The investigation of illicit drugs and their metabolites in water by liquid chromatography coupled to low and high resolution mass spectrometry

Abstract

La investigación de drogas ilícitas (IDs) en aguas se ha convertido en tema de actualidad en los últimos años. Las IDs pueden entrar en las aguas residuales, inalteradas o como metabolitos, después de su consumo y excreción. Los procesos de depuración, comúnmente aplicados en las plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTPs), son a menudo insuficientes y algunas IDs y/o sus productos de transformación (TPs) pueden ser transferidos continuamente a aguas medioambientales. La determinación de IDs y sus metabolitos en el ciclo del agua puede contribuir a entender el potente impacto de estos compuestos en el ecosistema acuático, así como proveer información sobre el consumo de drogas y sus tendencias. Por consiguiente, se requiere desarrollar metodologías analíticas sofisticadas para obtener datos de concentración exactos de estos compuestos en el medio acuático. <p>En esta tesis doctoral, se ha investigado el potencial de técnicas analíticas modernas basadas en el acoplamiento cromatografía líquida-espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS), con analizadores de triple cuadrupolo (QqQ), híbrido cuadrupolo-tiempo de vuelo (QTOF) y trampa de iones lineal Orbitrap (LTQ-Orbitrap), para la determinación de IDs y sus metabolitos/TPs en diferentes tipos de muestras de agua. El trabajo se ha estructurado en cinco partes. De los datos obtenidos en esta tesis han resultado nueve artículos científicos y un capítulo de un libro, escrito por invitación. <p>En la primera parte, se ha explorado el potencial de la UHPLC-MS/MS, con analizador de triple cuadrupolo, para la determinación cuantitativa de las IDs más frecuentemente consumidas y sus metabolitos en agua. Se han desarrollado dos métodos multiresiduales basados en una etapa de pre-tratamiento de muestra mediante extracción en fase sólida (SPE) “off-line” y posterior determinación por UHPLC-MS/MS. En ambos métodos, se pudieron cuantificar e identificar en un solo análisis compuestos pertenecientes a diferentes clases de IDs, con propiedades físico-químicas diferentes. En el primer método se seleccionaron 11 compuestos ácido/base pertenecientes a tres clases de IDs (anfetaminas, cocaína y cánnabis) en base a su elevado consumo en el área Mediterránea. Posteriormente, el método se actualizó tras la reciente adquisición de un instrumento UHPLC-MS/MS, resultando el método presentado en el segundo trabajo, en el cual se aumentó el espectro de aplicación a varios opiáceos y a la ketamina. La selección de estos compuestos se realizó de acuerdo con los datos obtenidos en estudios de control europeos donde, por ejemplo, la ketamina fue detectada, ocasionalmente, en muestras de agua residual. Se llevó a cabo un estudio detallado para la minimización del efecto matriz, evaluando su impacto en la determinación cromatográfica y en la sensibilidad. Ambos métodos fueron validados y, posteriormente, aplicados al análisis de aguas residuales urbanas de WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Algunos de estos resultados forman parte del programa de control europeo, apoyado por el “Observatorio Europeo de las Drogas y las Toxicomanías” (EMCDDA), donde nuestro laboratorio es uno de los centros participantes. Las IDs más frecuentemente detectadas fueron la cocaína y el cannabis. Además, los resultados indicaron un aumento del consumo de la cocaína durante los fines de semana, así como un aumento de la mayoría de las otras drogas durante algún festival de música importante. Los datos de concentración obtenidos para las aguas residuales de entrada y salida permitieron estimar la eficiencia de las WWTPs en la eliminación de cada compuesto estudiado, la cual fue, generalmente, satisfactoria para los bajos niveles de concentración encontrados en las aguas residuales de entrada. Sin embargo, la eliminación de IDs disminuyó durante la semana del festival de rock. <p>La segunda parte resultó en un capítulo de libro y dos artículos científicos, focalizándose en el estudio del potencial de la LC acoplada a Espectrometría de Masas de Alta Resolución (HRMS) para investigar la presencia de IDs en aguas residuales. La versatilidad de la LC, junto con el alto poder de resolución del masas