Development and validation of LC-MS/MS methods to determine PK/PD parameters of anti-infectives

Entwicklung und Validierung von LC-MS/MS Methoden zur Bestimmung von PK/PD-Parametern von Antiinfektiva

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-109215
  • In the present thesis the development and validation of bioanalytical LC-MS/MS methods for the quantification of erythromycin A, erythromycin ethylsuccinate, roxithromycin, clarithromycin, 14 hydroxy clarithromycin, flucloxacillin, piperacillin and moxifloxacin in human plasma and human urine (piperacillin) is introduced. All methods were applied to analyze human plasma and urine samples from clinical trials and therefore, have been validated according to international guidelines. The methods were reliable in these studies and fulfilled allIn the present thesis the development and validation of bioanalytical LC-MS/MS methods for the quantification of erythromycin A, erythromycin ethylsuccinate, roxithromycin, clarithromycin, 14 hydroxy clarithromycin, flucloxacillin, piperacillin and moxifloxacin in human plasma and human urine (piperacillin) is introduced. All methods were applied to analyze human plasma and urine samples from clinical trials and therefore, have been validated according to international guidelines. The methods were reliable in these studies and fulfilled all regulatory requirements known at the time of the study conduct. Moreover, the validation data of the macrolides were compared on three different mass spectrometers (API III Plus, API 3000™, API 5000™). The new innovations in the ion source (horizontal versus vertical electrospray), the ionpath (skimmer, QJet) and the diameter of the orifice resulted in better sensitivity and a larger linearity range for the majority of the analytes. Sensitivity was improved up to a factor of 12 (for clarithromycin) between API III Plus to API 3000™ and up to a factor of 8 (for erythromycin and roxithromycin) between API 3000™ and API 5000™, keeping the accuracy and precision data at about the same level. The high sensitivity was a benefit for example for the flucloxacillin study, because concentrations from all subject samples were detectable up to approximately eight half-lives, i.e. no concentrations needed to be reported below the quantification limit. Also the linearity range were extended from two orders of magnitude to up to four orders of magnitude, which increases the likelihood to allow to analyze all samples from a pharmacokinetic study in the same run. This is especially useful if a large concentration range needs to be analysed, for example, if the method shall be applied in an ascending dose study. Then, all low concentrations from the beginning of the study can be determined, as well as all high concentrations, without the need to dilute and analyse single samples repeatedly. The pharmacokinetic data were compared to previously reported literature data and correlated graphically with MIC values of popular microorganisms which might be a starting point for further PK/PD investigations. The PK/PD theory is a very helpful tool for prediction of the efficacy of given drugs against certain micro-organisms. Depending on the pharmacodynamic processes, e. g. the mode of action, three classes of drugs have been identified. In the same way this applies to adverse effects, which need to be minimised by reducing plasma concentrations. These coherences are not well-investigated, yet, and are not discussed further in this thesis. Still, a lot of research has to be done in this interdisciplinary field to minimise uncertainty in single values, like an AUC/MIC. These include: Improve accuracy and precision of bioanalytical methods determining total and free concentration data in biological matrices for calculation of AUC and Cmax These parameters are related to the MIC in pharmacodynamic considerations. Since the determination of the MIC often underlies significant variations and also differences between microbiological laboratories, the determination of concentrations of anti-infectives is particular important, being achievable by scientific exact techniques. Finally, from the volume of distribution of antibiotics can be used to derive information about intracellular concentrations and effectivity of antiinfectives.show moreshow less
