Fentanyl and its analogues in the forensic laboratory : medical and analytical problems

FENTANYL AND ITS ANALOGUES IN THE FORENSIC LABORATORY. MEDICAL AND ANALYTICAL

PROBLEMS

A

S

M

K

A

P

ABSTRACT: F entanyl an d its analogues are commonly known as synthetic opiates.

F entanyl w as synthesised in Belgium in th e late 1950’s and w as introduced into m ed­

ical practice in 1963. This compound h as 75 to 125 tim es more analgesic potency th a n m orphine. T hereafter, o ther fentanyl analogues were introduced: sufentanyl, which is about 5-10 tim es as potent as fentanyl, alfentanyl - an u ltra -sh o rt acting an alg e­

sic, rem ifentanyl, which is used widely for short-term anaesthesia. The biological ef­

fects of fentanyls are indistinguishable from those of heroin. Therefore th is group of compounds is very attrac tiv e to clandestine m anufacturers. The first illicit use of fentanyl and its analogues occurred in the mid-1970s. F en tanyl-related compounds are highly potent synthetic narcotic analgesics. Because of th e high potency of fentanyls, low doses are used. The low doses lead to very low concentrations of these substances and th e ir m etabolites in biological m aterial. Hence, th e ir determ ination appears very difficult. In consequence, very sensitive techniques are applied to de­

term ine fentanyl analogues a t nanogram s concentrations in a complex biological m a ­ trix.

KEY WORDS: Reviews; F entanyl and its analogues; Medical and nonm edical use;

M ethods of determ ination.

Problems o f Forensic Sciences, vol. LIX, 2004, 127-1 42 Received 3 A u g u st 2004; accepted 6 October 2004

INTRODUCTION

F en tany l an d its analogues are commonly know n as synthetic opiates.

M ost of these substances show powerful analgesic activity. Some compounds from th e fentanyl group are used as anaesthetics. U n fortun ately , fentanyls are increasingly frequently abused as heroin su b stitu te s, especially in the U n ited States.

F en tany l was synthesised for th e first tim e in Belgium in th e late 1950’s.

In th e 1960’s it w as introduced onto th e m ark et as an in trav en ous a n a e s­

th etic agent w ith an analgesic potency about 75-125 tim es th a t of morphine.

The chemical stru c tu re of fentanyl allows m an u factu rers to create a great

128 A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

nu m ber of variations, w hich possess powerful analgesic properties [12, 18, 28, 29]. O ut of approxim ately 1400 fentanyl analogues, more th a n 200 com­

pounds have been described in th e lite ra tu re [5, 41]. However, only for sev­

eral substances have th e effects on the h u m an organism been studied and described.

We have used th e sta n d a rd common nam es for fentanyl and its analogues th ro u gho u t th is paper. In th e litera tu re , two v a ria n ts of th e suffix: -yl an d -il are used commonly — we have used -yl.

NONMEDICAL USE OF FENTANYL AND ITS ANALOGUES

F en tan y ls are a large group of synthetic analgesic narcotic compounds.

In view of th e effects induced by th e ir action, fentanyls are very “a ttrac tiv e ” on th e narcotics m arket.

F irst m entions of th e illicit use of fentanyls in th e m edical com m unity (due to easy access) appeared in th e m id-1970’s. N um erous opioid d eriva­

tives of fentanyl are sold on th e stre e t as synthetic heroin or C hina W hite.

The following analogues of fentanyl, am ongst others, are available un d er th e nam e C hina W hite: a-m ethylfentanyl (illegal tra d e w as noted for the first tim e in 1979), para-fluorofentanyl (1981), benzylfentanyl (1981), ace- tyl-a-m ethylfentanyl (1983), acryl-a-m ethylfentanyl (1983), 3-methylfen- tan y l (1983), thienylfentanyl (1985) [9, 15, 41]. According to studies by Ja n ss e n P harm aceu tical Company, th e cis-isom er of 3-m ethylfentanyl is a p ­ proxim ately 6000 tim es as potent a s m orphine, w hereas th e trans-iso m er is approxim ately 500 tim es as potent. F en tan yls distrib u ted on th e narcotics m ark et are a d u lte ra ted w ith large am ounts of lactose or m annitol, so the am ount of active ingredients is very sm all, usually less th a n 1%. Powdered sam ples m ay be w hite in colour (generally, these are sold as P ersian W hite), light brow n (China W hite, synthetic heroin or fentanyl) or d a rk brow n (Mex­

ican Brown) [15]. These substances are m ost often injected, b u t sm oking or snorting are becoming increasingly common. The effects of fentanyl are in ­ distinguishable from th e effects induced by n a sal in h alatio n of “stre e t h e r­

oin”. Snorting of fentanyl a t a dose of 0.5 mg gives sim ilar euphoric effects to heroin a t a dose of 20 mg. F en tan y ls differ from heroin in potency an d d u ra ­ tion of action. They m ay have as m uch as h u n d red s of tim es more potency th a n heroin. However, th e ir d u ratio n of action is short, generally 30 to 90 m inutes, in other words, m uch sh o rte r th a n heroin (about 4 h) [20,44,46].

The estim ated fata l intrav eno u s dose of fentanyl is 2 pg, p-fluoro-

fentanyl: 250 pg, a-m ethylfentanyl: 125 pg and 3-m ethylfentanyl - about

20 pg [40].

Fentanyl a n d its analogues in the forensic 129

Am ongst th e m ost dangerous effects of the action of fentanyl are induced sudden resp irato ry depression and even death. The in ten sity and d u ration of resp irato ry depression depend on th e kind of fentanyl analogue and a d ­ m inistered dose. In some cases d eath h a s occurred so quickly, th a t abusers were found w ith a needle still in th e site of injection (in situ) [16, 44].

W ell-docum ented sudden fentan y l-related d eath s show th a t victim s were young (m ean age 30, range 18 to 50) an d found a t home (usually in th e b a th ­ room or bedroom) [15, 25].

According to various sources, post-m ortem blood fentanyl concentrations ranged from 2 to 100 ng/m l (average 18 ng/ml) [37], b u t very low concentra­

tions of 0.2-50 ng/ml w ith average 3 ng/ml were also noted in a large series of intrav en ou s abuse fatalities [16].

