Sviluppo e ottimizzazione di metodi di cromatografia liquida accoppiata a spettrometria di massa come strumento per il monitoraggio terapeutico in pazienti con tumore gastrointestinale stromale

Gastro-intestinal stromal tumour (GIST) is a malignant neoplasm characterised by a marked unresponsiveness to standard chemotherapy regimens and the introduction of the targeted cancer therapy with the tyrosine kinase inhibitors (TKIs) provided evident benefits for the treatment of this pathology. The introduction of imatinib (IMA), an oral TKI, strongly improved the treatment outcomes representing the first valid pharmacologic alternative to surgical resection for GIST patients. IMA is in fact indicated as first-line standard therapy for inoperable, metastatic, or recurrent GISTs. In case of occurrence of resistance to IMA treatment, sunitinib (SUN), another oral TKI, plays an important role in the patients’ survival. For its efficacy, SUN is indicated as second-line treatment of GIST after treatment failure with IMA. Despite the indisputable clinical benefits achieved with these TKIs by GISTs patients, their current administration based on the “one-dose-fits-all” paradigm, along with the large inter-individual variability in systemic exposure observed, results in a non-optimized therapy. Moreover, for both IMA and SUN, a positive exposure-efficacy/toxicity relationship exists. For these reasons, therapeutic drug monitoring (TDM) approach, which aims to optimize the therapy by personalizing it through the determination and interpretation of drug concentration in biological fluids, has been suggested as potentially useful for both the TKIs. As related to IMA, a relationship between the trough level (Cmin) and therapy outcome has been observed, while no consensus is still reached on the precise Cmin threshold for GIST patients because, in the literature, two different cut-off values have been suggested. As regards SUN, the main problem is its isomerization from the Z-isomer to the E-one in presence of light. To overcome this problem, which also affects its main metabolite N-desethyl sunitinib (N-DES SUN), several published methods applied light protection conditions to the entire workflow (from blood sampling to plasma analysis) thus making this approach clearly not suitable to be applied for clinical routine analyses. In this regard, this PhD project aimed to contribute, from the analytical point of view, to the TDM approach for both IMA and SUN in the context of GIST treatment. First, a robust, fast and clinically applicable LC-MS/MS quantification method for IMA and its main active metabolite N-desmethyl imatinib (NOR IMA) needed to be developed from scratch to obtain an applicable tool for the correct definition of the Cmin thresholds in GIST patients. Regarding SUN, an already developed assay needed to be upgraded to solve the photoisomerization problem without the need for light protection condition during the sample handling. Moreover, a validation according to FDA and EMA guidelines needed to be performed for both the developed methods in order to evaluate their robustness. First, an LC-MS/MS method for the simultaneous quantification of IMA and NOR IMA in human plasma was developed and validated. It requires only 20 µL of plasma to quantify both IMA and its main metabolite in a concentration range of 30-7’500 ng/mL and 6-1’500 ng/mL, respectively. Then, it was successfully applied to real GIST patients’ samples thus allowing to highlight possible cases of under-exposure, over-exposure and non-adherence to therapy. On the other side, the study of SUN and N-DES SUN isomerisation in plasma samples led to the introduction, in the already developed LC-MS/MS quantification method, of a simple and fast pre-analytical step to overcome the issue of working in light-protected conditions: only 5 minutes of heated water bath at 70°C were enough to trigger the reconversion from E- to Z- isomer just before the analysis. Lastly, the upgraded method was validated thus demonstrating the possibility to perform a quantitative analysis of both SUN and N-DES SUN without the need for light protection conditions.

Il tumore stromale gastrointestinale (GIST) è un tumore maligno caratterizzato da una marcata resistenza alla chemioterapia standard e l'introduzione della terapia antitumorale mirata con gli inibitori delle tirosin-chinasi (TKI) ha fornito evidenti benefici nel suo trattamento. L'introduzione di imatinib (IMA), un TKI orale, ha fortemente migliorato gli esiti del trattamento rappresentando la prima valida alternativa farmacologica alla resezione chirurgica per i pazienti affetti da GIST. IMA è infatti indicato come terapia di prima linea per GIST inoperabili, metastatici o recidivi. Sunitinib (SUN) invece, un altro TKI orale, è indicato per la sua efficacia come trattamento di seconda linea del GIST dopo il fallimento del trattamento con IMA. Nonostante gli indiscutibili benefici clinici per i pazienti affetti da GIST, ottenuti con questi TKI, la loro attuale somministrazione basata sul paradigma "one-dose-fits-all", unita alla grande variabilità interindividuale nell'esposizione sistemica osservata, si traducono in una terapia non ottimizzata. Inoltre, sia per IMA che per SUN, esiste una correlazione positiva tra esposizione-efficacia/tossicità. Per queste ragioni, l'approccio di monitoraggio terapeutico del farmaco (TDM), che mira a ottimizzare la terapia personalizzandola attraverso la determinazione e l'interpretazione della concentrazione del farmaco nei fluidi biologici, è stato suggerito come potenzialmente utile per entrambi i TKI. Per quanto riguarda IMA, è stata osservata una relazione tra il livello minimo (Cmin) e l'esito della terapia. tuttavia in letteratura non vi è concordanza di pareri, essendo stati suggeriti due diversi valori di cut-off per la Cmin. Per quanto riguarda SUN, il problema principale è la sua isomerizzazione dall’isomero Z all'E in presenza di luce. Per superare questo problema, che affligge anche il suo principale metabolita N-desetil sunitinib (N-DES SUN), diversi metodi pubblicati hanno applicato condizioni di protezione dalla luce all'intero flusso di lavoro rendendo così questo approccio non adatto ad essere adatto alla pratica clinica. A questo proposito, questo progetto di dottorato ha lo scopo di contribuire, dal punto di vista analitico, all'approccio del TDM per IMA e SUN nel contesto del trattamento del GIST. Innanzitutto, è stato necessario sviluppare da zero un metodo di quantificazione LC-MS/MS valido, rapido e clinicamente applicabile per IMA e il suo principale metabolita attivo N-desmetil imatinib (NOR IMA) per ottenere uno strumento applicabile per la corretta definizione delle soglie Cmin nei pazienti affetti da GIST. Per quanto riguarda SUN, un metodo già sviluppato ha avuto la necessità di essere aggiornato per risolvere il problema della fotoisomerizzazione senza la necessità di protezione dalla luce durante la manipolazione del campione. Inoltre, è stato necessario eseguire una validazione secondo le linee guida di FDA ed EMA per entrambi i metodi sviluppati al fine di valutarne la robustezza. Per prima cosa, è stato sviluppato e convalidato un metodo LC-MS/MS per la quantificazione simultanea di IMA e NOR IMA nel plasma umano. Tale metodo richiede solo 20 μl di plasma per quantificare sia l'IMA che NOR IMA in un intervallo di concentrazione di rispettivamente 30-7'500 ng/mL e 6-1'500 ng/mL. Quindi, è stato applicato con successo a campioni di pazienti GIST reali permettendo così di evidenziare possibili casi di sottoesposizione, sovraesposizione e non aderenza alla terapia. Dall'altro lato, lo studio dell'isomerizzazione di SUN e N-DES SUN in plasma ha portato all'introduzione, nel metodo LC-MS/MS già sviluppato, di una semplice e veloce fase pre-analitica per evitare l’obbligo della protezione dalla luce: solo 5 minuti di bagnomaria riscaldato a 70 °C sono stati sufficienti per innescare la riconversione dall'isomero da E a Z poco prima dell'analisi. Infine, il metodo aggiornato è stato validato dimostrando così la sua fattibilità.