip infection. Results highlight the presence of S. aureus as a primary cause of orthopaedic infection along with Enterococcus faecium and the presence of secondary pathogen Clostridium difficile. Although results were hindered by the presence of host contaminating DNA even after microbial enrichment, conclusions could be made over the potential increased pathogenicity caused by the presence of a secondary pathogen and highlight method and sample preparation considerations when undertaking such a study. Following this finding, studies were focused on an orthopaedic clinical isolate of S. aureus and a metabolome extraction method for staphylococcal biofilms was developed using cell lysis through bead beating and solvent metabolome extraction. The method was found to be reproducible when coupled with liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and bioinformatics, allowing for the detection of significant changes in metabolism between planktonic and biofilm cultures to be identified and drug mechanism of actions (MOA) to be studied. Metabolomics results highlight significant changes in a number of metabolic pathways including arginine biosynthesis and purine metabolism between the two cell populations, evidence of S. aureus responding to their changing environment, including oxygen availability and a decrease in pH. Focused investigations on purine metabolism looking for biofilm modulation effects were carried out. Modulation of the S. aureus biofilm phenotype was observed through the addition of exogenous metabolites. Inosine increased biofilm biomass while formycin B, an inosine analogue, showed a dispersal effect and a potential synergistic effect in biofilm dispersal when coupled with gentamycin. Changes in metabolism between planktonic cells and biofilms highlight the requirement for antimicrobial testing to be carried out against planktonic cells and biofilms. Untargeted metabolomics was used to study the MOA of triclosan in S. aureus. The triclosan target and MOA in bacteria has already been characterised, however, questions remain over its effects in bacteria. Although the use of triclosan has come under increasing speculation, its full effects are still largely unknown. Results show that triclosan can induce a cascade of detrimental events in the cell metabolism including significant changes in amino acid metabolism, affecting planktonic cells and biofilms. Results and conclusions provide greater understanding of orthopaedic infections and specifically focus on the S. aureus biofilm, confirming S. aureus as a primary cause of orthopaedic infection and using metabolomic analysis to look at the changing state of metabolism between the different growth states. Metabolomics is a valuable tool for biofilm and drug MOA studies, helping understand orthopaedic infection and implant failure, providing crucial insight into the biochemistry of bacteria for the potential for inferences to be gained, such as the MOA of antimicrobials and the identification of novel metabolic drug targets.

Remoção de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em águas utilizando subprodutos da indústria da cortiça

Os Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos (HAPs) são contaminantes persistentes em meio aquoso. Estes compostos são conhecidos pelas suas propriedades carcinogénicas, mutagénicas e genotóxicas. O principal objetivo deste trabalho consistiu na avaliação das potencialidades de subprodutos da indústria corticeira, como adsorventes alternativos para a remoção de cinco HAPs em meio aquoso: benzo(a)pireno, benzo(ghi)perileno, benzo(b)fluoranteno, benzo(k)fluoranteno e indeno(1,2,3-cd)pireno. A metodologia analítica para quantificar os HAPs envolveu a preparação das amostras, através da técnica de extração em fase sólida (SPE), e a quantificação dos compostos analisados por cromatografia líquida com detetor de fluorescência (LC-FLD). O método foi otimizado e validado, obtendo-se limites de quantificação de 0,004 μg/L para todos os HAPs. Os estudos incidiram na utilização de uma amostra de cortiça, pó de aglomerado de cortiça expandida (PACE), obtida por aglutinação de cortiça em condições hidrotérmicas, a qual nos estudos preliminares revelou desempenho semelhante aos carvões ativados. Com exceção do benzo(ghi)perileno, os resultados mostram que o processo de adsorção dos HAPs na amostra PACE segue uma cinética de pseudo-segunda ordem e as isotérmicas ajustam-se ao modelo de Langmuir.

