Measurement of free drug and clinical end-point by high-performance liquid chromatography-mass spectrometry: Applications and implications for pharmacokinetic and pharmacodynamic studies

Free drug measurement and pharmacodymanic markers provide the opportunity for a better understanding of drug efficacy and toxicity. High-performance liquid chromatography (HPLC)-mass spectrometry (MS) is a powerful analytical technique that could facilitate the measurement of free drug and these markers. Currently, there are very few published methods for the determination of free drug concentrations by HPLC-MS. The development of atmospheric pressure ionisation sources, together with on-line microdialysis or on-line equilibrium dialysis and column switching techniques have reduced sample run times and increased assay efficiency. The availability of such methods will aid in drug development and the clinical use of certain drugs, including anti-convulsants, anti-arrhythmics, immunosuppressants, local anaesthetics, anti-fungals and protease inhibitors. The history of free drug measurement and an overview of the current HPLC-MS applications for these drugs are discussed. Immunosuppressant drugs are used as an example for the application of HPLC-MS in the measurement of drug pharmacodynamics. Potential biomarkers of immunosuppression that could be measured by HPLC-MS include purine nucleoside/nucleotides, drug-protein complexes and phosphorylated peptides. At the proteomic level, two-dimensional gel electrophoresis combined with matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight (TOF) MS is a powerful tool for identifying proteins involved in the response to inflammatory mediators. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Femtosecond lasers for mass spectrometry: Proposed application to catalytic hydrogenation of butadiene

Mass spectra from the interaction of intense, femtosecond laser pulses with 1,3-butadiene, 1-butene, and n-butane have been obtained. The proportion of the fragment ions produced as a function of intensity, pulse length, and wavelength was investigated. Potential mass spectrometry applications, for example in the analysis of catalytic reaction products, are discussed.

Avaliação de elementos potencialmente tóxicos em tintas

Neste trabalho são apresentados os resultados da determinação, por ICP OES, de elementos tóxicos e/ou potencialmente tóxicos (AI, Cr, Ni, Cu, Cd, As, Co e Pb) em tintas de acabamento imobiliário à base de água ou de solvente orgânico. Foram desenvolvidas e comparadas método de digestão de amostras utilizando diferentes misturas ácidas em bombas de decomposição, em fomo de microondas (sistema com radiação focalizada e com cavidade) e método de cinzas. O Método de digestão utilizando fomo de microondas com cavidade permitiu solubilização rápida e eficiente de todos os tipos de tintas testados, em tempo inferior a 35 minutos. As método apresentaram valores aceitáveis para a maioria dos elementos nos testes de adição e recuperação dos analitos. Os resíduos resultantes da digestão foram avaliados por MEV-EDS e não apresentaram os elementos estudados, comprovando a eficiência da metodologia. Mercúrio foi determinado usando um Analisador Direto de Mercúrio (DMA) e apresentou valores entre 43,0 ± 4,5 e 188 ± 9 µg Kg-1, valor considerado baixo quando comparado ao limite de 100 mg Kg-1, estabelecido na norma NRR 10004 para disposição de resíduos sólidos sem instalações especiais. O estudo da migração dos elementos para o ambiente após a exposição da tinta a agentes \"agressores\" , como raios ultravioletas e umidade, foi realizado usando câmara do tipo \"Weather-Ometer\" (envelhecimento acelerado). A avaliação dos resultados foi feita por MEV EDS e ICP OES. As micrografias de MEV mostraram que houve mudança na morfologia do polímero que foi submetido ao intemperismo acelerado. Os resultados obtidos não foram conclusivos quanto à migração dos analitos em função da baixa razão entre as massas degradada e não degradada das amostras. Uma proposta de metodologia para a avaliação por ICP OES das tintas e da disponibilidade de elementos tóxicos e potencialmente tóxicos, baseada na lixiviação de amostras secas em ambiente controlado é apresentada. São mostrados resultados de lixiviação de AI, Cr, Ni, Cu, Cd, As, Co e Pb com vários extratores e tempos diferentes de extração. Os resultados mostram que ocorre a migração de alguns elementos para as soluções estudadas e que, dos extratores avaliados, a chuva ácida apresentou maior potencial de lixiviação.

