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Development of GC-MS methods for the identification and quantification of leachables from plastic packaging in dialysis solutions

Athenstädt, Behnusch

Niedermolekulare Bestandteile sind in Kunststoffen unvermeidbar. Unter anderem ver-bleiben Monomere, Oligomere, Katalysatoren und Lösungsmittel aus dem Produktionspro-zess im Kunststoff. Des Weiteren werden zusätzlich bewusst zum Beispiel Weichmacher, Antioxidantien, Farbstoffe und andere Hilfsstoffe zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften des Kunststoffs zu erreichen oder zu verbessern. Der zunehmende Einsatz von Kunststoffen als Verpackungsmaterial für feste und insbe-sondere flüssige Arzneimittel brachte die Problematik der Migration dieser niedermoleku-laren Verbindungen in das Arzneimittel hinein verstärkt in den Vordergrund. Dieser Pro-zess ist bei flüssigen Arzneimitteln aufgrund des direkten Kontakts zur Verpackung und der üblicherweise hohen Diffusivität im Wässrigen besonders problematisch. Kommt diese pharmazeutische Lösung als Infusion zum Einsatz, so gelangen die niedermolekulare Ver-bindungen, sogenannte „Leachables“, direkt ins Blut des Patienten und stellen somit ein potentielles Gesundheitsrisiko dar. Insbesondere wenn die Behandlung sich über mehrere Jahre oder gar Jahrzehnte erstreckt, sollten sehr geringe Leachable-Konzentrationen im ppb (μg/kg) oder sogar ppt (ng/kg) Bereich als oberer Grenzwert angenommen werden, um die Patientensicherheit zu garantieren. Die Europäische Arzneimittelbehörde verlangt auf Grund dieses Risikos seit 2005 detaillierte Informationen über die Identität, Quantität und toxikologische Eigenschaften aller Leachables, die in einer pharmazeutischen Lösung detektiert werden. Für Patienten mit Nierenversagen ist die Dialyse mit üblicherweise drei Behandlungen pro Woche ein Leben lang die einzig vorhandene Nierenersatztherapie neben der Transplanta-tion. Abhängig von der jeweiligen Behandlungsart kommen hier bei in Kunststoffbeuteln abgefüllte Dialyselösungen zum Einsatz. Bei Änderungen von Rohmaterialien die zur Pro-duktion dieser Verpackungen eingesetzt werden und insbesondere bei der Neuentwick-lung von Verpackungsmaterialien müssen im ersten Schritt Extraktionsstudien unter ver-schärften Bedingungen durchgeführt werden. Durch die Wahl extremerer Bedingungen als üblich soll eine verstärkte Migration aus der Verpackung in die Testlösung provoziert wer-den. Die dabei erreichten hohen Konzentrationen im ppm (mg/kg) Bereich vereinfachen die Identifizierung unbekannter Leachables. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 12 unbekannte Substanzen, welche bei einer Extrakti-onsstudie an einer neuentwickelten mehrschichtigen Folie erfasst wurden, erfolgreich identifiziert. Elf cyclische Oligomere und ein Diurethan wurden durch den kombinierten Einsatz verschiedener flüssig- (LC) und gaschromatographischer (GC) Methoden mit mas- VI senspktrometrischer Detektion (MS) eindeutig identifiziert. Die Quelle aller extrahierten Verbindungen war der Polyurethankleber, der zum Verkleben der einzelnen Folienschich-ten verwendet wurde. Der zweite Schritt, welcher der Extraktionsstudie folgt, ist eine Leachable-Studie, bei der die Konzentrationen der Leachables im realen Produkt unter normalen Anwendungsbe-dingungen bestimmt werden. Dafür müssen spurenanalytische Verfahren mit einer hohen Empfindlichkeit vorhanden sein. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei GC-MS Me-thoden – die „ Stir Bar Sorptive Extraction“ (SBSE) und die „Dynamische HeadSpace“ (DHS) – für die Bestimmung von Leachables in Dialyselösungen im sub-ppb Bereich optimiert und validiert. Beide hier vorgestellten Analysenmethoden sind nicht auf die Analyten begrenzt, die in den jeweiligen Standardlösungen zum Einsatz kamen, stattdessen wurden sie als Screening-Methoden entwickelt, um auch unbekannte Leachables bestimmen zu können. Bei der SBSE-Methode wurde ein Probenvolumen von 25 mL mit 8,5 g NaCl versetzt und für 4 h bei 1100 rpm mit einem 20 mm x 1 mm Magnetrührstäbchen extrahiert. Die Nach-weisgrenze lag für die meisten der 45 gleichzeitig quantifizierten Analyte bei 0,01 μg/kg und darunter mit Wiederholpräzision kleiner 23%. Die Methode wurde erfolgreich zur Quantifizierung von Leachables in fünf verschiedenen, aktuell erhältlichen Dialyselösungen eingesetzt. Hierbei wurden sowohl Gemeinsamkeiten hinsichtlich der Art und Menge der Leachables zwischen verschiedenen Hersteller festgestellt; es gab aber auch deutliche, womöglich herstellerspezifische Unterschiede. Die Konzentration der meisten Leachables in diesen Realproben lag zwischen 0,01 μg/kg und 10 μg/kg. Bei der DHS-Methode wurden 10 mL Probenvolumen mit einem Gasfluss von 60 mL/min für etwa 13 min extrahiert. Die Bestimmungsgrenze lag für die meiste der 23 parallel be-stimmten Analyte bei 0,5 μg/kg und darunter, mit einer Wiederholpräzision unter 10% in Wasser. Die Methode wurde mit ähnlichen Ergebnissen für vier weitere Matrices validiert, wobei zwei davon typische Dialyselösungen darstellen. Die DHS ist somit sehr gut für die Leachable-Quantifizierung in Dialyselösungen geeignet. Der Hauptvorteil neben der gerin-gen Bestimmungsgrenze liegt in der vollautomatischen Probenvorbereitung, wodurch die Methode für Labore zur Qualitätssicherung mit hohem täglichem Probenaufkommen ideal geeignet ist. Mit diesen beiden Methoden stehen nun Analysenverfahren zur Verfügung, die je nach Fragestellung mit minimalem Arbeitsaufwand und Bestimmungsgrenzen im sub-μg/kg-Bereich (DHS) oder höchsten Empfindlichkeiten im einstelligen ng/kg Bereich bei geringfü-gig höherem Arbeitsaufwand (SBSE) für Leachable-Studien an Dialyselösungen zum Einsatz VII kommen können. Mit diesen Verfahren können zukünftig noch detailliertere Informatio-nen über Leachables gewonnen werden, welche für die Erstellung umfassender toxikologi-scher Bewertungen im Interesse der Patientensicherheit von grundlegender Wichtigkeit sind. Des Weiteren können die Methoden womöglich unterstützend bei der Entwicklung neuer, Leachable-armer Verpackungsmaterialien eingesetzt werden.

