Quetiapina – wpływ na zdrowie i środowisko: nowe metody analizy

Czy wiesz, jak Quetiapina wpływa na zdrowie i środowisko?

Quetiapina (QTP), atypowy lek przeciwpsychotyczny z grupy dibenzotiazepiny, jest szeroko stosowana w leczeniu schofrenii, choroby afektywnej dwubiegunowej oraz depresji opornej na konwencjonalne terapie. Jej mechanizm działania opiera się na antagonizmie wobec receptorów dopaminowych D2 i serotoninowych 5-HT2A. W niskich dawkach stosuje się ją w leczeniu bezsenności, podczas gdy w średnich i wysokich dawkach wykorzystywana jest odpowiednio w zaburzeniach nastroju i schizofrenii. Analiza substancji czynnych stanowi kluczowy element kontroli jakości farmaceutycznej oraz badań farmakokinetycznych i biorównoważności na wszystkich etapach rozwoju produktów leczniczych.

Leki psychoaktywne obecne w ściekach wodnych stanowią zagrożenie dla ekosystemu wodnego, ponieważ zmieniają zachowanie i funkcje fizjologiczne organizmów, zagrażając ich reprodukcji i przeżyciu. W związku z tym, opracowanie prostych, wysoce czułych, szybkich i powtarzalnych metodologii analitycznych ma ogromne znaczenie. Zarówno dla substancji luzem, jak i gotowych postaci farmaceutycznych, metoda analityczna musi być zdolna do jednoczesnego wykrywania związku macierzystego, powiązanych zanieczyszczeń i produktów degradacji. Ponadto, wszystkie procedury kontroli jakości muszą być przeprowadzane w ścisłej zgodności z obecnymi standardami regulacyjnymi farmaceutycznymi.

Czy nowoczesne metody elektroanalityczne zmieniają analizę QTP?

Różne metody analityczne zostały opracowane do oznaczania ilościowego QTP w próbkach farmaceutycznych i biologicznych, takie jak chromatografia, elektroforeza i spektrofluorymetria. Metody te zwykle wymagają pracochłonnego i długotrwałego przygotowania próbki, w tym ekstrakcji opartych na rozpuszczalnikach, wytrącania substancji pomocniczych i operacji oczyszczania, co może zmniejszyć powtarzalność wyników. W świetle tych ograniczeń, techniki elektroanalityczne stały się obiecującą alternatywą, oferując takie zalety jak łatwość użycia i szybka analiza, wysoka czułość oraz zmniejszona potrzeba skomplikowanego wstępnego przygotowania próbki, oprócz możliwości miniaturyzacji systemu i analizy in situ. Niektóre metody elektroanalityczne zostały już zgłoszone do oznaczania QTP, wykorzystując elektrody modyfikowane pastą węglową, elektrody z powlekanym drutem, modyfikowane elektrody ze szkła węglowego, niemodyfikowane elektrody ze szkła węglowego oraz elektrody rtęciowe.

Generowanie jednorodnych, stabilnych i chemicznie funkcjonalnych warstw polimerowych jest główną zaletą elektropolimeryzacji aminokwasów. Te powłoki tworzą selektywne regiony rozpoznawania, promując specyficzne interakcje z docelowymi analitami, a w konsekwencji zwiększając czułość analityczną i selektywność systemu. “Proces polimeryzacji rozpoczyna się od elektrochemicznego utleniania grupy aminowej, co generuje reaktywne produkty pośrednie pod wpływem przyłożonego potencjału” – wyjaśniają autorzy badania. Te produkty pośrednie mogą tworzyć wiązania kowalencyjne z sąsiednimi jednostkami monomeru, co prowadzi do powstania rodnikowych form, które silnie przylegają do powierzchni elektrody. Dodatkowo, różnorodne grupy funkcyjne obecne w łańcuchach bocznych aminokwasów tworzą odrębne środowiska chemiczne, które wpływają na właściwości powstającej warstwy polimerowej. Niektóre aminokwasy były już stosowane w takich zastosowaniach, w tym glicyna, metionina, L-seryna i L-cysteina. Jednakże, według najlepszej wiedzy autorów, zastosowanie elektrody ze szkła węglowego modyfikowanej poli(L-cysteiną) jako czujnika elektrochemicznego do oznaczania ilościowego QTP nie było wcześniej opisywane.

