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Nachweis von zentral wirksamen Arzneimitteln im Kopfhaar psychiatrischer Patienten mittels LC-TOF MS
(2007)
Es handelt sich bei meiner Arbeit um haaranalytische Untersuchungen, welche häufig zum forensischen Nachweis von illegalen Drogen oder zentralwirksamen Arzneimitteln im Haar eingesetzt werden, was auch noch Monate bis Jahre nach erfolgter Einnahme möglich ist. Eine der Fragestellungen dieser Arbeit war, ob sich die mittlerweile universell eingesetzte Detektionsmethode LC-TOF MS mit der in der Haaranalyse etablierten Methanolextraktionsmethode zu einem Haarscreeningverfahren kombinieren lässt, welches einfach und schnell durchführbar ist und sensitiv viele Substanzen umfasst. Bei speziellen Fragestellungen sind bisher noch zeitintensive Sonderaufarbeitungen nötig, so dass ein breitgefächertes Screening auf die am häufigsten eingenommenen Psychopharmaka und Betäubungsmittel sehr sinnvoll wäre. Weiterhin sollte überprüft werden, ob sich auch hochpotent wirksame Arzneimittel nach therapeutischer Einnahme in ausreichend hohen Konzentrationen ins Haar einlagern. Ausserdem bestand die Frage, ob auch einmalige Einnahmen von Psychopharmaka mit dem TOF zuverlässig erfasst werden können, was z.B. im Fall von KO-Mittelbeibringung von großer kriminalistischer Bedeutung ist, aber bisher nur in Einzelfällen untersucht wurde. Die Dissertation setzt sich aus mehreren Themenbereichen zusammen. Nach der Selektion von 51 zu untersuchenden psychotropen Substanzen habe ich Voruntersuchungen zur Haaraufbereitung gemacht. Um eine optimale Lösung der Substanzen aus der Haarmatrix zu erreichen testete ich die enzymatischen Lyse als Alternative zur methanolischen Extraktion. Dann validierte ich die neu auf dem Markt erschienene und noch wenig beforschte Detektionsmethode des LC-TOF MS und legte nach den statistischen Vorgaben der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie die linearen Arbeitsbereiche und Nachweisgrenzen für jede Substanz fest. Ausserdem verglich ich bei der Auswertung dieser Versuchsreihen die manuelle Integration mit der automatischen Suche mittels MFE hinsichtlich Sensitivität und Spezifität, um die Frage zu klären, ob sich der enorme zeitliche Aufwand bei trotzdem akeptabler Qualität der Ergebnisse reduzieren lässt. Weiterhin wird in der Arbeit die Nachweisempfindlichkeit nach Haaraufbereitung mit und ohne Derivatisierung verglichen. Schliesslich wurde die Zuverlässigkeit der Haaranalyse auf Psychopharmaka anhand einer Patientenstudie untersucht, wozu ich eine klinische Studie an 40 geschlossen-stationären Patienten des Zentrums für Psychiatrie hier an der Uniklinik durchführte. Zusätzlich wurden einige forensische Fälle aufgearbeitet und auch einmalige Medikamenteneinnahmen von stationären Patienten untersucht, um zu sehen, ob das LC-TOF MS empfindlich genug misst zur Detektion dieser wesentlich niedrigeren Haarkonzentrationen. Ergebnisse: Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Analyse von Haaren auf ihren Substanzgehalt mittels LC-TOF MS einige Vorteile gegenüber alternativen Detektionsmethoden aufweist. Die Eignung als Screeningmethode wird von den Untersuchungsergebnissen belegt und der Nachweis der untersuchten 51 Substanzen ist sehr sensibel möglich. Zur Beurteilung eines fraglichen Arzneimittelmissbrauchs ist die Empfindlichkeit voll ausreichend und für Psychiatriepatienten als Überprüfung der Compliance äußerst sinnvoll. Für Fragestellung nach Verabreichung von KO-Mitteln hingegen werden einmalige Einnahmen nicht zuverlässig genug detektiert. Die praktische Relevanz der Detektion mit LC-TOF MS hat zur Etablierung als Routinemethode im toxikologischen Labor der Rechtsmedizin Frankfurt geführt. Die noch sehr zeitaufwändige Datenauswertung der dargestellten Messreihen könnte zukünftig durch Weiterentwicklung der Software sicher deutlich optimiert werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) für die Messung von halogenierten Spurengasen charakterisiert und das verwendete analytische System optimiert. Ein TOF-MS hat den Vorteil, dass es die volle Masseninformation aufzeichnet. Dadurch ist es möglich, auch im Nachhinein Substanzen zu identifizieren und retrospektiv auszuwerten. Eine retrospektive Auswertung kann helfen, Auswirkungen auf die Atmosphäre besser abschätzen zu können. Aus diesem Grund wurde mit Hilfe des TOF-MS ein digitales Datenarchiv durch regelmäßige Messungen von Luftproben, die am Taunus Observatorium auf dem Kleinen Feldberg genommen wurden, initialisiert. Durch die Wahl des Taunus Observatoriums werden in unmittelbarer Nähe des industriellen Ballungsraums Rhein-Main auf der Nordhemisphäre Luftproben genommen, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, unbekannte Substanzen in erhöhter Konzentration zu messen.