  • In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Validierung von bioanalytischen LC-MS/MS-Methoden zur Quantifizierung von Erythromycin A, Erythromycin-ethylsuccinat, Roxithromycin, Clarithromycin, 14 Hydroxy-clarithromycin, Flucloxacillin, Piperacillin und Moxifloxacin in Humanplasma und Humanurin (Piperacillin) vorgestellt. Alle Methoden wurden für die Analyse von Plasma- und Urinproben aus klinischen Studien beim Menschen eingesetzt und deshalb nach international anerkannten Richtlinien validiert. In diesen Studien haben sich die MethodenIn der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Validierung von bioanalytischen LC-MS/MS-Methoden zur Quantifizierung von Erythromycin A, Erythromycin-ethylsuccinat, Roxithromycin, Clarithromycin, 14 Hydroxy-clarithromycin, Flucloxacillin, Piperacillin und Moxifloxacin in Humanplasma und Humanurin (Piperacillin) vorgestellt. Alle Methoden wurden für die Analyse von Plasma- und Urinproben aus klinischen Studien beim Menschen eingesetzt und deshalb nach international anerkannten Richtlinien validiert. In diesen Studien haben sich die Methoden bewährt und alle Anforderungen der zum Zeitpunkt der Studie bekannten behördlichen Ansprüche erfüllt. Die Validierungsdaten der Makrolid-Methoden konnten zudem an drei Massenspektrometern der selben Baureihe verglichen werden. Dabei zeigte sich, dass die Neuerungen an der Ionenquelle (horizontale versus vertikale ESI), dem Ionenpfad (Skimmer, QJet), sowie das immer größere Orifice in der Baureihe, nicht nur stetig verbesserte Sensitivität ermöglichen, sondern auch immer größere Linearitätsbereiche. So konnte ein Sensitivitätsgewinn bis zu Faktor 12 (Clarithromycin) von API III Plus auf API 3000™ und bis zu Faktor 8 (Erythromycin und Roxithromycin) von API 3000™ auf API 5000™ bei etwa gleichen Werten für die Präzision erreicht werden. Die hohe Sensitivität zeigte sich zum Beispiel bei der Flucloxacillin Studie von Vorteil, da alle Konzentrationen bis circa acht Halbwertszeiten nach Wirkstoffgabe bestimmt werden konnten, ohne dass einzelne Proben als „BLOQ“ (unter dem Quantifizierungslimit) berichtet werden mussten. Während früher noch Linearitätsbereiche um zwei Größenordnungen üblich waren, sind jetzt am API 5000™ Konzentrationsbereiche über bis zu vier Größenordnungen reproduzierbar linear. Das ist insbesondere von Nutzen, wenn bei einer Substanz ein größerer Konzentrationsbereich gemessen werden muss. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Methode für eine Dosissteigerungsstudie eingesetzt werden soll. Dann können sowohl alle kleinen Konzentrationen zu Beginn der Studie gemessen werden, als auch alle hohen Konzentrationen zum Ende der Studie, und zwar ohne, dass einzelne Proben gesondert verdünnt und wiederholt gemessen werden müssen. Die pharmakokinetischen Daten der Antibiotika wurden in den Kontext mit Literaturdaten gestellt und graphisch mit MHK-Werten für gängige Mikroorganismen verglichen, was den Ausgangspunkt für spätere PK/PD-Untersuchungen darstellt. Für die Vorhersage der Wirksamkeit einer verabreichten Substanz gegenüber bestimmten Mikroorganismen ist die PK/PD-Korrelation ein gutes Hilfsmittel. Anhand der pharmakodynamischen Parameter, wie der Wirkungsweise, können drei Antibiotikaklassen gebildet werden. In analoger Weise gilt für die Nebenwirkungen, dass die Plasma-Konzentrationen verringert werden müssen. Diese Zusammenhänge sind jedoch weniger gut untersucht und werden in dieser Dissertation nicht näher diskutiert. In diesem interdisziplinären Feld ist immer noch viel Forschung nötig um beispielsweise Unsicherheiten bei einzelnen Werten wie z.B. AUC/MIC zu minimieren. Diese beinhalten: Verbesserung der Genauigkeit und Präzision von bioanalytischen Methoden welche für die Bestimmung der Gesamtkonzentration und der freien Konzentration in biologischen Matrices verwendet werden um AUC und Cmax zu bestimmen. Diese Parameter werden in pharmakodynamischen Überlegungen in Beziehung zur MHK gesetzt. Da die MHK-Bestimmung oft erheblichen Schwankungen und auch Unterschieden zwischen verschiedenen mikrobiologischen Laboratorien unterliegt, kommt der Konzentrationsbestimmung der Antibiotika besondere Bedeutung zu, weil sie mit naturwissenschaftlich exakten Methoden möglich ist. Aus den Verteilungsvolumina von Antibiotika lassen sich schließlich auch noch Informationen über die intrazelluläre Konzentration und Wirksamkeit von Antibiotika ableiten.show moreshow less

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Metadaten
Author: Verena Jakob-Rodamer
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-109215
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie
Referee:Prof. Dr. Fritz Sörgel, Prof. Dr. Ulrike Holzgrabe, Prof. Dr. Petra Högger
Date of final exam:2015/02/16
Language:English
Year of Completion:2014
Sonstige beteiligte Institutionen:IBMP - Institut für Biomedizinische und Pharmazeutische Forschung in Nürnberg-Heroldsberg
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 543 Analytische Chemie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 615 Pharmakologie, Therapeutik
GND Keyword:Antimikrobieller Wirkstoff; Pharmakokinetik; Pharmakodynamik; LC-MS
Tag:Antiinfektiva
LC-MS/MS; anti-infectives; antibiotic; clinical study; liquid chromatography; mass spectrometry; pharmacokinetic
Release Date:2016/02/16
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht