TY  - THES
A1  - Munz, Martin Reinhold
T1  - Individualization of drug therapy considering pharmacokinetic and clinical factors
T1  - Individualisierung der Arzneimitteltherapie anhand pharmakokinetischer und klinischer Faktoren
N2  - In the „Position Paper of the Division of Clinical Pharmacy of the German Pharmaceutical Society (DPhG)” clinical pharmacy is defined as the science and practice of the rational use of drugs1, which includes the individualization of drug therapy. Clinical pharmacists therefore need a profound knowledge of the pharmacokinetic properties of relevant drugs, and clinical factors that are influencing these properties.
Against the background of individualizing drug therapy, pharmacokinetic and clinical factors are studied in this thesis.
In order to obtain an overview of the existing data on the pharmacokinetics of imipenem / cilastatin and meropenem in critically ill patients, a literature review for each of these carbapenem antibiotics was performed. These reviews included studies in critically ill patients as well as studies in healthy volunteers. While the reported results of studies in healthy volunteers had a small variability, studies in critically ill patients show significant differences in the resulting pharmacokinetics. These differences were not only between, but also within these studies, resulting in a high variability of the pharmacokinetic parameters of the carbapenems in critically ill patients. Furthermore, the results of studies in critically ill patients indicate that clinical factors and in particular renal function have different effects on the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin. 
A therapeutic drug monitoring (TDM) program for antibiotics was initiated in an intensive care unit. The calculation of the pharmacokinetics of imipenem / cilastatin and meropenem was carried out with a population pharmacokinetic approach (POP-PK) and in addition with a non-compartmental approach (NCA). 
The POP-PK analysis showed that the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin could be described adequately with a 1-compartment model. The resulting mean total body clearance (CL) of imipenem and cilastatin was 11.6 L/h (4.24 to 27.5) and 6.14 L/h (0.520 to 26.6 L/h). The nonrenal clearance was estimated to be 5.30 L / h (24.9% CV) for imipenem and 0.138 L / h (33.3% CV) for cilastatin. 
The results of the NCA were in good agreement with the results of the POP-PK approach, as the NCA resulted in an imipenem clearance of 15.5 ± 7.3 L / hr and cilastatin clearance of 10.1 ± 9.9  L / h. The individual clearances resulting from the different pharmacokinetic approaches were in good correlation showing correlation coefficients (r) of 0.882 (p <0.001) and 0.908 (p <0.001) for imipenem and cilastatin.
In summary, this study identified and quantified significant differences between the individual clearance mechanisms of imipenem and cilastatin. This is particularly true for patients with impaired renal function and sepsis. As imipenem / cilastatin is only available in a fixed dose combination, those patients might be treated inadequately with this combination. The great variability in the pharmacokinetics of imipenem and cilastatin in septic patients underscores the importance of a TDM program of both substances.
For meropenem, a PK/PD model was developed that predicts the concentration gradients of meropenem, serum creatinine, C-reactive protein and procalcitonin simultaneously. A non-linear relationship between the clearance of creatinine and meropenem was identified and the resulting equation for the calculation of the total body clearance of meropenem (for a 70 kg patient) was: 0.480 L/h + 9.86 L/h. (CLCR/6L/h)0.593, with 0.480 L/h representing the nonrenal clearance of meropenem.
The resulting mean meropenem clearance of the NCA was 11.9 ± 8.7 L/h. The individual clearances resulting from the different pharmacokinetic approaches were poorly correlated showing a correlation coefficient (r) of 0.502 (p <0.001).
In summary, this study showed a non-linear relationship of meropenem clearance and creatinine clearance. The model shows that the renal function may change rapidly and to a significant extent in patients with sepsis and septic shock, which in turn, underscores that creatinine concentrations are not in steady state in these patients. Conversely, dose adjustment based on creatinine values might lead to inappropriate therapy. This underlines the importance of a TDM program for meropenem in critically ill patients.