Development of new applications of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) hyphenated with different sample introduction systems

225 p. : il. Texto en español con conclusiones en inglés

Development of advanced capillary electrophoresis techniques with UV and mass spectrometry detection for forensic, pharmaceutical and environmental applications

Capillary electrophoresis (CE) is a modern analytical technique, which is electrokinetic separation generated by high voltage and taken place inside the small capillaries. In this dissertation, several advanced capillary electrophoresis methods are presented using different approaches of CE and UV and mass spectrometry are utilized as the detection methods. ^ Capillary electrochromatography (CEC), as one of the CE modes, is a recent developed technique which is a hybrid of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography (HPLC). Capillary electrochromatography exhibits advantages of both techniques. In Chapter 2, monolithic capillary column are fabricated using in situ photoinitiation polymerization method. The column was then applied for the separation of six antidepressant compounds. ^ Meanwhile, a simple chiral separation method is developed and presented in Chapter 3. Beta cycodextrin was utilized to achieve the goal of chiral separation. Not only twelve cathinone analytes were separated, but also isomers of several analytes were enantiomerically separated. To better understand the molecular information on the analytes, the TOF-MS system was coupled with the CE. A sheath liquid and a partial filling technique (PFT) were employed to reduce the contamination of MS ionization source. Accurate molecular information was obtained. ^ It is necessary to propose, develop, and optimize new techniques that are suitable for trace-level analysis of samples in forensic, pharmaceutical, and environmental applications. Capillary electrophoresis (CE) was selected for this task, as it requires lower amounts of samples, it simplifies sample preparation, and it has the flexibility to perform separations of neutral and charged molecules as well as enantiomers. ^ Overall, the study demonstrates the versatility of capillary electrophoresis methods in forensic, pharmaceutical, and environmental applications.^

Applications of capillary electrophoresis and mass spectrometry for the analysis of thiosalts

Thiosalt species are unstable, partially oxidized sulfur oxyanions formed in sulfur-rich environments but also during the flotation and milling of sulfidic minerals especially those containing pyrite (FeS₂) and pyrrhotite (Fe₍₁₋ₓ₎S, x = 0 to 0.2). Detecting and quantifying the major thiosalt species such as sulfate (SO₄²⁻), thiosulfate (S₂O₃²⁻), trithionate (S₃O₆²⁻), tetrathionate (S₄O₆²⁻) and higher polythionates (SₓO₆²⁻, where 3 ≤ x ≤ 10) in the milling process and in the treated tailings is important to understand how thiosalts are generated and provides insight into potential treatment. As these species are unstable, a fast and reliable analytical technique is required for their analysis. Three capillary zone electrophoresis (CZE) methods using indirect UV-vis detection were developed for the simultaneous separation and determination of five thiosalt anions: SO₄²⁻, S₂O₃²⁻, S₃O₆²⁻, S₄O₆²⁻ and S₅O₆²⁻. Both univariate and multivariate experimental design approaches were used to optimize the most critical factors (background electrolyte (BGE) and instrumental conditions) to achieve fast separation and quantitative analysis of the thiosalt species. The mathematically predicted responses for the multivariate experiments were in good agreement with the experimental results. Limits of detection (LODs) (S/N = 3) for the methods were between 0.09 and 0.34 μg/mL without a sample stacking technique and nearly four-fold increase in LODs with the application of field-amplified sample stacking. As direct analysis of thiosalts by mass spectrometry (MS) is limited by their low m/z values and detection in negative mode electrospray ionization (ESI), which is typically less sensitive than positive ESI, imidazolium-based (IP-L-Imid and IP-T-Imid) and phosphonium-based (IP-T-Phos) tricationic ion-pairing reagents were used to form stable high mass ions non-covalent +1 ion-pairs with these species for ESI-MS analysis and the association constants (Kassoc) determined for these ion-pairs. Kassoc values were between 6.85 × 10² M⁻¹ and 3.56 × 10⁵ M⁻¹ with the linear IP-L-Imid; 1.89 ×10³ M⁻¹ and 1.05 × 10⁵ M⁻¹ with the trigonal IP-T-Imid ion-pairs; and 7.51×10² M⁻¹ and 4.91× 10⁴ M⁻¹ with the trigonal IP-T-Phos ion-pairs. The highest formation constants were obtained for S₃O₆²⁻ and the imidazolium-based linear ion-pairing reagent (IP-L-Imid), whereas the lowest were for IP-L-Imid: SO₄²⁻ ion-pair.

