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咖啡因体内代谢及其应用的研究进展

天道酬勤
2012-10-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《咖啡因体内代谢及其应用的研究进展pdf》,可适用于自然科学领域

生理科学进展年第卷第期咖啡因体内代谢及其应用的研究进展米陈尧周宏灏(中南大学临床药理研究所长沙)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CYPA、CYPA、N一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中图分类号RProgressintheResearchofCaffeineMetabolismandItsApplicationinVivoCHENYaoZHOUHongHao(InstituteD厂ClinicalPharmacologyCentralSouthUniversityChangshaChina)AbstractCaffeineakindofalkaloidextractedfromteaandcoffeefruitiScommonlyusedinthetreatmentofneurastheniaandforcomarecovery.ThemetabolicprocessofcaffeineinvivoiScomplex.Fifteenkindsofmetaboliteshavebeenfound.andtheenzymesinvolvedinthemetabolicprocesseshavealsobeenconfirmed.Theurinarycaffeinemetabolitesratiosarecommonlyusedintheassessmentofac.tivitiesofdrugmetabolizingenzymesmainlyincludingCYPACYPANacetyhransferaseandxanthineoxidase.Methodsfordetectionofcaffeineanditsmetaboliteshavebeenimprovedsteeply.Inbriefcaffeinehasbeenpaidcloseattentionduetoitsintimateconnectionwithhumanhealthaswellasitsimpo~aneeinapplicationinscientificresearch.Keywordscaffeinedrugmetabolismmetabolicenzymes咖啡因(caffeine)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CH。NO化学名为l一三甲基黄嘌呤或一二氢.三甲基一H一嘌呤一一二酮』。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。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~分钟达峰值浓度峰值可持续到分钟胃排空延迟是导致峰值变异的主要原因(Benowitz.)。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P(CYP)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一脑、胎盘、血一睾屏障(Miners等.)。咖啡因系统平均清除率约为ml/min半衰期为~.小时(Lelo等.)有的个体则长达l小时。咖啡因隔夜一般就会被肝脏代谢清除只有不到%的咖啡因以原形通过肾脏排泄(Devoe等.)。国家自然科学基金资助课题()通讯作者生理科学进展年第卷第期咖啡因体内代谢过程复杂在尿液中现今已发现咖啡因种代谢产物参与代谢过程的酶也逐一证实。口服咖啡因后首先经一N一脱甲基化生成X(副黄嘌呤)为主要代谢产物约占%这一步反应由药物代谢酶CYPA催化(部分由CYPE代谢)。此外咖啡因通过一N一脱甲基和一N一脱甲基分别生成X(可可碱%)和X(胆茶碱%)分别由药物代谢酶CYPA和CYPE催化完成X进一步经一N.脱甲基化生成X(.甲基嘌呤)X和x进一步经c.一羟基化分别生成U和U这两步反应分别由CYPA和黄嘌呤氧化酶(xanthineoxidase)催化完成J。咖啡因及其代谢途径详见图。{嵇f墨:》。HXlCYPA◆CYP|i::I。》一r‘人一“e}bⅡ。CFH。图咖啡因的主要代谢途径以及参与的主要代谢酶若同一代谢途径上有多种酶参与列在最上的药物代谢酶则为主要代谢酶“”代表不明中间代谢产物咖啡因及其代谢产物的简写说明:X:咖啡因X:胆茶碱X:副黄嘌呤X:可可碱X:甲基嘌呤X:甲基嘌呤X:甲基嘌呤U:三甲基尿酸U:二甲基尿酸U:二甲基尿酸U:二甲基尿酸U:.甲基尿酸U:.甲基尿酸U:甲基尿酸AFMU:乙酰氨基一甲羧基氨基..甲基尿嘧啶AAMU:乙酰氨基一氨基.一甲基尿嘧啶CYPA:细胞色素PACYPA:细胞色素PACYPE:细胞色素PECYPA/:细胞色素PA/NAT:N一乙酰转移酶XO:黄嘌呤氧化酶X为主要代谢产物之一分子结构与咖啡因相近在血尿标本中很容易被检测几乎%的X是以原型从尿中排泄(Lelo等.Arnaud等.Klebanoff等.)