Jakie właściwości wykazuje czujnik poly(L-cys)/GCE?

Głównym celem badania było opracowanie podejścia elektroanalitycznego do ilościowego oznaczania QTP w tabletkach poprzez badanie jej elektrochemicznej interakcji z elektrodą ze szkła węglowego modyfikowaną poli(L-cysteiną) (poly(L-cys)/GCE). Metoda okazała się prosta, selektywna, dokładna i szybka do ilościowego oznaczania QTP w komercyjnych tabletkach bez konieczności wcześniejszego przygotowania próbki. Ze względu na te cechy, proponowane podejście elektroanalityczne jest zgodne z kilkoma Celami Zrównoważonego Rozwoju (SDGs) Agendy 2030, szczególnie SDG 6 (Czysta woda i warunki sanitarne), SDG 9 (Przemysł, innowacje i infrastruktura) oraz SDG 14 (Życie pod wodą).

Badania elektrochemiczne wykazały, że elektropolimeryzacja L-cysteiny na elektrodzie szklanej węglowej (GCE) skutkuje powstaniem filmu polimerowego o specyficznych właściwościach. Analizując dane uzyskane metodą spektroskopii impedancji elektrochemicznej (EIS), zaobserwowano znaczące zmniejszenie oporu transferu ładunku (Rct) z 726 Ω dla niemodyfikowanej elektrody do 486 Ω dla systemu poly(L-cys)/GCE. Wynik ten wskazuje na istotne zwiększenie kinetyki transferu elektronów, co może wynikać ze zjawiska hiperkonjugacji orbitali między wiązaniami w cząsteczkach L-cysteiny zaadsorbowanych na powierzchni GCE.

Woltamperometria cykliczna została zastosowana do oceny zachowania elektrochemicznego filmu poli(L-cysteiny), mając na celu ilościowe określenie zarówno ładunków anodowych, jak i katodowych oraz ich stosunków. Dane ujawniły, że film poli(L-cysteiny) wykazywał ładunki woltamperometryczne o podobnej wielkości, szczególnie przy niższych szybkościach skanowania. Ładunki w zakresie mikrokulombów (μC) sugerują, że procesy transferu ładunku są znacznie ograniczone. Ponadto, niskie ładunki woltamperometryczne pozwalają na wnioskowanie dotyczące migracji ładunku w matrycy polimerowej. Uzyskane wyniki sugerują, że film posiada gładką i zwartą morfologię, z występowaniem procesów elektronowych głównie na zewnętrznej powierzchni filmu.

Stosunek między ładunkami anodowymi i katodowymi dostarcza również cennych informacji na temat odwracalności zaangażowanych procesów elektrochemicznych. Zaobserwowane stosunki |qa/qc| konsekwentnie przekraczały 1,0 we wszystkich testowanych szybkościach skanowania, wykazując wahania o 59,52% między 10 a 220 mV s^-1. Stosunki ładunków większe niż jedność (|qa/qc| > 1,0) są zazwyczaj wskaźnikiem nieodwracalnego zachowania redoks, gdzie ładowanie i rozładowanie elektrycznej warstwy podwójnej zachodzi asymetrycznie.

Oprócz analizy ładunków woltamperometrycznych, uzupełniającym podejściem jest ocena pojemności różnicowej i wewnętrznego współczynnika chropowatości filmu poli(L-cysteiny). Typowo obserwuje się liniową zależność między prądem pojemnościowym (i_c), mierzonym przy stałym potencjale, a szybkością skanowania. Z tej zależności określa się pojemność różnicową (C_d) jako nachylenie dopasowania liniowego. Wartości pojemności różnicowej pozostawały poniżej 20 μF, z dominującym wkładem zewnętrznego składnika pojemnościowego w stosunku do całkowitej pojemności różnicowej. Wskazuje to, że zewnętrzna powierzchnia filmu odgrywa bardziej znaczącą rolę niż regiony wewnętrzne w magazynowaniu ładunku i dostępności, szczególnie podczas ładowania elektrycznej warstwy podwójnej.

Jakie czynniki wpływają na utlenianie QTP na modyfikowanej elektrodzie?

