Neue schnelle LC-MS/MS-Methode mit dem LCMS-8060

Medikamentenrückstände in Oberflächengewässern

Der Arzneimittelverbrauch in Deutschland ist in den letzten zehn Jahren um knapp 50 % gestiegen. So wertvoll neue Therapiemöglichkeiten und ein umfassendes Gesundheitssystem sind – es gibt auch eine Schattenseite. Denn einmal in die Umwelt gelangt, lassen sich Rückstände von Arzneimitteln dank heutiger Gerätetechnik in Gewässern und Grundwasser finden. Medikamentenspuren kann man sogar noch im Trinkwasser nachweisen.

Chemisch betrachtet, sind die meisten Medikamente sehr stabil. Das ist so gewollt, denn es sollen im Körper ja genügend intakte Wirkstoffmoleküle am Krankheitsort ankommen. Dies hat jedoch zur Folge, dass ein Großteil der eingenommenen Arzneimittelwirkstoffe unverändert oder in Form von Metaboliten (Stoffwechselprodukten) wieder ausgeschieden werden.

Wie gelangen Medikamente in die Gewässer?
Über die Kanalisation gelangen diese Stoffe in die Kläranlagen, und dort wird ihre Stabilität zum Problem. Der biologische Abbau ist erschwert und auch eine Bindung an Partikel findet kaum statt, so dass die erste Klärstufe wenig effektiv ist. Im Laufe des herkömmlichen Klärprozesses können zwar einige Wirkstoffe abgebaut werden, aber viele Rückstände durchlaufen dieses Verfahren unbehelligt und gelangen auf diesem Weg in Oberflächengewässer und teilweise auch ins Trinkwasser.

Hauptquelle für die belasteten Gewässer sind also die privaten Haushalte. Dies lässt sich auch kaum vermeiden. Allerdings kommt ein hoher, vermeidbarer Anteil der Belastung durch die unsachgemäße Entsorgung alter oder gar nicht erst eingenommener Medikamente hinzu. Sie landen oftmals in Toilette oder Spüle anstatt im Hausmüll. Auch bei intensiver Tierhaltung kommen große Mengen Pharmaka zum Einsatz, die zum Beispiel dem Tierfutter beigemischt werden. Über Gülle und Mist gelangen diese Medikamente in den Boden und über das Sickerwasser in Grundwasser, Flüsse und Seen.

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Bild 1: Aufbau und Funktionsweise des analytischen Online-SPE-Systems.

Mögliche Folgen von Arzneimittelrückständen
Während die in den Gewässern gemessenen Konzentrationen viele Zehnerpotenzen unter der Wirkschwelle für den Menschen liegen und damit keinerlei Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen, sind schädliche Auswirkungen auf andere Lebewesen in der Umwelt durchaus belegt.

Als besonders problematisch gelten verschiedene Antibiotika. Während Penicilline gut abbaubar sind, gehören unter anderem Sulfonamide zu den Wirkstoffen, die zum einen die Mikroorganismen der biologischen Abwasserreinigung unschädlich machen können. Zum anderen kann die Verbreitung von Antibiotika die Entwicklung resistenter Bakterien fördern. Bereits mehrfach wurden multiresistente Mikroorganismen in Fließgewässern unterhalb von Kläranlagen-Abläufen nachgewiesen.

Im aktuellen Fokus stehen, neben den vielfach diskutierten Antibiotika, Wirkstoffe mit endokrinologischer (hormoneller) Wirkung. Bereits in sehr niedrigen Konzentrationen (ng/l) wird die Reproduktion von Fischen und Fröschen nachhaltig beeinflusst.

Bild 2: Kalibrierkurven von sechs Arzneimitteln, exemplarisch für die 22 untersuchten Substanzen aus verschiedenen Wirkstoffklassen.

Ein anderes Beispiel ist das weit verbreitete Schmerzmittel Diclofenac, das bei Fischen zu Leber und Nierenschäden führt. Besonders empfindlich reagieren auch bestimmte Geierarten in Indien und Pakistan auf diesen Wirkstoff – drei Geierarten sind nahezu vollständig ausgestorben, da sie von toten Rindern gefressen hatten, die mit Diclofenac behandelt wurden [2].

Rückstände von Arzneimitteln werden inzwischen fast flächendeckend und ganzjährig in unterschiedlichen Gewässerproben gefunden. Die Konzentration der nachgewiesenen Rückstände ist gering und liegt üblicherweise im ng/l- Bereich. Aufgrund optimierter Messmethoden können auch vorher nicht bekannte Rückstände in Realproben aufgespürt werden.

Die hier vorgestellte ultraschnelle LC-MS/MS-Methode eignet sich zur Spurenanalyse von Arzneimittelrückständen unterschiedlicher Wirkstoffklassen wie Antibiotika, Sulfonamide, Entzündungshemmer, Schmerzmittel, Psychopharmaka, Röntgenkontrastmittel unter anderem in Wasser.

Bild 3: Vergleich der Analysenergebnisse der Realproben aus verschiedenen Oberflächengewässern.

