Sebastian Andres Zimmermann

• The aim of the present work was to improve drug monitoring in patients with various diseases in the context of precision medicine. This was pursued through the development and validation of mass spectrometric methods for determining the drug concentrations of kinase inhibitors and their clinical application. Besides conventional approaches to determine plasma level concentrations, the focus was also on alternative sampling techniques using volumetric absorptive microsampling (VAMS). A conventional LC-MS/MS method was developed for theThe aim of the present work was to improve drug monitoring in patients with various diseases in the context of precision medicine. This was pursued through the development and validation of mass spectrometric methods for determining the drug concentrations of kinase inhibitors and their clinical application. Besides conventional approaches to determine plasma level concentrations, the focus was also on alternative sampling techniques using volumetric absorptive microsampling (VAMS). A conventional LC-MS/MS method was developed for the determination of cabozantinib in human EDTA plasma and validated according to the guidelines of the European and United States drug authorities (EMA, FDA). The method met the required criteria for linearity, accuracy and precision, selectivity, sensitivity, and stability of the analyte. Validation was also performed for dilution integrity, matrix effect, recovery, and carry-over, with results also in accordance with the requirements. The importance of monitoring the exposure of cabozantinib was demonstrated by a clinical case report of a 34-year-old female patient with advanced adrenocortical carcinoma who also required hemodialysis due to chronic kidney failure. Expected cabozantinib plasma concentrations were simulated for this off-label use based on a population pharmacokinetic model. It was shown that the steady state trough levels were much lower than expected but could not be explained by hemodialysis. Considering the critical condition and potential drug-drug interaction with metyrapone, a substance the patient had taken among several others during the observation period, individual pharmacokinetics could consequently not be estimated without drug monitoring. In addition, a VAMS method for simultaneous determination of ten kinase inhibitors from capillary blood was developed. This microsampling technique was mainly characterized by the collection of a defined volume of blood, which could be dried and subsequently analyzed. The guidelines for bioanalytical method validation of the EMA and FDA were also used for this evaluation. As the nature of dried blood samples differs from liquid matrices, further parameters were investigated. These include the investigation of the hematocrit effect, process efficiency, and various stability conditions, for example at increased storage temperatures. The validation showed that the developed method is suitable to analyze dried matrix samples accurate, precise, and selective for all analytes. Apart from the stability tests, all acceptance criteria were met. The decreased stability of two analytes was probably due to the reproducible but reduced recovery. In vitro studies provided results on the VAMS-to-plasma correlation to predict the analyte distribution between both matrices, at least in an exploratory manner. It revealed a heterogeneous picture of analytes with different VAMS-to-plasma distributions. Furthermore, the analysis of 24 patient samples indicated the applicability of at-home VAMS. Both should be confirmed later as part of the clinical validation. The clinical investigation of the VAMS method pursued two objectives. On the one hand, the simultaneous collection of VAMS and serum samples should enable a conversion of the determined concentrations and, on the other hand, the feasibility of autonomous microsampling at home should be examined more closely. For the former, it could be shown that different conversion methods are suitable for converting VAMS concentrations into serum levels. The type of conversion was secondary for the prediction. However, the previously defined criteria could not be fulfilled for all five kinase inhibitors investigated. The framework conditions of the study led to increased variability, especially for analytes with short half-life. A low and varying hematocrit, caused by the underlying disease, also made prediction difficult for a specific patient collective. For the second objective, investigating the feasibility of VAMS, different aspects were considered. It could be shown that the majority of patients support home-based microsampling. The acceptance is likely to increase even further when microsampling is no longer part of a non-interventional study, but participation is accompanied by targeted monitoring and subsequent adjustment of the therapy. The fact that additional training increases understanding of the correct sampling procedure is also a source of confidence. Demonstrated stability during storage under real-life conditions underlines the practicality of this sampling technique. Taken together, mass spectrometric methods for both plasma and VAMS could be developed and validated, and their clinical application could be successfully demonstrated. The availability of simple bioanalytical methods to determine kinase inhibitor exposure could improve access to prospective studies and thus facilitate the implementation of routine therapeutic drug monitoring.…
• Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einsatz des Drug Monitorings bei Patienten mit verschiedenen Erkrankungen im Rahmen der Präzisionsmedizin zu erleichtern. Dies wurde durch die Entwicklung und Validierung massenspektrometrischer Methoden zur Bestimmung der Wirkstoffkonzentrationen von Kinaseinhibitoren und deren klinische Anwendung verfolgt. Dabei standen neben konventionellen Ansätzen zur Bestimmung der Plasmaspiegelkonzentration auch alternative Entnahmetechniken in Form von „Volumetric Absorptive Microsampling (VAMS)“ im Mittelpunkt.Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einsatz des Drug Monitorings bei Patienten mit verschiedenen Erkrankungen im Rahmen der Präzisionsmedizin zu erleichtern. Dies wurde durch die Entwicklung und Validierung massenspektrometrischer Methoden zur Bestimmung der Wirkstoffkonzentrationen von Kinaseinhibitoren und deren klinische Anwendung verfolgt. Dabei standen neben konventionellen Ansätzen zur Bestimmung der Plasmaspiegelkonzentration auch alternative Entnahmetechniken in Form von „Volumetric Absorptive Microsampling (VAMS)“ im Mittelpunkt. Eine solche konventionelle LC-MS/MS-Methode wurde zur Bestimmung von Cabozantinib in humanem EDTA-Plasma entwickelt und nach den Richtlinien der europäischen und US-amerikanischen Arzneimittelbehörden (EMA, FDA) validiert. Die Methode erfüllte die geforderten Kriterien bezüglich Linearität, Richtigkeit und Präzision, Selektivität, Sensitivität und Stabilität des Analyten. Die Validierung erfolgte auch hinsichtlich Verdünnungsintegrität, Matrixeffekt, Wiederfindung, und Analyt-Verschleppung, deren Ergebnisse ebenso in Übereinstimmung mit den Vorgaben standen. Die Bedeutung der Expositionsüberwachung von Cabozantinib wurde anhand eines klinischen Fallberichts einer 34-jährigen Patientin mit fortgeschrittenem Nebennierenrindenkarzinom, die aufgrund chronischen Nierenversagens zudem dialysepflichtig war, gezeigt. Die erwartbaren Cabozantinib-Plasmakonzentrationen wurden für diesen Off-Label-Use basierend auf einem populations-pharmakokinetischen Modell simuliert. Es zeigte sich, dass die Steady-State-Talspiegel wesentlich niedriger waren als angenommen, sich aber nicht durch die Hämodialyse erklären ließen. Unter Berücksichtigung des kritischen Gesundheitszustandes und möglicher Arzneimittelinteraktionen mit Metyrapon, einer Substanz, die die Patientin neben einigen anderen während des Beobachtungszeitraums eingenommen hatte, konnte die individuelle Pharmakokinetik folglich nicht ohne Arzneistoffspiegelmessung abgeschätzt werden. Darüber hinaus konnte eine VAMS-Methode zur simultanen Bestimmung von zehn Kinaseinhibitoren aus Kapillarblut entwickelt werden. Dieses Mikrosampling-Verfahren zeichnete sich vor allem durch die Entnahme eines definierten Blutvolumens aus, welches getrocknet und anschließend analysiert werden konnte. Auch hierbei wurden die Richtlinien für bioanalytische Methodenvalidierung der EMA und FDA zur Beurteilung herangezogen. Da sich die Beschaffenheit der Trockenblutproben von flüssigen Matrices unterscheidet, wurden weitere Einflussfaktoren untersucht. Dazu gehören die Untersuchung des Hämatokrit-Effekts, der Prozesseffizienz und verschiedener Stabilitätsbedingungen, zum Beispiel bei erhöhten Lagertemperaturen. Die Validierung zeigte, dass die entwickelte Methode in der Lage ist Trockenmatrixproben für alle Analyten richtig, präzise und selektiv zu messen. Von den Stabilitätsuntersuchungen abgesehen wurden alle Akzeptanzkriterien erfüllt. Die verminderte Stabilität von zwei Analyten ist vermutlich durch die zwar reproduzierbare, aber geringere Wiederfindungsrate zu begründen. In vitro Untersuchungen lieferten Ergebnisse über die VAMS-zu-Plasma-Korrelation, um die Analytverteilung zwischen beiden Matrizes zumindest exploratorisch vorherzusagen. Dabei zeigte sich ein heterogenes Bild von Analyten mit unterschiedlicher VAMS-zu-Plasma-Verteilung. Darüber hinaus zeigten die Messungen von 24 Patientenproben die Anwendbarkeit von VAMS im häuslichen Umfeld. Beides sollte später im Rahmen der klinischen Validierung bestätigt werden. Die klinische Untersuchung der VAMS-Methode verfolgte zweierlei Ziele. Zum einen sollte durch die zeitgleiche Entnahme von VAMS und Serumproben eine Umrechnung der ermittelten Konzentrationen ermöglicht und zum anderen die Durchführbarkeit der eigenständigen Mikroprobenentnahme zuhause genauer überprüft werden. Für Ersteres konnte gezeigt werden, dass verschiedene Umrechnungsmethoden geeignet sind, VAMS-Konzentrationen in Serumspiegel umzurechnen. Die Art der Umrechnung war für die Vorhersage zweitrangig. Allerdings konnten nicht für alle fünf untersuchten Kinaseinhibitoren die zuvor festgelegten Kriterien erfüllt werden. Die Rahmenbedingungen der Studie führten vor allem bei Analyten mit geringer Halbwertszeit zu einer erhöhten Variabilität. Ein geringer und schwankender Hämatokritwert, bedingt durch die zugrundeliegende Erkrankung, erschwerte zudem die Vorhersage bei einem bestimmten Patientenkollektiv. Für das zweite Ziel, die Durchführbarkeit von VAMS zu untersuchen, wurden verschiedene Aspekte betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die Mehrheit der Patienten die häusliche Mikroprobenentnahme befürwortet. Die Akzeptanz dürfte sogar noch weiter steigen, wenn die Mikroprobenentnahme nicht mehr nur Teil einer nicht-interventionellen Studie ist, sondern die Teilnahme mit einer gezielten Überwachung und anschließenden Anpassung der Therapie einhergeht. Zuversichtlich stimmte auch die Tatsache, dass ein zusätzliches Training das Verständnis für die korrekte Durchführung erhöht. Dass sich die Stabilität auch bei der Lagerung unter Realbedingungen zeigen ließ, unterstreicht die Praxistauglichkeit dieser Sampling-Technik. Insgesamt konnten sowohl für Plasma als auch VAMS massenspektrometrische Methoden entwickelt, validiert und deren klinische Anwendung erfolgreich demonstriert werden. Die Verfügbarkeit von simplen bioanalytischen Methoden zur Bestimmung der Kinaseinhibitor-Exposition könnte den Zugang zu prospektiven Studien und damit die Einführung von routinemäßigem Therapeutischen Drug Monitoring erleichtern.…