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Extractables & Leachables Implantate und Prothesen im Qualitätscheck

Autor / Redakteur: GUIDO DEUßING* / Dr. Ilka Ottleben

Um die Qualität und Verträglichkeit polymerbasierter medizinischer Implantate bewerten zu können, müssen auslaugbare Komponenten (Extractables & Leachables) analysiert werden. Die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE), gefolgt von einer Thermodesorptions-GC-MS/MS-Analyse, erweist sich hierbei als effizientes Verfahren.

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1 Auch medizinische Implantate und Prothesen müssen sicher sein und sind daher auf das Vorhandensein von Verbindungen zu untersuchen, die den Patienten gefährden können.
1 Auch medizinische Implantate und Prothesen müssen sicher sein und sind daher auf das Vorhandensein von Verbindungen zu untersuchen, die den Patienten gefährden können.
(Bild: © Whyona - Fotolia.com)

Medikamente und deren Inhaltsstoffe dienen der Gesundheit, sie sollen den Patienten nicht krank machen. Dieses Risiko besteht aber, wenn Chemikalien oder schädliche Stoffe aus der Verpackung in das Arzneimittel migrieren oder unmittelbar im Präparat entstehen. Es ist Sache der Arzneimittelhersteller, ein solches Unterfangen frühzeitig zu erkennen: Im Zuge von „Extracables“-Studien werden Arzneimittelverpackungen in simulierten „Worst-Case“-Szenarien auf migrierende bzw. auslaugbare Chemikalien (Leachables) untersucht, wobei die unbeschädigte Verpackung mit Lösemitteln unterschiedlicher Polarität und bei erhöhter Temperatur extrahiert wird. Man analysiert die Extrakte und die darin enthaltenen Analyten, um einen Überblick zu bekommen, welche Verbindungen das Medikament kontaminieren könnten. Die als kritisch eingestuften Substanzen werden schließlich in „Leachables“-Studien im Arzneimittel selbst mittels validierter Methoden bestimmt.

Auch Implantate müssen sicher sein

Vergleichbar der Pharmaindustrie geht es Herstellern medizinischer Implantate und Prothesen; auch sie sind gehalten, ihre Produkte, bei denen es sich häufig um Materialkombinationen bestehend aus Metall und Kunststoff handelt, auf das Vorhandensein oder das Entstehen von Verbindungen zu untersuchen, die im Verlauf der Anwendung in-vivo migrieren und zu einer Belastung oder Gefährdung des Patienten führen können. Dieser Sachverhalt macht auch Implantate und Prothesen zum Gegenstand von E&L-Studien.

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Anders als im Fall von Arzneien existieren für Implantate und Prothesen bislang jedoch keine verbindlichen Richtlinien oder Vorgaben für die Durchführung von E&L-Studien, bemerkt Gyorgy Vas. Aus diesem Grund orientierte sich der bei dem weltweit operierenden US-Unternehmen Intertek beschäftigte Wissenschaftler bei seiner im weiteren Verlauf beschriebenen Implantat-Forschung an der Art und Weise, wie die Pharmaindustrie E&L-Studien gemäß geltender Normen und Regelwerke durchführt, sowie an den Vorgaben des Product Quality Research Institute (PQRI), einer US-Non-Profit-Organisation, die für genotoxische bzw. kanzerogene Leachables 150 ng/Tag als Migrationsgrenzwert für zulässig erklärt [1].

Nicht gleich, aber vergleichbar

Zwar bezieht sich das PQRI bei seiner Vorgabe auf Resultate, die im Zuge der Untersuchung von Inhalationspräparaten gewonnen wurden. Vas und Kollegen bewerteten diesen Ansatz jedoch als „konservativ“ im Sinne einer größtmöglichen Sicherheit für den Patienten und damit als probate Grundlage für das eigene Forschungsvorhaben, schreiben Vas et al. im Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis [2].

In ihrem Beitrag berichten die Wissenschaftler davon, wie sie aus medizinischen Implantaten, namentlich Tibia-Knie-Inserts, mittels GC-MS/MS-Bestimmung und vorangegangener Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) auslaugbare Komponenten (Leachables) bestimmt haben. Ziel ihrer Arbeit sei es gewesen, eine „systematische Vorgehensweise für die Identifizierung und Quantifizierung antioxidans-bezogener, auslaugbarer Stoffe aus mit Gammastrahlen behandelter polymerer Knieimplantate zu entwickeln“.

PBHP als Zusatzstoff in Implantaten

Die von Vas et al. untersuchten Tibia-Knie-Implantate werden aus einem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) hergestellt, das nach dem Formprozess mit einer sehr hohen Dosis Gammastrahlen vernetzt (und sterilisiert) wird. Während durch die Vernetzung die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs verbessert werden, können im Verlauf dieses Prozesses freie Radikale entstehen, die das Material angreifen und seine chemische und mechanische Langzeitstabilität beeinträchtigen.

Um einen Oxidationsprozess im Kunststoff zu unterbinden und die Produktstabilität zu verbessern, wird dem Polymer ein Antioxidans, z.B. Pentaerythritol-tetrakis [3-(3,5-di-tertiär Butyl-4-Hydroxyphenyl)Propionat] (PBHP), beigemischt. Aufgabe des PBHP ist es, die gebildeten freien Radikale zu entfernen, oxidative Reaktion im Kunststoff zu verhindern und die Langzeitstabilität des Produkts zu verbessern.