Rapid detection and quantification of the marine toxic algae, Alexandrium minutum, using a super-paramagnetic immunochromatographic strip test

The dinoflagellates of Alexandrium genus are known to be producers of paralytic shellfish toxins that regularly impact the shellfish aquaculture industry and fisheries. Accurate detection of Alexandrium including A. minutum is crucial for environmental monitoring and sanitary issues. In this study, we firstly developed a quantitative lateral flow immunoassay (LFIA) using super-paramagnetic nanobeads for A. minutum whole cells. This dipstick assay relies on two distinct monoclonal antibodies used in a sandwich format and directed against surface antigens of this organism. No sample preparation is required. Either frozen or live cells can be detected and quantified. The specificity and sensitivity are assessed by using phytoplankton culture and field samples spiked with a known amount of cultured A. minutum cells. This LFIA is shown to be highly specific for A. minutum and able to detect reproducibly 105 cells/L within 30 min. The test is applied to environmental samples already characterized by light microscopy counting. No significant difference is observed between the cell densities obtained by these two methods. This handy super-paramagnetic lateral flow immnunoassay biosensor can greatly assist water quality monitoring programs as well as ecological research.

Otimização e validação de metodologia analítica empregando SPE e LC-ESI-MS/MS para determinação de multiclasses de agrotóxicos e metabólitos em água de superfície e de abastecimento público

A aplicação de agrotóxicos nas práticas agrícolas aumentou muito nos últimos anos. Isto vem ocorrendo devido ao crescimento populacional, demandando maior produção de alimentos. O uso de agrotóxicos e seus resíduos tornaram-se um problema devido a possível contaminação das águas de superfície e subterrânea, podendo impactar o meio ambiente e causar danos à saúde pública. Na cidade de Rio Grande, RS, Brasil, o suprimento de água potável é realizado pela CORSAN (Companhia Riograndense de Saneamento), que capta a água do Canal São Gonçalo, o qual estabelece uma ligação entre as duas lagoas: Lagoa dos Patos e Lagoa Mirim. Em suas margens há também a captação de água para irrigação das culturas agrícolas. Esta interação entre o uso da água das lagoas e a agricultura, pode resultar na contaminação das águas que são captadas para abastecimento dos municípios situados na região. Uma metodologia analítica empregando Extração em Fase Sólida (SPE) e Cromatografia Líquida acoplada a uma fonte de ionização por Electrospray tandem Espectrometria de Massas (LCESI-MS/MS) foi desenvolvida e validada para a determinação de dezoito agrotóxicos multiclasses (herbicidas, inseticidas e fungicidas) e dois metabólitos em amostras de água superficial e de abastecimento público. Esta metodologia foi aplicada para monitoramento durante dez meses na água superficial do Canal São Gonçalo e na água de consumo da cidade de Rio Grande, após o tratamento pela CORSAN. Os agrotóxicos selecionados foram: clomazona, bispiribaque-sódio, diurom, atrazina, simazina, imazetapir, imazapique, metsulfuron-metílico, quincloraque, penoxsulam, 2,4-D, pirazosulfuron-etílico, bentazona, propanil, irgarol, tebuconazol, fipronil e carbofurano. Os metabólitos foram: 3,4-DCA e 3-hidroxicarbofurano. Os limites de detecção do método variaram entre 0,4 – 40,0 ng L -1 , enquanto para os limites de quantificação a variação foi de 4,0 – 100,0 ng L -1 . Todos os compostos apresentaram excelente linearidade, com coeficiente de determinação maior do que 0,99. As recuperações empregando SPE com cartuchos contendo 500 mg de C18ec, variaram entre 70 a 120%, para 95% dos compostos, apresentando %RSD 20%. Através do monitoramento de múltiplas reações (MRM), duas transições diferentes (íon precursor – íon produto) foram selecionadas para cada composto, uma para quantificação e outra para confirmação, o que aumentou a seletividade do método. Para as amostras analisadas, foram detectados agrotóxicos nível de ng L -1 . O método desenvolvido é sensível, rápido e apresenta elevada seletividade, permitindo a identificação e a quantificação dos agrotóxicos em águas superficiais e de abastecimento público, atendendo os níveis requeridos pelos órgãos reguladores como da União Européia (98/83/EC) e do Brasil segundo a Portaria Nº. 518 (25/03/2004).

