Анализ лекарственных средств при фармакокинетических исследованиях

ОБЗОР

УДК 615.015:615.07:53

АНАЛИЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ ПРИ ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ

Дмитрий Владимирович Рейхарт1, Виктор Владимирович Чистяков2

Кафедра организации и управления в сфере обращения лекарственных средств (зав. — чл.-корр. РАМН, проф. Р.У. Хабриев) Московской государственной медицинской академии им. И.М. Сеченова,

2 Центр по химии лекарственных средств - ВНИХФИ (ген. директор — К.В. Шилин), г. Москва

Реферат

Проведен обзор чувствительных и специфичных аналитических методов, применяемых при изучении фармакокинетики лекарственных препаратов. Показаны достоинства и ограничения применения имму-ноферментного анализа, метода высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуоресцентной и масс-спектрометрической детекцией. Применение того или иного метода при оценке фармакокинетики лекарственных препаратов в каждом конкретном случае определяется структурой исследуемого соединения и оснащенностью лаборатории.

Ключевые слова: жидкостная хроматография, флюоресцентная и масс-спектрометрическая детекция, иммуноферментный анализ, фармакокинетика.

Изучение фармакокинетики основано главным образом на оценке концентрации в организме пациента лекарственного вещества (ЛВ) в определенные моменты времени после приема препарата. Объектом исследования служат кровь (цельная, сыворотка, плазма), моча, слюна, кал, желчь, амниотическая жидкость и др. Наиболее доступны и чаще исследуются образцы крови и мочи.

Измерение концентрации ЛВ можно разделить на два этапа: 1 — выделение конкретного лекарственного вещества из биологического объекта, концентрирование исследуемого соединения, отделение его от основных эндогенных компонентов; 2 — разделение смеси соединений, идентификация ЛВ и количественный анализ.

Изучение концентрации препарата в крови дает информацию о продолжительности циркуляции лекарства в организме, биодоступности препарата, влиянии концентрации на фармакологический эффект, терапевтической и летальной дозах, динамике образования активных или токсичных метаболитов.

Изучение концентрации препарата в моче позволяет оценить скорость элиминации ЛВ и функцию почек. Концентрация метаболитов в моче — косвенный показатель активности метаболизирующих ферментов.

Исследование биологического материала включает измерение массы (объема) пробы, высвобождение препарата (метаболитов) из 532

клеток пробы, отделение целых клеток (например, при анализе крови) или частей клеток (при анализе гомогенатов тканей), добавление внутреннего стандарта, отделение белков, очистку пробы (центрифугирование, фильтрация), процедуры экстракции, реэкстракции, концентрирования и превращения исследуемых веществ в удобные для анализа производные, основные процедуры обработки проб крови и мочи соответственно (рис. 1).

«Идеальный» аналитический метод измерения концентрации ЛВ должен обладать высокой чувствительностью, специфичностью и воспроизводимостью, возможностью работы с малыми объемами, простотой подготовки материала, дешевизной и легкостью обслуживания оборудования, надежностью и возможностью автоматизации, простотой работы персонала и универсальностью (возможность анализа различных классов ЛВ).

Для получения достоверных данных необходимо делать поправку на стабильность действующего вещества и/или продукта (продуктов), а также степень его биотрансформации в анализируемых биологических средах [6].

Валидация метода должна проводиться c учетом его предполагаемого применения, при калибровке следует учитывать диапазон концентраций исследуемого образца. Категорически не рекомендуется применять два или более метода анализа проб в одном и том же материале со сходным диапазоном калибровочных значений.

Существует большое число методов определения концентрации ЛВ в биологических жидкостях: xроматографические, микробиологические, спектрофотометрические, полярографические, иммунологические (радиоим-мунные, иммуноэнзимные), радиоизотопные и другие методы.

Критическими параметрами метода являются чувствительность, скорость, точность, возможность работы с малым объемом биоматериала и стоимость.

В табл. 1 сравниваются аналитические методы анализа ЛВ [4].

Наиболее широко (до 95% исследований) на практике применяется метод высокоэффектив-

Рис. 1. Основные процедуры обработки проб крови и мочи.

ной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с различными видами детекции.

Преимуществами ВЭЖХ по сравнению, например, с методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ) являются отсутствие ограничений по термостабильности анализируемых препаратов, возможность работы с водными растворами и летучими соединениями, использования вариантов «нормальнофазной» и «обращеннофазной» хроматографии. Многие из видов детекции являются неразрушающи-

иммуноферментный, ВЭЖХ с флуоресцентной детекцией, ВЭЖХ с масс-спектрометрической детекцией, которые в настоящее время активно применяются в фармакокинетических исследованиях.