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PBHP kann allerdings einem eigenen Zersetzungsprozess unterliegen, in dessen Folge Abbauprodukte aus dem Implantat in das umliegende Gewebe migrieren könnten. Die Identifizierung und Bestimmung solcher PBHP-Abbau- oder Nebenprodukte – es wurden insgesamt 16 an der Zahl festgestellt – in simulierten In-vivo-Experimenten im Knieimplantat, dessen Lebensdauer zwischen zehn und 30 Jahren datiert, erweise sich als zwingend erforderlich, betonen die Wissenschaftler. Für die Untersuchung auslaugbarer Stoffe erfordern großformatige Produkte (hier Implantate) allerdings große Volumina biologisch relevanter und damit wässriger Medien, um letzten Endes Lösungen zu erhalten, welche die Zielkomponenten in sehr niedriger Konzentrationen erhalten. Weiter schreiben Vas und Kollegen, die Analyten seien aufzukonzentrieren, um eine Quantifizierung gemäß PQRI-Vorgabe zu ermöglichen. Die Probenvorbereitung sei dabei, auf herkömmliche Weise durchgeführt, zeitaufwändig und aufgrund der erforderlichen großen Mengen organischer Lösemittel, ökonomisch und ökologisch fragwürdig.

Stir Bar Sorptive Extraction als Mittel der Wahl

Die Quantifizierung auslaugbarer Stoffe erfordert einen Anreicherungsschritt aufgrund ihres geringen Gehalts im resultierenden wässrigen Medium. Naheliegend wäre es, das Lösemittel zu verdampfen, was indes den Verlust flüchtiger Komponenten und die Bildung von Störstoffen zur Folge haben könnte, fürchten Vas und Kollegen. Zudem seien die wässrigen Extrakte, die zur Simulierung von In-vivo-Systemen bei Studien über auslaugbare Stoffe verwendet werden, nur schwer GC/MS kompatibel, was letzten Endes einen zweiten Extraktionsschritt mit einem apolaren, GC-gängigen Lösemittel zur Folge hätte.

Um die komplexen analytischen Herausforderungen zu meistern, favorisierten und validierten Vas et al. für ihr Vorhaben die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit dem Gerstel-Twister, einem patentierten mit Polydimethylsiloxan (PDMS) ummantelten Rührfisch als Extraktionsmedium, mit anschließender GC-MS/MS-Bestimmung.

Im Gegensatz zu anderen Extraktionstechniken ermöglicht es die SBSE, die auslaugbaren Stoffe in einem einzigen Schritt zu extrahieren und zu konzentrieren – ohne weitere, umfangreiche Probenbearbeitung vor der GC/MS-Analyse. Obendrein verfüge der Twister über eine unvergleichbar größere PDMS bzw. Sorbensmenge als etwa die Solid Phase Micro Extraction (SPME): „Die SBSE ist von Fall zu Fall signifikant sensitiver in Bezug auf den Nachweis organischer Verbindungen aus wässrigen Matrices als die SPME“, konstatieren die Forscher.

Blick auf die technischen Details

Und so gingen die Wissenschaftler vor: Das Implantat wird in Gänze für die Dauer einer definierten Zeit (24 h / 30 Tage) in ein wässriges Extraktionsmedium (Aceton/Wasser, 90:10) getaucht und die Lösung anschließend mit dem Twister, seiner Natur nach ein Rührfisch, durchmischt (2 h / 1000 UpM), wobei die Extraktion und Anreicherung der organischen Bestandteile in den PDMS-Mantel des Twisters erfolgt [3]. Das Rührstäbchen wird der Lösung entnommen, mit entionisiertem Wasser gespült, mit einem Papiertuch trocken getupft und in einem abgedichteten Thermodesorptionsröhrchen auf dem Autosampler platziert. Die Thermodesorption der extrahierten Komponenten in der Thermaldesorptionunit (Gerstel-TDU) schließt sich an, vollständig automatisiert mit dem Multipurpose-Sampler (Gerstel-MPS), und, in diesem Zuge, deren temperaturprogrammierte Überführung auf den mit einem Kaltaufgabesystem (Gerstel-KAS) als PTV-Injektor und Kühlfalle ausgestatteten GC 7890 (Agilent Technologies). Detektiert wurde mit einem Agilent Triple-Quadrupol-MS.

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Ende gut, alles gut

Was haben Gyorgy Vas und Kollegen erreicht? Mit der von ihnen entwickelten und validierten SBSE-GC-MS/MS-Methode konnten sie auslaugbare Komponenten in Spuren (< 150 ng/Tag) aus medizinischen Implantaten bestimmen. Die Methode sei spezifisch für die identifizierten PHBP-Abbauprodukte, zudem linear in einem Bereich von 40-6000 pg/mL und genau. Angewandt wurde die SBSE-GC-MS/MS-Methode auf elf Tibia-Knie-Implantate unterschiedlicher Größe, die nicht – wie häufig üblich – nach Manipulation nur in Bruchstücken, sondern im Ganzen extrahiert wurden. Zudem, betonen die Wissenschaftler, ist „der größte Teil der Probenvorbereitung automatisiert oder erfordert nur minimale manuelle Arbeit.“ Es werden keine aggressiven oder gesundheitsschädlichen Lösemittel für die Extraktion eingesetzt, was obendrein noch das Arbeitsumfeld und damit das Laborpersonal entlaste.

Literatur:

[1] www.pqri.org/workshops/leach_ext/

imagespdfs/posters/PQRI_

Recommendations_Poster.pdf

[2] J. Pharm. Biomed. Anal. 74 (2013) 62-70

[3] Nobuo Ochiai et al., Schadstoffe aus wässrigen Medien effizient extrahieren, LABORPRAXIS 10/2010

* G. DEUßING: Redaktionsbüro G. Deußing, 41464 Neuss

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