Applying non-targeted analysis workflows to the detection and identification of extractables and leachables in medical device polymers

Význam tématu

Extrahovatelné a vymývatelné látky (extractables and leachables, E&L) z polymerních materiálů používaných v medicínských prostředcích představují potenciální toxicologické riziko pro pacienty. Chemická charakterizace materiálů podle rámců jako ISO 10993-18 je nezbytná pro posouzení expozice a bezpečnosti. Nejistota v detekci kvůli rozsáhlému a pestrému chemickému prostoru a vysoké komplexitě dat z vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie zvyšuje potřebu robustních, automatizovaných workflow pro nontargeted analýzu, která zrychlí screening, sníží subjektivitu interpretace a umožní širší pokrytí látek kombinací ionizačních technik.

Cíle a přehled studie / článku

Hlavním cílem studie bylo ukázat možnost zjednodušení a automatizace non-targeted workflow pro detekci a identifikaci E&L v polymerech používaných v produktech pro spánkovou apnoe. Autoři nasadili kombinaci LC-DIA-HRMS analýzy s dvěma komplementárními ionizačními technikami (ESI a SICRIT) a zpracování dat v nové aplikaci Insight Profiler, která umožňuje zpracování celé sekvence kroků (detekce signálů, zarovnání, statistika a identifikace) v jediné metodě pro dávkovou analýzu.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky: čtyři typy polymerních materiálů (mattress extract, silikonová pěna, polyesteruretan, polyetheruretan) extrahované v isopropanolu (IPA) nebo vodě; pět technických replik každého vzorku; analýzy v pozitivním i negativním módu.

Chromatografie: Shim-pack XR-ODS III 2.0 × 150 mm, 2.2 µm; kolona ohřátá na 40 °C; průtok 0.4 mL·min−1; binární gradient (voda + 0.1 % kyseliny listové / methanol); doba cyklu LC ~20 minut.

Spektrometrie: LCMS-9050 Q-TOF (Shimadzu) pro vysokorozlišovací LC-MS/MS v režimu DIA.

DIA nastavení (shrnutí): TOF survey sken m/z 70–1250 (~100 ms); ~41 DIA-MS/MS skenů pokrývajících m/z 40–1250 s příslušnými izolacemi (izolační okna se liší, použití ~20–35 Da) a dobou akvizice ~25 ms; collision energy spread 5–55 V; externí kalibrace.

Ionizace: ESI (teplota 300 °C; napětí +4.5 kV / −3.0 kV) a alternativní měkká ionizace SICRIT (Soft Ionization by Chemical Reaction in Transfer) (teplota ~500 °C; napětí ~1.8 kV; frekvence 45 kHz). Kombinací ESI a SICRIT autoři rozšířili detekovatelné chemické spektrum analyzovatelných E&L.

Software a zpracování dat: LabSolutions Insight Profiler — jeden zpracovatelský protokol, který automatizuje sekvenci kroků: detekce rysů (feature detection), zarovnání časů, statistická filtrace (včetně variantnosti), a identifikace pomocí rozsáhlých screeningových seznamů a spektrálních knihoven. Porovnání se blankem prováděné přes Volcano ploty; kritérium konzistence: přítomnost v ≥4 z 5 replik lépe odlišilo relevantní funkce od pozadí.

Hlavní výsledky a diskuse

- Insight Profiler úspěšně zautomatizoval kompletní workflow od detekce po identifikaci v jediné metodě a umožnil efektivní dávkové zpracování dat bez nutnosti opakovaného ručního zpracování.

- Kombinované použití ESI a SICRIT vedlo k širšímu pokrytí chemického prostoru než ESI samotné. Některé sloučeniny (zejména siloxany a další sloučeniny lépe ionizované jinými mechanismy) byly výrazně lépe a spolehlivěji detekovány při použití SICRIT. Příklady sloučenin, u kterých byla detekce lepší pomocí SICRIT: decamethylcyclopentasiloxane, tetradecamethylcycloheptasiloxane, některé siloxany v silikonové pěně.

