Charles Univesity, Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Analysis Candidate: Jana Tomanová Supervisor: doc. PharmDr. Radim Kučera, Ph.D. Consultant: PharmDr. Vít Šesták, Ph.D. Title of the Diploma Thesis: LC-HRMS analysis of selected drugs in biological material I. High performance liquid chromatography is one of the most widespread separation analytical techniques. It is used in various medical, pharmaceutical and industrial laboratories. It uses different affinities of the substances in the analysed mixture to the mobile and stationary phases. Mass spectrometry is one of the instrumental techniques by which charged particles are separated in the gas phase based on the mass- to-charge ratio. Nowadays, great emphasis is placed on the fact that the individual analytical methods which are being developed are subsequently validated according to a guideline issued by national or international authorities. Validation is a process that verifies that a method is suitable for its intended use. In this thesis, the conditions for the determination of warfarin in patient's serum by means of mass spectrometer with LTQ XL linear ion trap were optimized and validated. The optimization of the method was based on the already developed and validated...

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Analysis Candidate: Kristýna Švarcová Consultant: RNDr. Martin Mžik, Ph.D. Supervisor: doc. PharmDr. Radim Kučera, Ph.D. Title: LC-HRMS analysis of selected drugs in biological material II. Anxiety disorders affect up to 25 % of the population in their life, the lifetime prevalence is 13,6 %. Insomnia affect at least one third of the population in their life, the prevalence is 15-40 %. Drugs used to treat anxiety and insomnia easily cross the blood-brain barrier and affect the CNS. It is therefore necessary to determine the correct dosing schedule and monitor treatment. The result is optimization of treatment, reduction of side effects and increased patient adherence to treatment. The rapid qualitative and quantitative analysis for urgent cases of intoxication is also needed. This diploma thesis deals with development and optimization of an extraction method for selected benzodiazepines (alprazolam, bromazepam, diazepam, chlordiazepoxide, clonazepam, midazolam, oxazepam) and zolpidem in human serum. Subsequently, the whole analytical method was validated for use in clinical practice using the UHPLC-HRMS. Protein precipitation with acetonitrile was the most suitable sample preparation...

5 ABSTRACT Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Analysis Candidate: Anna Tláskalová Supervisor - specialist: Mgr. Martin Mžik Supervisor: doc. PharmDr. Radim Kučera, Ph.D. Title: LC-HRMS analysis of selected antihypertensive drugs in biological material for compliance assessment About 40 % of Czech population between the ages of 25 and 64 suffer from arterial hypertension. Although an array of effective antihypertensives is available nowadays, optimal blood pressure during treatment is reached by mere 30 % of the patients. This is mainly due to the patients' poor adherence to the treatment, who use their medicaments incorrectly or not at all. The adherence of a patient to the treatment, as well as pharmacokinetics, represent the most significant source of variability of the answer to the treatment and notably influences its outcome. The monitoring of plasmatic levels of antihypertensives is one of the methods of modern medicine which enables both an effective supervision of the incorrectly compensated patients, and the adjustment of dosage scheme. This diploma thesis focuses on development and optimisation of extraction procedures for selected antihypertensives (amiloride, amlodipine, betaxolol, bisoprolol, carvedilol, celiprolol,...

