High-throughput experimentation reaction monitoring and analysis of chemistry synthesis products with ultrahigh-throughput 4D timsTOF fleX MALDI-2 technology

Význam tématu

Ve světě objevování nových léčiv hraje rychlá a spolehlivá analýza výsledků syntéz klíčovou roli. High-throughput experimentation (HTE) umožňuje rychlé testování stovek až tisíců reakčních podmínek, avšak tradiční analytické přístupy často představují úzké hrdlo procesu. Kombinace laserové ionizace MALDI-2 s ortogonálním separačním principem TIMS na platformě Bruker timsTOF fleX přináší ultrarychlou 4D analýzu malých molekul, zkracuje dobu odezvy a výrazně zvyšuje kapacitu skríningu chemických reakcí.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ukázat možnosti ultravysoce průchodné analýzy produktů chemických syntéz pomocí 4D technologie timsTOF fleX MALDI-2. Autoři demonstrovali: rychlé měření přesné hmotnosti, izotopického vzoru, kolizní příčné plochy (CCS) a strukturálně specifického fragmentačního rozkladu (CID-MS/MS). Důraz byl kladen na rozlišení isobarických rušivých signálů a množstevní kvantifikaci v režimu HTE.

Použitá metodika a instrumentace

Syntézy: 95 mikročásticových reakcí dodaných v DMSO, zředěných 20× v acetonitril/voda, nanesených na MALDI destičku AnchorChip 384 BC. Matricové vrstvy: 0,5 µl HCCA nebo 2,5-DHAP pro MALDI-2. Instrumentace: Bruker timsTOF fleX s duálním ESI/MALDI zdrojem, smartbeam 3D laserem (10 kHz) a MALDI-2 postionizačním laserem. Separace: TIMS gradient 0,6–1,7 V*s/cm2, cyklus 150 ms; MS v režimu UHR-TOF s nadzvukovým rozlišením. Kalibrace: ESI infuze a red phosphorus v MALDI. Software: timsControl 2.0 pro akvizici, DataAnalysis 5.3 pro zpracování, SmartFormula a vlastní skript pro kvantifikaci.

Hlavní výsledky a diskuse

• Ze 30 komerčních referenčních léčivých látek bylo dosaženo hmotnostní přesnosti ≤1 ppm, mSigma <20 a RSD CCS ~0,07 %.
• V experimentu na 95 syntéz bylo v 93 % případů potvrzeno přítomnost cílového produktu s hmotnostní odchylkou ≤1–3 ppm.
• TIMS efektivně oddělil isobarické rušení ve zlomcích sekundy a zajistil čisté spektrum (příklady: imatinib, atorvastatin).
• Porovnání experimentálních CCS s predikovanými hodnotami z databáze AllCCS vykázalo průměrnou odchylku 2,2 %, což potvrzuje použitelnost prediktivních algoritmů pro strukturu-CCS korekci.
• Kvantifikace tří referenčních látek (perphenazin, sulfadimethoxin, sulfaguanidin) prokázala lineární odezvu ve dvou řádech koncentrací (0,039–5 µM) s interním standardem verapamilem.
• MALDI-2 výrazně zlepšilo ionizaci molekul obtížně ionizovatelných v klasickém MALDI, například u leukotrienového antagonisty zafirlukastu více než 5× a u estradiolu dokonce řádově větší zvýšení signálu.

Přínosy a praktické využití metody

• Vysoce průchodný monitoring syntézních reakcí s minimálním objemem vzorku (picomoly).
• Blesková analýza (<1 s vzorek) vhodná pro plně automatizované HTE workflow.
• Orthogonální separace TIMS pro odstranění matrice a isobarických interferencí.
• Rozšířené analytické spektrum díky MALDI-2, včetně molekul mimo dosah konvenční MALDI.
• Možnost CCS-asistované identifikace nově syntetizovaných látek bez referenčních standardů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace s prediktivními CCS databázemi a strojovým učením pro rychlé ověřování struktur.
• Propojení s 4D-omics a prostorovou MALDI imaging (SpatialOMx ®) v rámci komplexních farmaceutických studií.
• Široké použití v QA/QC odděleních farmaprůmyslu pro rutinní kontrolu čistoty a identity API.
• Další rozvoj laserových ionizačních technik a kombinace s.high-throughput digitalizací dat.

Závěr

Bruker timsTOF fleX MALDI-2 představuje přelom v HTE chemického skríningu. Čtyřrozměrná analýza (CCS, hmotnost, izotopový vzor, CID-MS/MS) poskytuje rychlé, citlivé a spolehlivé výsledky a umožňuje efektivní oddělení i těžko rozlišitelných izobarických sloučenin. Technologie otevírá nové možnosti pro automatizované farmaceutické a chemické aplikace.

Reference

[1] Simon M. et al., SLAS Discovery 2020, 25(4):372–383.
[2] Unger M.S. et al., Anal. Chem. 2020, 92(17):11851–11859.
[3] Lin S. et al., Science 2018, 361:eaar6236.
[4] Soltwisch J. et al., Anal. Chem. 2020, 92(13):8697–8703.