Rilevamento migliorato del fentanyl utilizzando la spettroelettrochimica Raman

8 apr 2024

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Il campo delle scienze forensi è in continua evoluzione incorporando tecnologie analitiche più nuove e affidabili. Quando si tratta di droghe illecite, il panorama cambia rapidamente ogni anno e aumenta la richiesta di metodi di screening adeguati. Tali metodi di screening sono oggi oggetto di molte ricerche. L’identificazione rapida e affidabile delle droghe legali e illecite è essenziale per garantire che siano sviluppati protocolli analitici appropriati, siano raccolte informazioni utili, le indagini sul campo abbiano successo e siano apportati miglioramenti alla sicurezza per il personale di laboratorio, gli operatori sanitari e gli investigatori sulla scena del crimine. Questo articolo del blog discute del fentanil oppioide e di come la ricerca del vincitore del Metrohm Young Chemist Award (MYCA) nel 2022, il dottor Colby Ott, contribuisce alla sua identificazione forense con la spettroelettrochimica Raman.

Fentanyl: farmaco miracoloso o minaccia per la salute pubblica?

Il fentanyl è un oppioide sintetico stimato 50 volte più potente dell’eroina e 100 volte più potente della morfina [1,2]. Grazie alla sua forza, il fentanyl farmaceutico è prescritto per il trattamento del dolore intenso, ad esempio per i tumori in stadio avanzato. Tuttavia, i pazienti a cui viene prescritto il fentanyl devono essere monitorati attentamente poiché è uno dei principali responsabili delle overdose e dei decessi negli Stati Uniti e in altri paesi.

Il fentanyl illecito si trova in diverse forme, comprese quelle liquide e in polvere. Inoltre, viene comunemente mescolato con altre droghe illegali (ad esempio eroina, cocaina e metanfetamina) e trasformato in pillole che assomigliano a oppioidi da prescrizione o altri farmaci. I farmaci a base di fentanyl sono estremamente pericolosi e molte persone non sono consapevoli di poter entrare in contatto con un oppioide così potente quando usano droghe da strada.

Solo due milligrammi di fentanyl possono essere letali a seconda di fattori quali la dimensione corporea, la tolleranza e l’uso passato di una persona. Una quantità così piccola rende il rischio di overdose estremamente elevato. L'analisi della Drug Enforcement Administration (DEA) statunitense ha rilevato pillole contraffatte che contengono fino a 5 mg di fentanyl per compressa: più del doppio della dose letale!

Emergenza fentanyl: i dati

Nel periodo dal 1999 al 2022, più di 1,1 milioni di persone sono morte negli Stati Uniti a causa di overdose [3]. Attualmente si stima che oltre 200 persone muoiano ogni giorno lì per overdose correlata a oppioidi sintetici come il fentanyl (sulla base dei numeri per un periodo di 12 mesi che termina a settembre 2023) [4]. La DEA ha sequestrato un numero record di pillole a base di fentanyl (79,5 milioni) nel 2023 insieme a quasi 12.000 libbre (5.400 kg) di polvere di fentanyl [5]. La quantità di fentanyl sequestrata nel 2023 dalla DEA equivaleva a oltre 376,7 milioni di dosi letali [5]. Delle pillole sequestrate dalla DEA, i test di laboratorio indicano che il 70% contiene una dose letale di fentanyl [5].

Solo nel 2022, circa 110.000 persone sono morte negli Stati Uniti per overdose [6]. Quasi 74.000 di questi decessi sono stati causati dal fentanil e da altri oppioidi sintetici (Figura 1), rappresentando quasi il 70% del totale (Figura 2). Se confrontato con il tasso di decessi per overdose da oppioidi, inclusi oppioidi soggetti a prescrizione ed eroina (Figura 3), diventa abbastanza chiaro quanto sia pericoloso il fentanyl e perché vi sia una così grande necessità di un’identificazione rapida e accurata del fentanyl.

Sfide per i metodi di rilevamento del fentanyl

Le strisce reattive al fentanyl sono un metodo di rilevamento a basso costo utilizzato per aiutare a prevenire il sovradosaggio e ridurre i danni. Sono costituiti da piccole strisce di carta in grado di rilevare la presenza di fentanyl in diversi tipi di droghe (ad esempio cocaina, metanfetamine, eroina, ecc.) e forme (ad esempio pillole, polvere e sostanze iniettabili).

Tuttavia, le strisce di fentanyl richiedono in genere dai tre ai cinque minuti per dare risultati. Questo ritardo potrebbe fare la differenza tra la vita o la morte. Anche se il test è negativo, ciò potrebbe non indicare farmaci «sicuri», poiché le strisce reattive potrebbero non rilevare sostanze chimiche più potenti simili al fentanyl. Inoltre, le strisce reattive sono qualitative e non quantitative, indicando solo la presenza o l'assenza di fentanyl. Per questi motivi, è imperativo lo sviluppo di metodi rapidi, facili, sensibili e selettivi per il fentanyl.

La spettroelettrochimica Raman combina i vantaggi dell'elettrochimica e della spettroscopia Raman come un'interessante tecnica alternativa per determinare il fentanyl in diverse sostanze. L'attivazione elettrochimica delle strutture metalliche consente l'aumento dell'intensità Raman grazie all'effetto SERS (surface-enhanced Raman scattering). Questo fenomeno migliora la sensibilità e consente la rilevazione di concentrazioni molto basse dell'analita in studio.