。X的代谢速度与其生成速度相当相对血浆咖啡因而言一天中X的波动水平和变异程度较小血浆中X的降解速度比咖啡因要慢通常服药后~小时X的血药浓度超过咖啡因水平(Arnaud等.)。另外两个主要代谢产物X和X在体液及脐带血中就能被检测到它们的半衰期相对较长。X是咖啡因的主要活性代谢产物约%的X在~l小时内由尿液排泄(Tarka等.)。X药理作用包括利尿、刺激心血管系统、舒张平滑肌、增加腺体分泌(Shively等.)。X的代谢主要由CYPA参与几乎占%部分由CYPE完成其半衰期为.~.小时X血浆和肾清除率分别为%和%吸烟人群中血浆清除率一般高于非吸烟人群%左右(Shively等.RostamiHodjegan等.Lelo等.Birkett等.Gates等.)。代谢产物X结构与咖啡因也相近仅少一个一N一甲基其药理活性相近于咖啡因和X但是毒性作用却强于二者毒性作用比咖啡因持续时间长~小时但是个体间变异却比较大(Stavric等.)。X通过肝肾代谢清除主要代谢酶为CYPA通过N一去甲基化反应生成X以及一氢化反应生成U。肾清除率与尿流速和流量高度相关X血浆浓度偏高将导致代谢清除率降低并增加肾脏清除率。X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X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X在体内的聚积而胎儿和新生儿缺少代谢X的酶完全依赖于肾脏的排泄容易发生咖啡因中毒。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)CYPACYPA是细胞色素P氧化酶的一个亚家族约占肝脏CYPs酶含量的%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多种临床常用药物的代谢。CYPA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。CYPA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。CYPA是参与咖啡因初级代谢过程的主要代谢酶CYPA催化咖啡因一N一和一N一脱甲基化反应此外CYPA还参与了咖啡因几个次级代谢产物的生成。CYPA同样也参与了代谢产物X、X和X的N、N和N位脱甲基反应分别生成X、X和X。此外CYPA还可能参与了X、X和X一羟化反应分别生成U、U和U。此外其他药物酶如CYPA、El、A也在二甲基尿苷代谢产物的生成中发挥重要作用(Fuhr等.Tang等.Robson等.)。(二)CYPACYPA是细胞色素酶P家族中的重要成员之一完成整个CYP家族代谢任务的约%。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B等)以及其他一些化学物质均通过CYPA进行生物转化。同时CYPA也是尼古丁的主要代谢酶CYPA的活性与个体吸烟行为以及吸烟数量相关。CYPA基因突变导致CYPA酶活性的降低与多种肿瘤疾病存在负相关例如肺癌、结肠理科学进展年第卷第期癌、胰腺癌¨、鼻咽癌惶等。而影响CYPA酶活性的因素多种多样年龄、性别、遗传因素、合并用药、环境等都均能对CYPA活性产生影响。CYPA参与了咖啡因代谢产物X的羟化代谢生成U因而尿中咖啡因代谢比率U/X可以应用于CYPA活性的评价该比率增加表明CYPA活性增加‘”J。(三)N一乙酰转移酶(Nacetyltransferase)N一乙酰转移酶参与芳香胺和肼类物质包括一氨基芴、.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一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一乙酰转移酶是影响AFMU生成的主要代谢酶(Kilbane等.)。(四)黄嘌呤氧化酶(XO)XO(xanthineoxidase)参与了X到U的生成这是没有争议的事实。然而不管是从X、X或X来源的X均不代谢为U(Krul等.)。(五)CYPACYPA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CYP酶总量的%并且为肠道的主要CYP酶。CYPA有多种亚型在成人体内主要是CYPA和CYPA。CYPA在外源性物质尤其是药物代谢中起重要作用临床中约有%的药物由其代谢转换同时CYPA也催化许多内源性物质例如雌二醇、睾丸酮及可的松的B一羟化代谢。CYPA酶活性存在显著的个体差异性体外人肝微粒体中CYPA活性的个体差异达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~,。化学及免疫抑制试验结果证明CYPA主要参与了X到U的生成代谢(Tassaneeyakul等.)。(六)CYPECYPE和其他同工酶参与了X三种脱甲基化产物X、X、X的生成其中相对CYPA来说CYPE在X、X的生成中可能起主导作用(Gu等.)。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生理科学进展年第l卷第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。