The presence of low molecular weight substances in plastic is unavoidable. Monomers, oligomers, catalysts and solvents among others originate from its productions process. In addition, plasticizers, colorants, antioxidants, antistatic agent and others are typically add-ed to achieve or improve certain properties of the plastic. The increasing use of plastics as packaging materials for solid and in particular liquid pharmaceuticals brought the focus onto the migration of those low molecular weight substances out of the packaging into packed good. This is of especial concern for solutions given the close contact to the pack-aging and the possibility that substances easily diffuse through the whole solution and contaminate it, once they are leached out of the plastic. In the case that the pharmaceuti-cal solution is meant for an infusion these so called ‘leachables’ get directly transferred into the blood of a patient and could pose a safety risk to patient health. Especially when the duration of a treatment lasts years or even a lifetime long very low concentrations down to ppb (μg/kg) or even ppt (ng/kg) should be taken as an upper threshold, to ensure patient safety. European authorities are aware of this risk and therefore demand detailed information about the identity, the amounts and the toxicological properties of all leacha-bles in a pharmaceutical. For patients with a kidney failure dialysis with typically three treatments a week a lifetime long is the only kidney replacement therapy available beside a kidney transplantation. Depending on the treatment modality the dialysis solutions employed are packed in plastic bags. Changes in raw materials used for this plastic packaging or in particular newly devel-oped materials have to be characterized first by an extraction study under exaggerated conditions, to force the migration of all possible leachables into a test solution. The high concentrations in the ppm (mg/kg) range achieved by this approach simplify the identifica-tion of unknown components. This identification of such substances detected in an extraction study for a newly devel-oped multi-layered plastic packaging material, was successfully carried out within the framework of this thesis. Eleven cyclic oligomers and one diurethan were unambiguously identified, due to the complementary use of several hyphenated chromatographic meth-ods combined with a mass spectrometric detection. The source of all extracted compo-nents was the polyurethane adhesive that was used for the lamination of the plastic films during the production of the multi-layer packaging. The second step, which follows the extractable study, is a leachable study, where concen-trations of leachables under conditions of use are determined. Therefore, trace analysis IV methods with a high sensitivity as reasoned above must be available. Hence, two methods providing this sensitivity - the stir bar sorptive extraction (SBSE) and the dynamic head-space (DHS) – were optimized and validated within this thesis for the determination of leachables in dialysis solutions. Both employ a gas chromatographic separation with a mass spectrometric detection and both methods are not limited to the analytes used in the respective standard solutions, but instead both were developed as screening methods, to be able to detect unknown leachables as well. The optimized SBSE method utilized a sample volume of 25 mL that was extracted after the addition of 8.5 g NaCl for 4 hours at 1100 rpm with a 20 mm x 1 mm stir bar. Detection limits of 0.01 μg/kg and below were found for most of the 45 substances with repeatabili-ties below 23%. The method was successfully applied to five different, currently available dialysis solutions. These findings showed similarities in chemical structures and concentra-tions for some leachables between all suppliers, but also distinct differences. Concentra-tions for most of the detected leachables were in the range of 0.01 μg/kg to 10 μg/kg. The DHS method utilized 10 mL sample volume that was extracted with a purge flow of 60 mL/min for about 13 min. The limits of quantification (LOQ) were 0.5 μg/kg or less for most of the 23 analytes with repeatabilities below 10% in the water matrix. The method was validated with similar results in four additional matrixes, where two of them represent typical dialysis solutions. Therefore the method has proven to be suitable for the determi-nation in dialysis solutions. Its key advantage beside the low LOQ is the fully automated sample preparation, which qualifies it for quality control laboratories with a high sample throughput per day. Depending on the analytical problem, two methods, one with a limit of quantification in the sub-μg/kg-range at a minimal workload (DHS) and the other with highest sensitivity down to the low ng/kg range at a slightly higher workload, are now available for the de-termination of leachables in dialysis solutions. With these tools more detailed information about leachables can be gathered in the future, which are important for profound toxico-logical assessments to ensure patient safety. Furthermore, these methods will probably be helpful in the development of plastic packaging materials, comprising significantly reduced leachable levels.

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Athenstädt, Behnusch: Development of GC-MS methods for the identification and quantification of leachables from plastic packaging in dialysis solutions. 2013.

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