Moreover, the following tissue concentrations were noted in 7 adults who died after self-administered intravenous injections of fentanyl (for non-medical purposes): blood - range 3.0-28 (average 8.3) ng/ml; brain - 9.2-30 (20) ng/g;

liver-5 .9-78 (37) ng/g; kidney-6 .1 -4 2 (18) ng/g and urine-5 .0 -9 3 (28) ng/ml [3].

In th e U nited S tates, fentanyl and its analogues are categorised as Schedule II controlled substances. In Poland, th ese substances are listed in th e I-N group of th e D rug Addiction C ounteraction Act of 24 April 1997.

MEDICAL APPLICATION OF FENTANYL AND ITS ANALOGUES

The developm ent of synthetic opioid analgesics, i.e. fentanyl, sufentanyl, alfentanyl and rem ifentanyl (Table I) w as a very im p o rtan t step in a n a e s­

th etic procedure (m anagem ent). These substances, w hen adm inistered in ­ travenously, begin to act quickly, in ju st 30—50 seconds and they have potent analgesic activity. The d u ratio n of action of fentanyl is relatively sho rt due to rap id red istrib u tio n of th e drug to tissues. F en tan y l an d its analogues also show w eak sedative action. One of th e m ost im p o rtan t u n w an ted effects is resp irato ry depression, w hich leads to apnoea, depending on dose. M uscular rigidity, dizziness, somnolence, n a u sea and vom iting m ay also occur. M oni­

toring of resp irato ry activity and th e cardiovascular system (arteria l blood pressure) is necessary a fte r ad m in istratio n of fentanyls. The general c h a r­

acteristics of fentanyls are sum m arised in Table II [32, 45, 47].

FENTANYL

In 1963 fentanyl w as introduced into clinical use as an additive to su rg i­

cal anaesth etic m ixtures and for m itigation of postoperative pain.

130 A. Skulska, M. Kala, A. Parczewski

TABLE I. STRUCTURAL FORMULA AND CHEMICAL NAME OF FENTANYL AND ITS THREE ANALOGUES

S tr u c t u r a l fo rm u la C h em ica l n a m e C om m on n a m e

■u'b 9

CO

1 -(2 -p h e n eth y l)-4 -N (N -p ro p io n y l-an ilin o )p ip e rid in e ;

N -fen y l-N [-1 -(2 -p h e n y l-e th y l)-4 -p ip e rid in y l]p ro p a n am id e

F e n ta n y l

"Y 9

y ' U ?

{4-M ethoxy m eth y l-1 -[2 -(2 -th ien y l]eth y l)-4 -p ip erid in y l}-N - p h e n y lp ro p a n a m id e ;

N -[4 -(m eth -o x y m eth y l)-1 -[2 -(2 -th ien y l)eth y l]-4 -p ip erid in y l]- N -p h e n y lp ro p a n a m id e

S u fe n ta n y l

9

TN

N -[1-[2 -(4 -eth y l-4 ,5 -d ih y d ro -5 -o x o -1 H -tetrazo l-1 -y l)-eth y l]-

4 -m e th o x y m e th y l)4 -p ip e rid in y l]-N -p ro p a n a m id e A lfe n ta n y l

9..

1 -p ip e rid in e ]-p ro p a n o a te R e m ife n ta n y l

TABLE II. COMPARISON OF SELECTED PROPERTIES OF FENTANYL AND ITS THREE ANALOGUES WITH M O RPHIN E AND H ERO IN [32, 45, 47]

D ru g P o te n c y o f a n ­ a lg esic a ctio n

B iological h alf-life

V o lu m e of d is ­ trib u tio n

[l/kg]

T h e ra p e u tic c o n c e n tra tio n

[ng/m l]

In it ia l dose [^g/kg]

M o rp h in e 1 2 - 4 h 3.2 1 0 -1 0 0 2 -1 0 mg

(orally)

H e ro in 10 2 - 6 m in _ - -

A lfe n ta n y l 40 0 .6 -2 .3 h 0.9 3 0 -6 0 0 125

F e n ta n y l 7 5 -1 2 5 1 -3 .5 h 3 .7 -4 .1 3 -3 0 0 1 5 0 -3 0 0

S u fe n ta n y l 5 0 0 -1 0 0 0 2 - 5 h 2.48 0 .5 -1 0 0 .2 5 -2 5

R e m ife n ta n y l - 6 - 1 6 m in 0 .2 -0 .4 3 -5 0 1

F entany l adm inistered intravenously begins to act after only 30 seconds.

Its analgesic action, w hich is stronger an d more rap id th a n m orphine, is caused by b e tte r solubility in lipids and easier p e n etratio n across the blood-brain b arrier. The sh o rt d u ratio n of action of a single dose, on th e other hand, is caused by rap id red istrib u tio n to muscles, fatty tissu e and lung. R e­

p eatin g doses or continuous infusion leads to gradual sa tu ra tio n of tissu es,

so th e concentration of fentanyl in p lasm a does not decrease suddenly.

Fentanyl a n d its analogues in the forensic 131

Studies have shown th a t th ere is a good correlation betw een pharm acologi­

cal action and concentration of fentanyl in plasm a. And so, postoperative a n ­ algesia occurs a t fentanyl concentration of 0.63 ±0.25 ng/ml, resp irato ry de­

pression a t 1-5 ng/ml, changes in EEG a t 6.9 ±1.5 ng/ml, loss of conscious­

ness a t 34 ±7 ng/ml, blocking of th e response of th e circulatory system (car­

diovascular system ) to in tu b atio n - 102 ±50 ng/ml [2, 32].

84% of fentanyl is bound to plasm a proteins. It is m etabolised intensively in th e liver, excreted in th e bile and u rin e unchanged an d as inactive m etab ­ olites (e.g. norfentanyl). A fter 72 h, 85% of a single dose app ears in th e urine and faeces as inactive m etabolites. Only 8% of a single dose is excreted in the u rin e as unchanged drug [32].

FENTANYL ANALOGUES

Sufentanyl is a strongly acting opioid drug. It is very highly soluble in lipids, which causes rap id d istrib u tio n to body tissues. Sufentanyl is a 5 to 10 tim es more potent analgesic th a n fentanyl and 500 to 1000 tim es more th a n m orphine. The effects of its action occur faste r th a n after a d m in istra ­ tion of fentanyl b u t they probably la s t sh o rter [32].

