咖啡因体内代谢及其应用的研究进展摘要咖啡因是从茶叶、咖啡果中提取出来的一种生物碱, 常用于治疗神经衰弱和昏迷复苏。
咖啡因体内代谢过程复杂,现已发现咖啡因的15种代谢产物 ,参与代谢过程的酶类也被逐一证实。
尿液咖啡因代谢产物比率(UCMRs)常用于多种药物代谢酶活性的评估,主要包括 CYP1A2、CYP2A6、 N-乙酰转移酶和黄嘌呤氧化酶,咖啡因及其代谢产物检测方法也逐步得到改进与更新。
总之 ,咖啡因与人类健康密切相关 ,以及其重要的科研应用价值 ,一直受到普遍关注。
关键词咖啡因;药物代谢 ;代谢酶咖啡因(ca f eine)是从茶叶、咖啡果中提取出来的一种生物碱 ,纯品咖啡因为白色、强烈苦味的粉状物。
咖啡因属甲基黄嘌呤生物碱 , 化学式为C8H10N4O2,化学名为 1, 3, 7-三甲基黄嘌呤或 3, 7-二氢-1, 3, 7三甲基-1H-嘌呤-2, 6-二酮[1]。
自从人们认识到咖啡因的用途以来 ,咖啡因就被人为添加到多种食品、饮料和药物中, 咖啡因与人类健康息息相关, 并在人们生活中占有不可替代的地位。
咖啡因适度地使用有祛除疲劳、兴奋神经的作用 ,临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏。
但是, 大剂量或长期使用也会对人体造成损害 ,特别是其成瘾性,一旦停用会出现精神萎顿、浑身困乏疲软等各种戒断症状 ,虽然其成瘾性较弱,戒断症状也不十分严重,但由于药物的耐受性而导致用药量不断增加时 , 咖啡因就不仅作用于大脑皮层 ,还能直接兴奋延髓 ,引起阵发性惊厥和骨骼震颤,损害肝、胃、肾等重要内脏器官 ,诱发呼吸道炎症、妇女乳腺瘤等疾病 ,甚至导致吸食者下一代智能低下,肢体畸形, 因此也被列入受国家管制的精神药品范围[2]。
一、咖啡因体内代谢过程咖啡因口服后主要在胃肠道快速而完全的吸收 ,约在 15 ～ 60分钟达峰值浓度 , 峰值可持续到 120分钟, 胃排空延迟是导致峰值变异的主要原因(Benowitz.1990)。
当咖啡因由小肠进入门脉循环时 ,会经过首过消除效应, 主要由分布在肠壁和肝脏的细胞色素 P450(CYP450)酶作用, 之后再进入全身大循环。
因为咖啡因首过消除效应较弱 , 所以咖啡因经吸收后,能完全地进入全身组织并且自由通过血-脑、胎盘、血 -睾屏障 (Miners等 .1996)。
咖啡因系统平均清除率约为 150ml/min, 半衰期为 2 ～ 4.5小时(Lelo等 .1986),有的个体则长达 12小时。
咖啡因隔夜一般就会被肝脏代谢清除 , 只有不到 5%的咖啡因以原形通过肾脏排泄 (Devoe等 .1993)。
13X的清除、代谢、排泄, 类似于咖啡因,均存在较大的个体差异。
常见外源性的影响因素包括:吸烟、病毒感染、心、肝疾患、妊娠、饮食和合并用药,这些因素均影响 13X的代谢和排泄, 如吸烟增加其代谢和排泄 ,怀孕则降低其代谢清除, 可以导致 13X在体内的聚积, 而胎儿和新生儿缺少代谢 13X的酶 , 完全依赖于肾脏的排泄 , 容易发生咖啡因中毒[4]。
二、参与咖啡因代谢的酶在咖啡因代谢的途径中, 有多种药物代谢酶参与, 主要的药物代谢酶归纳如下:(一）CYP1A2 CYP1A2是细胞色素P450氧化酶的一个亚家族, 约占肝脏 CYP450s酶含量的 13%,参与咖啡因、华法林、茶碱、普萘洛尔、美西律、维拉帕米、硝苯地平、他克林、丙咪嗪、氯丙咪嗪、阿米替林、氟伏沙明和氯氮平等 20多种临床常用药物的代谢[5]。
