Development of a spectroscopic approach to antiepileptic drug sensing : a case study on Lacosamide and Levetiracetam

In my master thesis, I used Au substrates as SERS sensors for Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of two AntiEpileptic Drugs (AEDs), namely Lacosamide (LAC) and Levetiracetam (LEV), which are nowadays important in the treatment of epilepsy. The IR, Raman and SERS spectra of the two drugs were collected and a complete vibrational analysis was performed making use of the results from Density Functional Theory (DFT). A conformational analysis of LAC and LEV was also carried out to fully assess how the conformational freedom of both molecules may affect their Raman spectra. This point is relevant towards any analytical application of SERS of both drugs, because different experimental conditions may lead to different conformational equilibria, different adsorption geometries and, consequently, slightly different SERS spectra. In the second part of my thesis, I studied the differences between the antiepileptic brand drug Keppra and some of its generics. LEV is the Active Pharmaceutical Principle (API) of these drugs and differences on the patients’ outcomes were found in literature, depending on the brand vs. generic pharmaceutical treatment. A comparison among Keppra, EG-Levetiracetam, Mylan, Epitiram, Exitelev and Matever was carried out through morphological analysis (by stereomicroscopy) and FT-Raman spectroscopy. Measurable differences in the intensity of the Raman signal of LEV among the different tablets were found, which could be related to differences in the tablet densities and LEV content. This promising result paves the way for the possible application of Raman spectroscopy to quality control of drug formulations.

Nella mia tesi magistrale ho utilizzato substrati di oro come sensori SERS per il monitoraggio terapeutico di due farmaci antiepilettici, quali Lacosamide (LAC) e Levetiracetam (LEV), oggigiorno molto importanti nel trattamento dell’epilessia. Di questi sono stati acquisiti spettri IR, Raman e SERS ed è stata condotta una completa analisi vibrazionale, grazie all’uso dei risultati derivati dalla Teoria del Funzionale della Densità (DFT). Inoltre è stata svolta un’analisi conformazionale di LAC e LEV per studiare come la libertà conformazionale di entrambe le molecole influenzi i loro spettri Raman. Questo punto è infatti fondamentale verso qualsiasi applicazione analitica SERS per entrambi i farmaci, poiché diverse condizioni sperimentali possono portare a diversi equilibri conformazionali, diverse geometrie di adsorbimento e, di conseguenza, a diversi spettri. Nella seconda parte della mia tesi ho studiato le differenze tra il farmaco antiepilettico di marca Keppra ed alcuni dei suoi farmaci equivalenti. Il principio farmaceutico attivo (API) di tali farmaci è il LEV, ma in letteratura sono riportate diverse risposte, da parte dei pazienti, a questo tipo di trattamento se effettuato con il farmaco di marca o con quello equivalente. Pertanto è stato portato avanti un confronto tra Keppra ed gli equivalenti EG-Levetiracetam, Mylan, Epitiram, Exitelev e Matever attraverso un’analisi morfologica (con uno stereomicroscopio) e con spettroscopia FT-Raman, da cui sono emerse differenze misurabili nell’intensità del segnale Raman del LEV tra le diverse pastiglie. Tali discrepanze potrebbero essere legate alla differenza nelle densità delle pastiglie e nei contenuti di LEV, ed il risultato ottenuto è molto promettente per aprire la strada a possibili applicazioni della spettroscopia Raman per il controllo qualità nelle formulazioni di farmaci.