Иммуноферментный метод

Метод иммуноферментного анализа (ИФА) предложен в начале 70-х годов прошлого столетия. Принцип ИФА заключается во взаимодействии специфических белковых ан-

Таблищ 1

Сравнительная характеристика методов анализа лекарственных средств

Методы Абсолютная чувствительность, г Чувст- витель- ность, баллы Слож- ность, баллы Избира- тельность, баллы Универ- сальность Сум- марная оценка, баллы

Жидкостная хроматография:

УФ-детектор 10-7 3 -3 4 4 8

флуоресцентный детектор 10-8 - 10-9 4 -3 5 2 8

масс-спектрометрический детектор 10-11 - 10-12 5 -5 5 4 9

Иммунологические 10-10 - 10-11 5 -1 4 1 9

Газовая хроматография:

электронозахватный детектор 10-10 5 -4 4 2 7

пламенно-ионизационный детектор 10-8 - 10-9 4 -3 2 4 7

ми; методы детекции, используемые в ВЭЖХ, обладают более высокой специфичностью.

Рассмотрим особенности высокочувствительных методов, позволяющих анализировать нанограммовые количества ЛВ (табл.1):

тител с анализируемым веществом, выступающим в роли антигена. Чем выше концентрация вещества-антигена, тем больше образуется комплексов антиген-антитело. Для количественного анализа комплексообразования при-

меняют два подхода — с предварительным отделением комплекса (гетерогенные методы) или без его отделения (гомогенные методы). В том и другом случае пробу с неизвестной концентрацией анализируемого вещества добавляют к сыворотке, в которой антитело связано в комплекс с меченным аналогом исследуемого вещества, и вещество из анализируемой пробы вытесняется из комплекса. Количество вытесненного меченного аналога пропорционально концентрации вещества в пробе. Определив, сколько меченного аналога оказалось вытеснено из комплекса (или, напротив, осталось связанным), можно рассчитать искомый уровень вещества в пробе. Предварительно проводится калибровка с использованием стандартных растворов (со стандартными концентрациями тестируемого вещества).

Выпускаются наборы реактивов — так называемые диагностикумы (антисыворотка, соединенный с препаратом фермент, субстрат, кофактор, стандартные растворы для калибровки), рассчитанные на 50—200 анализов. Для анализа обычно достаточно 0,05—0,2 мл сыворотки крови больного.

Иммуноэнзимные методы обладают высокой чувствительностью и специфичностью. Диагностикумы сравнительно дешевые и имеют более продолжительные сроки годности, чем наборы для радиоиммунных методов. При использовании ИФА устраняется необходимость отделения комплекса антиген-антитело — достаточно сложной процедуры, с относительно высоким риском ошибки. Им-муноэнзимный метод может выполняться в любой больничной или поликлинической лаборатории; разработаны приборы, обеспечивающие полную автоматизацию анализа.

Простота анализа, высокая чувствительность, точность, воспроизводимость,

умеренная цена аппаратуры и реактивов — все это создает перспективу для широкого внедрения иммунологических методов в медицинскую практику.

Высокоэффективная жидкостная хромотография с флуоресцентной детекцией

При ВЭЖХ детектор генерирует электрический сигнал, сила которого пропорциональна концентрации анализируемого вещества, растворенного в подвижной фазе. В первых жидкостных хроматографах (ионообменных) прошедшая через колонку подвижная фаза с компонентами пробы собиралась в небольшие сосуды, а затем при помощи титрометрии, колориметрии, полярографии и т.д. определялось содержание компонента в этой порции. Иными словами, процессы разделения пробы

и определения ее количественного состава были разделены во времени и пространстве. В современном жидкостном хроматографе эти процессы обеспечиваются одним прибором.

Для детекции компонентов пробы может быть использовано любое физико-химическое свойство подвижной фазы (поглощение или излучение света, электропроводность, показатель преломления и т.д.), которое изменяется при наличии в ней молекул разделяемых соединений. Из существующих 50 физико-химических методов детекции в настоящее время активно используется 5—6.

Чувствительность—важнейшая характеристика детектора. Если определять чувствительность через двойную амплитуду шума нулевой линии, а шум выражать в физических единицах, то чувствительность фотометрического детектора будет выражаться в единицах оптической плотности, рефрактометрического — в единицах показателя преломления, вольтам-перометрического — в амперах, кондуктомет-рического — в сименсах. В фармацевтическом анализе чувствительность выражают в минимальном количестве определяемого вещества. Степень чувствительности различных типов детекторов приведена в табл. 1.

