Hochauflösende bildgebende Massenspektrometrie Per Bildgebung – Drogenanalytik im Haar

Anbieter zum Thema

Shimadzu Deutschland GmbH

Gerstel GmbH & Co. KG

SIM Scientific Instruments Manufacturer GmbH

Passiver oder aktiver Drogenkonsum? Die Haaranalyse mit der bildgebenden Massenspektrometrie (MS-Imaging) gibt Klarheit. Mit ihr lassen sich – im Gegensatz zur etablierten LC-MS-Analyse – die Drogen im Haar genau lokalisieren.

Drogenkonsum lässt sich nicht verbergen. Zumindest vor der Analytik nicht. Denn Drogen reichern sich über einen Zeitraum von Monaten bis zu mehr als einem Jahr in Haaren an. Daher liefert eine Haaranalyse wissenschaftliche Beweise, die Zeiträume mit Drogenkontakt einschließen. Häufig werden solche Untersuchungen von Drogendelikten mittels der Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit der Massenspektrometrie (LC-MS) durchgeführt. Allerdings kann mit dieser Technik keine Information über die Lokali­sierung der Drogen im Haar ermittelt werden. Dieses Problem löst die bildgebende Massenspektrometrie (MS-Imaging). Zur Visualisierung der Medikamentenverteilung im Haar und um die Stärke der MS-Imaging-Technologie zu demonstrieren, wurde Methoxyphenamin (MOP) als Modelldroge eingesetzt. MOP ähnelt strukturell dem Methamphetamin, einer Art Antihypnotikum (s. Abb. 1).

Probenvorbereitung

Für die MS-Imaging-Analyse wurden zwei Arten von Proben vorbereitet. Zum einen „Benutzerhaar“, bei dem männliche Freiwillige mit schwarzem Haar an fünf aufeinanderfolgenden Tagen dreimal täglich ein rezeptfreies Medikament mit 50 mg MOP-Hydrochlorid einnahmen. Daraufhin folgte eine 19-tägige Ruhezeit, dann weitere fünf Tage der Einnahme und abschließend nochmals eine Ruhezeit von 13 Tagen. Nach Beendigung der Medikamenteneinnahme und Ruhezeit wurden die Haare an den Wurzeln entnommen. Als zweite Probenart wurde „getränktes Haar“ verwendet: Zur Vorbereitung dieser Proben wurden Haare von den Haarwurzeln männlicher Probanden vor der Einnahme des Medikamentes entnommen und in MOP-Hydrochloridlösung getaucht. Die Menge des Medikamentes im Haar wurde mittels LC auf 20 bis 83 ng/mg bestimmt.

Ein menschliches Haar besitzt einen Durchmesser von etwa 50 bis 150 µm und besteht ausgehend von der Oberfläche aus drei Schichten (s. Abb. 2): die äußere, feste Schuppenschicht (Kutikula), die Faserschicht (Kortex) und das Haarmark (Medulla). Um möglichst viele Informationen über die Verteilung der Modelldroge zu erhalten, wurden sowohl Längs- als auch Querschnitte der Haarproben generiert. Die Längsschnitte wurden mittels eines Mikrotoms angefertigt und mit leitfähigem doppelseitigen Klebeband auf einem ITO-Slide (mit Indiumzinnoxid beschichteter Objektträger) fixiert. Bei der Erstellung der Querschnitte kam ein Kryostat zum Einsatz, wodurch die in Carboxymethylcellulose (CMC) eingebetteten Haarproben geschnitten und auf ITO- Slides fixiert werden konnten.

Set-up der MS-Imaging-Analyse

Zur Unterstützung der Ionisierung finden bei MS-Imag­ing-Experimenten, wie bei der hier eingesetzten MALDI-Massenspektrometrie, viele unterschiedliche Matrices Verwendung. In diesem Experiment wurde CHCA (α-Cyano-4-hydroxyzimtsäure) als Matrix ausgewählt. Um eine hohe räumliche Auflösung zu realisieren, muss die Matrix nicht nur gleichmäßig aufgetragen, sondern auch die Größe der Matrixkristalle minimiert werden. Eine Methode, um eine feine und homogene Matrixbeschichtung zu erhalten, ist die Aufdampfung durch Sublimation der Matrixsubstanz auf das Probenmaterial.

