Detection of psychoactive substances (antidepressants, antipsychotics, benzodiazepines, alcohol) in human hair and other matrices using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS)

Abstract

Psychotropic drugs are a class of substances that are widely used in Germany and worldwide in the treatment of mental disorder and are therefore frequently prescribed. Like any drug, they have a certain side-effect profile, mainly comprising of cardiac and sedative components. Some of these substances, such as the tricyclic antidepressants, also have a high toxicity in case of overdoses. Due to these properties, the broad prescription and their toxicity, these substances may occur in different scenarios of forensic toxicological work. Their sedative properties and easy availability also make them substances that could potentially be used in crimes. To a certain extent, with the analysis of nails and hair it is possible to draw conclusions about the past frequency of use. The main objective of this thesis was to collect and meaningfully expand the currently available data on the detection of psychotropic drugs in hair in order to allow a comprehensive interpretation of such findings in daily forensic work. Furthermore, comparative studies of hair and nails should provide a deeper insight into the incorporation of substances in the nail and their use as an alternative matrix to hair.

A comprehensive literature review showed that there are clear gaps in research on psychotropic drugs in hair, especially quantitative data. Three categories of publications were found: (i) method validations for the detection of numerous substances in hair, (ii) case reports and (iii) controlled dose administration studies. In the first two categories, often only small case numbers, very variable hair lengths and only very rarely information on the dosage taken was available. This was not the case in the controlled dose studies, which showed comparable hair lengths, at reported doses and assumed compliance. Furthermore, it was shown that the data basis for some, rather older, substances (e.g. amitriptyline) is very extensive through controlled dose studies, while many newer, now much more frequently prescribed substances (e.g. mirtazapine) were investigated in only a few studies. The publications also showed large differences in the sample preparation and extraction method selected. So far, no interlaboratory tests for psychotropic drugs in hair are available. For future studies a harmonization of the hair lengths and extraction methods used would therefore be welcome.

In order to expand the data situation for psychotropic drugs in hair, two retrospective studies were conducted on post-mortem cases. For the identification of cases with known psychotropic drug ingestion, the toxicological test results of all deaths from 2012-2015 were evaluated in the section property of the Institute for Forensic Medicine of the Charité University Medicine Berlin. All cases with positive findings for a selected number of psychotropic drugs in blood, urine or tissue samples were included, as these findings indicate acute or subacute influence at the time of death. Furthermore, the blood alcohol test was also evaluated in all cases. In these cases, it was assumed that they have taken psychotropic drugs for a longer period before sampling. It quickly became apparent that many of the cases with positive psychotropic drug evidence at death were suicides. From this observation, as well as from case reports that found an increased risk of suicide under psychotropic drug use, the idea of conducting a comparative observational study was born. All included cases were divided into suicides (n=235) and non-suicides (n=212) on the basis of the final public prosecutor's investigations. In the group of suicides, higher frequencies were found for all substance classes compared to the group of non-suicides. The most frequently detected class of substances in the suicide group were TCAs, followed by SSRIs, ATYPs, TYPs, TECA and other substances. Among the individual substances, doxepin (20%), citalopram (15.3%), mirtazapine (14.9%), quetiapine (13.6%) and amitriptyline (12.3%) were detected most frequently. Alcohol was detected in about one third of the suicides compared to one fifth in the non-suicide group, in line with data from other authors. This first study served to identify cases for further hair analysis with known ingestion of psychotropic drugs in the time before death.

The next investigation dealt in the first step with the development and validation of a sensitive LC QQQ-MS method to determine psychotropic drugs in hair. Based on the current prescription report of the health insurance companies for psychotropic drugs, 52 relevant substances were included in the method. The method was successfully validated based on the guidelines of the GTFCh for the validation of analytical methods for most analytes in a working range of 0.005 - 2.5 ng/mg in hair. All validation requirements were tested and met. The range of the limits of quantification was very sensitive with 1.2 - 37 pg/mg in hair. Hair samples (n = 442) from the cases of the study on the frequency of antidepressants and antipsychotics in suicide together with cases in which psychotropic drug use was indicated in the public prosecutor's investigation file were examined in this study. A special feature of the study was the segmentation of the hair whenever possible. In those cases where segmentation was not possible due to the quality of the sample, the entire length of the hair was examined. In summary, quantitative data in hair were determined for 41 substances and 8 associated metabolites using n = 420 samples. The hair samples of twenty-two included cases were negative. In order to present the variations in the hair lengths, investigated population and the missing dose information in a statistically representable way, the quantitative data was presented in percentiles. With results of the previous study it was also possible to show that the detection in hair did not always correspond to the results in blood, urine or organs. Similar to the previous study, it was shown that in many cases more than one substance was often detected. The study further addressed the influence of external contamination in postmortem hair analysis and its proposed interpretation based on the results of four cases. Taking into account the discussed limitations of the study, this work made an important contribution to the expansion of the data situation for psychotropic drugs in hair based on case numbers, some of which are in the three-digit range.

