Bio-inspirierte chemometrische Methoden zur gleichzeitigen UV-spektrophotometrischen Bestimmung von Molnupiravir, Nirmatrelvir und Favipiravir in pharmazeutischen Präparaten und Umweltproben

Warum die Prüfung von COVID-19-Tabletten und Wasser wichtig ist

Mit der zunehmenden Verbreitung von COVID-19-Behandlungen wie Molnupiravir, Nirmatrelvir und Favipiravir ist eine neue Herausforderung entstanden: Wie kann man schnell, kostengünstig und sicher prüfen, dass diese Medikamente korrekt hergestellt werden und dass Restmengen nicht die Wasserversorgung belasten? Herkömmliche Labormethoden können zwar genau sein, sind aber oft langsam, teuer und erzeugen große Mengen chemischer Abfälle. Diese Studie stellt einen umweltfreundlicheren, preiswerteren Ansatz vor, um alle drei Wirkstoffe gleichzeitig zu messen – mithilfe einfacher lichtbasierter Messungen und intelligenter Computeralgorithmen statt schwerer Laborgeräte.

Drei antivirale Wirkstoffe, ein wachsendes analytisches Problem

Molnupiravir, Nirmatrelvir (der Schlüsselbestandteil von Paxlovid) und Favipiravir wirken auf unterschiedliche Weise gegen das Coronavirus und werden manchmal gemeinsam als Kombinationstherapien untersucht. Sie können auch zusammen als Verunreinigungen im Abwasser von Krankenhäusern auftreten. Qualitätskontrolllabore müssen mehrere Produkte testen, die dieselben Produktionslinien nutzen, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden, während Umweltwissenschaftler verfolgen wollen, wie viel dieser Wirkstoffe ins Wasser gelangt. Vor dieser Arbeit gab es jedoch keine einfache UV-lichtbasierte Methode, die alle drei Substanzen gleichzeitig in einem Durchgang bestimmen konnte. Die meisten bestehenden Ansätze beruhten auf aufwändiger Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie, die teure Geräte, geschultes Personal und große Mengen organischer Lösungsmittel erfordern.

Überlappende Lichtsignale in klare Antworten verwandeln

Die UV-Spektrophotometrie, die misst, wie viel Licht eine Probe absorbiert, ist günstig, schnell und weit verbreitet. Doch die drei Antiviralia absorbieren UV-Licht in sehr ähnlichen Bereichen, und ihre Spektren überlappen stark. Daher ist es nicht möglich, die Menge jeder Substanz direkt aus dem Rohsignal abzulesen. Die Autorinnen und Autoren lösten dieses Problem, indem sie UV-Messungen mit Chemometrie kombinierten, einer datengetriebenen Mustererkennung. Sie verglichen zwei bio-inspirierte Suchstrategien – genetische Algorithmen, lose an Evolution angelehnt, und den Glühwürmchen-Algorithmus, inspiriert davon, wie Glühwürmchen zu helleren Leuchterscheinungen hinsteuern –, um die informativsten Wellenlängen auszuwählen. Diese sorgfältig gewählten Wellenlängen wurden anschließend mittels partieller kleinster Quadrate (PLS)-Regression verarbeitet, die die Beiträge jedes Wirkstoffs trennen kann, selbst wenn ihre Signale miteinander verflochten sind.

Glühwürmchen gegen Genetik: Welcher Algorithmus gewinnt?

Um ihre Modelle zu erstellen und zu testen, bereiteten die Forschenden Dutzende von Mischungen mit bekannten Anteilen der jeweiligen Wirkstoffe vor, die realistische Konzentrationsbereiche abdeckten. Sie trainierten sowohl genetische-Algorithmus-Modelle als auch Glühwürmchen-basierte Modelle und prüften dann, wie gut jedes Modell die Wirkstoffgehalte in neuen, bisher ungesehenen Mischungen vorhersagen konnte. Der Glühwürmchen-Ansatz erzeugte einfachere Modelle, die weniger Wellenlängen verwendeten, weniger interne Parameter benötigten und dennoch eine bessere Vorhersagegenauigkeit erreichten. Für alle drei Antiviralia erzielten die Glühwürmchen-Modelle sehr hohe Korrelationen zwischen vorhergesagten und tatsächlichen Werten (R² über 0,996) sowie geringe Vorhersagefehler. Residualplots – die zeigen, wie stark Vorhersagen von der Realität abweichen – waren beim Glühwürmchen-Verfahren enger und zufälliger verteilt, was auf zuverlässigeres Verhalten und weniger versteckte Verzerrungen hinweist.

Echte Tabletten, echtes Wasser und eine grünere Bilanz

Sobald die Glühwürmchen-basierte Methode nach internationalen Richtlinien kalibriert und validiert war, wandte das Team sie auf Proben aus der Praxis an. Sie analysierten kommerzielle Präparate, die jeweils eines der drei Antiviralia enthalten, und fanden, dass ihre Ergebnisse mit einer veröffentlichten Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Methode in Genauigkeit und Präzision übereinstimmten. Zudem versetzten sie Leitungswasser mit bekannten Mengen der Wirkstoffe und gewannen zwischen etwa 95 % und 104 % des Eingesetzten zurück, was zeigt, dass der Ansatz nach einem einfachen Extraktionsschritt auch unter Umweltbedingungen funktioniert. Um die Umweltwirkung zu bewerten, nutzten die Autorinnen und Autoren mehrere „grüne“ Bewertungssysteme, die Lösungsmittelverbrauch, Energiebedarf, Abfall, Praktikabilität und allgemeine Nachhaltigkeit berücksichtigen. Über mehrere unabhängige Metriken erreichte die Methode Bewertungen im Bereich „gut“ bis „ausgezeichnet“, vor allem weil sie auf kontinuierliche Ströme organischer Lösungsmittel verzichtet und energiesparende, weit verbreitete Geräte verwendet.

Was das für Labore und die Umwelt bedeutet

Diese Arbeit zeigt, dass ein einfacher UV-Spektrophotometer, kombiniert mit geschickt ausgewählten Wellenlängen und bio-inspirierter Datenverarbeitung, komplexere Instrumente bei der Überwachung wichtiger COVID-19-Wirkstoffe in Medikamenten und Wasser herausfordern kann. Der Glühwürmchen-basierte Ansatz liefert genaue Messungen, senkt die Kosten und reduziert chemische Abfälle, was ihn für routinemäßige Qualitätskontrolle und für ressourcenbegrenzte Umgebungen attraktiv macht, in denen aufwändige Chromatographie und Massenspektrometrie nicht verfügbar sind. Anschaulich zeigt die Studie, dass mit klugen Algorithmen einfache Lichtmessungen helfen können sicherzustellen, dass antivirale Tabletten korrekt hergestellt werden und ihre Rückstände sich nicht unbemerkt in unserer Umwelt ansammeln.

Zitation: Abdelzaher, A.M., Al kamaly, O. & Rahman, M.A.A. Bio-inspired chemometric methods for simultaneous UV spectrophotometric determination of molnupiravir, nirmatrelvir, and favipiravir in pharmaceutical formulations and environmental samples. Sci Rep 16, 12590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49288-3

Schlüsselwörter: COVID-19-Antivirika, UV-Spektrophotometrie, chemometrische Analyse, grüne analytische Chemie, Umweltüberwachung