Development of a SERS technique for therapeutic drug monitoring : case study on Perampanel

In my master thesis, I used Au, Ag, and AuAg alloy substrates produced from colloidal suspensions and PLAL (Pulsed laser ablation in liquid) as SERS sensors for Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of the Anti-Epileptic Drug (AED) Perampanel (PER), the Active Pharmaceutical Ingredient (API) of the drug available as Fycompa, nowadays important in the treatment of epilepsy. The relevance of this study is related with the possibility to offer complementary spectroscopic techniques for TDM of Perampanel, which nowadays employs more expensive and time consuming analytical methods. In the first part of my thesis, Perampanel was characterized. The UV-Vis, Raman and SERS spectra of the drug were collected, and a qualitative vibrational analysis was performed. In the second part of my thesis, I systematically analyzed the different experimental conditions that produce differences in the SERS spectra and I optimized the procedure of sensing Perampanel using SERS. Preparation of the solution, acid species employed, pH, and Raman setup conditions were carefully addressed. Moreover, two types of Au and Ag metallic nanostructures were tested: The more traditional nanoparticles (NPs) produced by chemical methods and the more recently introduced nanostructures produced by Enza Fazio (Università di Messina), through Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL). Therefore, it was possible to setup a procedure for optimal SERS analysis of Perampanel, which could be extended to many other drugs with similar chemical properties (pKb) and other families of drugs as well. The results here presented are very promising and will be further investigated to extend their applicability. This is important because in a clinical environment is crucial to have a standardized procedure for the preparation of the samples and have quantitative and reliable results. Finally, a new setup for SERS analysis which makes use of a spinning cell was tested, to decrease analyte photodamaging and provide a more repeatable measurements. The results here presented pave the way for enstablishing a standard procedure for SERS in quality control of drug formulations and Therapeutic Drug Monitoring.

Nella mia tesi di laurea, ho usato substrati di Ag, Au e leghe di Ag e Au prodotti da sospensioni colloidali e tramite PLAL (Ablazione Laser Pulsato in Liquido) come sensori SERS per applicazioni di monitoraggio terapeutico di farmaci (TDM) sul farmaco antiepilettico Perampanel (PER), il principio attivo del farmaco disponibile sotto il nome di Fycompa, oggigiorno importante nel trattamento dell'epilessia. La rilevanza di questo studio consiste nella possibilità di offrire tecniche spettroscopiche complementari per il monitoraggio terapeutico del perampanel, che attualmente viene eseguito con tecnice più costose e che richiedono un tempo considerevole. Nella prima parte della tesi il perampanel è stato caratterizzato. Spettri UV-Vis, Raman e SERS del farmaco sono stati misurati, e un'analisi qualitativa dei modi vibrazionali è stata effettuata. Nella seconda parte della tesi, ho sistematicamente analizzato le differenti condizioni sperimentali che condizionano gli spettri SERS e ho ottimizzato la procedura per il rilevamento del perampanel tramite SERS. Preparazione della soluzione, specie acide, pH e condizioni del setup Raman sono state analizzate con meticolosità. In aggiunta due tipi di nanostrutture metalliche di Au e Ag sono state testate: Le più tradizionali nanoparticelle prodotte per metodi chimici e le più recenti nanostrutture prodotte da E. Fazio dell'università di Messina tramite PLAL. Quindi è stato possibile sviluppare una procedura per un'ottimale nalisi SERS del perampanel, che può essere estesa a molti altri farmaci con proprietà chimiche similari (pKb) e altre famiglie di farmaci. I risultati qui presentati sono molto promettenti e una futura investigazione sarà portata avanti per estendere la loro applicabilità. Questo è importante per via del fatto che in un ambiete clinico è fondamentale avere una procedura ottimizzata per la preparazione dei campioni e avere misure quantitative e affidabili. Infine un nuovo setu per l'analisi SERS facente uso di una spinning cell è stato testato, per diminuite il fotodanneggiamento del farmaco e poter effettuare misure ripetibili con più affidabilità. I risultati qui presentati spianano la strada per una procedura standard per l'analisi SERS volta al controllo della qualità delle formulazioni farmaceutiche e al monitoraggio terapeutico di farmaci.