Несмотря на то что в настоящее время 80% хроматографов оснащено в базовой комплектации спектрофотометрическими детекторами, всё большее распространение получает флуоресцентная детекция, особенно при определении концентрации соединений, способных «светиться» под действием возбуждающего излучения. Интенсивность люминесценции пропорциональна интенсивности возбуждающего света. Исследование спектров испускания (флуоресценции и фосфоресценции) — более чувствительный и специфичный метод, чем исследование спектров поглощения.

Спектр флуоресценции вещества во многих случаях представляет собой зеркальное отражение полосы поглощения с наименьшей энергией и обычно располагается рядом с этой полосой с её длинноволновой стороны. Данный метод наиболее удобно применять при исследовании лекарственных препаратов, обладающих собственной флуоресценцией (хлорохин, доксорубицин, доксазо-зин, атенолол, индометацин, пропранолол, тетрациклины, хинидин и др.). Некоторые ЛВ можно сравнительно легко превратить во флуоресцирующие соединения (процесс дериватизации), например гидрокортизон (обработка серной кислотой), меперидин (конденсация с формальдегидом), 6-меркап-топурин и метотрексат (окисление перманганатом калия). Другие препараты с активными функциональными группами можно конденсировать с флуоресцирующими реа-

гентами — флуорескамином (хлордеазепок-сид, новокаинамид, сульфаниламиды и др.), 7-нитробензо-2,1,3-оксадиазолом (пропокси-фен и др.) и т.д. Вместе с тем необходимо отметить, что при высокой чувствительности и селективности флуоресцентные методы детектирования ограничены кругом ЛВ, имеющих естественную флуоресценцию, а процесс дериватизации при количественном анализе требует больших затрат.

Высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометрической детекцией

Высокочувствительным вариантом современного детектора для ВЭЖХ, применяемого для фармакокинетических исследований, является масс-спектрометрометр. Масс-спектрометрический детектор позволяет значительно сократить время анализа, в частности за счет исключения подготовительной стадии (экстракции). Данный метод дает возможность одновременно идентифицировать несколько веществ, и это исключает ошибки, связанные с наличием неразделяемых компонентов.

Масс-спектрометрия — один из наиболее перспективных методов физико-химического анализа лекарственных средств. Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных проблем: идентификации веществ и изучения фрагментации ионизированных молекул в газовой фазе. Соединение масс-спектрометра с жидкостным хроматографом значительно расширило возможности классического метода. С появлением новых методов ионизации, таких как «электроспрей» (ESI — англ. electrospray ionization) — ионизация в электрическом поле при атмосферном давлении) и «МАЛДИ» — ионизация лазерной десорбцией, список молекул, которые могут быть изучены данным методом, значительно расширился.

В настоящее время комбинация ВЭЖХ и масс-спектрометрического детектора с «электроспреем» нашла широкое распространение в исследовании фармакокинетики и биоэквивалентности лекарственных препаратов [5, 8, 11]. Первоначально метод ESI был разработан под руководством Л.Н. Галль [1], а в 2002 г. Д. Фен-ну и К. Танаке была присуждена Нобелевская премия за разработку методов индентифика-ции и структурного анализа биологических макромолекул и, в частности, методов масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул. В механизме образования ионизированных частиц выделяют три стадии. Первая — образование заряженных капель на срезе капилляра. Посредством приложенного напряжения происходит перераспределение заряда в растворе, положительные ионы скап-

ливаются у выхода. При сильном приложенном поле (3-5 кВ) образуется струя из вершины конуса, которая далее разлетается на мелкие капли. Вторая стадия - постепенное сокращение размеров заряженных капель за счет испарения растворителя и последующего распада капель вплоть до получения истинных ионов. Заряженные капли движутся сквозь атмосферу по направлению к противоположному электроду. Третья стадия — повторяющиеся циклы разделения и уменьшения объема капель до полного испарения растворителя и образования ионов в газовой фазе.

Современные ЖХ-МС системы (LC/MS — англ. liquid chromatography/mass-spectrometry) позволяют регистрировать полный ионный ток (TIC — англ. total ion current), проводить контроль заданных ионов (SIM — англ. selected ion monitoring) и контроль заданных реакций селективное мониторирование реакции (SRM — англ. selected reaction monitoring).

При анализе полного ионного тока (TIC) получают данные обо всех соединениях, последовательно выходящих из хроматографической колонки. Масс-хроматограммы напоминают хроматограммы с УФ-детекцией, при этом площадь под пиком соответствует количеству вещества. При определении заданных ионов (SIM) оператор может ограничить диапазон детекции необходимых соединений выделив, например, минорные вещества. Наибольшей чувствительностью и специфичностью обладает SRM-метод, когда регистрация ионного тока идет по одному выбранному иону, характерному для исследуемого соединения (при ESI-ионизации и регистрации положительных ионов это, как правило, — молекулярный ион МН+).

