Studium a analytické využití elektrochemických transformací biologicky aktivních látek

Mgr. Pavla MACÍKOVÁ

Doctoral thesis

The study and analytical aplication of electrochemical transformation of biological active substances.

Abstract:

V této disertační práci je sledováno elektrochemické chování dvou antimuskarinových léčiv, tolterodinu (TOL) a fesoterodinu (FES), a jejich společného aktivního metabolitu 5-hydroxymethyltolterodinu (5-HMT). Tato léčiva jsou komerčně dostupná pod názvem Detrol/Detrusitol (TOL) a Toviaz (FES) a používají se k léčbě urgentní inkontinence, naléhavé potřeby močení nebo zvýšené frekvence močení u pacientů s hyperaktivním močovým měchýřem. Také je studováno elektrochemické chování rutinu voltametrickými a amperometrickými technikami na uhlíkových pastových elektrodách (CPEs). Rutin je přírodně se vyskytující flavonoid, který nalezl uplatnění i ve farmacii například pro léčbu zvýšené lámavosti a propustnosti krevních vlásečnic. Pro studium těchto antimuskarinik (dvou léčiv a jejich účinného metabolitu) byly nejdříve použity voltametrické techniky (cyklická, diferenční pulzní a square wave voltametrie). Oxidace všech tří látek je silně závislá na pH. TOL byl oxidován ve dvou ireverzibilních stupních, přičemž při pH ? 6 se objevoval třetí signál. Naproti tomu FES poskytoval pouze jeden ireverzibilní oxidační pík. V alkalickém prostředí docházelo k samovolné hydrolýze FES na 5-HMT. V záznamu cyklické voltametrie 5-HMT byly v anodické části patrné dva oxidační signály a v katodické oblasti jim odpovídající dva redukční píky. Dále byla vyvinuta metoda chromatografické separace TOL, FES a 5 HMT pomocí HPLC s elektrochemickou detekcí. Jako elektrochemické čidlo byla zvolena borem dopovaná diamantová elektroda. Z hlediska přiměřené retence a separace látek se jako mobilní fáze osvědčila směs acetonitril/fosfátový pufr o pH 7 a koncentraci 0,05 mol/l v poměru 30:70, v/v. Ze čtyř testovaných kolon bylo nejpříznivější separace dosaženo na koloně Nucleodur? CN-RP 3 ?m, 125 × 2 mm I.D. Odhady mezí detekce se pohybovaly v jednotkách nmol/l. Tato metoda se může stát součástí postupu vhodného ke stanovení studovaných látek v moči nebo plazmě. Za použití coulometrie za konstantního potenciálu byly TOL, FES a 5-HMT elektrochemicky oxidovány v různých prostředích a při různých potenciálech zvolených podle voltametrických odezev látek v daném prostředí. Produkty elektrolýzy byly následně analyzovány metodou ultraúčinné kapalinové chromatografie (UPLC) a hmotnostní spektrometrie s ionizací elektrosprejem a hybridním kvadrupólovým-průletovým analyzátorem. V elektrolyzovaných roztocích studovaných antimuskarinik byly nalezeny produkty vznikající dehydrogenací, hydroxylací, methoxylací nebo dimerizací. Mezi produkty elektrochemické oxidace studovaných antimuskarinik byly nalezeny i látky vznikající metabolickou cestou v živých organismech. Bylo studováno elektrochemické chování rutinu na třech uhlíkových pastových elektrodách (CPEs): nemodifikované (CPE), modifikované ftalocyaninem železnatým (IP/CPE) a s iontovou kapalinou 1-hexyl-3-methylimidazolium-bis(trifluoromethyl-sulfonyl)imidem jako pojivem uhlíkové pasty (IL/CPE). Modifikátor ftalocyanin železnatý se projevil elektrokatalytickým účinkem na oxidaci rutinu. Iontová kapalina zvyšovala proudovou odezvu rutinu se současným zvýšením proudového pozadí, což bylo zřejmě způsobeno zvětšením elektroaktivní plochy elektrody. Rutin byl silně adsorbován na povrch všech studovaných pracovních elektrod, což mohlo být využito ke zvýšení citlivosti použitím metody DPAdSV. Na IL/CPE bylo dosaženo meze detekce 5 nmol/l. Pro potlačení šumu amperometrických záznamů při použití studovaných CPEs byla vyvinuta pulzní amperometrická metoda, se kterou bylo navíc dosaženo nižších mezí detekce. Všechny testované CPEs jsou použitelné pro analýzu rutinu v reálných vzorcích, jak bylo prokázáno analýzou extraktů ze semen poha

Abstract:

nky seté.