A lfentanyl is used in travenously to induce general an a esth esia and as a com ponent of drug m ixtures used for th is purpose. In cardioanesthesia, alfentanyl is adm inistered in relatively large doses (as th e only anaesthetic) [32]. A lfentanyl is characterised by very rapid analgesic onset and an u ltra sho rt d u ratio n of analgesic action (three tim es sh o rter th a n fentanyl). Its ac­

tion is 40 tim es more po ten t th a n m orphine. A lfentanyl can cause severe r e ­ spiratory depression, w hich occurs a t concentration in serum h igher th a n 100-200 ng/ml an d coma [3].

Sufentanyl and alfentanyl were first synthesised in th e m id 1970s. Now they are widely used to provide potent analgesia.

R em ifentanyl has been employed as an auxiliary analgesic drug an d as one of th e com ponents of drug mixes given to induce general a n aesth esia since 1993 [3]. Its biological half-life after th erap eu tic dose is 3-1 0 m inutes an d opioid activity disap p ears in 5-10 m inutes after ad m in istratio n has been finished. R em ifentanyl is designed only for in traveno us injection.

It m ust be ad m in istered as a co nstant infusion by m eans of a calib rated in fu ­ sion pum p [32].

In hum ans, sufentanyl, alfentanyl an d rem ifentanyl are intensively m e­

tabolised an d only a few p ercent o fth e given dose are excreted in th e u rin e as

unchanged drug. M etabolites of fentanyl analogues (norsufentanyl, nor-

alfentanyl) seem to be pharm acologically inactive.

TABLE III. METHODS FOR THE IDENTIFICA TION AND/OR QUANTIFICATION OF FENTANYL AND ITS ANALOGUES IN BIOSAMPLES

S ubstance

Speci­

men type

E xtraction details A nalytical m ethod details Mobile phase or carrie r gas

V alidation d ata:

LOD [ng/ml] ; LOQ [ng/ml];

Rec. [%]

Refer­

ences

F entanyl I. S.:

papaverine

P lasm a

LLE: NaOH (10 M), 5%

isopropanol in n-butyl chloride

GC/NPD

HP-5 5% phenyl-m ethyl siloxane capillary column

(60 x 0.32; 0.25)

Helium 0.1; 0.5; - [V]

R em ifentanyl

I. S.: fentanyl Blood LLE: n-butyl chloride

GC/NPD BPX-5 (25 x 0.22; 0.25)

Helium - ; 0.2; 80 [6]

F entanyl I. S.:

sufentanyl

Serum LLE: NaOH (1 M), dichlorom ethane w ith 0.5 M TEA

GC/MS

H P U ltra-2 cross-linked 5% phenylm ethyl silicone fused-silica capillary

(25 x 0.2; 0.33)

Helium - ; 0.05; - [39]

F entanyl Sufentanyl A lfentanyl

I. S.:

Fentanyl-d5

U rine LLE: E xtrelut® N T l SPE, M erck

GC/MS DB 5-MS column

(J &W) (30 x 0.25; 0.15)

Helium

Fentanyl, sufentanyl: - ;

< 0 .0 0 5 ;- A lfentanyl: - ;

< 0 .0 1 ; -

[42]

F entanyl Blood

LLE: n-butyl chloride-ether (3:1, v/v), H 2S 04 (0.5 M);

R eextraction: N H 40H , m ethylene chloride

GC/MS

DB-1 fused silica silica capillary colum n (12 x 0.20)

Helium 0.5; — ; — [37]

A lfentanyl F entanyl

I. S.:

papaverine

P lasm a

LLE: NaOH (0.5 M), heptane-isoam yl alcohol (98:2,

v/v)

HPLC-UV-Vis a = 195 rnn) Econosphere CN column (250 x 4.6, 5), g uard column: Cyano,

N ew guard (15 x 3.2; 7)

K H 2P 04 (0.01 M, pH 2.8, 85% H 3P04), far-UV-HPLC-grade

ACN (65:35, v/v)

A lfentanyl: 0.25;

2; 86 Fentanyl: 0.25; 2;

82

[26]

132A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

Fentanyl I. S.:

flurazepam

P lasm a LLE: KOH (0.5 M), cyclohexane

HPLC-UV ( X = 200 nm) Spherisorb silica analytical col­

um n (250 x 4.6; 5, H ew lett-Packard)

0.02% perchloric acid (70%) in

MeOH - ; 0.2; 100 [33]

Rem ifentanyl

I. S.: GI97559 R a t blood

LLE: phosphate buffer (1M, pH = 7.4), n-butyl chlo­

ride

HPLC-UV ( X = 210 nm)

high-ligand-density RP C8 column (150 x 4.6; 5)

ACN, N aH 2 P 0 4 (0.05M) buffer

(27:83, v/v) - ; 2.5; > 88 [14]

Rem ifentanyl I. S.: GI97559

Dog p lasm a

SPE: Bond E lut phenyl cartridges

(V arian)

HPLC-UV ( X = 210 nm) RP Spherisorb C l column

(150 x 4.6; 5)

ACN, MeOH, phosphate buffer, w a­

ter (180:120:48:652, v/v/v/v) 0.5; 7.89; 100 [19]

S ufentanyl

I. S.: fentanyl Serum

LLE: NaOH (1 M), toluene-2-propanol

(20:2, v/v)

HPLC-MS/MS (ESI) M achery-N agel Nucleosil CC

100-5 C IS HD column (70 x 2)

0.02% TFA in w ater, ACN (85:15,

v/v), g rad ien t elution 3; 10; 75 [27]

Fentanyl N orfentanyl

I. S.:

fentanyl-d5

P lasm a LLE: NaOH (1 M) 2-propanol-toluene

LC/MS

Zirchrom-PBD colum n (50 x 2.1; 3)

ACN, am m onium acetate (10 mM), c itra te buffer (0.1 mM, pH = 4.4)

(45:55, v/v)

Fentanyl: - ; 0.025;

7 5-92 N orfentanyl: - ; 0.05;

4 0-49

[23]

Rem ifentanyl I. S.:

rem ifentanyl-d 4

Blood

LLE:

P hosphate buffer (0.1 M, pH = 7.4) dichlorom ethane

LC-MS/MS C IS column, Pecophere,

P erkin-E lm er (33 x 4.6)

ACN, chloroform (1:1, v/v) contain­

ing am m onium acetate (2 mmol/1) - ; 0.1; 76 [4]

S ufentanyl

I. S.: F entanyl P lasm a SPE: CIS, 200 mg, B aker

LC/MS/MS (API) Supelcosil LC-C18-DB column

(300 x 1; 5)

ACN, w ater (80:20, v/v) containing

0.2% TFA - ; 0.3; 98.9 [31]

I. S. - in te rn a l stan d ard ; LLE - liquid-liquid extraction; SPE - solid phase extraction; LOD - lim it of detection; LOQ - lim it of quantification; Rec. - re ­ covery; TEA - triethylam ine; TFA - trifluoroacetic acid; ACN - acetonitrile; MeOH - m ethanol; RP - reverse phase.

GC colum n size: (length [m] x in te rn a l diam eter [mm]; film thickness [pm]).

HPLC colum n size: (length [mm] x in te rn a l d iam eter [mm]; particle size [pm]).

Fentanyl and its analogues in the forensic... 133

134 A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

REVIEW OF METHODS OF DETERM INATION OF FENTANYL AND ITS ANALOGUES IN BIOLOGICAL MATERIAL

As m entioned before, fentanyl an d some of its analogues are commonly used in anaesthesiology. U nfortunately, fentanyls are also abused as in te r­

changeable or su b stitu te agents, especially for heroin. These substances can be as m uch as several dozen tim es more potent th a n heroin. Fentanyls, which are sold on th e narcotics m ark e t as heroin, can be th e cause of d e a th of persons tak in g narcotics. F en tan y ls abuse and th e ir illegal sale have con­

trib u te d to developm ent of various m ethods for determ ination of these su b ­ stances.

Among the m ost frequently applied m ethods for q u a n tita tiv e analysis of fentanyls are: enzym e-linked im m unosorbent assay (ELISA) [35], rad io­

im m unoassay (RIA) [1, 17, 43], radioreceptor assay (RRA) [1], chemi- lum inescence enzyme im m unoassay [8], non-radioactive enzyme im m uno­

assays (EIAs) [21], gas chrom atography [1, 6, 7, 10, 13, 22, 30, 34, 36, 38, 39, 42, 43] an d liquid chrom atography [4, 11, 14, 19, 23, 24, 26, 27, 31, 33].

F en tan y ls occur in biological m aterial a t very low concentrations, not higher th a n several n anogram s p er m illilitre or per gram . M ost compounds p resen t in biological m aterial a t such low concentrations can not be detected by m eans of routinely used screening procedures. Therefore, analysis aim ed a t th is group of compounds is needed. Table III provides a sum m ary of m eth ­ ods of determ ining fentanyl an d its analogues.

SUMMARY

F entan yl and its analogues are commonly know n as synthetic opiates.

These com pounds have very powerful and rapid analgesic onset. Some com­

pounds from th e fentanyl group are used as anaesthetics. U nfortunately, fentanyls are increasingly frequently abused as stre e t drugs, especially as a heroin substitute.

D eterm inatio n of fentanyl and its analogues in body fluids a nd tissu es is very im p o rta n t for clinical an d forensic toxicology purposes. D iscussion of th e pharm acology an d toxicology of know n fentanyl analogues m ay be h elp ­ ful in th e study of properties and detection of new fentanyl-related com­

pounds.

Fentanyl a n d its analogues in the forensic 135

R e fe re n c e s :

1. A l b u r g e s M. E . , H a n s o n G. R. , G i b b J . W. [et al.], F entanyl receptor assay. II. U tilization of a radioreceptor assay for th e analysis of fentanyl a n a ­ logues in urine, Jou rn a l o f A nalytical Toxicology 1992, vol. 16, pp. 36-41.

2. A n d e r s o n D. T. , M u t o J . J ., D uragesic® T ransderm alP atch: postm ortem tissu e distribution of fentanyl in 25 cases, Jo u rn a l o f A nalytical Toxicology 2000, vol. 24, pp. 627-634.

3. B a s e l t R. C., D isposition of toxic drugs and chem icals in m an, Biomedical P ublications, Foster City 2002.

4. B e n d e r J . , v a n d e n E l s h o u t J . , S e l i n g e r K. [etal.], D eterm ination of rem ifentanyl in h u m an h eparinised whole blood by tan d em m ass spectrom etry w ith short-colum n separation, Jo u rn a l o f P harm aceutical a n d Biom edical A nalysis 1999, vol. 21, pp. 559-567.

5. B i - Y i C . , W e n - Q i a o J . , J i e C . [ e t al.], Analgesic activity and selectivity of isothiocyanate derivatives of fentanyl analogs for opioid receptors, Life S ci­

ences 1999, vol. 65, pp. 1589-1595.

6. B j o r k s t e n A. R. , C h a n C. , C r a n k s h a w D. P ., D eterm ination of rem i­

fentanyl in hu m an blood by capillary gas chrom atography w ith nitrogen-selec­

tive detection, Jo u rn a l o f Chromatography B 2002, vol. 775, pp. 97-101.

7. C h o i H. S. , S h i n H. C. , K h a n g G. [et al.], Q u an titativ e analysis of fentanyl in r a t plasm a by gas chrom atography w ith nitrogen-phosphorus de­

tection, Jo u rn a l o f Chromatography B 2001, vol. 765, pp. 63-69.

8. D o t s i k a s Y. , L o u k a s L. Y. , S i a f a k a I., D eterm ination of um bilical cord and m a tern a l plasm a concentrations of fentanyl by using novel spectrophoto- m etric and chem ilum inescence enzyme im m unoassays, A nalytica Chimica A cta 2002, vol. 459, pp. 177-185.

9. E s p o s i t o F. M. , W i n e k C. L., The synthetic drug 3-m ethylfentanyl: id en ­ tification and q u a n titatio n of powdered sam ples, J o u rn a l o f Forensic Sciences 1991, vol. 36, pp. 86-92.

10. F r y i r s a B. , W o o d h o u s e A. , H u a n g J . L. [et al.], D eterm ination of subnanogram concentrations of fentanyl in plasm a by gas chrom atography- m ass spectrom etry: com parison w ith sta n d a rd radioim m unoassay, Journal o f Chromatography B 1997, vol. 688, pp. 79-85.

11. G a i l l a r d Y. , P é p i n G., Use of high-perform ance liquid chrom atography w ith photodiodearray UV detection for the creation of 600-compound library.

A pplication to forensic toxicology, Jo u rn a l o f Chromatography A 1997, vol. 763, pp. 149-163.

12. G i r o n R. , A b a l o R. , G o i c o e c h e a C. [et al.], S ynthesis and opioid activity of new fentanyl analogs, Life Sciences 2002, vol. 71, pp. 1023-1034.

13. G u i t t o n J . , D é s a g e M. , A l a m e r c e r y S. [et al.], Gas chrom atographic- m ass spectrom etry an d gas chrom atographic-F ourier transform in frared spec­

troscopy assay for the sim ultaneous identification of fentanyl m etabolites, Jo u rn a l o f Chromatography B 1997, vol. 59, pp. 59-70.

14. H a i d a r S. H . , L i a n g Z. , S e l i n g e r K. [et al.], D eterm ination of remi- fentanyl, an u ltra-sh o rt-actin g opioid anesthetic, in r a t blood by high perfor-

136 A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

mance liquid chrom atography w ith ultraviolet detection, Journal o f Pharm aceu­

tical a n d B iom edical A nalysis 1996, vol. 14, pp. 1727-1732.

15. H e n d e r s o n G. L., D esigner drugs: p a st history and fu tu re prospects, Jo u r­

n a l o f Forensic Sciences 1988, vol. 33, pp. 569-575.

16. H e n d e r s o n G. L., Fentanyl-related deaths: demographics, circumstances, and toxicology of 112 cases, Jo u rn a l o f Forensic Sciences 1991, vol. 36, pp. 422-433.

17. H e n d e r s o n G. L. , H a r k e y M. R. , J o n e s A. D ., R apid screening of fentanyl (China W hite) powder sam ples by Solid-Phase Radioim m unoassay, Jo u rn a l o f A nalytical Toxicology 1990, vol. 14, pp. 172-175.

18. J a g e r o v i c N. , C a n o C. , E l g u e r o J . [et al.], Long-acting fentanyl a n a ­ logues: synthesis an d pharm acology of N-(1-Phenylpyrazolyl)-N-(1-phenyl- alkyl-4-piperidyl)propan-am ides, Bioorganic & M edicinal Chem istry Letters 2002, vol. 10, pp. 817-827.

19. K a b b a j M. , V a r i n F ., Sim ultaneous solid-phase extraction combined w ith liquid chrom atography w ith u ltraviolet absorbance detection for the d eterm i­

natio n of rem ifentanyl and its m etabolite in dog plasm a, Jo u rn a l o f Chrom a­

tography B 2003, vol. 783, pp. 103-111.

20. K a r c h S ., K arch’s pathology of drug abuse, CRC P ress, New York 2002.

21. K ä f e r s t e i n H . , S t i c h t G., Com parison of nonradioactive m icrotiter plate enzyme im m unoassays for the sensitive detection of fentanyl, Forensic Science International 2000, vol. 113, pp. 353-357.

22. K i n g s b u r y D. P . , M a k o w s k i G. S. , S t o n e J . A ., Q u an titativ e analysis of fentanyl in p h arm aceutical p rep aratio n s by Gas Chrom atography-M ass Spectrom etry, Jo u rn a l o f A nalytical Toxicology 1995, vol. 19, pp. 27-30.

23. K o c h D. E . , I s a z a R. , C a r p e n t e r J . W. [et al.], S im ultaneous extraction and q u an tita tio n of fentanyl an d norfentanyl from plasm a w ith LC/MS de­

tection, Jo u rn a l o f P harm aceutical a n d B iom edical A nalysis 2004, vol. 34, pp. 577-584.

24. K o v e s E. M. , Use of high-perform ance liquid chrom atography-diode array detection in forensic toxicology, Jou rn a l o f Chromatography A 1995, vol. 692, pp. 103-119.

25. K r o n s t r a n d R. , D r u i d H . , H o l m g r e n P. [etal.], A clu ster of fentanyl-re- la ted d eath s am ong drug addicts in Sweden, Forensic Science International 1997, vol. 88, pp. 185-195.

26. K u m a r K. , B a l l a n t y n e J . A. , B a k e r A. B . , A sensitive assay for sim u l­

taneous m easu rem en t of alfentanyl and fentanyl in plasm a, Jo u rn a l o f P har­

m aceutical a n d B iom edical A nalysis 1996, vol. 14, pp. 667-673.

27. M a r t e n s - L o b e n h o f f e r J ., Very sensitive and specific d eterm ination of sufentanyl in h u m an serum applying liquid chrom atography-tw o stage m ass spectrom etry, Jo u rn a l o f Chromatography B 2002, vol. 769, pp. 227-233.

28. M a r t í n e z R. , R u b i o M. F . , A l f a r o L. J . [etal.], C onfirm ationalanalysis of analogues of fentanyl: theoretical approach. Possible influence of the anom eric effect on its biological activity, Journal o f M olecular Structure (Theochem) 1995, vol. 342, pp. 141-146.

Fentanyl a n d its analogues in the forensic 137

29. M i c o v i c I. V. , I v a n o v i c M. D . , V u c k o v i c S. M. [et al.], The synthesis and prelim in ary pharm acological evaluation of 4-m ethyl fentanyl, Bioorganic

& M edicinal Chem istry Letters 2000, vol. 10, pp. 2011-2014.

30. O h t a H. , S u z u k i S. , O g a s a w a r a K ., S tudies on fentanyl an d related compounds. IV. C hrom atographic and spectrom etric discrim ination of fentanyl and its derivatives, Jo u rn a l o f A n alytical Toxicology 1999, vol. 23, pp. 280-285.

31. P a l l e s c h i L. , L u c e n t i n i L. , F e r r e t t i E. [et al.], Q u an titativ e d eterm i­

n atio n of sufentanyl in h u m an plasm a by liquid chrom atography-tandem m ass spectrom etry, J o u rn a l o f Pharm aceutical a n d B iom edical A nalysis 2003, vol. 32, pp. 329-336.