‘Jardin de Granville’ ‘est une variété de rose moderne dédiée à des applications cosmétiques en lien avec ses propriétés intéressantes permettant de lutter contre les mécanismes inflammatoires et oxydants au niveau cutané. L’objectif principal de cette thèse a consisté à établir la cartographie moléculaire de ‘Jardin de Granville’. Pour cela, un procédé standardisé de récolte et d’extraction a été développé afin d’accéder au contenu moléculaire le plus exhaustif possible des différents organes de la plante. Des méthodes complémentaires d’analyse, allant de l’HPTLC, à l’HPLC-DAD-DEDL et jusqu’à l’UHPLC-HRMS, ont été mises en oeuvre pour réaliser les empreintes chromatographiques des extraits et en identifier les principaux constituants. Ces méthodes ont été choisies de plus en plus spécifiques et précises, de façon à apporter une graduation dans le niveau d’informations apportées. Plus de 120 molécules ont pu être caractérisées dans les différents extraits. Le deuxième objectif résidait dans la mise en évidence des marqueurs phytochimiques spécifiques à la variété en comparant ses empreintes moléculaires à celles des deux variétés parents. Deux méthodes de comparaison des profils ont été développées. La première met en jeu des analyses statistiques telles que l’ACP, la CAH et l’ANOVA qui permettent de comparer l’ensemble des extraits. La seconde effectue la soustraction des chromatogrammes d’extrait deux à deux et donne accès à un niveau d’informations plus ciblé. Ces deux approches ont conduit à l’identification de composés différenciant chaque type d’organes ce qui pourra servir d’outils dans la valorisation de certaines parties de la plante. Des marqueurs potentiels plus spécifiques à ‘Jardin de Granville’ ont pu être mis en évidence ce qui démontre la capacité des méthodes développées à différencier le contenu phytochimique de variétés de rose très proches. / The modern rose variety ‘Jardin de Granville’, possesses proven activities against skin cell inflammatory and oxidant mechanisms and is devoted to cosmetic applications. The main goal of this study was to establish the molecular fingerprint of the different organs of ‘Jardin de Granville’. In this way, a standardized process for plant harvesting and sample extraction was developed giving access to the most exhaustive molecular fingerprint possible of the different organs. Several complementary analytical methods were implemented through HPTLC, HPLC-DAD-ELSD and UHPLC-HRMS, enabling to achieve the chromatographic fingerprint of the different organs and to identify the main constituents. These methods were selected to have increasing specificity and accuracy to bring progressive information on the molecule structure. Thus, more than 120 compounds were characterized in the different extracts. The second objective consisted in identifying specific phytochemical markers of the variety by comparing its fingerprint to those obtained from its two rose plant parents. In this way, two approaches were developed. The first one involves statistical analysis like PCA, HAC and ANOVA and allows comparing the whole sample chromatograms. The second approach performs extract chromatogram subtractions two by two and gives more detailed information. Both comparative methods led to the identification of the differential compounds existing between the different organ types which could be used to valuate some plant parts in particular. Some ‘Jardin de Granville’ specific markers were highlighted showing the method capacity to distinguish very close rose varieties, by comparing their molecular content.

Le taux de mortalité associé aux infections par le S. aureus résistant à la méticilline (SARM) est le plus élevé parmi les infections staphylococciques. Le SARM est aussi la plus fréquente des bactéries multirésistantes, plaçant souvent le médecin en situation d'impasse thérapeutique. Une meilleure compréhension des phénomènes de résistance aux antibiotiques permettrait de mieux détecter ces bactéries et concevoir de nouveaux antibiotiques. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visaient à étudier le phénotype de résistance à la méticilline de S. aureus par une approche métabolomique.La première partie de ce travail a été dédiée au développement des outils nécessaires aux analyses métabolomiques globales de S. aureus. Ces développements ont impliqué la mise place d'un protocole de préparation d'échantillon spécifique et multi-étapes, de méthodes de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (LC/HRMS) et l'implémentation d'une base de données spectrales dédiée.Dans ces conditions, nous avons pu extraire et identifier jusqu'à 210 métabolites intracellulaires, ce qui représente la plus large couverture métabolique de S. aureus obtenue à ce jour. Dans un second temps, nous avons appliqué l'approche développée à l'étude de souches SARM et de souches sensibles à la méticilline (SASM). Après optimisation rigoureuse des conditions de culture, l'étude approfondie de 24 souches cliniques nous a permis de dégager une signature métabolique du phénotype de la résistance à la méticilline, signant notamment l'implication des voies de biosynthèse