In two comprehensive studies comparing hair and nails, valuable information was obtained on the incorporation of substances into the nail and the applicability of nail analysis in postmortem cases. After successful development validation of an LC-QQQ-MS method for the detection of EtG in nails and hair according to GTFCh guidelines, fingernail edges and hair samples from living subjects with normal drinking behavior (n = 18) and from postmortem cases with chronically excessive drinking behaviour (n = 19) were examined. In agreement with other authors, it was shown that the concentrations in the nail margin were higher than in hair. The different detection windows and a strong deposition of EtG via sweat in the nail margin were discussed as possible reasons for this. On the basis of four abstinent volunteers it was shown that nails are also suitable for abstinence control. In the postmortem cases, significantly different results were obtained between hair and nails. This observation was also confirmed in a further study, which dealt with a comparative segmental examination of nail and hair samples of selected postmortem cases. Two LC-QQQ-MS methods for the detection of 76 narcotics and psychotropic drugs in nails and hair were developed and validated according to GTFCh guidelines. Hair and nail samples from seven selected postmortem cases with known drug abuse in the past were examined and both hair and nail samples were comprehensively segmented. Similar to the results for the alcohol marker EtG, significantly different concentrations of narcotics were found in nails and hair. Additionally, the metabolite ratios for some substances were examined. It was found that some of the ratios of MDA/MDMA, EDDP/methadone and bisnortilidine/nortilidine were similar in hair and nails. Higher cocaine values in hair compared to nails and higher benzoylecgonine values in nails compared to hair were evident. Furthermore, quantitative data for four antidepressants (doxepin, trimipramine, mirtazapine, opipramol) and methylphenidate in nails and hair was presented.

In summary, an important collection and extensive expansion of the data basis for numerous psychotropic drugs in hair was realized within the scope of this dissertation. This basis can be of decisive importance for daily forensic work and can serve as an important support for the interpretation of hair findings. The thesis also demonstrated that nails as alternative examination matrix to hair are in principle suitable within certain limitations and should remain the subject of further research.

Psychopharmaka sind eine Klasse von Substanzen, die national und weltweit eine breite Anwendung in der Behandlung mentaler Erkrankungen finden und dementsprechend häufig verschrieben werden. Wie jedes Arzneimittel besitzen sie ein gewisses Nebenwirkungsprofil, welches hauptsächlich herzwirksame und sedierende Komponenten umfasst. Einige dieser Substanzen, wie etwa die trizyklischen Antidepressiva, weisen zudem eine hohe Toxizität bei Überdosierungen auf. Aufgrund dieser Eigenschaften, der breiten Verschreibung und ihrer Toxizität können diese Substanzen in verschiedenen Szenarien von forensisch toxikologischer Arbeit vorkommen. Die sedierenden Eigenschaften und leichte Verfügbarkeit machen sie zudem zu Substanzen, die potenziell in Verbrechen eingesetzt werden können. Bis zu einem gewissen Grad ist es mit der Analyse von Nägeln und Haaren möglich, Rückschlüsse auf die zurückliegende Einnahmehäufigkeit zu ziehen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die derzeit verfügbaren Daten über den Nachweis von Psychopharmaka im Haar zu sammeln und sinnvoll zu erweitern, um eine umfassende Interpretation solcher Befunde in der täglichen forensischen Arbeit zu ermöglichen. Weiterhin sollten vergleichende Untersuchungen von Haaren und Nägeln einen tieferen Einblick in die Einlagerung von Substanzen in den Nagel und die Verwendung als alternative Matrix zu Haaren geben.

Eine umfassende Literaturstudie zeigte, dass die Forschung zu Psychopharmaka im Haar, im speziellen zu quantitativen Daten, deutliche Lücken aufweist. Die verfügbaren Veröffentlichungen gliederten sich grob in drei Kategorien: (i) Methodenvalidierungen für den Nachweis von zahlreichen Substanzen im Haar, (ii) Fallberichte und (iii) kontrollierte Dosisstudien. In den ersten beiden Kategorien lagen oftmals nur kleine Fallzahlen sowie sehr variierende Haarlängen vor und nur äußerst selten wurden Informationen zur eingenommenen Dosierung angegeben. Dies traf auf die kontrollierten Dosisstudien nicht zu, die vergleichbare Haarlängen und bekannte Dosierungen bei angenommener Compliance vorwiesen. Weiterhin zeigte sich, dass die Datengrundlage für einige, eher ältere, Substanzen (z.B. Amitriptylin) durch kontrollierte Dosisstudien sehr umfangreich ist, während viele neuere, heute wesentlich häufiger verschriebene Substanzen (z.B. Mirtazapin) in nur wenigen Studien untersucht wurden. Die Veröffentlichungen zeigten auch große Unterschiede bei der gewählten Probenaufarbeitung und Extraktion. Bisher sind keine Ringversuche für Psychopharmaka im Haar verfügbar. Für zukünftige Studien ist daher eine Harmonisierung der verwendeten Haarlängen und Extraktionsverfahren erforderlich und wünschenswert.