The two most important considerations when choosing an antibiotic for the prophylaxis of postoperative bone infections are its activity against the whole spectrum of bacteria, which might be involved in bone infections, and its ability to penetrate bone tissue and thus to achieve concentrations above the minimum inhibitory concentration (MIC) of the corresponding pathogens.
In order to gain information on this data, a study was conducted which investigated the pharmacokinetics of ampicillin / sulbactam in plasma, cortical and cancellous bone. Pharmacokinetic parameters in plasma were determined using NCA. The bone penetration represents the ratio of the concentration in the bone tissue to plasma concentration at the time of bone removal. The resulting half-life of ampicillin and sulbactam in plasma was 1.60  0.37 h and 1.70  0.42 h. The elimination of both substances was in a good correlation with creatinine clearance and resulted in correlation coefficients (r) of 0.729 (p = 0.003) for ampicillin and 0.699 (p = 0.005) for sulbactam. The mean clearance and the mean volume of distribution of ampicillin and sulbactam were 10.7  3.9 and 10.3  3.3 L/h, and 23.9  7.9 and 24.3  6.8 L. The mean concentrations of ampicillin in the cortical and cancellous bone were 6.60  4.22 and 10.15  7.40 µg/g, resulting in bone penetration ratios of 9.1  5.7 and 16.2  16.9 %. For sulbactam the corresponding concentrations were 3.91  2.52 and 5.73  4.20 µg/g, resulting in bone penetration ratios of 10.6  6.3 and 17.5  16.1 %.
In summary, this study shows that the bone penetration of both substances is on average rather unsatisfactory and has a high variability, which can lead to inadequate bone concentrations for the prophylaxis of bone infections. One factor that could be identified for the penetration of both substances into cancellous bone was the period between the application of the drug and the removal of the bone. Therefore, a time interval between the administration of the antibiotic and the incision should be considered.
Immunosuppression is a risk factor for the development of various malignancies, including hematologic diseases. While the relationship between the use of immunosuppressive therapy with methotrexate and the development of an Epstein-Barr virus (EBV) associated lymphoproliferative disease (LPD) has been well established, this connection is less evident for immunosuppressive therapy with azathioprine. 
The patient presented by us was immunosuppressed with azathioprine for autoimmune hepatitis. The development of an EBV-associated Hodgkin-like lymphoma under this immunosuppressive therapy and especially the regression of the lymphoma after cessation of azathioprine confirms the relationship between this immunosuppressant, EBV-infection and the development of Hodgkin-like lymphoma.  Therefore, albeit in rare cases, azathioprine-related lymphomas may respond to mere cessation of immunosuppressive therapy without need for chemotherapy. 
Apart from viral infections, drugs are a major cause of acute liver failure. Due to the lack of specific symptoms or tests, it is difficult to diagnose a drug-induced liver injury. We report a case of a young patient in whom different antibiotics, the analgesic and antipyretic acetaminophen or a combination of these drugs may have led to DILI resulting in life-threatening ALF. Based on this case report, we describe a procedure to exclude non-drug related causes and discuss the hepatotoxic potential of the involved drugs in this case.
N2  - Im Positionspapier der Fachgruppe für Klinische Pharmazie der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft (DPhG) wird Klinische Pharmazie als Wissenschaft und Praxis vom rationalen Arzneimitteleinsatz definiert1. Dies schließt auch die Therapie- und Dosisindividualisierung ein. Grundlage hierzu sind profunde Kenntnisse insbesondere der pharmakokinetischen Eigenschaften eines Arzneimittels, sowie klinischer Faktoren, welche diese beeinflussen.  
 In dieser Dissertation werden pharmakokinetische und klinische Einflussfaktoren untersucht, welche als Entscheidungsgrundlage für eine Dosis- und Therapie- Individualisierung dienen können. 