В недавно опубликованных работах обсуждается возможность количественного анализа органических веществ в биологических объектах без хроматографического разделения с помощью мультионной детекции и внутреннего контроля в виде меченного дейтерием аналога [7, 9, 10]. В частности, для молекул липидной природы определен диапазон концентраций (от пико- до наномолей), при котором авторы наблюдали линейную зависимость интенсивности ионного тока от концентрации вещества. Увеличение концентрации соединений в растворе приводило к ион-молекулярным взаимодействиям в процессе ионизации и нарушению линейности.

Описан метод количественного определения простагландинов и полиненасыщен-ных жирных кислот с использованием электроспрей-ионизации — масс-спектрометрии без хроматографического разделения с применением внутреннего стандарта и регистрации отрицательных ионов [2, 3]. В работе

Ю.О. Каратассо и И. В. Логуновой [2] чувствительность масс-спектрометрии при исследовании потенциального антиаритмического средства составила 3 нг/0,5 мл плазмы крови.

При выборе аналитического метода необходимо иметь в виду, что использование ИФА лимитируется наличием обязательных реактивов, флуоресцентной детекции, необходимостью собственной флуоресценции у исследуемого соединения. Хотя при масс-спектрометрической детекции вышеуказанные ограничения несущественны, однако стоимость оборудования на сегодняшний день остается достаточно высокой, и данный вид анализа требует специальных навыков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров М.Л., Галль Л.Н., Краснов Н.В. и др. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении - новый метод масс-спектрометрического анализа // Докл. Акад. наук СССР. — 1984. — Т.277. — № 2. —

С. 379—383.

2. Каратассо Ю.О, Логунова И. В., Сергеева М. Г. и др. Количественный анализ лекарственных препаратов в плазме крови с использованием электроспрей ионизации — масс-спектрометрии без хроматографического разделения // Хим. фарм. журн. — 2007. — № 4. - С. 161—166.

3. Каратассо Ю.О, Алёшин С.Е., Попова Н.В. и др. Количественный анализ простагландинов и полине-насыщенных жирных кислот методом масс-спектро-метрии с ионизацией электрораспылением // Масс-спектрометрия. —2007. — Т.4. — В.3. — С. 173—178.

4. Холодов Л.Е, Яковлев В.П. Клиническая фармакокинетика. — М.:Медицина, 1985. — 463 с.

5. Covey T.R., Lee E.D., Henion J.D. High-speed liquid chromatography/tandem mass spectrometry for the determination of drugs in biological samples // Anal. Chem. — 1986. - Vol. 58 (12). — P. 2453—2460.

6. Conference report on analytical methods validation: bioavailability, bioequivalence and pharmacokinetic studies // J. Pharmac. sci. — 1992. — Vol.81. — P. 309—312.

7. De Long C.J., Baker P.R.S., SamuelM. et al. Molecular species composition of rat liver phospholipids by ESI-MS/ MS: The effect of chromatography//J. Lipid Res. — 2001. — Vol. 42. — P. 1959—1968.

8. Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Ed. R.B.Cole // Wiley. — New York, 1997.

9. Han X., Yang K., Yang J. et al. Factors influencing the electrospray intrasource separation and selective ionization of glycerophospholipids // Am. Soc. Mass Spectrom. — 2006. — Vol. 17(2). — P. 264—274.

10. Koivusalo M., Haimi P., Heikinheimo L. et al. Quantitative determination of phospholipids compositions by ESI-MS: Effects of acyl chain length, unsaturation, and lipid concentration on instrument response // J. Lipid Res. — 2001. — Vol. 42. — P. 663—672.

11. Lee M.S., Kerns E.H. LC/MS applications in drug discovery//Mass Spectrom. Rev. — 1999. — Vol. 18 (3—4). — P. 187—279.

Поступила 28.05.10.

ANALYSIS OF DRUGS IN PHARMACOKINETIC STUDIES

D.V. Reikhart, V.V. Chistyakov

Summary

Conducted was a review of sensitive and specific analytical methods for studying the pharmacokinetics of drugs. Shown were the advantages and limitations of immune-enzyme analysis, of high performance liquid chromatography with fluorescence and mass spectrometric detection. The usage of a method in the evaluation of the pharmacokinetics of drugs in each case should be determined by the structure of the compound and the laboratory equipment.

Key words: liquid chromatography, fluorescence and mass spectrometric detection, immune-enzyme analysis, pharmacokinetics.