Los investigadores desarrollan métodos de alta tecnología para detener el flujo de fentanilo

El fentanilo mata. Hazlo: los fentanilos matan. La amenaza es plural y potente, ya que los laboratorios ilícitos inventan continuamente nuevas formas de la droga que eluden las mejores técnicas de detección actuales y protegen a los traficantes de drogas del procesamiento. Es un vacío legal que los traficantes de drogas superan rápidamente: crean nuevos medicamentos más rápido de lo que la ley y los proveedores de atención médica pueden realizar un seguimiento de ellos.

Si bien los servicios de emergencia están en primera línea a diario en una epidemia que ha provocado la pérdida de cientos de miles de vidas estadounidenses, tienen aliados en los químicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.

Los científicos del PNNL están desarrollando formas de detectar e identificar no sólo formas nuevas de fentanilo nunca antes vistas, sino también opioides sintéticos más nuevos y peligrosos conocidos como nitacenos.

El equipo del PNNL ha superado una barrera clave en la detección de otras formas de fentanilo, conocidas como análogos del fentanilo, y nitacenos. La mayoría de los métodos de detección actuales se basan en bibliotecas de compuestos conocidos que ya han sido observados e informados. Cuando los socorristas encuentran una sustancia sospechosa de ser fentanilo, el material se prueba químicamente o se compara con fentanilos conocidos en una base de datos. Si hay una coincidencia, las autoridades sabrán que tienen un compuesto de fentanilo.

Pero existen muchos análogos potenciales del fentanilo; La química del PNNL Katherine Schultz ha calculado que son posibles miles de millones. Ése es un terreno fértil para los químicos que trabajan en laboratorios ilegales de todo el mundo.

Una vez que las autoridades han clasificado una forma conocida de fentanilo, los químicos sin escrúpulos pueden crear rápidamente una versión nueva, nunca antes vista, que no se encuentra en ninguna biblioteca de referencia. Eso dificulta la identificación del compuesto y ata las manos de las autoridades.

Detectar drogas antes de que estén en los libros

Ahí es donde entra en juego la tecnología PNNL. Utilizando una combinación de técnicas de espectrometría de masas, los químicos han descubierto una característica química indicativa de todos los fentanilos analizados hasta la fecha. El equipo también descubrió rasgos químicos adicionales que revelan la forma específica de cada fentanilo analizado.

Ya sea que la sustancia se haya encontrado en las calles o no, ya sea que esté en el libro de referencia o no, el equipo puede determinar si una sustancia es o no fentanilo.

Recientemente, el equipo amplió su trabajo a los nitacenos, una clase de drogas ilegales menos conocida pero aún más potente, y ha identificado señales químicas reveladoras de esas drogas.

El equipo del PNNL ha publicado su trabajo en un par de publicaciones en el Revista de la Sociedad Estadounidense de Espectrometría de Masas.

“Es un problema interminable”, dijo Kabrena Rodda del PNNL, coautor de uno de los estudios y toxicólogo forense.

“Las personas que trafican con opioides sintetizan nuevos compuestos en el laboratorio para adelantarse a las capacidades de detección. No es razonable pensar que las empresas que producen los estándares de referencia puedan adaptarse lo suficientemente rápido como para detectar cada nueva forma. Necesitamos evolucionar rápidamente, mantener el ritmo y eliminar esta ventaja incorporada.”

Si bien los peligros se demuestran claramente en las vidas perdidas, también se confirman en las estadísticas. El fentanilo estándar es aproximadamente 100 veces más potente que la morfina; Los científicos estiman que los nitacenos son al menos 20 veces más potentes que el fentanilo estándar. El fentanilo está aprobado para usos médicos como tratamiento del dolor intenso; Los nitacenos no están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos.

Si bien hay tiras reactivas disponibles para detectar ambas sustancias, a menudo están plagadas de falsos positivos y negativos.