y la masa exacta de la HRMS, así como la posibilidad de realizar experiencias en modo MS/MS o pseudo MS/MS, permitió la detección e identificación de IDs y sus metabolitos con la selectividad y sensibilidad requerida. Inicialmente, se exploró el potencial de la técnica UHPLC-QTOF MS para un rápido “screening” cualitativo de 76 IDs, fármacos con potencial de abuso y algunos de sus metabolitos en muestras de agua residual recogidas en España. Los análisis fueron llevados a cabo en modo MSE, el cual implica la adquisición simultánea de dos funciones con energías de colisión diferentes. Esto permite obtener datos de masa exacta para las moléculas protonadas (baja energía de colisión) e iones fragmento (alta energía de colisión) en un solo análisis. El “screening” de muestras de agua residual de entrada y salida sospechosas de estar contaminadas permitió la detección e identificación de diez compuestos, de los cuales cinco analitos (codeína, cotinina (metabolito de la nicotina), ketamina, oxazepam y temazepam) pudieron ser provisionalmente identificados sin disponer inicialmente de patrones de referencia. El análisis cualitativo y cuantitativo mediante el analizador de masas LTQ Orbitrap fue también estudiado para 24 IDs y metabolitos relevantes en aguas residuales utilizando simultáneamente datos de masa exacta de “full-scan” y medidos en MSn. Este último fue generado en el LTQ y facilitó información útil de iones producto. La validación del método demostró satisfactoriamente la capacidad cuantitativa para la determinación de IDs a niveles de sub-ppb. La metodología fue aplicada a muestras de aguas residuales de los Países Bajos. Varias IDs tales como MDMA, benzoilecgonina (BE), codeína y benzodiacepinas pudieron ser identificadas y cuantificadas. Además, los datos de MS obtenidos mediante el Orbitrap permitieron una investigación retrospectiva de los metabolitos de la ketamina en las muestras. <p>La tercera parte consistió en la elaboración de dos artículos científicos donde el espectro de masa exacta obtenido por LC-QTOF MS en modos MS/MS y MSE permitió, por una parte, investigar la fragmentación de varios IDs y sus metabolitos, y por otra, la elucidación de TPs de la cocaína y su principal metabolito, la BE, en agua. En el primer trabajo, se estudiaron las vías de fragmentación de diferentes clases de IDs (anfetaminas, cocaína, opiáceos, cannabinoides y ketamina) y sustancias relacionadas, incluyendo metabolitos y análogos deuterados. Se propusieron estructuras químicas de iones fragmento utilizando los datos de masa exacta medida junto con los conceptos y reglas básicas de fragmentación. Nuestros datos de masa exacta permitieron confirmar estructuras y vías de fragmentación, previamente reportadas, haciendo uso de la masa nominal y al mismo tiempo, aportaron nuevos conocimientos para la anfetamina, estimulantes tipo-anfetamina, el principal metabolito del cannabis y opiáceos. En el segundo trabajo, se llevó a cabo un estudio de los TPs de la cocaína y la BE. La cocaína se seleccionó por su alto consumo y las elevadas concentraciones comúnmente encontradas en aguas residuales de entrada. La posible formación de TPs tanto durante los procesos de tratamiento de aguas residuales como por la exposición a elementos naturales del medio ambiente (p.e. la luz solar) debe tenerse en cuenta ya que estos TPs pueden ser más persistentes o presentar una toxicidad similar al compuesto inicial. Se llevaron a cabo varios ensayos de degradación en el laboratorio bajo condiciones controladas. Los datos de masa exacta medida y el conocimiento previo sobre vías de fragmentación de la cocaína y la BE fueron de gran ayuda para la elucidación de diversos TPs. Varios metabolitos/TPs conocidos pudieron ser confirmados y otros compuestos desconocidos pudieron ser provisionalmente identificados, incluso sin disponer de los patrones de referencia. Se encontraron 16 TPs de la cocaína y 10 de la BE. Cuatro TPs, no reportados anteriormente, fueron detectados en muestras de agua residual de salida y en agua superficial. <p>La cuarta parte engloba tres artículos científicos focalizados en la formación de IDs en el medio acuático. Tanto las muestras de agua de España como las de los Países Bajos fueron analizadas mediante las metodologías analíticas cuantitativas desarrolladas en la primera y segunda parte de esta