Ny teknologi kan hjælpe retshåndhævelsen med at opdage mindre mængder fentanyl med en højere grad af nøjagtighed

To år siden, Cambridge Police Detective Sgt. Louis Cherubino fik et opkald fra et nåleudvekslingsprogram på Central Square.

"Vi har måske et tilfælde af carfentanil, "sagde opkalderen.

Carfentanil, den mest potente type af det allerede potente opioid fentanyl, anslås at være 10, 000 gange stærkere end morfin. Bruges til at bedøve store dyr som elefanter, blot nogle få krystaller kan forårsage en overdosis hos et menneske.

Cherubino, tilsynsførende for den særlige efterforskningsenhed ved CPD, var bekymret. Hvis carfentanil blev solgt på gaden, han ønskede at udsende en fællesskabsalarm så hurtigt som muligt:​​En person, der køber et stof, der er faktureret som heroin eller fentanyl, men som er fyldt med carfentanil, kan overdosere med langt mindre end deres typiske dosis. Han samlede prøven og ringede til statens laboratorium for at anmode om en hasteanalyse af lægemidlet. Men laboratoriet kunne ikke hjælpe.

Kriminaltekniske laboratorier, ofte overskredet med anmodninger og underbemandet, prioritere beviser, der er nødvendige for at retsforfølge sager. Og selvom Cherubinos afdeling holder adskillige lægemiddelidentifikationsværktøjer i hus, nogle giver falske positive eller, mere bekymrende, falske negativer:De angiver, at der ikke er noget stof, hvor der absolut er. Uden en pålidelig test, han kunne ikke advare samfundet.

Det er her Christoffer Abrahamsson, en postdoktor i laboratoriet hos George Whitesides, kom ind. Ivrig efter at tune forskning til øjeblikkelig anvendelse, han forestillede sig en ny rolle for et kemisk analyseværktøj designet i hans laboratorium:lægemiddelidentifikation. I et papir offentliggjort i Angewandte Chemie, han og et forskerhold ledet af George Whitesides, Woodward L. og Ann A. Flowers University Professor, og laboratoriemedlemmer Amit Nagarkar, Michael Fink, Daniel Preston, og Shencheng Ge, med Drug Enforcement Administrations Joseph Bozenko, beskrive, hvordan deres tæthedsadskillelsesteknologi kunne hjælpe retshåndhævende embedsmænd og retsmedicinske kemikere i deres kamp for at dæmme opioidepidemien.

Kaldet Magneto-Archimedes Levitation, eller MagLev, værktøjet adskiller pulverformige stoffer til svævende krystaller baseret på deres tæthed. Billig, let at bruge, og mere nøjagtige og følsomme end nogen aktuelt tilgængelig lægemiddeltestteknologi, værktøjet kan reducere falske positive og negative signifikant, og opdage endnu mindre mængder af fortyndede stoffer - som den potente fentanyl, eller potentielt carfentanil-maskeret i andre pulvere.

Ligesom Cherubino, Abrahamsson ringede til statslaboratoriet:"Ja. Vi er meget interesserede."

Men, med begrænset tid og ressourcer, de lokale retsmedicinske kemikere pressede Abrahamsson til at kontakte det nationale laboratorium hos Drug Enforcement Administration. Endnu engang, han fik øjeblikkelig interesse. Men denne gang, han fik en partner. I oktober 2018, Abrahamsson rejste til Virginia for at møde Bozenko, en senior forskningskemiker ved DEA's Special Testing and Research Laboratory, for at se, hvordan MagLev håndterede rigtige prøver af ulovlige stoffer.

"Det er ikke hver dag, man skal holde ferie for at se stoffer, " sagde Bozenko, der udvikler bærbare, kemiske detektorer og nye separatorteknikker i hans laboratorium. Selvom han gerne ville gå ind i retshåndhævelse som sin far, Joe Sr., Bozenko skiftede til retskemisk kemi under college. Nu, han forstår farerne ved feltarbejde, og hvilke værktøjer der kan hjælpe DEA-agenter med at udføre deres arbejde bedre og sikrere. "Så meget som min forskning er baseret på et laboratorium, meget af mit fokus er baseret på at støtte dem, der er derude ved trafikstop, dem, der udfører retshåndhævelsesundersøgelser, " han sagde.

Bozenko var vært for Abrahamsson i tre dage. Sammen, de to kemikere fodrede MagLev med dets første ulovlige pulvere:"Vi startede med fentanyl. Det var vores hovedmål, fordi det er et af de største problemer lige nu, og det virkede bare direkte, svævet direkte, " sagde Abrahamsson. "Det var næsten for godt til at være sandt."

MagLev står så højt som en termokande. To magneter hviler som små klodser over og under en kuvette, en klar, ligesidet beholder. Inde, en rav, benzinlignende opløsning indeholder noget, der kaldes et gadoliniumchelatkompleks - en forbindelse viklet som en klo omkring en svagt magnetisk gadoliniumion. Indfør et fremmed stof og den forbindelse, tiltrukket af magnetfelterne over og under, klatrer for at komme til magneterne, skubber alt til side i vejen:glas, plast, eller heroin.