Ein solches Verfahren ermöglicht der iM Layer von Shimadzu, der daher hier verwendet wurde. Die massenspektrometrische Datenaufnahme erfolgte mit dem iM Scope QT von Shimadzu. Dieses System ist zusätzlich mit einem optischen Mikroskop ausgestattet, sodass es sich für die Beobachtung feiner Objekte, wie etwa Querschnitte von Haaren, eignet und eine nahtlose Überlagerung der optischen mit den massenspektrometrischen Daten ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des iM Scope QT ist, dass dieses System mit einem hochauflösenden Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometer (QTOF-MS) kombiniert ist. Für mehr Flexibilität kann das MS-Imaging-System einfach mit einer Quelle für die Elektrosprayionisierung (ESI) getauscht werden, um weiterführende Analysen mittels LC-MS durchzuführen.

Ergebnisse der MS-Imaging-Analyse

• Haarproben im Längsschnitt: Zunächst wurde eine Messung der Proben mit einer geringen räumlichen Auflösung von 50 µm durchgeführt (s. Abb. 3). Wie zu erwarten, ergaben sich beim „Benutzerhaar“ im Längsschnitt zwei positive Bereiche, passend zum fünftägigen Dosierungszeitraum. Dementsprechend findet sich im Bereich der Einnahmepause kein Medikament in der Haarprobe. Die Untersuchung im Längsschnitt der getränkten Haarproben zeigt eine einheitliche Wirkstoffverteilung. Eine anschließende Messung bei höherer räumlicher Auflösung von 10 µm ergab hier zudem, dass der Wirkstoff am Rand der Proben lokalisiert ist, aber nicht im Inneren des Haares.

• Haarproben im Querschnitt: Um die Verteilung der Drogen im Haar besser beurteilen zu können, wurde die MS-Imaging-Analyse der im Querschnitt vorbereiteten Haarproben ebenfalls mit einer räumlichen Auflösung von 10 µm durchgeführt (s. Abb. 4). Die hier gewonnenen Resultate stimmen mit den Ergebnissen der Haarproben im Längsschnitt überein. So konnte der Wirkstoff in dem getränkten Haar lediglich in der Peripherie der Probe identifiziert werden. Im nächsten Schritt konnte durch eine wiederholte Analyse dieser Haarproben mit einer örtlichen Auflösung von 5 µm die Verteilung noch exakter bestimmt werden.

Wichtig ist hier eine Unterscheidung zwischen freiwilligem aktivem und passivem Drogenkonsum (z. B. durch Rauchen). Bei aktiven Drogenkonsum findet sich der Drogen auch im Inneren des Haares, bei passivem Drogenkonsum, nur in den Randbereichen. Ein solche Differenzierung ist durch analytische Methoden wie die Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit der Massenspektrometrie nicht möglich. Hochauflösende Analysen mittels MALDI-Imaging erzielen dagegen eine solche Unterscheidung.

Fazit und Ausblick

Haare sind wie Magnetbänder, auf denen die Historie des Drogenkonsums aufgezeichnet wird. Die Visualisierung von Wirkstoffen im Haar ist daher ein wichtiges und zugleich schwieriges Thema in der Forensik. Die LC-MS-Analytik ist unerlässlich für die Quantifizierung des Drogengehalts, der detaillierte Mechanismus der Drogenaufnahme wird dadurch jedoch nicht enthüllt. Zusätzlich ist die Detektion der Drogen mithilfe hoher räumlicher Auflösung und hoher Empfindlichkeit notwendig, um auch geringe Mengen der Wirkstoffe in komplexen Umgebungen sichtbar zu machen. Die hier vorgestellte Methode mittels MALDI-MS-Imaging wird diesen speziellen Anforderungen jedoch gerecht. Neben der Nutzung zur Drogenbestimmung oder für Dopingtests kann dieses Verfahren beispielsweise für die Entwicklung und Beurteilung von Haarpflegeprodukten eingesetzt werden.

Darüber hinaus bietet das MS-Imaging-System iM Scope QT in Kombination mit dem hochauflösenden Q-TOF Massenspektrometer ein hohes Maß an Flexibilität. Durch den einfachen Quellenwechsel können nach den Analysen der bildgebenden Massenspektrometrie weitere LC-MS-Analysen durchgeführt werden, um ergänzende qualitative und quantitative Informationen zu erhalten.

(ID:48587536)