Bevor das TOF-MS jedoch für die Initialisierung des Datenarchivs verwendet werden konnte, wurde es charakterisiert und mit einem, für die Analyse von halogenierten Kohlenwasserstoffen etablierten QP-MS verglichen. Um beide Detektoren vergleichen zu können, erfolgte die Probenaufgabe, Probenaufkonzentrierung und die Separation der Probe im Gaschromatographen innerhalb eines gemeinsamen Systems. Nach der Separation im GC teilt sich der Trägergasfluss auf. Die Charakterisierung des TOF-MS und der Vergleich mit dem QP-MS umfasst die Auswertung der Daten, die Messpräzision, die Linearität, die Sensitivität der Detektoren, die Massenauflösung und die Massenachsenbestimmungsgenauigkeit.
Hinsichtlich der Messpräzision liegen beide Massenspektrometer, wie ermittelt auf dem selben Niveau, wodurch sie auch sehr geringe Variabilitäten in den Mischungsverhältnissen von halogenierten Kohlenwasserstoffen aufzeichnen können.
Die Linearität der Detektoren ist substanzspezifisch. Während das QP-MS in Übereinstimmung mit bereits literaturbekannter Eigenschaft, einen sehr großen linearen Bereich aufweist, zeigt das hier verwendete TOF-MS für 2/3 aller ausgewerteter Substanzen starke substanz- und fragmentabhängig Nichtlinearitäten. Das nichtlineare Verhalten des Detektors des TOF-MS zeigt sich auch bei den Messvergleichen, wobei jedoch nur signifikante Abweichungen bei sehr hohen und sehr niedrig gemessenen Mischungsverhältnissen beobachtet wurden. Diese starke Nichtlinearität stellt eine große Einschränkung für eine retrospektive Auswertung unbekannter Substanzen dar, da deren Verlauf nur qualitativ nicht aber quantitativ dargestellt werden kann.
Die Massenauflösung liegt beim TOF-MS bei 1000 mit einer Massenachsenbestimmungsgenauigkeit zwischen 50-170~ppm, wodurch es dem QP-MS, welches nur Einheitsauflösung vorweist, weit überlegen ist. Mit dieser Auflösung und Massenachsenbestimmungsgenauigkeit ist das TOF-MS in der Lage einen halogenierten von einem nichthalogenierten Kohlenwasserstoff quantitativ zu trennen.
Zum Vergleich der Sensitivität der beiden Massenspektrometer wurde das QP-MS in drei verschiedenen Modi betrieben: Zum einen dem SCAN-Modus, dem operationalen SIM-Modus, welcher im regulärem Messbetrieb verwendet wird und mehrere Ionen pro Zeitfenster misst, und dem optimierten SIM-Modus, welcher nur ein Ion der jeweiligen Substanz misst. Das TOF-MS hat die gleiche Sensitivität wie das QP-MS im optimierten SIM-Modus. Das TOF-MS hat eine um den Faktor 3 höhere Sensitivität als das QP-MS im operationalen SIM-Modus und eine um den Faktor 12 höhere Sensitivität als das QP-MS im SCAN-Modus bei den betrachteten Substanzen.
Die Initialisierung des digitalen Datenarchivs wurde im Oktober 2013 mit der Probennahme am Taunus Observatorium begonnen, wobei in der vorliegenden Arbeit der Zeitraum von einem Jahr betrachtet wurde. Es wurden Identifizierungen aus regulären Proben der Taunus Observatoriums-Zeitreihe durchgeführt und so die Substanzen HFC-32, HFC-245fa,HCFC-133a und HFO-1234yf gefunden. Zusätzlich stellte Martin Vollmer (Eidgenössische Material und Prüfgesellschaft) zwei Gasmischungen zu Verfügung für die Identifikation von noch nicht am System vermessenen Substanzen. Somit konnte die Vielfalt an diesem System vermessener Substanzen von 40 auf insgesamt 64 Substanzen erweitert werden.
Von den neu identifizierten Substanzen wurden HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-32, HCFO-1233zd, HFO-1234zd, HFO-1234yf, HFC-245fa, HCFC-31, HFC-133a, Isofluran und HFC-112 in der Taunus Observatoriums-Zeitreihe gefunden und rückwirkend aufgearbeitet.
Durch die retrospektive Auswertung ist das TOF-MS für seine charakterisierte Anwendung zum Einsatz gekommen.