"Hvis væsken vil være så tæt som muligt på magneterne, " sagde Fink, en postdoktor i Whitesides lab og en forfatter på papiret, "så skal de andre ting af vejen." Denne opad-og-nedadgående skubberi, kombineret med tyngdekraften, tvinger hvert stof til at svæve i en højde svarende til dets massefylde. Hvis et stof har samme densitet som opløsningen, for eksempel, den vil hænge i det nøjagtige midtpunkt mellem magneterne.

Lignende forbindelser findes allerede, men ingen kan adskille stoffer med så store tætheder. Tricket er et, der opløses med højere koncentrationer af gadolinium, det magnetiske element. Flere gadolinium fylder løsningen, udøver mere kraft, når den løber til polerne, og skubber endnu mindre krystaller ind i strammere skyer.

Ligesom sukker, de fleste lægemiddelpartikler opløses i vand. Så, holdet havde brug for et hydrofobt chelat, også - en der kunne svæve og ikke opløse pulverne. Der findes andre hydrofobe chelater, men løsningerne ender med mere honning end benzin. "Prøv at ryste et glas honning og se så luftboblerne stige, "sagde Fink." Nogle gange bliver de bare siddende. "For at isolere fentanyl, et pulver så fint som konditorsukker, de skulle designe en mindre tyktflydende løsning.

"Jeg vil ikke sige, at det er en forbedring, fordi vi ikke havde noget til at begynde med, "Bozenko sagde." Dette er nyt i det faktum, at det er et helt andet værktøj at arbejde med. "Ingen anden felttestningsteknologi adskiller forbindelser til pæne skyer, isoleret for nem analyse. Nuværende muligheder som immunoassays (bruges i nogle graviditetstests) og kolorimetriske tests, der bliver grønne, blå eller gul som reaktion på visse kemikalier, are relatively quick and uncomplicated. But if they pick up more than one chemical, the colors blend, offering a murky and inconclusive brown.

Indtil nu, MagLev has demonstrated separation of up to seven different substances at a time. But that max is based on the highest number the team has tested—they're confident their tool can handle far more. For forensic chemists and law enforcement, that ability is precious:Street drugs are often mixtures of multiple drugs—heroin, fentanyl, kokain, methamphetamines—combined with cutting agents like caffeine, sugar, baking soda, powdered milk, lidocaine, or even rat poison.

Ingredient isolation is especially valuable when a new drug pops up. Carfentanil, for eksempel, is just fentanyl with a few chemical adjustments. A few more adjustments and a new—potentially even more dangerous—version could appear on the street. I 2018, the DEA discovered 22 previously unidentified substances; six of those were new types of fentanyl.

Bozenko said when new drugs come in, backlogs mount. Even in a forensic laboratory outfitted with the best chemical analysis tools, isolating an unidentified powder in a compound takes time. MagLev separates most compounds in just five to 25 minutes. Forensic chemists can then extract each purified cloud with a syringe and use technology as large and expensive as some cars—like nuclear magnetic resonance spectrometers or high-resolution mass spectrometry—to confirm their identities. Stadig, most local labs can't afford these machines, so the MagLev, which could cost just $30 to $200, depending on the size of the magnets, could be a valuable addition to an analytical arsenal:New versions of fentanyl, for eksempel, would hover in the same general area, betraying a shared chemical foundation. Even without more intense analysis, labs can take important precautions when handling a possible fentanyl analog, which can pose a significant—even lethal—threat to bystanders if handled improperly.

"[MagLev] could enable us to identify novel drugs in a faster time period, which does serve the public, " Bozenko said. Unidentified substances are, Per definition, not illegal. Someone caught dealing an unknown chemical—even one responsible for lethal overdoses—cannot be prosecuted until a forensic chemist determines the powder's chemical structure. MagLev's quick and accurate results could speed the process from seizure to identification, regulation, and prosecution in the United States. In third-world countries where more expensive tools are out of the question, the cheap, power-independent technology could offer a reliable if not their only way to perform forensic chemical analysis.

Abrahamsson and Bozenko have plans to improve their technology, også. With a few tweaks, an officer could operate a smaller version in the field, mixing a powder into the solution, placing the cuvette between the magnets, and waiting for the separation to occur. Til sidst, Bozenko hopes to pair MagLev with a spectrophotometric—or laser-based—tool to confirm the presumptive result on scene.

Last spring, a MagLev could have given Cherubino enough evidence to warn his community faster. But first, the Whitesides lab and the DEA still need collect more data to get MagLev certified for forensic analysis.

"We are looking for funding and partners to support our research and efforts to bring the benefits of MagLev to the analysis of drugs on the streets, " Abrahamsson said. "We intend to eventually make MagLev an off-the-shelf product available to our law enforcement officers.

He added:"The biggest reward for the research would be to see it used to save lives."