Um einen Überblick über bereits existierende Daten zur Pharmakokinetik der Carbapenem-Antibiotika Imipenem / Cilastatin und Meropenem bei kritisch kranken Patienten zu erhalten, wurde für beide Carbapeneme eine Literaturübersicht erstellt, welche sowohl Studien an kritisch kranken Patienten, als auch an gesunden Probanden einbezieht. Während die Studien an gesunden Probanden zu relativ ähnlichen Ergebnissen bei den pharmakokinetischen Parametern führten, ergaben die Studien an kritisch kranken Patienten zum Teil erhebliche Unterschiede in der resultierenden Pharmakokinetik. Diese Unterschiede zeigten sich nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb der Studien, was in einer hohen Variabilität der pharmakokinetischen Parameter bei kritisch kranken Patienten resultierte. Des Weiteren deuten die Ergebnisse der Studien an Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion darauf hin, dass klinische Faktoren wie insbesondere die Nierenfunktion, einen unterschiedlichen Einfluss auf die Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin haben, welche ausschließlich in fixer Kombination verabreicht werden. 
Im Folgenden wurde die Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin bei kritisch kranken Patienten untersucht, deren Imipenem / Cilastatin Blutspiegel im Rahmen eines Therapeutischen Drug Monitoring (TDM) Programms bestimmt wurden. Die Berechnung der Pharmakokinetik erfolgte hier sowohl mit einem populationspharmakokinetischen Ansatz (POP-PK), als auch mit einer nicht-kompartimentellen Analyse (NCA). Die POP-PK Analyse ergab, dass die Pharmakokinetik beider Substanzen mit einem 1-Kompartiment Modell hinreichend beschrieben werden kann. Für die Gesamt-Clearance (CL) ergaben sich Werte von 11.6 L/h (4.24 – 27.5) für Imipenem und 6.14 L/h (0.520 – 26.6) für Cilastatin. Für die nicht-renale Clearance ergab sich ein Wert von 5.30 L/h (24.9% CV) für Imipenem und 0.138 L/h (33.3% CV) für Cilastatin. Die Ergebnisse der NCA waren in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des POP-PK Ansatzes. Für die Clearance von Imipenem und Cilastatin ergaben sich hier 15.5 ± 7.3 L/h bzw. 10.1 ± 9.9 L/h. Aus der Korrelation der Clearances beider PK-Analyse-Methoden ergaben sich Korrelationskoeffizienten (r) von 0.882 (p<0.001) und 0.908 (p<0.001) für Imipenem bzw. Cilastatin.
In Zusammenfassung identifizierte diese Untersuchung deutliche Unterschiede der einzelnen Clearance-Mechanismen von Imipenem und Cilastatin und quantifizierte diese. Diese Unterschiede kommen bei Patienten zum Tragen, deren Nierenfunktion eingeschränkt ist, insbesondere wenn diese Patienten septisch sind.
Die große Variabilität der Pharmakokinetik von Imipenem und Cilastatin bei septischen Patienten unterstreicht die Bedeutung eines TDM-Programms beider Substanzen. Bei Patienten mit stark beeinträchtigter Nierenfunktion kann die Verwendung der fixen Kombination von Imipenem / Cilastatin aufgrund der unterschiedlichen Pharmakokinetik ungeeignet sein.
In einem gesonderten Ansatz wurde die Pharmakokinetik von Meropenem bei kritisch kranken Patienten untersucht, deren Meropenem Blutspiegel ebenfalls im Rahmen des genannten TDM-Programms bestimmt wurden. Wie bei Imipenem / Cilastatin erfolgte die pharmakokinetische Analyse hier ebenfalls zuerst mit einem POP-PK Ansatz, der dann mit einem NCA-Ansatz nachvollzogen wurde.
Für Meropenem wurde ein PK/PD-Modell entwickelt, welches gleichzeitig die Konzentrationsverläufe von Meropenem, Serumkreatinin, C-reaktivem Protein und Procalcitonin vorhersagt. Dadurch konnte ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Clearance von Meropenem und Kreatinin identifiziert werden. Die Gesamt-Clearance von Meropenem (für einen 70 kg Patienten) lässt sich anhand des Modells abschätzen nach: 0.480 L/h + 9.86 L/h . (CLCR/6 L/h)0.593, wobei 0.480 L/h die nicht-renale Clearance von Meropenem repräsentiert.