Scopri di più sui vantaggi dell'utilizzo di SERS nel nostro post sul blog correlato.

Raman vs SERS… Qual è la differenza?

Identificazione forense di fentanyl con spettroelettrochimica

Abbiamo colto l'occasione per intervistare il dottor Colby Ott e discutere perché il suo approccio a questa ricerca apre nuove porte per future applicazioni in situazioni cliniche, analisi Point-of-Care (POC) e altri tipi di analisi forensi.

1. Qual è il vantaggio della spettroelettrochimica Raman rispetto ad altri metodi tradizionali per il rilevamento delle droghe?

«La maggior parte dei metodi utilizzati per l'identificazione dei farmaci utilizzano strumentazioni sofisticate come GC-MS e LC-MS/MS, che sono costose, richiedono molta formazione e manutenzione e richiedono molto tempo. A parte i metodi strumentali, sono comuni metodi di screening che utilizzano test chimici del colore; tuttavia, sono soggetti a risultati falsi positivi e negativi. I metodi spettroscopici sono generalmente rapidi, hanno un costo inferiore per l'utente e forniscono informazioni strutturali e identificazione. La spettroelettrochimica Raman è una tecnica rapida che può migliorare lo screening dei farmaci sul campo e potrebbe potenzialmente raggiungere ambienti rurali dove l’accesso ad altra strumentazione è più limitato a causa delle dimensioni o dei costi.»

2. Qual è il contributo dell'elettrochimica alla spettroscopia Raman per la rilevazione del fentanyl?

«Lo svantaggio intrinseco della spettroscopia Raman è che l'intensità del segnale è generalmente molto più debole rispetto ad altre tecniche spettroscopiche. Tuttavia, quando viene utilizzato un esperimento di spettroscopia Raman (SERS) con superficie migliorata, i segnali ottenuti sono molto più forti e ci si ritrova con una potente risorsa per identificare il fentanil. Nei casi di fentanil è necessario un potenziamento del segnale poiché questo farmaco si trova generalmente come componente minore mescolato con altri adulteranti e agenti taglienti a causa della sua potenza. Pertanto, l’elettrochimica fornisce un mezzo per generare un substrato SERS accettabile in modo rapido e semplice, fornendo il necessario miglioramento del segnale.»

3. Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di elettrodi serigrafati (SPE) rispetto ai substrati SERS?

«Gli elettrodi serigrafati (SPE) sono popolari in molte applicazioni elettrochimiche grazie alle loro dimensioni ridotte, riproducibilità e facilità d'uso. Gli SPE d'argento forniscono un'ottima alternativa superficiale per generare elettrochimicamente le nanoparticelle d'argento in situ dal materiale dell'elettrodo stesso, aumentando la facilità d'uso sul campo per avere un substrato SERS. Inoltre, la natura usa e getta e la riproducibilità delle SPE rappresentano un vantaggio in ambito forense.»

4. In che modo uno strumento portatile e completamente integrato (potenziostato, laser e spettrometro in un unico dispositivo) come SPELEC RAMAN ha contribuito al successo della tua ricerca?

«La facilità d'uso dello spettrometro Raman e del potenziostato completamente integrati ha consentito di eseguire misurazioni e impostare esperimenti in modo semplice in un'unica piattaforma software anziché tentare di far comunicare software e strumenti diversi. Ancora più importante, l’ingombro ridotto ha consentito misurazioni portatili, dove abbiamo portato lo strumento fuori sede per le misurazioni.»

5. Quanto è rilevante l'acquisizione in tempo reale di misurazioni ottiche ed elettrochimiche per questa ricerca?

«Mentre i test chimici del colore continuano ad essere esaminati per le loro prestazioni limitate nello screening dei materiali farmaceutici sequestrati, i nuovi metodi di screening sono diventati un punto focale nella chimica forense. Molti attuali metodi spettroscopici non sono in grado di identificare componenti a basse concentrazioni, soprattutto in presenza di grandi quantità di agenti taglienti e adulteranti. Il nostro approccio spettroelettrochimico ha consentito l'identificazione di fentanil e analoghi del fentanil a basse concentrazioni e in presenza di farmaci comuni e composti diluenti, fornendo una possibile soluzione di screening per i materiali farmaceutici sequestrati.»

6. Qual è il potenziale impatto commerciale del tuo lavoro?

«Questo tipo di metodo potrebbe essere impiegato all’interno di schemi analitici al front-end per informare il processo decisionale a valle per gli approcci di conferma. Inoltre, la portabilità dello strumento e l’approccio sperimentale rendono questo lavoro suscettibile di test sul campo e potrebbe essere utilizzato ai valichi di frontiera, ai porti di ingresso e sulle scene del crimine. Stiamo attualmente lavorando su metodi che potrebbero essere utili in scenari tossicologici, in cui questo metodo semplice ed economico verrebbe utilizzato nelle comunità rurali, nei test di conformità e nello screening dei farmaci.»

Conclusione

Il fentanyl, un potente oppioide sintetico, presenta un rischio significativo di overdose. La sua identificazione rapida e affidabile è fondamentale per scopi investigativi e di sicurezza. La spettroelettrochimica Raman offre una soluzione più rapida ed efficace rispetto agli attuali metodi di rilevamento, soprattutto in ambienti sul campo. La ricerca del dottor Colby Ott in quest'area, utilizzando strumentazione portatile, si mostra promettente per applicazioni cliniche e forensi con un potenziale impatto commerciale.