Development, validation and application of mass spectrometry methods for clinical pharmacokinetics, neurotransmitter and human habitat studies

Resumen

Mass spectrometry (MS) is an analytical technique, which identifies, quantifies and provides structural information about compounds in simple and complex mixtures. Herein, we have included 5 MS-based approaches. The first 4 targeted, liquid chromatography-tandem MS (LC-MS/MS) methods have been successfully validated according to the recommendations of the regulatory agencies, including tests of precision and accuracy, recovery and matrix effect, sensitivity, stability and in some cases carry-over effect. However, for the 5th untargeted metabolomics, three-dimensional (3D) surface imaging MS (3D-surface-IMS) approach, different validation strategy has been applied. The first part of the work is focused on the drug monitoring in human plasma. The first approach enables simultaneous plasma determination of albendazole and its main metabolite albendazole sulfoxide in a fast, easy and robust manner. The second one is able to monitor omeprazole plasma levels. Both methods have been applied for pharmacokinetic studies, indicating the applicability in clinical practice. These simple assays will permit to assess adherence to treatment, therapeutic efficacy and drug resistance, improving the pharmacological treatment of patients. The second part of this study focused on neurotransmitters‟ monitoring in tissue and cell cultures. First method enables the quantification of 8 neurotransmitters (monoamine and amino acids as well as some of their metabolites) in rat brain extracts. It was successfully applied in a murine depression model. The second LC-MS/MS technique is an improvement of the before-mentioned neurotransmitters approach, as it includes simultaneous determination of 14 neurotransmitters (monoamines, amino acids, nucleotides and neuropeptides) in bovine chromaffin cell cultures (BCCs). It was applied to investigate the neurosecretion profile of BCCs and also of human plasma samples, where altered neurotransmitters under stress situations such as Alzheimer‟s disease, are found. Finally, the third part of this thesis describes a LC-MS and MS/MS based untargeted metabolomics method. The chemistry associated with modern human habitat was investigated and visualized with 3D-surface-IMS. This study helps to understand how chemicals are distributed on humans and their environment and may ultimately impact the design of future human habitats. To summarize, we present 5 different MS based approaches successfully applied to different research purposes. On the whole, these results are yet another example of the great potential of a 100 years old MS technique. Resumen Espectrometría de masas (MS, del inglés “Mass spectrometry”) es una técnica analítica, la cual identifica, cuantifica y proporciona la información sobre la estructura química de los analitos en una solución simple y compleja. En este contexto, en esta tesis doctoral, hemos incluido 5 métodos basados en la MS. Cuatro primeros métodos del análisis dirigido, basados en la cromatografía líquida de alta eficacia acoplada a la MS en tándem (LC-MS/MS), han sido validados según los requisitos de las agencias reguladoras, incluyendo los ensayos de la precisión, exactitud, recuperación de la extracción, efecto matriz, sensibilidad, estabilidad y en algunos casos del efecto arrastre. Sin embargo, para el quinto método del análisis no-dirigido y de la MS con la imagen tridimensional de superficie (3D-surface-IMS, del inglés “Three-dimensional-surface-imaging MS”), se aplicó una estrategia de validación diferente. La primera parte de la tesis doctoral se centra en la monitorización de los fármacos en el plasma humano. El primer método facilita la determinación simultánea del albendazol y su metabolito en el plasma, de forma rápida, simple y robusta. El segundo método permite la cuantificación de los niveles plasmáticos del omeprazol. Ambas técnicas se aplicaron en los estudios farmacocinéticos, demostrando la utilidad clínica. Estos simples métodos evaluarán la adherencia, eficacia y resistencia al tratamiento, mejorando el tratamiento farmacológico de los pacientes. La segunda parte de esta tesis trata de la determinación de los niveles endógenos de neurotransmisores en el tejido y en los cultivos celulares. El primer método permite el estudio de 8 neurotransmisores en el extracto del cerebro de rata y se aplicó con éxito en el estudio de neurotransmisores en un modelo murino de depresión. El segundo método, tras un par de modificaciones del anterior, nos permite monitorizar simultáneamente 14 neurotransmisores en las células cromafínes bovinas (BCCs, del inglés “Bovine chromaffin cells”) y sirvió para la investigación del perfil neurosecretor de las BCCs bajo condiciones de estrés, así como en la enfermedad de Alzheimer, donde los neurotransmisores también se encuentran alterados. La tercera parte del trabajo, está centrada en el estudio metabolómico no-dirigido. 3D-surface-IMS permitió el estudio de las sustancias químicas asociadas con el entorno humano moderno con el fin del entendimiento de las interacciones entre los humanos y su entorno. Así como un diseño consciente de futuros hábitos humanos. En resumen, presentamos 5 métodos basados en MS, aplicadas con éxito en diferentes abordajes de investigación. Los resultados incluidos en esta tesis doctoral, representan un ejemplo más del gran potencial de la MS que lleva más de 100 años.