Zachowanie elektrochemiczne QTP na elektrodzie modyfikowanej poli(L-cysteiną) wykazało dobrze zdefiniowany nieodwracalny pik przy potencjale +1,15 V, w porównaniu do słabego piku utleniania przy +1,25 V na niemodyfikowanej elektrodzie GCE. To przesunięcie potencjału o 100 mV w kierunku niższych wartości wskazuje na wzmocnione właściwości elektrokatalityczne immobilizowanego filmu i szybszą reakcję transferu elektronów na powierzchni elektrody.

Badania wpływu szybkości skanowania (v) wykazały, że prądy piku anodowego QTP wykazywały dodatnią korelację z szybkością skanowania, ale nie były liniowo proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego szybkości skanowania. Wskazuje to, że reakcje elektrodowe QTP nie są kontrolowane przez dyfuzję na powierzchni poly(L-cys)/GCE. Nachylenie wykresu log I_p vs log v wynosiło 0,8, co sugeruje, że proces utleniania QTP na czujniku elektrochemicznym jest regulowany przez mechanizm mieszany (dyfuzja i adsorpcja), z przewagą kontroli adsorpcyjnej.

Rola pH w utlenianiu QTP była badana za pomocą woltamperometrii cyklicznej przy pH od 2,0 do 10,0. Zarówno potencjał, jak i prąd piku były zależne od pH, wskazując na udział protonów w procesie utleniania. Prądy piku QTP wykazywały wzrost wraz ze wzrostem pH do 4,0, a następnie spadek przy wyższych poziomach pH. Dlatego pH 4,0 zostało przyjęte do dalszych eksperymentów ze względu na optymalny prąd piku. “Nachylenie zostało oszacowane na -50 mV na jednostkę pH. Ujemne nachylenia mogą być związane z reakcją deprotonacji w procesie utleniania, która jest ułatwiona przy wysokich wartościach pH” – zauważają badacze.

Nachylenie jest bliskie teoretycznej wartości równania Nernsta, co sugeruje, że liczba protonów uczestniczących w reakcji utleniania QTP była równa liczbie przenoszonych elektronów, a utlenianie QTP jest zależne od pH. Liczbę elektronów obliczono eksperymentalnie za pomocą równania dla procesu nieodwracalnego. Biorąc pod uwagę, że dla procesów nieodwracalnych α (współczynnik transferu elektronów) można przybliżyć do 0,5, liczba elektronów zaangażowanych w utlenianie QTP jest bliska jedności.

Czy czujnik gwarantuje precyzyjne i selektywne oznaczanie QTP?

Potencjał piku QTP przy pH wyższym niż około 7,0 pozostaje praktycznie stały. Dla pH < 7,0, potencjały piku przesuwały się w kierunku mniej dodatnich wartości wraz ze wzrostem pH, co sugeruje równowagę kwasowo-zasadową z pK_a ≈ 7,0 w regionie elektroaktywnym. Gdy pH przekracza pK_a, dominuje zasada sprzężona; przy pH < pK_a, jest ona generowana poprzez szybką deprotonację QTP. Wartość pK_a QTP wynosi około 6,8, a fragment piperazyny jest prawie całkowicie sprotonowany na obu atomach azotu w roztworze buforowym o pH 4,0. Wyniki te sugerują, że grupa piperazyny jest odpowiedzialna za reakcję utleniania QTP w ABS (pH 4,0).

W badaniach analitycznych zastosowano woltamperometrię fali kwadratowej (SWV) ze względu na jej wyższą czułość, lepszą rozdzielczość sygnału i niższy limit detekcji. Zoptymalizowane parametry to amplituda impulsu 60 mV, częstotliwość 50 s^-1 i krok potencjału 5 mV. W tych warunkach stężenie QTP zmieniało się w zakresie 8,05-85,00 μmol L^-1, a prądy piku utleniania były liniowo proporcjonalne do stężeń QTP w badanym zakresie. Limity detekcji (LOD) i kwantyfikacji (LOQ) wynosiły odpowiednio 1,17 i 3,91 μmol L^-1.

Precyzja wewnątrzdniowa i międzydniowa prądów piku QTP dla stężenia 34,20 μmol L^-1 została oceniona poprzez siedem kolejnych pomiarów prądu piku w tym samym roztworze oraz siedem pomiarów prądu piku przez 7 dni. Uzyskane wartości RSD wynosiły odpowiednio 2,56% i 4,25%, co sugeruje odpowiednią precyzję wewnątrzdniową i międzydniową.