Zur Erweiterung der Datenlage für Psychopharmaka im Haar wurden daher zwei retrospektive Untersuchungen im Rahmen von Sterbefällen durchgeführt. Zur Identifizierung von Fällen mit bekannter Psychopharmaka-Einnahme wurden im Sektionsgut des Instituts für Rechtsmedizin der Charité - Universitätsmedizin Berlin die toxikologischen Testergebnisse aller Todesfälle der Jahre 2012-2015 ausgewertet. Alle Fälle mit positivem Befund für eine ausgewählte Anzahl von Psychopharmaka im Blut, Urin oder Gewebeproben wurden einbezogen, da diese Befunde auf einen akuten oder subakuten Einfluss zum Todeszeitpunkt hinweisen. Bei diesen Fällen wurde angenommen, dass sie auch längere Zeit vor der Probenahme Psychopharmaka eingenommen haben könnten. Dabei zeigte sich sehr schnell, dass es sich bei vielen der Fälle mit positivem Psychopharmaka-Nachweis zum Zeitpunkt des Todeseintritts um Suizide handelte. Aus dieser Beobachtung heraus, sowie aus Fallberichten, die ein erhöhtes Suizidrisiko unter Psychopharmaka-Einnahme feststellten, entstand die Idee eine vergleichende Beobachtungsstudie durchzuführen. Alle eingeschlossenen Fälle wurden anhand der abschließenden staatsanwaltschaftlichen Ermittlungen in Suizide (n=235) und Nicht-Suizide (n=212) eingeteilt. In der Gruppe der Suizide zeigten sich für alle Substanzklassen höhere Häufigkeiten im Vergleich zur Gruppe der Nicht-Suizide. Die am häufigsten nachgewiesene Klasse von Substanzen in der Gruppe der Suizide waren trizyklische Antidepressiva (TCA), gefolgt von selektiven Serotonin-Reuptake Inhibitoren (SSRI), atypischen Neuroleptika (ATYP), typischen Neuroleptika (TYP), tetrazyklischen Antidepressiva (TECA) und weiteren Substanzen. Unter den einzelnen Substanzen wurden Doxepin (20 %), Citalopram (15,3 %), Mirtazapin (14.9 %), Quetiapin (13.6 %) und Amitriptylin (12.3 %) am häufigsten detektiert. Alkohol wurde in Übereinstimmung mit Daten anderer Autoren in ca. einem Drittel der Suizide im Vergleich zu einem Fünftel in der Gruppe der Nicht-Suizide nachgewiesen. Diese erste Studie diente dazu, Fälle für weitere Haaranalysen mit bekannter Einnahme von Psychopharmaka in der Zeit vor dem Tod zu identifizieren. Die nächste Untersuchung befasste sich im ersten Schritt mit der Entwicklung und Validierung einer LC-QQQ-MS-Methode zur Bestimmung von Psychopharmaka im Haar. Auf der Grundlage des aktuellen Verschreibungsreports der Krankenkassen für Psychopharmaka wurden 52 relevante Substanzen in die Methode aufgenommen. Die Methode wurde auf der Basis der Richtlinien der GTFCh für die Validierung von Analysenmethoden für die meisten Analyte in einem Konzentrationsbereich von 0.005 - 2.5 ng/mg im Haar erfolgreich validiert. Alle Anforderungen an die Validierung wurden getestet und erfüllt. Die Bestimmungsgrenzen waren mit 1.2 - 37 pg/mg im Haar sehr niedrig. In dieser Studie wurden Haarproben (n = 442) von in der Studie über die Häufigkeit von Antidepressiva und Antipsychotika bei Suiziden identifizierten Fällen zusammen mit Fällen untersucht, in denen in der Ermittlungsakte der Staatsanwaltschaft auf psychotropen Drogenkonsum hingewiesen wurde. Eine Besonderheit der Untersuchung war die Segmentierung der Haare, wann immer dies möglich war. In den Fällen, in denen keine Segmentierung aufgrund der Qualität der Probe möglich war, wurde jeweils die gesamte Haarlänge untersucht. Zusammengefasst wurden quantitative Daten im Haar für 41 Substanzen und 8 zugehörigen Metaboliten anhand von n=420 Proben ermittelt. Die Haarproben von zweiundzwanzig eingeschlossenen Fällen waren negativ. Um die Variationen in den Haarlängen, der untersuchten Population und die fehlenden Dosisinformationen statistisch darzustellen, wurden die quantitativen Daten in Perzentilen ausgewertet. Dies bildet einerseits die Unterschiede bezüglich der verwendeten Haarlängen, aber auch die Variationen innerhalb der untersuchten Zwecke und Populationen gut ab. Anhand der Ergebnisse der vorherigen Studie konnte auch gezeigt werden, dass der Nachweis in den Haaren nicht immer mit den Ergebnissen in Blut, Urin oder Organen übereinstimmte. Ähnlich wie in der Vorgängerstudie konnte gezeigt werden, dass in vielen Fällen oft mehr als eine Substanz nachgewiesen wurde. Ähnlich der zuvor durchgeführten Studie, zeigte sich, dass in vielen Fällen häufig mehr als eine Substanz nachgewiesen wurde. Die Studie befasste sich ferner mit dem Einfluss der äußeren Kontamination bei der postmortalen Haaranalyse und ihrer vorgeschlagenen Interpretation auf der Grundlage der Ergebnisse von vier Fällen. Unter Berücksichtigung der diskutierten Einschränkungen der Studie leistete diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Erweiterung der Datenlage für Psychopharmaka im Haar auf der Basis von Fallzahlen, die zum Teil im dreistelligen Bereich liegen. Mit Hilfe dieser Daten wird die Interpretation von Psychopharmaka-Befunden im Haar wesentlich erleichtert und in konkreten Fragestellungen unterstützt.