Material und Methoden
Die Wasserproben wurden mit einer Shimadzu Nexera X2 UHPLC inklusive vorgeschalteter Online-SPE-Säule analysiert, gekoppelt an ein Tripelquadrupol-Massenspektrometer LCMS-8060. Besonders zeitsparend und anwenderfreundlich ist an diesem Aufbau die automatische Probenvorbereitung mit einer Online-SPE (Solid-Phase-Extraction). Die Wasserproben werden im ersten Schritt auf einer Strata-X online SPE-Säule (2,0 mm x 20 mm, 25 µm) vorgereinigt, und anschließend wird das Eluat zur weiteren Trennung mittels eines binären Gradienten auf eine analytische Säule (Raptor Biphenyl, 2,1 mm x 100 mm, 2,7 µm) transportiert (Bild 1). Für eine optimale Auslastung der Anlage bietet die LabSolutions-Software die elegante Funktion der überlappenden Probeninjektion. Damit ist es möglich, bereits eine zweite Probe auf die SPE-Säule zu injizieren, während die erste Probe noch von der analytischen Säule eluiert. Auch die Zeit, die zum Waschen der SPE-Säule benötigt wird, kann parallel schon zur Re-Equilibrierung der analytischen Säule genutzt werden.

Dank der überragenden Scan-Geschwindigkeit des LCMS-8060 und des ultraschnellen Polaritätswechsels können chemisch sehr verschiedene Komponenten unterschiedlicher Polarität detektiert werden; auch wenn einige Substanzpeaks überlappen, ist eine eindeutige Zuordnung möglich. Die Kombination von herausragender Gerätetechnik und eleganter Softwarefunktionen ermöglicht hochempfindliche Messungen in gerade einmal 5 min inklusive Probenvorbereitung.

Bild 2 zeigt exemplarisch die Kalibrierkurven im Bereich von 1...500 ng/l von Diclofenac, Sulfamethazine, Carbamazepine, Estradiol, Verapamil und Iopamidol stellvertretend für die 22 untersuchten Medikamente aus verschiedenen Wirkstoffklassen.

Tabelle 1: Statistische Auswertung der Qualitätskontrollen bei einer Konzentration von 75 ng/l

Zur Erstellung der Kalibrierkurven wurden Doppelbestimmungen für die einzelnen Konzentrationslevel nach vorheriger online-SPE-Probenvorbereitung durchgeführt. Der Korrelationskoeffizient (r) ist für alle 22 Substanzen jeweils >0,99. Außerdem wurden die Präzision und die prozentuale Standardabweichung bei einer mittleren Konzentration von 75 ng/l (sechs Wiederholungen) als Maß für die Zuverlässigkeit der Methode ermittelt (siehe Tabelle 1).

Realproben aus fünf verschiedenen kleineren Flüssen, einem großen Strom und einem Schiffskanal wurden auf ihre Verschmutzung durch Arzneimittelrückstände untersucht. Es lassen sich geringe Konzentrationen einiger Wirkstoffe nachweisen.

In Bild 4 sind die detektierten Substanzen und die unterschiedliche Belastung der verschiedenen Gewässer anschaulich dargestellt. Große Flüsse, wie der Strom oder Schiffskanäle, die keine weiteren Zuflüsse haben, sind nur gering verschmutzt. Kleinere Flüsse mit dazukommenden Nebenflüssen zeigen schon erhöhte Konzentrationen an Arzneimittelrückständen. Wie erwartet, ist die Belastung des Endablaufs einer Kläranlage am höchsten, da die untersuchten Substanzen in den derzeitig angewendeten Klärprozessen nicht herausgefiltert oder abgebaut werden können.

Analysenergebnisse in nur fünf Minuten
Erst seit wenigen Jahren werden die Auswirkungen von Arzneimittelrückständen auf die Flora und Fauna systematisch untersucht. Die Fragen nach den ökologischen Auswirkungen werden aufgrund von Bevölkerungsentwicklung und steigendem Arzneimittelkonsum drängender. Die vorliegende Applikation beschreibt eine zuverlässige Methode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von 22 Medikamenten in Oberflächengewässern in der erforderlichen Empfindlichkeit.

Mit der für hohen Probendurchsatz optimal geeigneten Gerätekombination der UHPLC Nexera X2 mit dem ultraschnellen LCMS-8060 gelingt die vollständige Analyse in nur 5 min – inklusive der für den Anwender bequemen automatischen Online-SPE-Probenvorbereitung und der Säulen-Equilibrierung. Diese immense Zeitersparnis basiert auf der Option der überlappenden Probenaufgabe, den höchsten MRM-Datenaufnahmeraten und einem Polaritätswechsel von nur 5 ms.

Erschienen in Shimadzu News 3/15.

Literatur
[1] Homepage des Umweltbundesamts.
[2] Hannelore Gießen, Pharmazeutische Zeitung 04/2011.

Autorin:
Dr. Ute Potyka
Shimadzu Europa GmbH
E-Mail: info@shimadzu.eu

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