CYP1A2 也参与外源性物质的代谢 , 介导许多前致癌原或前毒性物质的体内激活, 同时也代谢解毒一些有害物质。
CYP1A2 的活性能被吸烟、多环芳香烃及药物 (如奥美拉唑、卡马西平 )诱导, 也可被喹诺酮类抗生素和口服避孕药抑制[6]。
CYP1A2 是参与咖啡因初级代谢过程的主要代谢酶 , CYP1A2催化咖啡因 1-N-和 7-N-脱甲基化反应, 此外 CYP1A2还参与了咖啡因几个次级代谢产物的生成。
CYP1A2 同样也参与了代谢产物 17X、 37X和13X的 N7、N3 和 N1 位脱甲基反应, 分别生成 1X、 7X和 3X。
此外, CYP1A2 还可能参与了17X、37X和 13X8-羟化反应 ,分别生成 17U、37U和13U。
此外 ,其他药物酶如 CYP2A6、2E1、3A4 也在二甲基尿苷代谢产物的生成中发挥重要作用 (Fuhr等.1992, Tang等.1994, Robson等.1988)。
（二）CYP2A6 CYP2A6是细胞色素酶P450家族中的重要成员之一, 完成整个 CYP450 家族代谢任务的约 3%。
许多外源性物质包括药物 (如香豆素、丙戊烷、氟烷等 )、前致癌原 (如亚硝胺、尼古丁、黄曲霉素 B1 等 ), 以及其他一些化学物质均通过 CYP2A6进行生物转化。
同时, CYP2A6也是尼古丁的主要代谢酶, CYP2A6的活性与个体吸烟行为以及吸烟数量相关[7]。
（三）N-乙酰转移酶 (N-acetyltransferase)N-乙酰转移酶参与芳香胺和肼类物质包括 2-氨基芴、4-氨基联苯以及联苯胺的代谢 ,外源性的毒物以及临床用药包括异烟肼、氨苯砜、普鲁卡因胺、磺胺二甲基嘧啶等,因此 N-乙酰化反应可以改变药物活性及降解致癌物质。
在咖啡因所有开环的代谢产物中 , AFMU及其降解产物 AAMU在定量上均具有重要的地位 ,而 N-乙酰转移酶是影响 AFMU生成的主要代谢酶 (Kilbane等.1992)。
(四 )黄嘌呤氧化酶 (XO)XO(xanthineoxi-dase)参与了 1X到 1U的生成, 这是没有争议的事实。
然而不管是从 137X、37X或 13X来源的 3X,均不代谢为 3U(Krul等 .1998)。
(五 )CYP3A CYP3A是人体最为重要的药物代谢酶, 在肝和肠道中含量丰富, 约占成人肝脏CYP450酶总量的 25%,并且为肠道的主要 CYP450 酶。
CYP3A有多种亚型, 在成人体内主要是CYP3A4和 CYP3A5。
CYP3A在外源性物质 , 尤其是药物代谢中起重要作用 ,临床中约有 60%的药物由其代谢转换 ;同时 CYP3A也催化许多内源性物质 ,例如雌二醇、睾丸酮及可的松的 6β -羟化代谢。
CYP3A酶活性存在显著的个体差异性 ,体外人肝微粒体中 CYP3A活性的个体差异达 40倍 ,同样在小肠及肝微粒体中的差异也很大 ,导致个体差异的影响因素包括遗传、环境、生理、病理及饮食等多种遗传和非遗传因素[14,15]。
化学及免疫抑制试验结果证明, CYP3A4主要参与了 137X到 137U的生成代谢。
(六 )CYP2El CYP2E1和其他同工酶参与了137X三种脱甲基化产物 17X、13X、37X的生成, 其中 ,相对 CYP1A2来说 , CYP2E1在 13X、37X的生成中可能起主导作用(Gu 等 .1992)。
三、咖啡因及其代谢产物的检测关于咖啡因及其代谢产物的检测 ,一直以来国内外都有较多的研究报道。