Der NCA-Ansatz ergab eine Meropenem Clearance von 11.9 ± 8.7 L/h, wobei die Korrelation zum POP-PK Ansatz mit einem Korrelationskoeffizienten (r) von 0.502 (p<0.001) wesentlich schwächer war, als bei Imipenem und Cilastatin. 
In Zusammenfassung zeigte diese Untersuchung einen nicht-linearen Zusammenhang der Meropenem-Clearance und der Kreatinin-Clearance. Das entwickelte Modell zeigt, dass sich die Nierenfunktion bei Patienten mit Sepsis und septischem Schock rapide und in erheblichem Ausmaß verändern kann, was wiederum dazu führt, dass sich die Kreatinin-Konzentrationen bei diesen Patienten in keinem Steady-State-Zustand befinden. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine Dosisanpassung anhand der Kreatinin-Werte zu einer inadäquaten Therapie führen kann. Dies unterstreicht die Bedeutung eines TDM-Programms für Meropenem bei kritisch kranken Patienten.  
Die zwei bedeutsamsten Überlegungen bei der Auswahl eines Antibiotikums zur Prophylaxe einer postoperativen Knocheninfektion sind dessen Aktivität gegen das in Frage kommende Erregerspektrum, sowie die Fähigkeit des Antibiotikums Gewebe und insbesondere Knochengewebe zu penetrieren und damit Konzentrationen zu erreichen, welche über der minimalen Hemm-Konzentration (MHK) entsprechender Erreger liegen. Um eine Entscheidungsgrundlage für diese Fragestellung zu liefern, wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der die Pharmakokinetik von Ampicillin / Sulbactam in Plasma, kortikalem und spongiösem Knochen untersucht wurde. 
Die pharmakokinetischen Parameter im Plasma wurden dabei mittels einer nicht-kompartimentellen Analyse bestimmt. Die Knochenpenetration stellt das Verhältnis der Konzentration im Knochengewebe zur Konzentration im Plasma zum Zeitpunkt der Knochenentnahme dar. Im Plasma ergab sich eine Halbwertszeit von 1.60  0.37 h für Ampicillin und 1.70  0.42 h für Sulbactam. Die Elimination beider Substanzen war damit in einer guten Korrelation mit der Kreatinin-Clearance, was in Korrelationskoeffizienten (r) von 0.729 (p=0.003) für Ampicillin und 0.699 (p=0.005) für Sulbactam resultierte. Die mittlere Clearance und das mittlere Verteilungsvolumen von Ampicillin bzw. Sulbactam waren 10.7  3.9 bzw. 10.3  3.3 L/h, und 23.9  7.9 bzw. 24.3  6.8 L. Die mittleren Konzentrationen von Ampicillin im kortikalen und spongiösen Knochen waren 6.60  4.22 und 10.15  7.40 µg/g, was in einer Knochenpenetration von 9.1  5.7 und 16.2  16.9 % resultierte. Für Sulbactam betrugen die entsprechenden Konzentrationen 3.91  2.52 und 5.73  4.20 µg/g, was in einer Knochenpenetration von 10.6  6.3 und 17.5  16.1 % resultierte. 
In Zusammenfassung zeigt diese Untersuchung auf, dass die Knochenpenetration beider Substanzen im Mittel eher ungenügend ist und eine hohe Variabilität besitzt, wodurch es zu inadäquaten Knochenkonzentrationen kommen kann. Ein Faktor, der zumindest für die Penetration in den spongiösen Knochen identifiziert werden konnte, war die Zeitspanne zwischen der Applikation und der Entnahme des Knochens, was eine Administration des Antibiotikums in zeitlichem Abstand zur Inzision sinnvoll erscheinen lässt. 