tesis. El objetivo fue el estudio de la presencia de IDs y metabolitos seleccionados, así como su posible eliminación en las WWTPs y su impacto potencial en el medio acuático. Se ha llevado a cabo con un especial énfasis el aseguramiento de la calidad. Los criterios de cuantificación y confirmación fueron aplicados siguiendo las guías europeas, y en cada secuencia de muestras se analizaron muestras de control de calidad (QCs). En el primer trabajo, las IDs se determinaron diariamente en muestras de agua residual, tanto de entrada como de salida, recogidas de tres WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Se recogieron muestras de 24h en tres periodos semanales, incluyendo una semana en la cual se celebró un festival musical internacional en Benicassim. Bajo circunstancias normales, las concentraciones de IDs fueron bajas y las eficiencias en la eliminación fueron satisfactorias. Sin embargo, durante el festival se observó un notable aumento en las concentraciones. Esto también reflejó mayores niveles de los analitos en las salidas y mayores cargas en el ambiente acuático. En el segundo trabajo, se investigó la presencia de 24 drogas “target” por LTQ Orbitrap MS en muestras de aguas residuales de cinco WWTPs situadas en los Países Bajos, incluyendo el aeropuerto internacional de Amsterdam (Schiphol). Se estimaron las variaciones diarias de cargas de droga y la eficiencia de cada WWTP para la eliminación de las drogas estudiadas de manera individual. Los resultados contribuyeron a una mejor comprensión de la presencia de IDs en las aguas residuales de los Países Bajos, revelando en las muestras del aeropuerto un modelo de comportamiento ligeramente diferente. Las eficiencias de las WWTPs en la eliminación fueron generalmente satisfactorias a excepción de las benodiazepinas y MDMA. En el tercer trabajo, se llevó a cabo un amplio “screening” de 34 IDs y sus metabolitos más relevantes en el ciclo del agua de los Países Bajos enmarcado en un estudio de colaboración con cuatro laboratorios participantes. Se analizaron muestras de agua residual urbana (entrada y salida), agua superficial de los ríos Rhine and Meuse, y agua potable producida de estos ríos. Los resultados sugirieron que importantes fracciones de la carga total de las IDs en los ríos Rhine and Meuse llegan a los Países Bajos del extranjero. Para algunos compuestos, las cargas parecían aumentar aguas abajo, lo cual podría estar causado por la contribución de las salidas neerlandesas de las aguas residuales. En el agua potable, únicamente se detectó BE en una muestra y a un nivel de concentración por debajo del límite de cuantificación. Con los datos obtenidos en este estudio, no se desprende ninguna relevancia toxicológica para el medio ambiente y la salud humana. No obstante, debería recomendarse una investigación futura basada en los posibles efectos a largo plazo (crónicos) en los organismos vivos y los posibles efectos en combinación con la exposición a múltiples compuestos a bajos niveles de concentración. <p>La quinta parte no es, en realidad, un trabajo que pertenezca formalmente a esta tesis doctoral. Se presenta únicamente como un breve resumen ya que merece la pena mencionar por el esfuerzo realizado para establecer una red europea que supervise la presencia de IDs en aguas residuales y estime el consumo de estos compuestos en las ciudades europeas investigadas. El autor de la presente tesis doctoral ha contribuido a esta red participando activamente en los temas analíticos. Las técnicas analíticas avanzadas, comúnmente basadas en acoplamiento cromatografía-espectrometría de masas, son la base para obtener datos de concentraciones exactas en la excreción de los productos de IDs en las aguas residuales. Es un claro ejemplo donde la química analítica moderna juega un papel clave en la obtención de más conocimientos sobre el uso y las tendencias de las drogas ilícitas en la población. En esta parte se incluyen tres artículos de colaboración y un informe, como ejemplos ilustrativos de la colaboración europea mencionada. Estos artículos ponen de relieve las diferencias en el consumo de drogas en distintas zonas de Europa y dan una visión general de los métodos analíticos comúnmente aplicados en este campo, así como las incertidumbres asociadas a estudios epidemiológicos basados en los análisis de aguas residuales.