Métabolomique et spectrométrie de masse : de nouvelles perspectives en analyse biomédicale

International audience

Desenvolvimento de método para determinação de ferro e cobre em vinho por espectrofotometria empregando DLLME

Este trabalho propõe o desenvolvimento de métodos de preparo de amostra empregando a microextração líquido-líquido dispersiva (DLLME) para a extração e pré- concentração de Fe e Cu em vinho, seguido da determinação espectrofotométrica na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). Nas extrações por DLLME, a complexação de Fe e Cu foi feita com pirrolidina ditiocarbamato de amônio (APDC) e dietilditiocarbamato de sódio (DDTC), respectivamente. Para a DLLME, foi usada uma mistura apropriada de pequenos volumes de dois solventes, um extrator e outro dispersor, a qual foi rapidamente injetada na amostra aquosa, ocorrendo à formação de uma dispersão e a extração praticamente instantânea dos analitos. Na otimização da DLLME para extração de Fe foram avaliados alguns parâmetros como, tipo de solvente extrator (C2Cl4, 80 µL) e dispersor (acetonitrila, 1300 µL) e seus volumes, pH (3,0), concentração do APDC (1%, m/v), adição de NaCl (0,02 mol L -1 ) e tempo de extração. Para extração de Cu foi aplicado um planejamento fatorial completo 25 para avaliar a influência de cinco variáveis independentes: volume dos solventes dispersor (acetonitrila, 1600 µL) e extrator (CCl4, 60 µL), concentração de DDTC (2%, m/v), pH (3,0) e concentração de NaCl. Após a otimização das condições para Fe, a curva de calibração com adição de analito foi linear entre 0,2 e 2,5 mg L-1 para vinho branco (R2 = 0,9985) e para vinho tinto (R2 = 0,9988). Para Cu, a curva de calibração com adição de analito foi linear entre 0,05 e 1,0 mg L-1 para vinho branco (R2 = 0,9995) e para vinho tinto (R2 = 0,9986). Os limites de quantificação foram de 0,75 e 0,37 mg L-1 para Fe e Cu, respectivamente. A exatidão foi avaliada utilizando ensaio de recuperação, as quais variaram entre 96% e 112%, com desvio padrão relativo inferior a 8%. Os métodos foram aplicados para 5 amostras de vinho branco e 5 amostras de vinho tinto, obtendo-se concentrações entre 1,3 e 5,3 e entre 2,5 e 4,4 mg L-1 para Fe e entre 0,4 e 1,5 e entre 0,9 e 2,5 mg L-1 para Cu, respectivamente. Os métodos desenvolvidos para a extração e pré-concentração de Fe e Cu em vinhos por DLLME e quantificação por UV-Vis mostraram-se adequados, em termos de linearidade, exatidão e precisão.

Quantificação de açúcares com uma língua eletrónica: calibração multivariada com seleção de sensores

Este trabalho incide na análise dos açúcares majoritários nos alimentos (glucose, frutose e sacarose) com uma língua eletrónica potenciométrica através de calibração multivariada com seleção de sensores. A análise destes compostos permite contribuir para a avaliação do impacto dos açúcares na saúde e seu efeito fisiológico, além de permitir relacionar atributos sensoriais e atuar no controlo de qualidade e autenticidade dos alimentos. Embora existam diversas metodologias analíticas usadas rotineiramente na identificação e quantificação dos açúcares nos alimentos, em geral, estes métodos apresentam diversas desvantagens, tais como lentidão das análises, consumo elevado de reagentes químicos e necessidade de pré-tratamentos destrutivos das amostras. Por isso se decidiu aplicar uma língua eletrónica potenciométrica, construída com sensores poliméricos selecionados considerando as sensibilidades aos açucares obtidas em trabalhos anteriores, na análise dos açúcares nos alimentos, visando estabelecer uma metodologia analítica e procedimentos matemáticos para quantificação destes compostos. Para este propósito foram realizadas análises em soluções padrão de misturas ternárias dos açúcares em diferentes níveis de concentração e em soluções de dissoluções de amostras de mel, que foram previamente analisadas em HPLC para se determinar as concentrações de referência dos açúcares. Foi então feita uma análise exploratória dos dados visando-se remover sensores ou observações discordantes através da realização de uma análise de componentes principais. Em seguida, foram construídos modelos de regressão linear múltipla com seleção de variáveis usando o algoritmo stepwise e foi verificado que embora fosse possível estabelecer uma boa relação entre as respostas dos sensores e as concentrações dos açúcares, os modelos não apresentavam desempenho de previsão satisfatório em dados de grupo de teste. Dessa forma, visando contornar este problema, novas abordagens foram testadas através da construção e otimização dos parâmetros de um algoritmo genético para seleção de variáveis que pudesse ser aplicado às diversas ferramentas de regressão, entre elas a regressão pelo método dos mínimos quadrados parciais. Foram obtidos bons resultados de previsão para os modelos obtidos com o método dos mínimos quadrados parciais aliado ao algoritmo genético, tanto para as soluções padrão quanto para as soluções de mel, com R²ajustado acima de 0,99 e RMSE inferior a 0,5 obtidos da relação linear entre os valores previstos e experimentais usando dados dos grupos de teste. O sistema de multi-sensores construído se mostrou uma ferramenta adequada para a análise dos iii açúcares, quando presentes em concentrações maioritárias, e alternativa a métodos instrumentais de referência, como o HPLC, por reduzir o tempo da análise e o valor monetário da análise, bem como, ter um preparo mínimo das amostras e eliminar produtos finais poluentes.

