SERS of the new antiepileptic drug cenobamate using gold nanoparticles

Therapeutic Drug Monitoring (TDM) is a clinical practice commonly adopted to monitor the concentration of drugs in human plasma during a pharmacological treatment. This tool is fundamental especially when dealing with narrow therapeutic index drugs, such as antiepileptics. Cenobamate (CNB) is a recently approved antiepileptic drug (AED) often used in combination with other AEDs and it has shown optimal performance in reducing focal onset seizures in adult patients. This thesis is in collaboration with “Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta” in Milan, which has developed a reliable method for CNB quantification using High Performance Liquid Chromatography (HPLC) coupled with mass spectrometry. This study explores the potential of SERS as a complementary technique to HPLC for CNB quantification. Gold nanoparticles, synthesized using the Turkevich method, were employed to create SERS sensors and characterized through UV-Vis spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM), showing an average diameter of 30 nm. An optimized protocol was developed to obtain the first SERS spectrum of CNB using gold colloids. This approach involved a premixing technique, where 200 µL of CNB solution diluted in water was mixed with 50 µL of gold nanoparticles. SERS measurements were performed on the samples and four distinct peaks attributable to Cenobamate were identified at 424, 1017, 1037, and 1207 cm⁻¹, representing the fingerprint of the molecule. CNB was successfully detected in the SERS spectra down to a concentration of 10⁻⁶ M. Gold colloid-based substrates suffer from limited uniformity, which can impact measurement reproducibility. To address this problem, substrates produced at the “CNR - Instituto per i Processi Chimico-Fisici” in Messina using the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique were used for better uniformity and reliability. In the future, the research will focus on testing this optimized method on plasma samples and comparing it with the HPLC method to improve TDM for epilepsy patients, offering a less invasive, cost-effective alternative for monitoring antiepileptic drugs in blood.

Il monitoraggio terapeutico dei farmaci (TDM) è una pratica clinica comunemente adottata per monitorare la concentrazione di farmaci nel plasma durante un trattamento farmacologico, essenziale per farmaci con indice terapeutico ristretto, come gli antiepilettici. Il Cenobamate (CNB) è un farmaco antiepilettico recentemente approvato e spesso utilizzato in combinazione con altri antiepilettici, che ha dimostrato efficacia nel ridurre le crisi focali negli adulti. Questa tesi è stata svolta in collaborazione con la “Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta” di Milano, che ha sviluppato un metodo affidabile per la quantificazione di CNB tramite cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) accoppiata alla spettrometria di massa. Questo studio esplora il potenziale della tecnica SERS come metodo complementare a HPLC per la quantificazione del Cenobamate. Nanoparticelle d’oro, sintetizzate tramite il metodo Turkevich, sono state impiegate per creare sensori SERS e caratterizzate tramite spettroscopia UV-Vis e microscopia elettronica a scansione (SEM), mostrando un diametro medio di 30 nm. È stato sviluppato un protocollo ottimizzato per ottenere il primo spettro SERS di CNB utilizzando colloidi d’oro, in cui 200 µL di soluzione di CNB diluita in acqua sono stati miscelati con 50 µL di colloidi di oro. Le misure SERS sui campioni hanno evidenziato quattro picchi attribuibili al Cenobamate: a 424, 1017, 1037 e 1207 cm⁻¹, rilevando la molecola fino a una concentrazione di 10⁻⁶ M. I substrati a base di colloidi d’oro soffrono di una scarsa uniformità, che può influire sulla riproducibilità delle misure. Per ovviare questo problema, sono stati utilizzati substrati prodotti presso il "CNR - Istituto per i Processi Chimico-Fisici" di Messina, mediante la tecnica di deposizione laser pulsata (PLD), garantendo così una migliore uniformità e affidabilità. In futuro, la ricerca sarà dedicata alla validazione del metodo su campioni di plasma per ottimizzare il TDM nei pazienti affetti da epilessia, offrendo una soluzione meno invasiva e più economica per il monitoraggio dei farmaci antiepilettici nel sangue.