Identification and quantitative determination of xenobiotics in hair by new, higly specific mass spectrometry approaches

L’analisi di sostanze d’abuso e di farmaci nelle matrici pilifere ha acquisito negli ultimi anni enorme importanza per le possibili applicazioni in tossicologia clinica e forense. Essa funge da complemento all’analisi convenzionale su sangue e urina ampliando la finestra temporale analitica e, mediante segmentazione, permette di differenziare tra un uso terapeutico a lungo termine ed una singola assunzione di una determinata sostanza. A tale proposito è necessario l’utilizzo di tecniche ad elevata sensibilità e specificità per raggiungere bassi limiti di rilevabilità. In questo studio sono state sviluppate procedure analitiche altamente specifiche e selettive per la determinazione accurata e specifica di xenobiotici la cui determinazione nei capelli sia di interesse tossicologico o forense. Il programma di ricerca è stato articolato in tre fasi. Nella prima fase è stato sviluppato e validato un nuovo metodo selettivo e sensibile basato sulla cromatografia liquida-spettrometria di massa multipla (LC-MS/MS) per la determinazione quantitativa nella matrice pilifera di ergotamina, un farmaco altamente tossico, usato nel trattamento di emicranie vascolari. Il metodo validato è stato efficacemente applicato ad un caso di ergotismo iatrogeno derivante da assunzione prolungata di ergotamina tartrato per emicranie ricorrenti. La seconda fase è consistita nello sviluppo e nella validazione di un nuovo metodo LC-MS/MS per la determinazione di citalopram ed escitalopram, due inibitori molto selettivi della ricaptazione di serotonina usati come antidepressivi ed ansiolitici, e dei loro metaboliti demetilati in 10 mg di matrice pilifera. Il metodo è risultato idoneo all’analisi neonatale ed è stato applicato a due casi reali di esposizione prenatale ai farmaci. Nella terza fase è stato sviluppato un metodo rapido di screening, basato sulla spettrometria di massa matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) per la determinazione di cocaina e dei suoi metaboliti benzoilecgonina e cocaetilene in matrice pilifera. Sono stati testati diversi approcci di preparazione del campione per l’analisi MALDI e l’impiego di una procedura multi-“layer” ha fornito i risultati migliori nell’analisi di soluzioni standard degli analiti target; lo stesso approccio è stato successivamente applicato a campioni risultati positivi per cocaina e metaboliti all’analisi effettuata mediante un classico metodo gas cromatografia-spettrometria di massa (GC-MS).

The analysis of drugs in hair samples has become very popular in recent years with possible applications in forensic and in clinical toxicology. Hair testing can complement conventional blood and urine analysis as it enlarges the window of detection and, by segmentation, permits differentiation between long-term therapeutic use and single exposure. The use of high specific and sensitive analytical procedures is therefore required to achieve low limits of detection. In this study new analytical procedures were developed for the accurate and specific quantification of xenobiotics whose determination in hair would be of toxicological or forensic interest. The research program was developed into three phases. In the first one a new selective and sensitive method, based on liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), was developed and validated for the quantitative determination in hair of ergotamine, a highly toxic drug, used to treat vascular headaches. The validated method was successfully applied to a case of iatrogenic ergotism resulting from the prolonged intake of ergotamine tartrate for recurrent headaches. The second phase consisted of the development and validation of a new LC-MS/MS method for the assay of citalopram and escitalopram, two highly selective serotonine reuptake inhibitors, used for the treatment of depression and anxiety disorders, and their demethylated metabolites, in 10-mg hair samples: This method proved suitable for neonatal hair analysis and was applied to two real cases of gestational exposure to the drugs. In the third phase, a fast screening method, based on matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry was developed for the detection of cocaine and its metabolites, benzoylecgonine and cocaethylene, in hair samples. Different MALDI sample preparation approaches have been tested and the employment of a multi-layer procedure yielded the best results for standard solutions of the target analytes; the same approach was subsequently applied to hair samples that were known to contain cocaine and metabolites, as determined by a classical gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) method.