La clave del sistema PNNL es una combinación de dos técnicas reunidas por el químico Adam Hollerbach. El primero es un espectrómetro de masas comercial de alta resolución llamado Orbitrap, que brinda a los científicos información sobre la masa de un ion, su carga eléctrica y cómo se desintegra. Pero cuando dos moléculas tienen la misma masa, es difícil distinguirlas.

Un dispositivo SLIM rinde grandes dividendos

La segunda técnica es la espectrometría de movilidad iónica, en la que los científicos envían iones a través de un mar de otras moléculas a una distancia de entre 30 y más de 180 pies en un dispositivo del tamaño de una computadora portátil muy delgada. El dispositivo SLIM (estructuras para manipulaciones de iones sin pérdidas) es como una pista de carreras molecular para que los iones corran dando vueltas y vueltas.

A medida que pasa el tiempo, los iones se separan de forma muy parecida a como lo hacen los corredores olímpicos cuando se espacian alrededor de una pista. A través de SLIM, los científicos aprenden sobre el tamaño y la forma de un ion.

Cuando se junta la información de las dos técnicas, los científicos tienen un perfil completo de una molécula: su tamaño y forma, carga eléctrica, masa y fórmula molecular, y patrón de fragmentación.

“Cuanta más información se tenga sobre un compuesto, mejor”, afirmó Hollerbach, investigador principal y autor de ambos estudios. “Cuando identificas a una persona, tienes múltiples rasgos: su peso, color de ojos, color de cabello y constitución, por ejemplo. Estamos haciendo el equivalente con compuestos de fentanilo y nitaceno, utilizando tantas medidas y características químicas como sea posible para identificar a cada uno. uno.”

Para los nueve compuestos de fentanilo probados, el equipo encontró las mismas características reportadas por primera vez por la científica Maggie Tam, lo que demuestra que cada compuesto de fentanilo analizado hasta ahora exhibe al menos dos picos reveladores en experimentos de movilidad iónica.

A través de experimentos adicionales, el equipo de PNNL demostró que los dos picos asociados con cada fentanilo se fragmentaban de manera diferente, algo poco común en tales experimentos. El equipo también demostró que la presencia de agua es importante para que ambos picos sean visibles.

En una investigación separada, el equipo probó 14 compuestos de nitazeno. Aunque los nitacenos afectan al mismo receptor opioide, su estructura química es muy diferente a la de los fentanilos. Los científicos encontraron firmas químicas que identificaban todos los compuestos como nitacenos. Además, pudieron diferenciar las estructuras químicas de nueve de los compuestos basándose únicamente en datos experimentales, algo que los científicos no habían hecho antes porque muchos compuestos de nitaceno son casi idénticos.

Para los otros cinco nitacenos, el equipo pudo separar los compuestos en dos grupos de estructuras muy similares. Aunque el equipo conocía las estructuras de los cinco nitacenos en ambos grupos, los científicos no podían decir qué datos experimentales se correlacionaban con qué estructura.

El sistema PNNL está construido en gran medida a medida y tarda aproximadamente una hora en analizar cada muestra, lo que es demasiado largo y costoso para que lo utilicen los servicios de emergencia. Pero los investigadores creen que sus hallazgos podrían fomentar el uso de sistemas de espectrometría de masas de movilidad iónica en entornos como laboratorios de toxicología forense para ayudar a obtener respuestas rápidas y precisas sobre si un compuesto es fentanilo o nitaceno.

El trabajo se realizó utilizando la iniciativa m/q o “m sobre q” de PNNL, abreviatura de masa dividida por carga, lo que significa una forma en que los científicos miden las propiedades químicas mediante espectrometría de masas.

Un objetivo principal de m/q ha sido el uso de predicciones computacionales de cómo se comportan las moléculas durante los análisis de espectrometría de masas para crear formas de identificar compuestos que aún no están en bibliotecas de referencia, como el trabajo del equipo sobre fentanilos y nitacenos.

Las mediciones del estudio se realizaron en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el campus de PNNL.