Immunsuppression ist ein Risikofaktor für die Entwicklung verschiedener maligner Erkrankungen inklusive hämatologischer Erkrankungen. Während der Zusammenhang zwischen einer immunsuppressiven Therapie mit Methotrexat und der Entwicklung einer Eppstein-Barr-Virus (EBV) assoziierten lymphoproliferativen Erkrankung (LPD) durch die Datenlage gut belegt ist, ist dieser Zusammenhang für eine immunsuppressive Therapie mit Azathioprin weniger evident. Anhand eines Fallberichtes wird die Entwicklung eines Hodgkin-Lymphoms unter Therapie einer Auto-Immunhepatitis mit Azathioprin beschrieben, welches durch alleiniges Absetzen der immunsuppressiven Therapie reversibel war.
Neben viralen Erkrankungen sind Arzneimittel eine der Hauptursachen für akutes Leberversagen. Aufgrund des Fehlens spezifischer Symptome oder Tests ist es jedoch schwierig, eine Arzneimittel-induzierte Lebertoxizität zu diagnostizieren. Anhand eines Fallberichtes, welcher die Entwicklung eines akuten Leberversagens unter Therapie mit verschiedenen Antibiotika und Paracetamol beschreibt, wird ein Vorgehen zum Ausschluss sonstiger Ursachen beschrieben, sowie das lebertoxische Potential der beteiligten Arzneistoffe diskutiert.
KW  - Pharmakokinetik
KW  - antibiotics
KW  - clinical pharmacy
KW  - dose individualization
KW  - pharmacokinetics
KW  - Pharmakotherapie
KW  - Dosis
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173396
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jakob-Rodamer, Verena
T1  - Development and validation of LC-MS/MS methods to determine PK/PD parameters of anti-infectives
T1  - Entwicklung und Validierung von LC-MS/MS Methoden zur Bestimmung von PK/PD-Parametern von Antiinfektiva
N2  - 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 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.
N2  - 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 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.
KW  - Antimikrobieller Wirkstoff
KW  - Pharmakokinetik
KW  - Pharmakodynamik
KW  - LC-MS
KW  - LC-MS/MS
KW  - anti-infectives
KW  - Antiinfektiva
KW  - mass spectrometry
KW  - liquid chromatography
KW  - antibiotic
KW  - pharmacokinetic
KW  - clinical study
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109215
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wohlfart, Jonas
T1  - Analysis of Drug Impurities by Means of Chromatographic Methods: Targeted and Untargeted Approaches
T1  - Analytik von Verunreinigungen in Arzneimitteln mittels chromatographischer Methoden: Gerichtete und ungerichtete Ansätze
N2  - The presented works aimed on the analysis of new impurities in APIs and medicinal products. Different subtypes of LC were coupled to suitable detection methods, i.e. UV and various MS techniques, depending on the chemical natures of the analytes and the analytical task.

Unexpected impurities in medicinal products and APIs caused several scandals in the past, concomitant with fatalities or severe side effects in human and veterinary patients. The detection of nitrosamines in sartans led to the discovery of nitrosamines in various other drugs, of which the antibiotic rifampicin was analyzed in this work. An examination of the synthesis of rifampicin revealed a high potential for the formation of 4-methyl-1-nitrosopiperazine (MeNP). An LC-MS/HRMS method suitable for the quantification of MeNP was applied in the analysis of drugs collected from Brazil, Comoros, India, Nepal, and Tanzania, where a single dose of rifampicin is used in the post-exposure prophylaxis of leprosy. All batches were contaminated with MeNP, ranging from 0.7-5.1 ppm. However, application of rifampicin containing up to 5 ppm MeNP was recommended by the regulatory authorities for the post-exposure prophylaxis of leprosy.

In the 1990s the aminoglycoside antibiotic gentamicin attracted attention after causing fatalities in the USA, but the causative agent was never identified unequivocally. The related substance sisomicin was recognized as a lead impurity by the Holzgrabe lab at the University of Würzburg: sisomicin was accompanied by a variety of other impurities and batches containing sisomicin had caused the fatalities. In 2016, anaphylactic reactions were reported after application of gentamicin. A contamination of the medicinal products with histamine, an impurity of the raw material fish peptone used upon the production, could be identified as the cause of the adverse effects. Batches of gentamicin sulfate, which had been stored at the University of Würzburg since the earlier investigations, were analyzed regarding their contamination with histamine to determine whether the biogenic amine was responsible for the 1990s fatalities as well. Furthermore, a correlation with the lead impurity sisomicin was checked. Histamine could be detected in all analyzed batches, but at a lower level than in the batches responsible for the anaphylactic reactions. Moreover, there is no correlation of histamine with the lead impurity sisomicin. Hence, the causative agent for the 1990s fatalities was not histamine and remains unknown.