Zbadano również wpływ powszechnych substancji pomocniczych w formułach farmaceutycznych, takich jak stearynian magnezu, skrobia, powidon, talk i fosforan wapnia. Roztwory tych związków przygotowano w stosunku stężeń 1:50 względem QTP. Wyniki ujawniły, że związki te nie zakłócają znacząco odpowiedzi czujnika, co oznacza, że proponowany czujnik wykazuje dobrą selektywność dla oznaczania QTP w tabletkach.

Jak porównują się metody elektroanalityczne i spektrofotometryczne?

Dokładność czujnika i możliwość występowania interferencji z matrycą badano dodatkowo za pomocą testu odzysku. W analizie farmaceutycznej do próbek dodawano ilości QTP, a wartości procentowe odzysku obliczano na podstawie rzeczywistego i dodanego stężenia QTP. Procent odzysku QTP w próbkach z dodatkiem mieścił się w zakresie od 97,80 do 100,24%. Wyniki te wskazują, że analiza QTP może być przeprowadzana bez interferencji z matrycy tabletki.

Zachowanie spektrofotometryczne QTP w zakresie UV-VIS ujawniło dwa wyraźne pasma absorpcji w regionie ultrafioletowym z maksimami przy 254 i 294 nm. Pik obserwowany przy 254 nm odpowiada przejściom elektronowym π → π*, podczas gdy absorpcja przy 294 nm jest przypisywana przejściom n → π*, oba związane z aromatyczną strukturą układu pierścieniowego dibenzotiazepiny. Stężenia QTP oceniano w zakresie 6,62-92,72 μmol L^-1, z pomiarami absorbancji wykonywanymi przy dwóch różnych długościach fali: 254 i 294 nm. W obu przypadkach obserwowano liniową zależność między absorbancją a stężeniem analitu w badanym przedziale.

Porównano również wyniki oznaczania QTP w tabletkach przy użyciu opracowanej metody elektroanalitycznej i oficjalnej metody spektrofotometrycznej. Porównanie statystyczne za pomocą testu t-Studenta i dokładnego testu Fishera nie wykazało istotnej różnicy przy 95% przedziale ufności, potwierdzając, że czujnik poly(L-cys)/GCE daje porównywalne wyniki i może być z powodzeniem stosowany do woltamperometrycznych oznaczeń QTP w tabletkach.

Podsumowując, badanie opisuje zastosowanie elektropolimeryzacji L-cysteiny do opracowania czujników do analizy farmaceutycznej QTP. Czujnik stanowi możliwą do zastosowania alternatywę dla oznaczania QTP za pomocą SWV. Czujnik poly(L-cys)/GCE wykazał doskonałą wydajność analityczną do oznaczania ilościowego QTP, prawdopodobnie wynikającą z minimalnej oporności transferu ładunku i wzmocnienia elektrokatalitycznego. Zoptymalizowane warunki umożliwiły wysoką czułość i limity detekcji porównywalne do tych raportowanych w poprzednich podejściach elektrochemicznych. Metoda wykazała również dobrą precyzję wewnątrz- i międzydniową oraz oferowała dodatkowe korzyści w postaci prostoty, szybkiego przygotowania i niskiego kosztu.

Podsumowanie

W badaniu przedstawiono innowacyjną metodę elektroanalityczną do wykrywania Quetiapiny (QTP) z wykorzystaniem elektrody ze szkła węglowego modyfikowanej poli(L-cysteiną). Quetiapina, jako lek przeciwpsychotyczny, jest szeroko stosowana w psychiatrii, jednak jej obecność w ściekach wodnych stanowi zagrożenie dla ekosystemów. Opracowana metoda wykazała wysoką skuteczność w wykrywaniu QTP, oferując prostotę użycia, szybkość analizy i wysoką czułość bez konieczności skomplikowanego przygotowania próbek. Badania wykazały, że elektropolimeryzacja L-cysteiny skutkuje powstaniem filmu o specyficznych właściwościach, znacząco zwiększając kinetykę transferu elektronów. Czujnik wykazał dobrą selektywność i precyzję w oznaczaniu QTP w próbkach farmaceutycznych, z limitami detekcji i kwantyfikacji wynoszącymi odpowiednio 1,17 i 3,91 μmol/L. Porównanie z metodą spektrofotometryczną potwierdziło skuteczność opracowanej metody, czyniąc ją wartościową alternatywą w analizie farmaceutycznej.