32. P o d l e w s k i J . K. , C h w a l i b o g o w s k a - P o d l e w s k a A ., Leki w spółczes­

nej terapii, W ydawnictwa Fundacji B uchnera, W arszaw a 2001.

33. P o r t i e r E. J . G. , d e B l o k K. , B u t t e r J . J . [et al.], Sim ultaneous d e te r­

m ination of fentanyl and m idazolam using high-perform ance liquid chrom a­

tography w ith u ltraviolet detection, Jou rn a l o f Chromatography B 1999, vol. 723, pp. 313-318.

34. R o s s i S. S. , D y c k J . B. , Y a k s h T. L., Sim ultaneous extraction of sufentanyl and m idazolam from h u m a n plasm a, Clinica Chimica A cta 1996, vol. 244, pp. 103-110.

35. R u a n g y u t t i k a r n W. , L a w M. Y. , R o l l i n s D. E. [et al.], D etection of fentanyl an d its analogs by Enzym e-Linked Im m unosorbent Assay, Journal o f A nalytical Toxicology 1990, vol. 14, pp. 160-164.

36. S e l a v k a C. M. , M a s o n A. P . , R i k e r C. D. [et al.], D eterm ination of fentanyl in hair: th e case of the crooked crim inalist, Jo u rn a l o f Forensic S ci­

ences 1995, vol. 40, pp. 681-685.

37. S m i a l e k J . E . , L e v i n e B. , C h i n L. [et al.], A fentanyl epidemic in M ary­

lan d 1992, Jo u rn a l o f Forensic Sciences 1994, vol. 39, pp. 159-164.

38. S o r i a n o C. , M u ń o z - G u e r r a J . , C a r r e r a s D. [et al.], A utom ated an aly ­ sis of drugs in urine, Jo u rn a l o f Chromatography B 1996, vol. 687, pp. 183-187.

39. S z e i t z A . , R i g g s K. W. , H a r v e y - C l a r k C., Sensitive and selective assay for fentanyl using gas chrom atography w ith m ass selective detection, Journal o f Chromatography B 1996, vol. 675, pp. 33-42.

40. S z u k a l s k i B ., N arkotyki zmodyfikowane. Część II. Związki o działaniu opiatopodobnym, Problemy K rym inalistyki 2004, n r 244, s. 5-11.

41. V a l t e r K. , A r r i z a b a l a g a P ., D esigner drugs directory, Elsevier, New York 1998.

42. V a n N i m m e n N. F. J . , P o e l s K. L. C. , V e u l e m a n s H. A. F ., Highly sensitive gas chrom atographic-m ass spectrom etric screening m ethod for the d eterm ination of picogram levels of fentanyl, sufentanyl and alfentanyl and th e ir m ajor m etabolites in u rine of opioid exposed w orkers, Jo u rn a l o f Chrom a­

tography B 2004, vol. 804, pp. 375-387.

43. W a t t s V. W. , C a p l a n Y. H. , E valuation of th e Coat-A-Count 125I fentanyl RIA: com parison of 125I RIA and GC/MS-SIM for quantification of fentanyl in case u rin e specim ens, Jo u rn a l o f A nalytical Toxicology 1990, vol. 14, pp. 266-272.

138 A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

44. W i l l s S., D rugs of abuse, The P harm aceutical P ress, London 1997.

45. W i n e k C. L . , W a h b a W. W. , W i n e k J r . C. L. [etal.], D rug and chemical blood-level d a ta 2001, vol. 122, pp. 107-123.

46. w w w .dea.gov/concern/fentanyl.htm l

47. w ww.roche.pl/lekarze/publikacje/sedacja_d/11.htm l

FENTANYL I JEGO POCHODNE W LABORATORIUM TOKSYKOLOGICZNYM. PROBLEMY MEDYCZNE I ANALITYCZNE

A

S

M

K

A

P

WSTĘP

F entanyl i jego pochodne s ą nazyw ane potocznie syntetycznym i opiatam i. W ięk­

szość z tych substancji w ykazuje bardzo silne działanie przeciwbólowe. Niektóre związki z grupy fentanyli sąstosow ane jako środki znieczulające, szczególnie w a n e s­

tezjologii. N iestety byw ają one coraz częściej nadużyw ane jako substancje odu­

rzające, zwłaszcza w S tanach Zjednoczonych.

F entanyl po raz pierw szy zsyntetyzowano w Belgii pod koniec la t 50. dw udzieste­

go wieku. W latach 60. zaczęto go stosować w medycynie jako dożylny środek znieczu­

lający o właściwościach przeciwbólowych 75—125 razy silniejszych niż morfina.

S tru k tu ra chem iczna fentanylu pozwala na otrzym yw anie jego licznych pochodnych w ykazujących również silne właściwości przeciwbólowe [12, 18, 28, 29]. Spośród ok.

1400 pochodnych fentanylu, ponad 200 związków opisano w piśm iennictw ie [5, 41].

N atom iast tylko dla k ilku z nich zbadano i opisano efekty działania n a organizm człowieka.

W niniejszej pracy zastosowano jednolite zwyczajowe nazw y fentanylu i jego po­

chodnych. W piśm iennictw ie często sufiks w nazw ach zwyczajowych pisany je st przez -yl lub -il.

POZAMEDYCZNE STOSOWANIE FENTANYLU I JE G O POCHODNYCH

Ze względu n a wywoływane efekty działania, fentanyl i jego pochodne s ą zw iąz­

kam i budzącym i duże zainteresow anie, a zatem bardzo „atrakcyjnym i” n a rynku narkotykow ym . Pierw sze w zm ianki o nielegalnym użyciu fentanyli w środowisku medycznym (ze względu n a łatw y dostęp) pojawiły się w połowie la t 70. Liczne po­

chodne fentanylu często sprzedaw ane s ą pod n a zw ą syntetyczna heroina lub C hina W hite. Jako C hina W hite w ystęp u ją m.in. następujące analogi fentanylu: a-m etyl- fentanyl (po raz pierw szy jego nielegalny obrót odnotowano w roku 1979), parafluo- rofentanyl (1981), benzylfentanyl (1981), acetyl-a-m etylfentanyl (1983), akryl-a- m etylfentanyl (1983), 3-m etylfentanyl (1983) oraz thienylfentanyl (1985) [9,15, 41].

W edlug b ad a ń farm aceutycznej firm y Ja n sse n izom er cis-m etylfentanylu działa ok. 6000 razy silniej przeciwbólowo, n ato m iast izom er tra n s ok. 500 razy silniej niż m orfina. F entanyle rozprow adzane n a ry n k u narkotykow ym s ą rozcieńczane du żą ilościąlaktozy lub m annitolu, ta k więc zaw artość aktyw nych składników je st bardzo niska, zazwyczaj m niejsza niż 1%. Próbki proszku m ogą mieć barw ę b ia łą (takie najczęściej sprzedaw ane są p o d n azw ą P ersia n W hite), jasnobrązow ą (C hina W hite, synthetic heroin oraz fentanyl) lub ciem nobrązow ą (Mexican Brown) [15]. S ub­

stancje te sązw ykle w strzykiw ane, ale palenie lub wciąganie przez nos staje się coraz

140 A. Skulska, M. Kała, A. Parczewski

bardziej powszechne. Objawy działania fentanyli s ą nieodróżnialne od efektów wywoływanych przez „uliczną” heroinę w ciąg an ąp rzez nos. Wciągnięcie 0,5 mg fen- tan y lu wywołuje podobne euforyzujące działanie, ja k 20 mg heroiny. Różnica po­

między fentanylam i a h e ro in ą polega n a tym , że fentanyle m ogą wykazywać naw et 100 razy silniejsze działanie niż heroina. Je d n a k ich czas trw a n ia działania jest krótki — zazwyczaj wynosi od 30 do 90 m inut, czyli jest znacznie krótszy niż heroiny (ok. 4 h) [20, 44, 46].

Szacunkowo dożylna śm ierteln a daw ka fentanylu wynosi 2 mg, p-fluorofentany- lu 250 ąg, a-m etylofentanylu 125 ąg, a 3-m etylofentanylu około 20 ąg [40].

Do najbardziej niebezpiecznych efektów działania fentanyli należy wywoływanie nagłej depresji oddechowej, a naw et śmierci. Siła i czas trw a n ia depresji oddechowej zależy od rodzaju i daw ki spożytego fentanylu. W niektórych przypadkach zgon n a s ­ tępuje ta k szybko, że zażywającego często znajduje się z ig łą w miejscu w kłucia (in situ) [16, 44]. Opisy nagłych zgonów zw iązanych z przedaw kow aniem fentanyli w skazują, że ofiary były młode (w granicach od 18 do 50 lat, średni wiek ok. 30 lat), a do zejścia śm iertelnego dochodziło w domu (zazwyczaj w sypialni lub łazience) [15, 25].

W edług różnych źródeł, stężenia fentanylu wyznaczane we krw i sekcyjnej w a h a ­ ły się w granicach 2—100 ng/m l przy średnim stężeniu wynoszącym 18 ng/m l [37], ale notowano także bardzo niskie stężenia mieszczące się w granicach od 0,2 do 50 ng/ml;

wówczas średnie stężenie wynosiło 3 ng/m l krw i [16]. Ponadto u siedm iu dorosłych, którzy zm arli po dożylnej iniekcji fentanylu w celach pozamedycznych, stężenia tego zw iązku w m ateriale sekcyjnym wynosiły: krew — 3,0—28 (średnia 8,3) ng/ml; mózg — 9,2-30 (20) ng/g; w ątroba - 5,9-78 (37) ng/g; n e rk a - 6,1-42 (18) ng/g i mocz - 5,0-93 (28) ng/m l [3].

W Stanach Zjednoczonych fentanyl i jego analogi zostały zaliczone do grupy II sub­

stancji kontrolowanych. W Polsce ustaw a z dnia 24 kw ietnia 1997 r. o przeciwdziałaniu narkom anii zalicza fentanyl oraz jego analogi do grupy I-N środków odurzających.

LECZNICZE ZASTOSOWANIE FENTANYLU I JEG O POCHODNYCH

Rozwój syntezy opioidowych leków przeciwbólowych, tj. fentanylu, sufentanylu, alfentanylu i rem ifentanylu (tabela I) był ważnym krokiem w postępow aniu a n e ste ­ zjologicznym. Substancje te podane dożylnie zaczynają działać szybko, już po 30-50 s, i to z d u ż ą s iłą działania przeciwbólowego. Czas działania fentanyli je st relatyw nie krótki z powodu szybkiej redystrybucji leku do tk anek. Substancje te w ykazujątakże słabe działanie uspokajające. Do najbardziej istotnych efektów działania niepożąda­

nego należy m.in. depresja oddechowa, prow adząca do bezdechu, k tó ra je st zależna od przyjętej dawki. M ogą także występować zesztyw nienie m ięśni, zaw roty głowy, senność, nudności i wymioty. Po podaniu fentanyli konieczne je st m onitorowanie czynności oddechowej oraz uk ład u krążenia, czyli ciśnienia tętniczego krwi. Ogólną ch arak tery sty k ę fentanyli przedstaw iono w tabeli II [32, 45, 47].

FENTANYL

F entanyl wprowadzono do stosow ania klinicznego w 1963 roku jako dodatek do operacyjnych m ieszanin znieczulających i łagodzenia bólu pooperacyjnego.

Fentanyl i jego pochodne w laboratorium 141

F entanyl podany dożylnie zaczyna działać już po 30 s. Jego silniejsze i szybsze działanie przeciwbólowe niż morfiny je st wynikiem lepszej rozpuszczalności w lipi­

dach i łatwiejszego p rzen ik an ia przez b arierę krew-mózg. N atom iast kró tk i okres działania pojedynczej daw ki je st spowodowany szybką dystrybucją do mięśni, tk an k i tłuszczowej oraz płuc. P ow tarzanie daw ek lub ciągły wlew prowadzi do stopniowego wysycenia tk an ek , co powoduje, że stężenie w osoczu nie maleje raptow nie. B adania wykazały istnienie dobrej korelacji pomiędzy działaniem farm akologicznym a stęże­

niem fentanylu w osoczu. I ta k analgezja pooperacyjna w ystępuje przy stężeniu 0,63 ±0,25 ng/ml, depresja oddechowa - 1-5 ng/ml, zm iany w EEG - 6,9 ±1,5 ng/ml, u tr a ta przytom ności — 34 ±7 ng/ml, blokowanie odpowiedzi u k ład u k rążen ia n a in tu ­ bację - 102 ± 50 ng/m l [2, 32].