Another source of impurities is the reaction of APIs with excipients, e.g. the esterification of naproxen with PEG 600 in soft gel capsules. The influence of the formulation’s composition on this reaction was investigated by means of LC-UV. Therefore, the impurity naproxen-PEG-ester (NPEG) was synthesized and used for the development of a method suitable for the analysis of soft gel capsule formulations. Different formulations were stressed for 7 d at 60 °C and the relative amount of NPEG was determined. The formation of NPEG was influenced by the concentrations of water and lactic acid, the pH, and the drug load of the formulation, which can easily be explained by the chemistry behind esterification reactions.

Keeping in mind the huge variety of sources of impurities, it might be impossible to predict all potential impurities of a drug substance/product. Targeted and untargeted approaches were combined in the impurity profiling of bisoprolol fumarate. Eight versions of an LC-HRMS method were developed to enable the detection of a maximum number of impurities: an acidic and a basic buffered LC was coupled to MS detection applying ESI and APCI, both in positive in negative mode. MS and MS/MS data were acquired simultaneously by information dependent acquisition. In the targeted approach, potential impurities were derived from a reaction matrix based on the synthesis route of the API, while the untargeted part was based on general unknown comparative screening to identify additional signals. 18 and 17 impurities were detected in the targeted and the untargeted approach, respectively. The molecular formulae were assessed based on the exact mass and the isotope pattern. Theoretical fragment spectra generated by in silico fragmentation were matched with experimental data to estimate the plausibility of proposed/elucidated structures. Moreover, the detected impurities were quantified with respect to an internal standard.
N2  - In den vorgestellten Projekten wurden neue Verunreinigungen in Arzneistoffen und Arzneimitteln untersucht. Verschiedene flüssigchromatographische Methoden wurden mit geeigneten Detektionsverfahren gekoppelt. UV-Detektion und verschiedene massenspektrometrische Techniken wurden in Abhängigkeit der chemischen Eigenschaften der Analyten und der analytischen Herausforderung ausgewählt.
Eine Kontamination von Wirkstoffen bzw. humanen und veterinären Arzneimittel mit unerwarteten Verunreinigungen löste mehrere Skandale aus, die mit Todesfällen oder ernsthaften Nebenwirkungen einhergingen. Die Identifikation von Nitrosamin-Verunreinigungen in Sartanen führte zur Entdeckung von Nitrosaminen in verschiedenen anderen Wirkstoffen, z.B. im Antibiotikum Rifampicin, das in dieser Arbeit untersucht wurde. Eine Betrachtung der Rifampicin-Synthese offenbarte ein hohes Potenzial der Bildung von 4-Methyl-1-nitrosopiperazin (MeNP). Arzneimittel aus Brasilien, Indien, Nepal, Tansania und von den Komoren wurden mittels LC-MS/HRMS bezüglich ihres MeNP-Gehaltes analysiert. Alle untersuchten Chargen waren mit MeNP im Bereich von 0.7-5.1 ppm belastet. Rifampicin wird in den genannten Ländern unter anderem als Einzeldosis zur Postexpositionsprophylaxe von Lepra eingesetzt. Für diese Indikation empfehlen die Zulassungsbehörden die Verwendung von Rifampicin mit bis zu 5 ppm MeNP.