de la paroi et de la capsule bactérienne.Le séquençage complet du génome de ces 24 souches combiné à l'étude complémentaire de 16 souches de SARM de fonds génétiques différents nous a ensuite permis de souligner la pertinence de cette signature métabolique vis-à-vis du phénotype étudié. Enfin, l'étude de souches isogéniques en présence d'antibiotique a également confirmé l'implication de la synthèse de la paroi dans la distinction SARM/SASM. / The mortality rate associated with Methicillin resistant S. aureus (MRSA) is the highest among the staphylococcal infections. A better understanding of antibiotic resistance phenomena would lead to better detect these bacteria and design new antibiotics. In this context, this PhD work aimed to study the MRSA phenotype by using a metabolomics approach. The first part of this work has been dedicated to developing a global metabolomic analysis of S. aureus: i.e., the setting up of a reliable sample preparation protocol, the development of liquid chromatography-high resolution mass spectrometry methods, and the implementation of a dedicated spectral database. Under these conditions, 210 metabolites have been extracted and identified in bacterial cell extracts, which is the widest metabolic coverage of S. aureus obtained to date.Secondly, we have performed a metabolomic study of MRSA and methicillin susceptible S. Aureus (MSSA) strains. The analysis of 24 clinical strains has allowed us to highlight a metabolic signature of MRSA phenotype of which metabolites involved in bacterial wall and capsule biosynthesis pathways were part. The complete genome sequencing of these 24 strains combined with the complementary study of 16 MRSA strains of different genetic backgrounds have reinforced the relevance of this metabolic signature. Finally, the study of isogenic strains in the presence of an antibiotic has confirmed the involvement of metabolites of the wall and capsule biosynthesis pathways in the distinction of MRSA/MSSA phenotypes.

Les enzymes et leur diversité d’actions sont appréciées dans des domaines d’applications variés allant del’agroalimentaire à la thérapeutique. Ainsi, une attention toute particulière est portée à leur étude afin d’améliorer uneaction (contre le vieillissement de la peau, antivirale, anticancéreuse…) ou un procédé de synthèse. Ce projet derecherche s’inscrit dans une démarche de développement d’outils analytiques basés sur la spectrométrie de masse,permettant le suivi rapide et sensible d’interactions enzyme-ligand.Dans une première étude, l’approche TLC couplée à une détection par UV a été évaluée pour la déterminationde constantes enzymatiques de l’enzyme invertase. Cette approche couplée à un MALDI/TOF MS a permis d’identifierdes substrats spécifiques de l’invertase au sein d’extraits de plantes. Pour preuve de concept, l’interactioncellobiohydrolase II–ligand est présentée dans le cadre de l’identification d’inhibiteur par TLC-MALDI/TOF et TLCENALDIMS.En seconde étude, nos travaux ont porté sur la caractérisation directe de différentes enzymes kinases, puis auxsuivis des réactions de phosphorylation de nucléosides /tides endogènes. Ces études, basées sur des approches « offline» (Flow Injection Analysis, FIA) et « on-line » (Frontal Affinity Chromatography, FAC) couplées à unspectromètre de masse haute résolution, ont été réalisées au moyen de ces kinases libres et immobilisées. Dans le cadrede la recherche de nouveaux candidats médicamenteux antiviraux, le suivi d’une phosphorylation spécifique desmolécules de synthèse, au regard de souches humaine ou virale de kinase, a également été évalué par ces deuxméthodologies. / Enzymes are very appreciated and useful in various application fields from agri-business to therapeutic due to theirdiversity of actions. Therefore, their action mechanisms are widely studied in order to enhance an action (anti-aging ofskin, antiviral, antitumorous) or a synthesis process. This research project is part of the approach to propose analyticaltools based on mass spectrometry, allowing rapid and sensitive follow-up of enzyme-ligand interactions.In a first study, the Thin-Layer Chromatography (TLC) approach coupled with UV detection was evaluated forthe determination of invertase kinetic constants. This approach coupled with a MALDI / TOF-MS led to theidentification of invertase substrates in plant extracts. As a proof of concept, the cellobiohydrolase II - ligand interactionwas presented in the framework of the identification of inhibitor by TLC-MALDI / TOF and TLC-ENALDI MS.In the second study, our work aimed at developing a direct method for the determination of kinetic parametersof kinases and following-up the phosphorylation reactions of endogenous nucleosides / tides. These studies, based on“off-line” (Flow Injection Analysis, FIA) and “on-line” (Frontal Affinity Chromatography, FAC) approaches coupledwith a high-resolution mass spectrometer, were carried out using free and immobilized kinases. In the context of thesearch for new antiviral drug candidates, a specific phosphorylation of synthetic molecules regards to human or viralkinase was also evaluated by these both approaches.

