Detektion av hydrolyserad β-laktamantibiotika i plasma med Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization – Time of Flight Mass Spectrometry och Liquid Chromatography tandem Mass Spectrometry

• Main Author: Thenstedt, Niklas
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Örebro universitet, Institutionen för hälsovetenskaper 2020
• Subjects: LC-MS/MS; MALDI-TOF MS; Enterobacteriaceae; sepsis; piperacillin-tazobactam; cefotaxime; Extended spectrum β-lactamase; hydrolysis; piperacillin-tazobaktam; cefotaxim; Extended spektrum β-laktamas; hydrolys; Biomedical Laboratory Science/Technology; Biomedicinsk laboratorievetenskap/teknologi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:oru:diva-84594

Introduktion Antibiotikaresistens är ett globalt växande problem. Till gruppen β-laktamantibiotika hör piperacillin-tazobaktam och cefotaxim som båda verkar genom att försvaga cellväggen med kovalenta bindningar till peptidoglykanlagret som lyserar cellen. E. coli och K. pneumoniae tillhör gruppen Enterobacteriaceae, som är en del av den humana tarmfloran och ofta förekommande vid urinvägsinfektion och sepsis. Utvidgat Spektrum β-Laktamas (ESBL) är ett enzym som finns hos Enterobacteriaceae och som hydrolyserar β-laktamantibiotika. Matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) är en kvalitativ analysteknik för detektion av kemiska föreningar i avseende på massa och laddning. Kännedom om antibiotikametaboliters molekylvikt vid hydrolys möjliggör detektion. Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) är en högsensitiv kvantifieringsmetod som separerar molekyler i avseende på polaritet för vidare detektion i avseende på massa och laddning. Syfte Syftet med denna studie var att vidareutveckla en snabb och effektiv metod för att påvisa nedbrytning av piperacillin-tazobaktam och cefotaxim i blodplasma med LC-MS/MS. Material och Metod Tiofaldigt sjunkande koncentrationer av piperacillin-tazobaktam från 2000 till 2 µg/ml, och cefotaxim med koncentrationerna 500 till 0,5 µg/ml analyserades med MALDI-TOF MS, dels intakt men även med bakterierna E. coli och K. pneumoniae med uttryck av olika resistensmekanismer. Vid optimerade koncentrationer spikades plasmaprover med nedbrutet antibiotika som sedan kvantifierades med LC-MS/MS. Resultat Lägsta detektionsgräns med MALDI-TOF MS för intakt och hydrolyserat piperacillin-tazobaktam var 20/2,5 µg/ml. För cefotaxim var lägsta gränsen 5 µg/ml. Med kliniskt relevanta blodkoncentrationer gick hydrolys inte att detektera för. Med tre bakteriekolonier/50 µl kunde dock hydrolys detekteras och kvantifieras med LC-MS/MS. Slutsats Detektion av β-laktamantibiotika är möjligt med både MALDI-TOF MS och LC-MS/MS. För att påvisa hydrolys krävdes större mängder bakterier än förväntat med LC-MS/MS. === Introduction Antibiotic resistance is a global growing problem. Piperacillin-tazobactam and cefotaxime are parts of the group β-lactam antibiotics. The common feature is to inhibit the cell wall synthesis by covalent bindings to the peptidoglycan layer and thereby causing lysis of the bacterial cell. E. coli and K. pneumoniae are members of the Enterobacteriaceae which is a part of the human normal flora but also are commonly associated with urinary tract infections which sometimes develops into to sepsis. Extended Spectrum β-Lactamases (ESBLs) are enzymes with hydrolytic abilities acting on β-lactam antibiotics, expressed by Enterobacteriaceae. The qualitative, Matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) can be used to detect chemical compounds in the ratio of mass to charge in accordance to their molecular weight. Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) is a highly sensitive two-step method of quantification which first separate molecules by their polarity attraction force and then by the ratio of mass to charge. Aim The aim of this study was to develop a fast and efficient method to determine degradation of piperacillin-tazobactam and cefotaxime in blood plasma by LC-MS/MS. Method Tenfold dilution of piperacillin-tazobactam in concentrations of 2000 to 2 µg/ml, and cefotaxime in concentrations of 500 to 0,5 µg/ml where analyzed by MALDI-TOF MS, intact and also with the bacteria E. coli and K. pneumoniae with different expression of antibiotic resistance. Optimized concentrations where fixed in blood plasma and then quantified by LC-MS/MS. Result The detection limit by using MALDI TOF MS of hydrolyzed as well as non-hydrolyzed piperacillin-tazobactam was 20/2,5 µg/ml. The detection limit in cefotaxime was 5 µg/ml. Hydrolysis could not be detected in clinically fixed blood concentrations. Detection and quantification of hydrolysis by LC-MS/MS was possible in a concentration of three bacteria colonies/50 µl. Conclusion It is possible to detect hydrolysis in both MALDI TOF MS and LC-MS/MS. A larger amount of bacteria than expected was needed to demonstrate hydrolysis In LC-MS/MS.