- Mezi identifikovanými E&L dominovaly skupiny běžné u polymerů: antioxidanty (Irganox 1098, Irganox 1135, Irganox 565), aminy a alkoholaminy používané při výrobě (N-lauryldiethanolamine, N-butyldiethanolamine), plastifikátory a aditiva (ftaláty, adipáty, acetyl tributyl citrate), mastné kyseliny a amidy (erucamide, stearamide), inhibitory a zesvětlující činidla. Identifikace byla podpořena porovnáním s knihovnami ELSIE (EPA CompTox), FDA-CLAP a NIST 2023.

- Statistické filtrování a porovnání se slepými vzorky (blanky) minimalizovalo falešně pozitivní rysy; požadavek přítomnosti ve většině replik dodal robustnost detekce.

- Přesto zůstávají omezení: některé látky vyžadují potvrzující analýzy (např. cílené kvantifikace, izolační studie nebo orthogonalní techniky jako GC-MS pro těkavé/SVOC), a SICRIT generuje spektra, která nejsou zatím tak dobře pokryta existujícími veřejnými knihovnami jako ESI spektra, což může znesnadnit jednoznačnou identifikaci u některých položek.

Přínosy a praktické využití metody

- Automatizace celého nontargeted procesu v jediném zpracovatelském protokolu zkracuje čas analýzy a snižuje potřebu manuální úpravy kroků, čímž zvyšuje laboratorní průchodnost a reprodukovatelnost.

- Kombinace ESI + SICRIT rozšiřuje analytické okno pro LC-MS/MS a umožňuje detekci slabě polarních nebo jinak málo ionizovatelných sloučenin bez nutnosti separátní GC-MS analýzy v počátečním screeningu.

- Systém je vhodný pro předběžné screeningy E&L v rámci bezpečnostních hodnocení podle ISO 10993-18, kde je důležité zachytit co nejširší spektrum potenciálních látek a odlišit je od pozadí extrakcí.

Budoucí trendy a možnosti využití

- Rozšíření a zpřesnění spektrálních knihoven pro sicrit/soft-ionizační techniky, aby se zlepšila úspěšnost automatických library matchů.

- Integrace strojového učení a pokročilých statistických algoritmů do Insight Profileru pro lepší prioritizaci kandidátních struktur a predikci toxikologické relevance.

- Standardizace workflow a validace pro průmyslové a regulační použití, včetně mezilaboratorních studií pro získání důvěryhodnosti v souladu s požadavky na E&L reportování.

- Kombinovaná multimodální platforma: LC-MS/MS (ESI + SICRIT) spolu s GC-MS pro kompletní pokrytí volatních i nevypařujících se komponent, a následné kvantitativní metody pro potvrzení rizikově relevantních látek.

- Vývoj citlivějších a chemicky selektivních měkkých ionizačních zdrojů a jejich optimalizace pro konkrétní třídy polymerních přísad.

Závěr

Studie demonstrovala, že automatizované non-targeted workflow v Insight Profileru v kombinaci s komplementárními ionizačními technikami (ESI a SICRIT) poskytuje efektivní přístup ke screeningu E&L v medicinálních polymerech. Přístup rozšiřuje detekční okno a zkracuje čas potřebný ke zpracování sestávajících dat, čímž přispívá k robustnějšímu předběžnému chemickému hodnocení materiálů v rámci požadavků na bezpečnost pacientů. Nicméně pro definitivní identifikaci a kvantifikaci je doporučeno navazující cílené testování a další validace metodiky v kontextu regulačních požadavků.

Reference

• Loftus N.J., Armitage E.G., Barnes A., van den Heuvel D. Applying non-targeted analysis workflows to the detection and identification of extractables and leachables in medical device polymers. Shimadzu Corporation / Shimadzu Benelux (prezentace WP 317).
• ISO 10993-18 Biological evaluation of medical devices — Part 18: Chemical characterization of materials (součást ISO 10993 série).
• EPA CompTox Chemicals Dashboard — ELSIE chemical list (screeningový seznam používaný pro identifikaci E&L).
• FDA-CLAP (seznamy používané pro screening chemických látek relevantních pro ochranu zdraví).
• NIST Mass Spectral Library 2023 (spektrální knihovna použitá při porovnání MS/MS dat).