Development of Advanced Capillary Electrophoresis Techniques with UV and Mass Spectrometry Detection for Forensic, Pharmaceutical and Environmental Applications

Capillary electrophoresis (CE) is a modern analytical technique, which is electrokinetic separation generated by high voltage and taken place inside the small capillaries. In this dissertation, several advanced capillary electrophoresis methods are presented using different approaches of CE and UV and mass spectrometry are utilized as the detection methods. Capillary electrochromatography (CEC), as one of the CE modes, is a recent developed technique which is a hybrid of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography (HPLC). Capillary electrochromatography exhibits advantages of both techniques. In Chapter 2, monolithic capillary column are fabricated using in situ photoinitiation polymerization method. The column was then applied for the separation of six antidepressant compounds. Meanwhile, a simple chiral separation method is developed and presented in Chapter 3. Beta cycodextrin was utilized to achieve the goal of chiral separation. Not only twelve cathinone analytes were separated, but also isomers of several analytes were enantiomerically separated. To better understand the molecular information on the analytes, the TOF-MS system was coupled with the CE. A sheath liquid and a partial filling technique (PFT) were employed to reduce the contamination of MS ionization source. Accurate molecular information was obtained. It is necessary to propose, develop, and optimize new techniques that are suitable for trace-level analysis of samples in forensic, pharmaceutical, and environmental applications. Capillary electrophoresis (CE) was selected for this task, as it requires lower amounts of samples, it simplifies sample preparation, and it has the flexibility to perform separations of neutral and charged molecules as well as enantiomers. Overall, the study demonstrates the versatility of capillary electrophoresis methods in forensic, pharmaceutical, and environmental applications.

The current and potential applications of Ambient Mass Spectrometry in detecting food fraud

The adulteration of food has received substantial amounts of media attention in the last few years, with events such as the European horsemeat scandal in 2013 sending shockwaves through society. Almost all cases are motivated by the pursuit of profits and are often aided by long and complex supply chains. In the past few years, the rapid growth of ambient mass spectrometry (AMS) has been remarkable, with over thirty different ambient ionisation techniques available. Due to the increasing concerns of the food industry and regulators worldwide, AMS is now being utilised to investigate whether or not it can generate results which are faster yet comparable to those of conventional techniques. This article reviews some aspects of the adulteration of food and its impact on the economy and the public's health, the background to ambient mass spectrometry and the studies that have been undertaken to detect food adulteration using this technology.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Mass spectrometry-based metabolomics towards understanding of gene functions with a diversity of biological contexts

Currently, mass spectrometry-based metabolomics studies extend beyond conventional chemical categorization and metabolic phenotype analysis to understanding gene function in various biological contexts (e.g., mammalian, plant, and microbial). These novel utilities have led to many innovative discoveries in the following areas: disease pathogenesis, therapeutic pathway or target identification, the biochemistry of animal and plant physiological and pathological activities in response to diverse stimuli, and molecular signatures of host-pathogen interactions during microbial infection. In this review, we critically evaluate the representative applications of mass spectrometry-based metabolomics to better understand gene function in diverse biological contexts, with special emphasis on working principles, study protocols, and possible future development of this technique. Collectively, this review raises awareness within the biomedical community of the scientific value and applicability of mass spectrometry-based metabolomics strategies to better understand gene function, thus advancing this application's utility in a broad range of biological fields