然而根据不同的研究目的 ,咖啡因代谢产物的选取各不一样 ,有些研究关注咖啡因和几个甲基嘌呤代谢产物的检测 ,而另外的研究则关注黄嘌呤和尿酸代谢产物的检测。
HPLC-UV/DAD法最常用于血尿标本咖啡因及其代谢产物的检测, 也有 HPLC-MS/MS检测方法的报道 , 质谱检测器灵敏度高 , 离子筛选能力强, 特异性高, 实现了高通量检测的需求, 能很好的满足咖啡因及其代谢产物的同时检测及其定量要求。
虽然检测仪器代代更新 ,逐步趋向高尖化 , 性能也在提高完善, 但咖啡因及其代谢产物样本的前处理环节改动较少, 其流程基本保持不变 ,可能的原因是咖啡因及其代谢产物各自的理化性质差异比较大 , 所以能同时满足这些物质萃取条件的要求受到了苛刻的限制[16]。
四、咖啡因及其代谢产物的前处理方法咖啡因样本前处理通常采用有机溶剂液-液萃取法, 常用的萃取试剂为三氯甲烷 /异丙醇混合液 (90:10或 85:15),三氯甲烷 /异丙醇不同的比率影响着咖啡因及其代谢产物的萃取效率, 而 90:10或 85:15 的配比较为常用。
液 -液萃取过程中常需酸化样本,一是可以稳定样本中咖啡因的代谢产物 ,减少生物降解;二是酸化样本可提高待测物的萃取回收率[17,18]。
除了液 -液萃取法外, 固相萃取法也是常用的处理方法 ,固相萃取法节省试剂, 在极性强、小分子物质及复杂物质的萃取方面有着较强的优势。
但是固相萃取法的萃取柱造价高, 费用贵,使用寿命短, 因而消耗大 ,给普通实验室样本的前处理带来较大的经济压力[3]。
此外, 也有直接沉淀法处理样本的报道,操作中直接往样本中加入高氯酸, 震荡离心, 再用适当的碱中和多余的高氯酸,然后直接进色谱分析系统分析。
方法简单、快速、低廉 , 为咖啡因及其代谢产物的检测提供了一条经济的样本前处理方案 (Holand等 .1998)。
此外 ,尿液标本也可经酸化、甲醇脱蛋白、离心除杂质, 取上清进入液相色谱系统检测[16,19]。
值得一提的是 ,也有研究中采用搅拌棒吸附萃取 (stirbarsorptiveextraction, SBSE)的方法 , SBSE是上世纪 90年代末 Baltussen等发明的一种新型的样品前处理技术 ,具有灵敏度高、重现性好、不使用有机溶剂等优点, 适用于食品、环境、生物样品中挥发性及半挥发性有机物的痕量分析。
就咖啡因及其代谢产物的萃取方面而言 , SBSE提取设备可以大大减少咖啡因及其代谢产物的萃取流程, 实现待测物的直接提取 , 缩短流程、节省时间, 但目前应用还未得到推广[20]。
五、结语综上所述,至目前为止 ,咖啡因的代谢途径研究得比较清楚 ,咖啡因及其代谢产物的检测技术和手段不断得到提高和改进 , 咖啡因代谢指数可用于CYP1A2、NAT2、CYP2A6和 XO药物代谢酶活性的评估,咖啡因及其代谢产物在科研中的应用也会随着技术的进步而逐步得到开发推广。
咖啡因不仅可以作为药物代谢酶活性测定的探药, 而且咖啡因的使用与生命健康的关系也很紧密, 如过多的咖啡因会使流产的危险性增加两倍 ,增加心肌梗死的危险性 ,等等。
鉴于咖啡因在人们生活中的普遍存在,其与人体健康的相关研究是值得永恒探索的问题。
参考文献1《中华人民共和国药典》(二部), 国家药典委员会编, 化学工业出版社, 2015.335.2 易超然, 卫中庆.咖啡因的药理作用和应用.医学研究生学报, 2015, 8:270 ～ 272.咖啡因药物分析综述班级：制药134班学号：2013013045姓名：吴婷。