Avaliação da técnica de dispersão da matriz em fase sólida assistida por vórtex para análise de fármacos em peixes

Os fármacos classificados como contaminantes orgânicos emergentes tornaramse tópico de discussão ambiental pois estes são capazes de atingir diferentes matrizes do meio ambiente, como água, solo e organismos aquáticos, e estudos demonstrando a toxicidade tem despertado o interesse científico. Neste estudo um método analítico foi otimizado e validado para determinação de quinze fármacos em amostras de peixes empregando preparo de amostras por dispersão da matriz em fase sólida (MSPD) assistida por vórtex e determinação por cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massas sequencial (LC-MS/MS). O estudo ainda focou na aplicação de diferentes suportes sólidos na etapa de dispersão da MSPD, sendo que três (quitina, quitosana e concha de mexilhão dourado) foram utilizados pela primeira vez para esta finalidade, O método otimizado foi validado seguindo os parâmetros do INMETRO, ANVISA, SANCO e FDA. A curva analítica e linearidade foram avaliados através da calibração externa e superposição na matriz. Os compostos demonstraram linearidade dentro da faixa recomendada, com coeficiente de correlação maior do que 0,99. Os limites de detecção do método variaram de 1 a 100 ng g -1 , e os limites de quantificação a variaram de 5 a 1000 ng g -1 . Os valores de recuperação variaram de 68% a 108%, com RSD menores que 13% para todos os compostos. O efeito de matriz foi avaliado e quatro dos quinze compostos apresentaram efeito maior que ±20%. Na aplicabilidade o método demonstrou ser eficiente para extração de fármacos de diferentes espécies de peixe, apresentando exatidão e precisão adequados. Não foram encontrados resíduos de fármacos nas amostras analisadas.

Dual layer solid phase extraction based on molecular imprinting technology: Seeking a route to enhance selectivity for trace analysis of pesticide residues in olive oil.

Aiming to introduce a multiresidue analysis for the trace detection of pesticide residues belonging to organophosphorus and triazine classes from olive oil samples, a new sample preparation methodology comprising the use of a dual layer of “tailor-made” molecularly imprinted polymers (MIPs) SPE for the simultaneous extraction of both pesticides in a single procedure has been attempted. This work has focused on the implementation of a dual MIP-layer SPE procedure (DL-MISPE) encompassing the use of two MIP layers as specific sorbents. In order to achieve higher recovery rates, the amount of MIP layers has been optimized as well as the influence of MIP packaging order. The optimized DL-MISPE approach has been used in the preconcentration of spiked organic olive oil samples with concentrations of dimethoate and terbuthylazine similar to the maximum residue limits and further quantification by HPLC. High recovery rates for dimethoate (95%) and terbuthylazine (94%) have been achieved with good accuracy and precision. Overall, this work constitutes the first attempt on the development of a dual pesticide residue methodology for the trace analysis of pesticide residues based on molecular imprinting technology. Thus, DL-MISPE constitutes a reliable, robust, and sensitive sample preparation methodology that enables preconcentration of the target pesticides in complex olive oil samples, even at levels similar to the maximum residue limits enforced by the legislation.