Design of detection systems for the therapeutic drug monitoring of anticancer drugs

Despite the continuous progress in drug therapy, most anticancer drugs appear to be characterized by a high interindividual variability in plasma concentrations that is reflected in the efficacy of the treatment. From this arises the need of a personalized approach, so that the drug concentrations in plasma are adequate in each patient. On this basis, during the PhD project reported hereby, different techniques for therapeutic monitoring (TDM) of anticancer drugs were developed. First, a LC-MS/MS method for the quantification of imatinib (IMA) and its active metabolite, norimatinib (norIMA), was developed, validated and cross-validated in patients affected by gastrointestinal stromal tumour. This method allows to perform the quantification directly on a drop of capillary blood, exploiting the dried blood spot (DBS) technique, reducing sampling time, costs and improving patients’ compliance. Analytes were extracted from DBS samples by adding acidified methanol and the extract is injected into a LC system (configured with a 2D chromatography for online cleaning of the sample), coupled with an API-4000QT. The method showed good linearity (R2> 0.996) in the ranges of 50-7500 ng/mL and 10-1500 ng/mL for IMA and norIMA. Intra-day precision and accuracy were ≤3.1% and between 88.9-112.8%, respectively, while inter-day ones were ≤6.6% and between 95.7-104.3 %, for both analytes. Moreover, were also evaluated: the influence of the haematocrit (Hct), of the spot size and of the sample homogeneity on the analysis; the correlation between the concentration in DBS from venous sampling and from finger-prick (% difference between -12 and 3.8%) and the stability of DBSs (up to 16 months). Then, the method was applied for the quantification of 67 DBSs patients’ samples. Good agreement was obtained between IMA and norIMA concentrations found in DBS and plasma samples applying either the Hct normalization or avoiding it, simply multiplying the DBS concentration with a correction factor. Part of the work of this project was also dedicated for the development of alternative strategies for the quantification of anticancer drugs, to promote the application of TDM. In particular, the synthesis of molecularly imprinted polymers (MIPs) was performed, with the future goal of applying them as receptors in a fluorimetric detection system for IMA. MIPs were synthesized using the non-covalent approach and high dilution radical polymerization. Through this synthesis, the MIPs obtained, synthesized in DMSO with methacrylic acid as functional monomer, shown nanometric size (data acquired by dynamic light scattering). The rebinding tests then showed that 2 MIPs in particular were able to bind IMA with a good specificity (compared to the corresponding non-imprinted polymers) and selectivity. Finally, a LC-MS/MS method was developed and validated for the quantification of ribociclib (RIBO), palbociclib (PALBO) and letrozole (LETRO) in human plasma. RIBO and PALBO are drugs belonging to the CDKIs family, recently approved for breast cancer treatment in combination with LETRO. The method developed is suitable for its application in clinical practice, thanks to simple sample preparation and rapid analysis (6.5 min). The method showed a good linearity (R2 between 0.992-0.983) in the concentration ranges of 0.3-250 ng/mL for PALBO, 10-10000 ng mL for RIBO and 0.5-500 ng/mL for LETRO (covering the therapeutic plasma concentrations). Intra-day precision and accuracy were ≤3.6% and between 94.5-112.3% for all and analytes, respectively, while inter-day ones were ≤ 7.3% and 94.5-112.9%. The method has been successfully applied for patients’ plasma samples quantification. In conclusion, with the development of these strategies there is the hope to implement the application of TDM for anticancer drugs in the clinical practice.

Considerato che la maggior parte dei farmaci antitumorali risulta caratterizzata da un'alta variabilità interindividuale nelle concentrazioni plasmatiche, che si riflette sull'efficacia del trattamento, durante il progetto di dottorato qui descritto sono state sviluppate tecniche per il loro monitoraggio terapeutico (TDM). In primo luogo, è stato sviluppato, validato e cross-validato un metodo LC-MS/MS per la quantificazione di imatinib (IMA) e del suo metabolita attivo, norimatinib (norIMA), in pazienti affetti da tumore stromale gastrointestinale utilizzando la tecnica del dried blood spot (DBS). Il DBS consente di ridurre costi e tempi di campionamento e migliorare la compliance dei pazienti, poiché l’analisi viene effettuata tramite una goccia di sangue capillare depositata su carta. Da questa gli analiti vengono estratti con MeOH acidificato e l'estratto viene iniettato in un sistema LC (configurato con una cromatografia 2D per la pulizia on-line del campione), accoppiato ad un API-4000QT. Il metodo ha mostrato una buona linearità (R2> 0,996) nei range di 50-7500 ng/mL e 10-1500 ng/mL per IMA e norIMA. La precisione e l’accuratezza intra-day sono state, rispettivamente, ≤3.1% e tra 88.9-112.8%, mentre quelle inter-day erano ≤6,6% e tra 95.7-104.3%, per entrambi gli analiti. Sono stati valutati inoltre: l'influenza dell'ematocrito (Hct), del volume depositato e dell'omogeneità del campione sull’analisi; la correlazione tra la concentrazione in DBS da prelievo venoso e da finger-prick (differenza tra -12 e 3.8%) e la stabilità dei DBSs (fino a 16 mesi). Il metodo è stato applicato per la quantificazione di 67 campioni DBSs di pazienti. Le concentrazioni in DBS, normalizzate per Hct e per un fattore di correzione che prescinde dall’Hct, correlano con quelle plasmatiche. Parte del lavoro di questo progetto è stato anche dedicato allo sviluppo di strategie alternative a LC-MS/MS per favorire ulteriormente l’applicazione del TDM. In particolare, è stata eseguita la sintesi di polimeri (molecularly imprinted polymers - MIPs), con l'obiettivo futuro di applicarli come recettori in un sistema di rilevamento fluorimetrico per IMA. I MIPs sono stati sintetizzati sfruttando l'approccio non covalente e la polimerizzazione radicale ad alta diluizione. Tramite questa tecnica, i MIPs ottenuti, sintetizzati in DMSO e con acido metacrilico come monomero funzionale, presentano dimensioni nanometriche (dati acquisiti tramite dynamic light scattering). I tests di rebinding hanno dimostrato che solo 2 MIPs sono stati in grado di legare IMA con una buona specificità (rispetto ai corrispondenti polimeri non-imprinted) e selettività. È stato infine sviluppato e validato un metodo LC-MS/MS per la quantificazione di ribociclib (RIBO), palbociclib (PALBO) e letrozolo (LETRO) in plasma. RIBO e PALBO sono farmaci appartenenti alla famiglia dei CDKIs recentemente approvati per il trattamento del carcinoma mammario in combinazione con LETRO. Il metodo messo a punto risulta adatto per l’applicazione nella pratica clinica, grazie ad una semplice preparazione del campione e ad una rapida analisi (6.5 min). Il metodo risulta lineare (R2 tra 0.992-0.983) nei range di concentrazione di 0.3-250 ng/mL per PALBO, 10-10000 ng/mL per RIBO e 0.5-500 ng/mL per LETRO (che coprono le concentrazioni plasmatiche terapeutiche). La precisione e l’accuratezza intra-day sono state, rispettivamente, ≤3.6% e tra 94.5-112.3% per tutti e gli analiti, mentre quelle inter-day erano rispettivamente ≤7.3% e tra 94.5-112.9%. Il metodo è stato applicato con successo alla quantificazione di campioni plasmatici di pazienti. In conclusione, con lo sviluppo di queste strategie si spera di implementare l’utilizzo del TDM per i farmaci oncologici nella pratica clinica.