Le profilage métabolomique global de matrices biologiques dans de larges séries d'échantillon est un enjeu majeur. Dans ce contexte, notre travail vise à développer des approches LC-HRMS et outils bioinformatiques pour les analyses métabolomique et lipidomique de larges cohortes. Dans un premier temps, nous avons développé puis évalué la pertinence de 4 méthodes LC-HRMS dans l'annotation du métabolome/lipidome sérique humain. Ainsi, une base de données spectrales a été implémentée à l'aide de spectres MS, MS/MS et les temps de rétention de composés de référence afin d'assurer l'annotation de jeux de données. La combinaison de méthodes RP, HILIC et PFPP-HRMS a permis l'identification de 266 métabolites et 706 espèces lipidiques sériques répartis sur 20 et 24 classes chimiques respectivement dont 27% d'espèces isomères. Ces outils ont été appliqués, dans un second temps, à la stratification de 78 patients diabétiques. Outre le syndrome métabolique marqué (perturbation du métabolisme énergétique), nos analyses ont montré l'impact délétère de facteurs physiologiques confondants -âge et IMC-. Nous en avons évalué l'influence sur une cohorte de 227 salariés du CEA. Les empreintes lipidomiques sont robustes, néanmoins l'impact de l'IMC est marqué pour les lipides neutres. L'effet du genre démontre un catabolisme masculin important. L'effet de l'âge se manifeste par des activités enzymatiques altérées. Ces études combinent une analyse globale métabolomique et lipidomique des mêmes échantillons humains. Elles visent à construire une base de données relationnelle incluant données spectrales et biologiques servant à la caractérisation de biomarqueurs dans le cas d'études cliniques. / Global metabolomic profiling of biological media in large sample sets is a major challenge. In this context, our work aims to develop LC-HRMS approaches and data mining tools for metabolomics and lipidomics analysis of large cohorts. We have first developed and evaluated the reliability of four LC-HRMS methods in the annotation of human serum metabolome and lipidome. Thus, spectral database was implemented using MS spectra, MS/MS and retention times of reference compounds to further ensure datasets annotation. The combination of RP, PFPP and HILIC-HRMS methods allowed identification of 266 metabolites and 706 lipid species in human serum over 20 to 24 chemical classes respectively including 27% of isomeric species. These analytical tools were then applied for the stratification of 78 diabetic patients. Unsurprisingly, we highlighted a metabolic syndrome (energy metabolism disruption), moreover our analyses have shown the deleterious impact of confounding physiological factors on diabetes biomarker discovery –age and BMI-. We finally evaluated their influence on a cohort of 227 CEA employees. Lipidomic fingerprints are robust, however BMI impact is marked for neutral lipids. Gender effect shows significant male catabolism and age altered enzyme activities. These studies combine an overall metabolomics and lipidomics analyses of the same human samples. They aim to build up a relational database including spectral and biological data for biomarker characterization in clinical studies.