In zwei umfassenden Studien zum Vergleich von Haaren und Nägeln wurden wertvolle Informationen über die Einarbeitung von Substanzen in den Nagel und die Anwendbarkeit der Nagelanalyse in postmortalen Fällen gewonnen. Nach erfolgreicher Validierung einer LC-QQQ-MS-Methode zum Nachweis von EtG in Nägeln und Haaren nach den Richtlinien der GTFCh wurden Fingernagelränder und Haarproben von lebenden Probanden mit normalem Trinkverhalten (n = 18) und von postmortalen Fällen mit chronisch übermäßigem Trinkverhalten (n = 19) untersucht. In Übereinstimmung mit anderen Autoren zeigte sich, dass die Konzentrationen im Nagelrand höher waren als in den in Haaren. Als möglicher Grund wurden dafür die unterschiedlichen Nachweisfenster und eine erhöhte Einlagerung des EtG über den Schweiß in den Nagelrand diskutiert. Anhand von vier abstinent lebenden Probanden konnte gezeigt werden, dass sich Nägel auch für eine Abstinenzkontrolle eignen. Bei den Sterbefällen zeigten sich deutlich unterschiedlichere Ergebnisse zwischen Haaren und Nägeln. Diese Beobachtung wurde auch in einer weiteren Studie bestätigt, die sich mit einer vergleichenden und segmentweisen Untersuchung von Nagel- und Haarproben ausgewählter postmortem Fälle befasste. Zwei LC-QQQ-MS-Methoden zum Nachweis von 76 Betäubungsmitteln und Psychopharmaka in Nägeln und Haaren entwickelt und nach den Richtlinien der GTFCh validiert. Haar- und Nagelproben von sieben ausgewählten postmortalen Fällen mit bekanntem Drogenmissbrauch in der Vergangenheit wurden untersucht und sowohl Haar- als auch Nagelproben umfassend segmentiert. Ähnlich den Ergebnissen für den Alkoholmarker EtG zeigten sich deutlich unterschiedliche Konzentrationen für Betäubungsmittel in Nägeln und Haaren. Zusätzlich wurden für einige Substanzen die Metabolitenverhältnisse untersucht. Es wurde festgestellt, dass einige der Verhältnisse von MDA/MDMA, EDDP/Methadon und Bisnortilidin/Nortilidin bei Haar und Nägeln ähnlich waren. Es wurden höhere Kokainwerte im Haar im Vergleich zu den Nägeln und höhere Benzoylecgonin-Werte in den Nägeln im Vergleich zu den Haaren. Darüber hinaus wurden quantitative Daten für vier Antidepressiva (Doxepin, Trimipramin, Mirtazapin, Opipramol) und Methylphenidat in Nägeln und Haaren vorgelegt.

Zusammengefasst wurde im Rahmen dieser Dissertation eine wichtige Erfassung und umfangreiche Erweiterung der Datengrundlage für zahlreiche Psychopharmaka im Haar realisiert. Diese Grundlage kann für die tägliche forensische Arbeit von entscheidender Bedeutung sein und als wichtige Stütze für die Interpretation von Haarbefunden dienen. Weiterhin wurde dieser Arbeit gezeigt, dass sich Nägel als alternative Untersuchungsmatrix zu Haaren prinzipiell (mit bestimmten Limitierungen) eignen und Gegenstand weiterer Forschung bleiben sollten.