F entanyl w osoczu wiąże się w 84% z białkam i. U lega on intensyw nem u m etabo­

lizmowi w wątrobie, a w ydalany je st z żółcią i moczem w postaci nieczynnych m etabo­

litów (np. norfentanyl). Po 72 h 85% podanej daw ki pojawia się w moczu i kale w pos­

taci nieaktyw nych metabolitów, a tylko 8% je st w ydalane z moczem w postaci n ie ­ zmienionej [32].

POCHODNE FENTANYLU

Sufentanyl je st silnie działającym lekiem opioidowym. Bardzo dobrze rozpuszcza się w lipidach, co powoduje po podaniu szybką dystrybucję do tkanek. D ziała prze- ciwbólowo 5-10-krotnie silniej niż fentanyl i 500-1000-krotnie silniej niż morfina.

Efekty jego działania w ystępują szybciej niż po podaniu fentanylu, ale praw dopo­

dobnie trw a ją krócej [32].

A lfentanyl je st stosowany dożylnie podczas w prow adzania do znieczulenia ogól­

nego i jako składnik m ieszaniny leków stosowanych w tym celu. W kardioanestezji podaw any je st w dużych daw kach i wówczas stanow i on jedyny środek znieczulający [32]. C harakteryzuje się bardzo szybkim wywołaniem i krótkim czasem trw an ia działania przeciwbólowego (3-krotnie krótszym niż fentanylu). D ziała przeciwbólo- wo 40-krotnie silniej niż morfina. A lfentanyl może wywoływać s iln ą depresję odde­

chową, k tó ra w ystępuje przy jego stężeniu w surowicy wyższym niż 100-200 ng/ml oraz śpiączkę [3].

Sufentanyl i alfentanyl zsyntetyzowano w połowie la t 70. dwudziestego wieku.

Obecnie s ą one powszechnie stosowane jako substancje zapew niające znieczulenie.

Od 1993 roku rem ifentanyl stosuje się jako pomocniczy lek przeciwbólowy i jako jeden ze składowych środków podaw anych w celu w prow adzenia do znieczulenia ogólnego [3]. Okres półtrw ania rem ifentanylu podawanego w daw kach te rap eu ty cz­

nych wynosi 3-10 min, a aktyw ność opioidowa ustępuje w ciągu 5-10 m in od zakoń­

czenia podaw ania. R em ifentanyl je st przeznaczony wyłącznie do stosow ania dożyl­

nego. M usi być podaw any w ciągłym wlewie za pom ocą w ykalibrowanej pompy infu- zyjnej [32].

W organizm ie człowieka sufentanyl, alfentanyl oraz rem ifentanyl sąintensyw nie metabolizowane i tylko parę procent podanej daw ki pierw otnej je st elim inowane z moczem w postaci niezm ienionej. M etabolity pochodnych fentanylu (norsufenta- nyl, noralfentanyl) prawdopodobnie nie p osiadają aktywności farmakologicznej.

142 A. Skulska, M. Kala, A. Parczewski

PRZEGLĄD METOD STOSOWANYCH DO OZNACZANIA FENTANYLU I JEGO POCHODNYCH W MATERIALE BIOLOGICZNYM

J a k wcześniej wspom niano, fentanyl i jego niektóre pochodne sąpow szechnie sto ­ sowane w anestezjologii. N iestety, fentanyl i jego analogi s ą także nadużyw ane w ce­

lach pozamedycznych jako środki zam ienne lub zastępcze, szczególnie heroiny.

Związki te m ogą działać naw et kilkadziesiąt razy silniej niż heroina. Fentanyle, sprzedaw ane n a ry n k u narkotykow ym jako heroina, m ogą być przyczyną zgonów osób zażywających narkotyki. N adużyw anie fentanyli oraz pojawienie się ich w n ie ­ legalnym obrocie przyczyniły się do rozwoju różnych metod do oznaczania tych su b ­ stancji. Do najczęściej stosowanych metod analizy ilościowej fentanyli n a le ż ą m.in.

metody im m unoenzym atyczne (ELISA) [35], radioim m unologiczne (RIA) [1, 17, 43], radioreceptorow e (RRA) [1], enzym atycznochem ilum inescencyjne [8], nieradioim - m unoenzym atyczne (EIAs) [21], a także chrom atografia gazowa [1, 6, 7, 10, 13, 22, 30, 34, 36, 38, 39,42, 43] i chrom atografia cieczowa [4,11,14,19,24, 23,26,27, 31, 33].

F entanyle w ystępująw m ateriale biologicznym w niskich stężeniach rzędu nano- gramów n a m ililitr lub gram . Większość związków obecnych w m ateriale biologicz­

nym w ta k niskich stężeniach nie je st w ykryw ana za pom ocą rutynow o stosowanych metod przesiewowych. Konieczne je st zatem stosow anie analizy celowanej n a tę g ru ­ pę związków. Większość z opracowanych dotychczas procedur oznaczania fentanyli opiera się n a technikach chrom atograficznych. W tabeli III zestawiono metody oz­

naczania fentanylu i jego pochodnych.

PODSUMOWANIE

F entanyl i jego pochodne s ą potocznie nazyw ane syntetycznym i opiatam i. Związ­

ki te ch a ra k tery zu ją się bardzo silnym i szybkim czasem w ystąpienia działania p rze­

ciwbólowego. Stosowane s ą jako środki znieczulające, szczególnie w anestezjologii.

N iestety byw ają one coraz częściej nadużyw ane jako środki odurzające, szczególnie jako su b sty tu ty heroiny. Oznaczanie fentanylu i jego analogów w płynach ustrojo­

wych i tk an k ach je st w ażnym zagadnieniem zarówno dla potrzeb toksykologii k li­

nicznej, ja k i sądowej. Omówienie farm akologii i toksykologii znanych już analogów fentanylu może być pomocne w b ad an iu właściwości i identyfikacji nowych pochod­

nych fentanylu.