La cosmétique valorise des extraits de plantes en les intégrant dans des produits de soin. Ces extraits constituent les ingrédients actifs de la formule cosmétique. Les plantes sont diverses, riches et contiennent de nombreux composés d’intérêt biologique. La phytochimie s’intéresse à décrire le contenu métabolique d’extraits de plantes. Mais la caractérisation moléculaire de ces matrices complexes reste un défi majeur aujourd’hui. En effet, les étapes de traitements de données sont longues et laborieuses. Un outil de profilage métabolique, GAINS, a ainsi été développé afin de traiter de façon automatisée les données issues d’analyses en chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution. Il constitue un support au phytochimiste car le traitement automatisé des données permet de gagner du temps par rapport à un traitement manuel. Cet outil associé à une vaste base de données de produits naturels permet d’attribuer des candidats potentiels aux pics détectés. GAINS fait aussi appel à un module de fragmentation in silico afin d’étayer les propositions de candidats. Cela permet de comparer le spectre de fragmentation modélisé des candidats avec le spectre de fragmentation expérimental.L’ensemble des études phytochimiques réalisées pour identifier ou isoler des composés va de pair avec l’étude du potentiel d’effet biologique des extraits sur la peau, organe ciblé par les cosmétiques. Cela sert à découvrir les actions bénéfiques que peut avoir l’extrait. En connaissant le contenu phytochimique, on peut expliquer et rationaliser les tests d’activités biologiques. Le développement d’un actif anti-âge à partir de la salicaire, une plante de la région Centre-Val de Loire, en est l’exemple. / The cosmetic field valorizes plant extracts by integrating them in care products. These extracts constitute the active ingredients of the cosmetic formulation. Plants are diverse, rich and contain numerous compounds of biological interest. Phytochemistry is a way to describe the metabolic content of plant extracts. But molecular characterization of these complex matrices remains a major challenge nowadays. Indeed,steps of data treatment are time-consuming and laborious. In this way, a tool of metabolic profiling, GAINS, has been developed in order to treat in an automatized way data from analyses performed in liquid chromatography coupled with high-resolution mass spectrometry. It constitutes a real support for phytochemists because automatized data treatment allows gaining time compared to manual treatment. This tool, associated with a large database of natural compounds make possible to assign potential candidates to detected peaks. GAINS appeals a module of in silico fragmentation for holding candidates assignments up.This permits to compare modeled spectrum of fragmentation of candidates with experimental spectrum off ragmentation.The whole set of phytochemical studies realized to identify or isolate compounds goes hand in hand with the study of potential biological effects of extracts to the skin, targeted organ by skin-care products. This allows the discovery of beneficial actions that the extract could have. By knowing the phytochemical content, it is possible to explain and rationalize assays about biological activities. The development of an anti-aging ingredient from purple loosestrife, a plant occurring in the region Centre-Val de Loire, is an example of it.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The presence of organic contaminants in the environment and in food have become a major concern due to the harmful effects to living organisms. Such contaminants may be pesticides used in agriculture for the control of pests, transformation products formed in the environment or through chemical processes, such as water treatment, and more recently pharmaceuticals and personal care products. Therefore, it is necessary to use sample preparation procedures and detection systems able to detect a variety of organic contaminants in trace level present in complex matrices, such as food and environmental samples. Thus, this study aims to: (1) address the use of high resolution mass spectrometry (HRMS) for the identification and quantification of organic contaminants in fish fillet using two acquisition data modes (full scan and all ions MS/MS) and to optimize QuEChERS method as sample preparation (PAPER 1); (2) present a second quantitative application of the use of QuEChERS method and HRMS for fruit samples (apple, pear and grape) in full scan mode, as well as to apply the proposed method for commercial fruit samples (PAPER 2) and (3) optimize and use QuEChERS method for extracting ionophore antimicrobials in poultry litter, followed by its quantification by LC-MS/MS and identification of transformation products by LC-QToF/MS after three different composting processes (PAPER 3). The three papers presented the importance of sample preparation optimization, QuEChERS, in order to obtain proper recovery of organic contaminants, besides to minimize the matrix effects caused by interferences in the extract. As the use of HRMS, which proved to be a very effective analytical tool for combining high resolution and mass accuracy, for identification and quantification of target organic contaminants, transformation products and metabolites in complex matrices using a rapid chromatographic run. / A presença de contaminantes orgânicos no meio ambiente e em alimentos têm se tornado uma grande preocupação devido aos efeitos nocivos aos seres vivos. Tais contaminantes podem ser desde agrotóxicos empregados na agricultura para o controle de pragas, produtos de transformação formados no meio ambiente ou através de processos químicos, como o tratamento de água, e mais recentemente fármacos e produtos de cuidado pessoal. Com isso, tem-se a necessidade de empregar procedimentos de preparo de amostra e sistemas de detecção capazes de detectar uma variedade de contaminantes orgânicos em nível de traços presentes em matrizes complexas como alimentos e amostras ambientais. Portanto, o presente trabalho tem como objetivos: (1) abordar o emprego da espectrometria de massas de alta resolução (HRMS) para a identificação e quantificação de contaminantes orgânicos em filé de peixe utilizando dois modos de aquisição de dados (full scan e all ions MS/MS) e otimizar o método QuEChERS para o preparo da amostra (ARTIGO 1); (2) apresentar uma segunda aplicação quantitativa do uso de QuEChERS e HRMS para amostras de frutas (maçã, pera e uva) no modo full scan, bem como aplicar o método proposto em amostras reais de frutas (ARTIGO 2) e (3) otimizar e empregar o método QuEChERS para a extração de antimicrobianos ionóforos em cama de frango, seguido de quantificação por LC-MS/MS e identificação de produtos de transformação por LC-QToF/MS após três diferentes processos de compostagem (ARTIGO 3). Os três artigos apresentados abordam a importância da otimização do procedimento de preparo de amostra, QuEChERS, a fim de obter recuperação adequada de contaminantes orgânicos, além de minimizar os efeitos de matriz causados pelos interferentes presentes no extrato. Assim como o uso de HRMS, a qual demonstrou ser uma ferramenta analítica bastante eficiente, por combinar alta resolução e exatidão de massa, para identificação e quantificação de contaminantes orgânicos alvo, produtos de transformação e metabólitos em matrizes complexas utilizando uma análise cromatográfica rápida.

Einige der Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) weisen Krebs auslösende Eigenschaften auf. Die bekannteste karzinogene PAK-Verbindung ist das Benzo[a]pyren (BaP), welches bislang als Leitsubstanz verwendet wird. Mittlerweile bestehen jedoch Zweifel, ob BaP als alleinige Leitsubstanz geeignet ist. Daher empfiehlt die EU-Kommission die Untersuchung der PAK auf die so genannten 16 EFSA-PAK auszudehnen. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit von BaP als Leitsubstanz war es notwendig, Erkenntnisse über das Verhältnis des Gehaltes an BaP zum PAKges-Gehalt sowie die einzelnen PAK-Profile zu gewinnen. Die zu untersuchenden Lebensmittelgruppen wurden eingeschränkt auf Fleischerzeugnisse, Rauchwürzer und Räuchersalze, Räucherdärme, Gewürze, Tee und Schokolade. Nach der Entwicklung und Überprüfung von Methoden zur Bestimmung der EFSA-PAK und der anschließenden Analytik einer Anzahl repräsentativer Proben verschiedener Lebensmittelgruppen konnte mit Hilfe einer Datensammlung zu den Gehalten der 16 EFSA-PAK die Beurteilung von BaP als Leitsubstanz erfolgen. Es konnte eine Abhängigkeit der PAKges-Gehalte vom BaP-Gehalt ermittelt werden, welche sich mit zunehmender Konzentration der PAK manifestierte. Aus analytischer Sicht eignet sich BaP am besten als Leitsubstanz, da sie chromatographisch mit den heutigen Methoden leicht von anderen möglichen coeluierenden Substanzen abgetrennt werden kann und in Konzentrationen vorkommt, die zuverlässiger quantifiziert werden können.