Das Aminoglycosid-Antibiotikum Gentamicin löste in den 1990er Jahren Todesfälle in den USA aus. Die verantwortliche Verunreinigung wurde nie eindeutig aufgeklärt, doch die verwandte Substanz Sisomicin wurde durch den Arbeitskreis Holzgrabe an der Universität Würzburg als Leitverunreinigung identifiziert: Sisomicin ging mit einer Vielzahl von weiteren Verunreinigungen einher und Sisomicin-reiche Chargen hatten die Todesfälle ausgelöst. 2016 traten anaphylaktische Reaktionen nach Gentamicin-Anwendung auf. Histamin war als Verunreinigung von Fischpepton, einem Ausgangsmaterial der Produktion, in den Wirkstoff gelangt. Um zu überprüfen, ob Histamin auch für die Todesfälle in den 1990er Jahren verantwortlich war, wurden seit den früheren Untersuchungen gelagerte Gentamicin-Chargen bezüglich ihrer Verunreinigung mit Histamin untersucht. Außerdem wurde überprüft, ob es einen Zusammenhang mit dem Sisomicin-Gehalt gibt. In allen untersuchten Proben wurde Histamin gefunden, allerdings in einer geringeren Konzentration als in Chargen, die anaphylaktische Reaktionen ausgelöst hatten. Des Weiteren konnte kein Zusammenhang mit der Leitverunreinigung Sisomicin erkannt werden. Der Auslöser der Todesfälle in den 1990er Jahren war somit nicht Histamin, sondern bleibt weiterhin unbekannt.
Ein weiterer Ursprung von Verunreinigungen ist die Reaktion des Wirkstoffs mit Hilfsstoff(en), z.B. die Veresterung von Naproxen mit PEG in Weichkapseln. Der Einfluss von Veränderungen der Formulierung auf diese Reaktion wurde mittels LC-UV untersucht. Die Verunreinigung Naproxen-PEG-Ester (NPEG) wurde synthetisiert und zur Entwicklung einer Methode zur Analyse von Weichkapsel-Formulierungen verwendet. Verschiedene Formulierungen wurden für 7 Tage bei 60 °C gestresst und deren relative Gehalte an NPEG bestimmt. Dabei war die Bildung von NPEG von der Wasser- und der Milchsäure-Konzentration, dem pH und dem Wirkstoffgehalt der Formulierung abhängig. Sämtliche Einflüsse konnten durch die Art der Reaktion (Veresterung) erklärt werden.
Vor dem Hintergrund der vielfältigen Quellen für Verunreinigungen erscheint es unmöglich, alle potenziellen Verunreinigungen eines Wirkstoffs/Arzneimittels vorherzusagen. Gerichtete und ungerichtete Ansätze wurden daher für die Erstellung eines Verunreinigungsprofils von Bisoprololfumarat kombiniert. Um eine möglichst große Anzahl von möglichen Substanzen zu detektieren, wurden 8 LC-MS/HRMS-Methoden entwickelt: je eine saure und eine basische mobile Phase der LC wurde mit massenspektrometrischer Detektion mittels ESI und APCI, jeweils im positiv- und negativ-Modus kombiniert. MS- und MS/MS-Daten wurden simultan durch information dependent acquisition aufgenommen. Für den gerichteten Ansatz wurde eine Reaktionsmatrix auf Basis der Synthese des Wirkstoffs angefertigt und ausgehend davon potenzielle Verunreinigungen abgeleitet. Im ungerichteten Ansatz wurden mittels general unknown comparative screening zusätzliche Signale identifiziert. Der gerichtete Ansatz zeigte die Anwesenheit von 18, der ungerichtete von 17 Verunreinigungen. Summenformeln wurden anhand der exakten Masse und des Isotopenmusters der Signale bewertet. Die Plausibilität von Strukturformeln wurde mittels In-silico-Fragmentierung abgeschätzt, wobei experimentelle und theoretische Fragmentspektren in Einklang gebracht wurden. Außerdem wurden alle detektierten Verunreinigungen mittels eines externen Standards quantifiziert.
KW  - LC-MS
KW  - Gentamicin
KW  - Naproxen
KW  - Bisoprolol
KW  - Rifampicin
KW  - Impurity Profiling
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273878
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