Abstract:

An electrochemical behaviour of two antimuscarinic drugs, tolterodine (TOL) and fesoterodine (FES) and their active metabolite 5-hydroxymethyltolterodine (5-HMT) has been studied. The drugs are commercially available under the name Detrol/Detrusitol (TOL) and Toviaz (FES). They are indicated for the treatment of an overactive bladder with symptoms of urinary frequency, urgency or urge incontinence or any combination of these symptoms. Electrochemical behaviour of rutin was investigated on carbon paste electrodes (CPEs) using voltammetric and amperometric techniques. Rutin is naturally occurred flavonoid, which is useful in pharmacy for strengthening of blood capillaries. Voltammetric study of three antimuscarinics (two drugs and their active metabolite) was performed using cyclic, linear sweep, differential pulse and square wave voltammetry. The oxidation of all three substances is pH dependent. TOL was oxidized in two irreversible steps. A third anodic signal of TOL was observed for pH ? 6. FES provided one irreversible oxidation peak, but it was spontaneously hydrolyzed to 5-HMT in alkaline media. The oxidation of 5-HMT proceeded in two steps. Two corresponding reduction peaks appeared in cathodic scan of 5-HMT. Chromatographic separation of TOL, FES and 5-HTM using HPLC with electrochemical detection was developed. Boron doped diamond electrode was chosen as an electrochemical sensor. Mobile phase consisted of acetonitrile and 0.05 mol/L aqueous phosphate buffer (pH 7) (30:70, v/v) provided a suitable separation and retention. Among four tested chromatographic columns, the best separation of the analytes was achieved with Nucleodur? CN-RP 3 ?m, 125 × 2 mm I.D. Estimation of detection limits was in units of nmol/L. The method has a great potential for a determination of TOL, FES and 5-HMT in plasma or urine. Three studied antimuscarinics were electrochemically oxidized using controlled potential electrolysis in different media at various values of applied potential. Oxidation products were subsequently analyzed using ultra-performance liquid chromatography (UPLC) and mass spectrometry with electrospray ionization and quadrupole-time of flight tandem mass spectrometry. Plenty of oxidation products were found in electrolyzed solutions of TOL, FES and 5-HMT including several dimers. Some metabolites produced by living organisms were among the products of electrooxidation of the antimuscarinic drugs. Electrochemical behaviour of rutin was investigated on three carbon paste electrodes (CPEs): unmodified (CPE), iron (II) phthalocyanine modified CPE (IP/CPE) and CPE with ionic liquid 1-hexyl-3-methylimidazolium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imide as a binder in carbon paste (IL/CPE). Iron (II) phthalocyanine as a CPE modifier revealed an mild electrocatalytic effect on the rutin oxidation. Strong adsorption of rutin observed on all electrode materials can be used for sensitivity improvement of voltammetric analysis by DPAdSV. Limit of detection 5 nmol/L was achieved with this technique on IL/CPE. Higher level of noise limits the usability of the studied electrodes to determine rutin by constant potential amperometry in stirred solution. To overcome this problem, a pulse amperometric method was applied and a detection limit in submicromolar concentration level of rutin using unmodified CPE was achieved. All three studied CPEs are applicable for determination of rutin in real samples as it was demonstrated on analysis of buckwheat seeds extract.

Keywords

tolterodin, fesoterodin, 5-hydroxymethyltolterodin, rutin, oxidace, voltametrie, amperometrie, uhlíková pastová elektroda, ftalocyanin železnatý, iontová kapalina, kapalinová chromatografie, hmotnostní spektrometrie, elektrochemická detekce

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 11. 2013

Accessible from:: 28. 11. 2013

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Karel Lemr, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry