Development and Validation of Procedures for Determination of Elemental Toxicants in Herbal Substances and Herbal Medicinal Products

When the approach to quality control of herbal substances (HSs) and herbal medicinal products (HMPs) changed from determination of the total content of heavy metals by calorimetry to selective determination by spectrometric techniques, many manufacturers of such products failed to meet the new requirements in their registration dossiers. Test procedures submitted by manufacturers often need to be clarified, and validation protocols often lack data.The aim of the study was to provide recommendations to HS and HMP manufacturers on the choice of test methods, materials, reagents, methods of organic matrix mineralisation, and main validation parameters, as well as recommendations on validation of the procedure for elemental toxicants determination, and preparation of the “Heavy metals and arsenic” part of the regulatory submission.Materials and methods: the study included analysis and systematisation of scientific literature, requirements of the Russian and foreign pharmacopoeias, guidelines, manuals on instrumental methods of analysis, and first-hand experience in elemental analysis of various types of HSs and HMPs.Results: the authors formulated recommendations on the choice of sample mineralisation conditions for quantification of elemental impurities in biological products, and substantiated requirements for the reagents, materials, and equipment. The paper compares different methods of elemental analysis. It was demonstrated that the main mistakes made by manufacturers stem from disregard to the organic matrix effect on the measurement results and lack of agreement between the impurity concentration being determined and the range of the calibration curve used. The paper gives acceptance criteria for validation parameters of test procedures for heavy metals and arsenic determination in HSs and HMPs.Conclusions: it is not correct to use reference standards containing heavy metals as inorganic salts not bound to organic compounds, for HS and HMP analysis. The criteria given in the European Pharmacopoeia and the United State Pharmacopoeia can be used for a number of validation parameters, when they are not included in the Russian Pharmacopoeia

Determination of zinc content in insulin products by inductively coupled plasma mass spectrometry

Scientific relevance. Zinc content is a quality attribute of insulin products. The State Pharmacopoeia of the Russian Federation requires that it should be determined by flame atomic absorption spectrometry (FAAS). However, many pharmaceutical manufacturers currently prefer inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), which is considered the most promising method for pharmaceutical and biomedical elemental analysis.Aim. The study aimed to develop and validate an ICP-MS-based analytical procedure for zinc content determination in insulin products.Materials and methods. The study focused on human insulin, insulin lispro, insulin aspart, and insulin glargine in the form of active substances, suspensions for subcutaneous injection, and solutions for injection from different manufacturers. Zinc content was determined on an Agilent 7900 ICP-MS; the analysis included 66Zn signal intensity registration.Results. The study compared the results of zinc content determination in test samples with either hydrochloric or nitric acid used as the solvent for sample preparation. The authors selected the experimental conditions to achieve relative standard deviations (RSDs) of not more than 2.5% for the measurements. The ICP-MSbased analytical procedure was validated for its specificity, linearity, accuracy, and precision in the range of 0.4–1.6 mg/L. The authors compared the measurements of zinc content made using FAAS and ICP-MS.Conclusions. The ICP-MS-based analytical procedure for zinc content determination in insulin products meets the validation criteria. This analytical procedure, as developed and validated, may be used in the quality control of medicinal products in the Russian healthcare system and at the batch release stage of pharmaceutical manufacturing

Selective Quantification of Organic and Inorganic Arsenic in Kelp Thalli and Kelp-Based Products

Kelp can accumulate large quantities of arsenic compounds even in the absence of considerable environmental pollution. A substantial difference in toxicity between organic and inorganic arsenic compounds makes the form of arsenic relevant for the risk assessment of consuming kelp thalli and kelp-based products.The aim of the study was to develop an analytical procedure for the selective quantification of organic and inorganic arsenic in kelp thalli by inductively coupled plasma mass spectrometry and solid-phase extraction without scheduled precursors.Materials and methods. The authors studied samples of Laminaria saccharina and Laminaria japonica, spiking mixtures of chemical compounds containing arsenic in different oxidation states, and bioactive dietary supplements based on kelp thalli. Solid-phase extraction was performed using Maxi-Clean SAX cartridges. The arsenic content was determined using an Agilent 7900 inductively coupled plasma mass spectrometer.Results. Microwave-assisted extraction with deionised water ensures 91% recovery of arsenic-containing compounds from kelp thalli, and the addition of hydrogen peroxide to the extractant provides complete extraction. Solid-phase extraction with an eluent based on 3% H2O2 can extract the organic fraction from a mixture of organic and inorganic arsenic compounds without washing the inorganic fraction off the cartridge.Conclusions. The authors offer an effective analytical procedure for the selective quantification of organic and inorganic arsenic in kelp thalli and kelp-based products. This procedure allows for the isolation of arsenic-containing compounds from the organic matrix of kelp with 3% hydrogen peroxide. Solid-phase extraction with this extractant can effectively separate organic and inorganic fractions without prior neutralisation of the test solution

Особенности разработки и валидации методик определения элементных токсикантов в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах

When the approach to quality control of herbal substances (HSs) and herbal medicinal products (HMPs) changed from determination of the total content of heavy metals by calorimetry to selective determination by spectrometric techniques, many manufacturers of such products failed to meet the new requirements in their registration dossiers. Test procedures submitted by manufacturers often need to be clarified, and validation protocols often lack data.The aim of the study was to provide recommendations to HS and HMP manufacturers on the choice of test methods, materials, reagents, methods of organic matrix mineralisation, and main validation parameters, as well as recommendations on validation of the procedure for elemental toxicants determination, and preparation of the “Heavy metals and arsenic” part of the regulatory submission.Materials and methods: the study included analysis and systematisation of scientific literature, requirements of the Russian and foreign pharmacopoeias, guidelines, manuals on instrumental methods of analysis, and first-hand experience in elemental analysis of various types of HSs and HMPs.Results: the authors formulated recommendations on the choice of sample mineralisation conditions for quantification of elemental impurities in biological products, and substantiated requirements for the reagents, materials, and equipment. The paper compares different methods of elemental analysis. It was demonstrated that the main mistakes made by manufacturers stem from disregard to the organic matrix effect on the measurement results and lack of agreement between the impurity concentration being determined and the range of the calibration curve used. The paper gives acceptance criteria for validation parameters of test procedures for heavy metals and arsenic determination in HSs and HMPs.Conclusions: it is not correct to use reference standards containing heavy metals as inorganic salts not bound to organic compounds, for HS and HMP analysis. The criteria given in the European Pharmacopoeia and the United State Pharmacopoeia can be used for a number of validation parameters, when they are not included in the Russian Pharmacopoeia.Изменение подхода к контролю качества лекарственного растительного сырья (ЛРС) и лекарственных растительных препаратов (ЛРП) по содержанию тяжелых металлов с суммарного определения калориметрическим методом на селективный анализ спектральными методами привело к тому, что многие производители этого вида лекарственных средств не смогли учесть новые требования при составлении регистрационных досье. Представляемые на экспертизу методики нуждаются в уточнении, валидационные протоколы не содержат всех необходимых данных.Цель работы: предложить производителям ЛРС и ЛРП рекомендации по выбору методов анализа, материалов и реактивов, способов минерализации органической матрицы, основных валидационных параметров методики, а также по проведению валидации при определении элементных токсикантов и по оформлению раздела «Тяжелые металлы и мышьяк» в нормативной документации на лекарственные средства.Материалы и методы: исследование основано на анализе и обобщении данных научной литературы, требований российских и зарубежных фармакопей, методических рекомендаций и стандартов по инструментальным методам анализа, а также на собственном опыте проведения элементного анализа различных видов ЛРС и ЛРП.Результаты: представлены рекомендации по выбору условий минерализации пробы для количественного определения элементных примесей в биологических объектах, обоснованы требования к реактивам, используемым материалам и оборудованию. Проведен сравнительный анализ используемых методов элементного анализа. Показано, что основные ошибки производителей связаны с игнорированием влияния органической матрицы на результат измерения и отсутствием согласованности между определяемой концентрацией элементной примеси и используемым диапазоном калибровочной кривой. Приведены критерии приемлемости для валидационных параметров методик определения тяжелых металлов и мышьяка в ЛРС и ЛРП.Выводы: использование стандартных образцов, в которых тяжелые металлы находятся в виде неорганических солей и не связаны с органическими соединениями, для анализа ЛРС и ЛРП следует признать некорректным. Для ряда валидационных параметров при отсутствии в отечественной фармакопее критериев их приемлемости рекомендуется использовать критерии, указанные в Европейской фармакопее и Фармакопее США

Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов и мышьяка в различных лекарственных формах растительных препаратов российского фармацевтического рынка

The inclusion of requirements for independent determination of arsenic, cadmium, mercury, and lead, and the current sample preparation techniques into the State Pharmacopoeia of the Russian Federation (Ph. Rus.) requires the revision of the existing limits for elemental toxicants in herbal substances and herbal medicinal products produced from them.The aim of the study was to analyse the data on elemental toxicant content obtained during quality control of herbal substances (herbs, medicinal herb mixtures, extracts, and tinctures) using current test methods and sample preparation techniques, and to compare the obtained results with the Russian and foreign scientific and specialist literature.Materials and methods: the internal data on the content of critical heavy metals and arsenic in different dosage forms of herbal medicinal products, which were obtained by inductively coupled plasma mass spectrometry after sample preparation by decomposition in closed vessels, were compared with literature data. Results: it was demonstrated that the content of lead, cadmium, and mercury in all the test samples did not exceed the Ph. Rus. limits and was consistent with the analysed literature. The arsenic content in some herbal medicinal products was higher than the established Ph. Rus. limits, but complied with the less stringent Ph. Eur. and USP requirements for herbal substances. The authors investigated the link between the content of elemental toxicants and the place of collection and the part of the plant being tested. It was shown that different types of medicinal plants had a tendency to accumulate particular elements. The authors determined the content of the elements to be controlled in extracts and tinctures. The differences in the Russian and foreign requirements for the content of elemental toxicants may be attributed to the method of obtaining experimental data that form the basis for the setting of limits.Conclusions: the results of the study confirm the validity of the existing limits for elemental toxicants in herbal medicinal products. The authors demonstrated the need to revise the existing limits for arsenic in herbal medicinal products.Введение в Государственную фармакопею Российской Федерации (ГФ РФ) требований по раздельному определению мышьяка, кадмия, ртути и свинца, а также современных способов пробоподготовки требует актуализации существующих норм по содержанию элементных токсикантов в лекарственном растительном сырье (ЛРС) и лекарственных растительных препаратах (ЛРП) на его основе.Цель работы: анализ данных по содержанию элементных токсикантов, полученных при проведении экспертизы качества ЛРП (трав, сборов, экстрактов и настоек) с помощью современных методов анализа и пробоподготовки, а также сравнение полученных результатов с отечественными и зарубежными данными научной и специальной литературы.Материалы и методы: собственные экспериментальные данные по содержанию нормируемых тяжелых металлов и мышьяка в различных лекарственных формах лекарственных растительных препаратов, полученные методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с использованием в качестве пробоподготовки разложения в закрытых сосудах, сравнивались с данными других авторов.Результаты: установлено, что содержание свинца, кадмия и ртути во всех исследованных образцах не превышает установленных в ГФ РФ норм и соответствует проанализированным данным литературы. Содержание мышьяка в ряде ЛРП превышает российские нормативы, но удовлетворяет менее жестким нормам Европейской фармакопеи и Фармакопеи США для ЛРС. Изучена зависимость содержания элементных токсикантов от места сбора и морфологических частей растений. Отмечена особенность накопления отдельных элементов различными видами лекарственных растений. Определено содержание нормируемых элементов в экстрактах и настойках. Сделано предположение, что различие содержания элементных токсикантов в отечественных и зарубежных требованиях связано со способом получения экспериментальных данных, которые являются основой нормирования.Выводы: проведенные исследования позволяют сделать выводы о пригодности существующих норм содержания элементных токсикантов в ЛРП. Обоснована необходимость пересмотра существующих требований по содержанию мышьяка в ЛРП

ТЕМПЕРАТУРНІ РЕЖИМИ ЗОН ЗВОРОТНИХ ТОКІВ У БЛИЖНЬОМУ СЛІДІ ЦИЛІНДРИЧНИХ СТАБІЛІЗАТОРІВ ПОЛУМ'Я

The results of experimental studies of the temperature regimes of the back flow zones behind the cylindrical flame stabilizers of microjet burners are presented. The authors have considered a burner device, which is a circular channel with a cylindrical stabilizer placed in it. Circular openings for feeding fuel gas (propane-butane) into the blowing air flow off are located in a circle on the stabilizer. To determine the sizes of the back flow zones in the regions astern of the stabilizer, a method of visualizing the flow using sodium salts was used. The temperature measurement in the back flow zone was carried out by the chromel-alumel thermocouple. The regularities of the influence on the length of the back flows zones and the temperatures in these zones of such regime parameters of the combustion process as the value of the air flow velocity at the inlet to the channel and the air excess coefficient are analysed. Particular attention is paid to the study of the features of the change in the heat state and the length of the back flow zones as a function of the magnitude of the relative pitch of disposition of the gas-supply openings. An increase in the relative pitch of the gas-supplying openings and the air excess coefficient is shown to lead to a decrease in the length of the back flow zones, and an increase in the airflow velocity, on the contrary, increases this length. The influence of the relative pitch of disposition of the gas is noted to supply openings related to the fact that its growth leads to an increase in the injecting action of the fuel gas jets, which consists in a greater attraction of ambient air to the fuel jets. This in turn leads to an additional increase in the degree of rarefaction in the back flows zone beyond the stabilizer, and then to a decrease in the length of this zone. The dependence of the length of the back flow zone on the magnitude of the relative pitch of the gas supply openings is observed to be significant only at relatively high values of the air excess coefficient. With an increase in this pitch and the air-flow velocity, the maximum values of the temperatures are defined to increase. An increase in the air excess coefficient is considered to lead to a drop in maximum temperatures in the back flows zone. The results of the completed studies can be used in energy practice in the design of burner devices for fuel combustion equipment with relatively low power, when it is necessary to ensure the uniformity of heat supply over the fire space.Наведено результати експериментальних досліджень теплового стану мікрофакельних пальникових пристроїв з циліндричними стабілізаторами полум'я. Встановлено особливості формування температурних режимів і геометричних характеристик зон зворотних токів у закормовій ділянці циліндричних стабілізаторів. Проаналізовано закономірності впливу конструктивних і режимних чинників на основні параметри процесу спалювання в розглядуваних пальникових пристроях. Наведено дані щодо залежності довжини зон зворотних токів у закормових ділянках циліндричних стабілізаторів полум'я та величини температур у них від таких режимних параметрів процесу спалювання, як величина швидкості потоку повітря на вході в канал і коефіцієнт надлишку повітря. Встановлено, що зі збільшенням швидкості повітряного потоку протяжність зони зворотних токів зростає, вплив же коефіцієнта надлишку повітря має протилежний характер: довжина зони зворотних токів і рівень температур у них зменшуються зі зростанням коефіцієнта надлишку повітря. Певну увагу приділено дослідженню особливостей зміни теплового стану і протяжності зон зворотних токів за стабілізаторами полум'я від величини відносного кроку розташування газоподавальних отворів. Зазначено, що з огляду на інжектуючу дію струмин паливного газу відбувається скорочення довжини зон зворотних токів зі збільшенням вказаного відносного кроку

Селективное определение органических и неорганических форм мышьяка в слоевищах ламинарии и продуктах на их основе

Kelp can accumulate large quantities of arsenic compounds even in the absence of considerable environmental pollution. A substantial difference in toxicity between organic and inorganic arsenic compounds makes the form of arsenic relevant for the risk assessment of consuming kelp thalli and kelp-based products.The aim of the study was to develop an analytical procedure for the selective quantification of organic and inorganic arsenic in kelp thalli by inductively coupled plasma mass spectrometry and solid-phase extraction without scheduled precursors.Materials and methods. The authors studied samples of Laminaria saccharina and Laminaria japonica, spiking mixtures of chemical compounds containing arsenic in different oxidation states, and bioactive dietary supplements based on kelp thalli. Solid-phase extraction was performed using Maxi-Clean SAX cartridges. The arsenic content was determined using an Agilent 7900 inductively coupled plasma mass spectrometer.Results. Microwave-assisted extraction with deionised water ensures 91% recovery of arsenic-containing compounds from kelp thalli, and the addition of hydrogen peroxide to the extractant provides complete extraction. Solid-phase extraction with an eluent based on 3% H2O2 can extract the organic fraction from a mixture of organic and inorganic arsenic compounds without washing the inorganic fraction off the cartridge.Conclusions. The authors offer an effective analytical procedure for the selective quantification of organic and inorganic arsenic in kelp thalli and kelp-based products. This procedure allows for the isolation of arsenic-containing compounds from the organic matrix of kelp with 3% hydrogen peroxide. Solid-phase extraction with this extractant can effectively separate organic and inorganic fractions without prior neutralisation of the test solution.Ламинария способна накапливать соединения мышьяка в больших количествах даже при отсутствии заметного загрязнения окружающей среды. Из-за существенных различий в токсичности органических и неорганических соединений мышьяка при оценке риска потребления слоевищ ламинарии и продуктов на их основе актуально учитывать форму его содержания.Цель работы: разработка методики селективного определения содержания органических и неорганических форм мышьяка в слоевищах ламинарии без использования прекурсоров наркотических веществ на основе методов масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и твердофазной экстракции.Материалы и методы: в работе были использованы образцы слоевищ Laminaria saccharina и Laminaria japonica, модельные смеси соединений мышьяка с различной степенью окисления, биологически активные добавки к пище на основе слоевищ ламинарии. Твердофазную экстракцию проводили на картриджах Maxi-Clean SAX. Содержание мышьяка определяли с помощью масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Agilent 7900.Результаты: установлено, что микроволновая экстракция деионизированной водой обеспечивает полноту извлечения мышьяк-содержащих соединений на уровне 91%. Добавление в экстрагент пероксида водорода приводит к полному извлечению соединений мышьяка из слоевищ ламинарии. Использование при твердофазной экстракции смеси органических и неорганических соединений мышьяка элюента на основе 3% пероксида водорода позволяет извлечь органическую фракцию, не смывая при этом с картриджа неорганические соединения мышьяка.Выводы: разработана методика селективного количественного определения содержания органических и неорганических форм мышьяка в слоевищах ламинарии и продуктах на их основе, позволяющая выделять мышьяк-содержащие соединения из органической матрицы ламинарии исключительно раствором 3% пероксида водорода. Использование этого экстрагента позволяет эффективно разделять органическую и неорганическую фракции на этапе твердофазной экстракции без стадии нейтрализации испытуемого раствора

Определение содержания цинка в инсулинах методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой

Scientific relevance. Zinc content is a quality attribute of insulin products. The State Pharmacopoeia of the Russian Federation requires that it should be determined by flame atomic absorption spectrometry (FAAS). However, many pharmaceutical manufacturers currently prefer inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), which is considered the most promising method for pharmaceutical and biomedical elemental analysis.Aim. The study aimed to develop and validate an ICP-MS-based analytical procedure for zinc content determination in insulin products.Materials and methods. The study focused on human insulin, insulin lispro, insulin aspart, and insulin glargine in the form of active substances, suspensions for subcutaneous injection, and solutions for injection from different manufacturers. Zinc content was determined on an Agilent 7900 ICP-MS; the analysis included 66Zn signal intensity registration.Results. The study compared the results of zinc content determination in test samples with either hydrochloric or nitric acid used as the solvent for sample preparation. The authors selected the experimental conditions to achieve relative standard deviations (RSDs) of not more than 2.5% for the measurements. The ICP-MSbased analytical procedure was validated for its specificity, linearity, accuracy, and precision in the range of 0.4–1.6 mg/L. The authors compared the measurements of zinc content made using FAAS and ICP-MS.Conclusions. The ICP-MS-based analytical procedure for zinc content determination in insulin products meets the validation criteria. This analytical procedure, as developed and validated, may be used in the quality control of medicinal products in the Russian healthcare system and at the batch release stage of pharmaceutical manufacturing.Актуальность. Одним из показателей качества препаратов инсулина является содержание в них цинка. В фармакопейном анализе цинк в инсулинах определяют методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией (ПААС). В настоящее время многие производители лекарственных средств отдают предпочтение методу масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС), который признан наиболее перспективным методом элементного анализа в фармацевтике и биомедицине.Цель. Разработка и валидация методики определения цинка в инсулинах методом ИСП-МС.Материалы и методы. В качестве объектов исследования использованы фармацевтические субстанции, суспензии для подкожного введения и растворы для инъекций инсулина человеческого, лизпро, аспарта и гларгина различных производителей. Содержание цинка определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с использованием прибора Agilent 7900, фиксируя интенсивность сигналов 66Zn.Результаты. Проведено сравнение результатов определения содержания цинка в исследуемых образцах при использовании в качестве растворителей при пробоподготовке хлороводородной и азотной кислот. Подобраны условия эксперимента, обеспечивающие относительное стандартное отклонение RSD результата измерения не выше 2,5%. В диапазоне 0,4–1,6 мг/л оценены специфичность, линейность, правильность и прецизионность методики определениясодержания цинка методом ИСП-МС. Проведено сравнение результатов измерения содержания цинка в испытуемых образцах с использованием методик ПААС и ИСП-МС.Выводы. Валидационные характеристики методики определения содержания цинка в инсулинах методом ИСП-МС соответствуют критериям приемлемости методики. Разработанная и валидированная методика рекомендуется к использованию при проведении экспертизы качества в системе здравоохранения России и в производстве на стадии выходного контроля готовой продукции

THE STUDY OF GENETIC DIVERSITY OF BRUCELLA STRAINS ISOLATED IN THE NORTH CAUCASIAN FEDERAL DISTRICT

Objective of the study is to investigate genetic diversity of Brucella strains of various species, isolated from humans and small mammals in the territory of the North Caucasus Federal District using MLVA14, as well as to identify the correlation between the formed clusters and the place setting, the time setting, and object of isolation.Materials and methods. Carried out has been MLVA14 genotyping of 91 Brucella spp. strains isolated from patients, small mammals and live-stock animals. The sizes of amplicons were compared with MLVA Bank 5.0 database, tutorial version 1.6. Based on the data obtained, constructed was a dendrogram of phylogenetic interrelations of the studied strains. Results and conclusions. Using the data on MLVA genotyping, the studied strains were subdivided into 61 MLVA14 genotypes. Strains of B. suis, B. abortus, B. melitensis form separate clusters in the dendrogram. Strains isolated during cluster cases of brucellosis in humans have similar MLVA14 B. melitensis types, B. suis strains are confined to the epizooties among small mammals that may occur in different administrative territories. The data can be used for monitoring of brucellosis agent, including as an effective tool for retrospective epidemiological analysis

MOOD 2020: A public Benchmark for Out-of-Distribution Detection and Localization on medical Images

Detecting Out-of-Distribution (OoD) data is one of the greatest challenges in safe and robust deployment of machine learning algorithms in medicine. When the algorithms encounter cases that deviate from the distribution of the training data, they often produce incorrect and over-confident predictions. OoD detection algorithms aim to catch erroneous predictions in advance by analysing the data distribution and detecting potential instances of failure. Moreover, flagging OoD cases may support human readers in identifying incidental findings. Due to the increased interest in OoD algorithms, benchmarks for different domains have recently been established. In the medical imaging domain, for which reliable predictions are often essential, an open benchmark has been missing. We introduce the Medical-Out-Of-Distribution-Analysis-Challenge (MOOD) as an open, fair, and unbiased benchmark for OoD methods in the medical imaging domain. The analysis of the submitted algorithms shows that performance has a strong positive correlation with the perceived difficulty, and that all algorithms show a high variance for different anomalies, making it yet hard to recommend them for clinical practice. We also see a strong correlation between challenge ranking and performance on a simple toy test set, indicating that this might be a valuable addition as a proxy dataset during anomaly detection algorithm development