HPLCUV/DAD法最常用于血尿标本咖啡因及其代谢产物的检测也有HPLCMS/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。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一液萃取法常用的萃取试剂为三氯甲烷/异丙醇混合液(:或:)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:或:的配比较为常用。液一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.J。除了液一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。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(Holland等.)。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。值得一提的是也有研究中采用搅拌棒吸附萃取(stirbarsorptiveextractionSBSE)的方法SBSE是上世纪年代末Bahussen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。五、尿液咖啡因代谢指数(UCMRs)的应用众所周知许多CYPs酶均参与了咖啡因体内的生物转换。因为咖啡因是人类生活中广泛接触的外源物质用咖啡因代谢指数评估体内药物代谢酶活性的研究近年来引发人们极大的兴趣。尿液中咖啡因代谢产物的比率(CMRs)常用于药物代谢酶活性的评估包括CYPA、CYPA、N一乙酰转移酶、黄嘌呤氧化酶’。咖啡因是CYPA经典的探药因为几乎%的咖啡因由CYPA转化代谢。血尿中咖啡因代谓}比率(UX)/X、X/X和(AFMUX)/U及(AAMUXU)/U常用于CYPIA活性的评价(Nakajima等.Lang等.)。(AFMUXU)/U这一指标不受尿流量的影响主要建立在咖啡因代谢终产物的比率上因而尿液标本的采集量和时问对CYPA活性的评价影响不大。AFMU/X、AFMU/(AFMUXU)、(AAMUAFMU)/(AAMUAFMUXU)常用于NAT的活性评价(Bendriss等.)U/X、U/(AFMUXUXU)常用于CYPA活性的评价¨U/(XU)常用于XO活性的评价¨。六、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CYPA、NAT、CYPA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《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..易超然卫中庆.咖啡因的药理作用和应用.医学研究生学报:~.CaubetMSElbastWDubucMCeta.AnalysisofunnarycaffeinemetabolitesbyHPLCDAD:theuseofmetabolicratiostoassessCYPAenzymeactivity.JPharmBiomedAnal:~.GrossoLMBrackenMB.Caffeinemetabolismgeneticsandperinataloutcomes:areviewofexposureassessmentconsiderationsduringpregnancy.AnnEpidemiol】·~.··周宏灏.遗传药理学.人民军医出版社.~.HanXMOuYangDSLuPXeta.Plasmacaffeinemetaboliteratio(X/X)invivoassociatedwithGAandCApolymorphismsofhumanCYPA.Pharmacogenetics:~.HoMKMwenifumboJCZhaoBeta.AnovelCYPAalleleCYPAimpairsenzymefunctioninvitroandinvivoanddecreasessmokinginapopulationofBlack·Africandescent.PharmacogenetGenomics..:~.MatsudaY.YamakawaK.SaooKeta.CYPAoverexpressioninhumanlungcancerscorrelateswithahighmalignantstatus.OncolRep:~.OyamaTSugioKUramotoHeta.IncreasedcytochromePandarylhydrocarbonreceptorinbronchialepitheliumofheavysmokerswithnonsmallcelllungcarcinomaca~iesapoorprognosis.FrontBiosci:~.MatsudaYSaooKYamakawaKeta.OverexpressionofCYPAinhumancolorectaltumors.CancerSci..:~.MaeLeodSLChowdhuryP.Thegeneticsofnicotinedependence:relationshiptopancreaticcancer.WorldJGastroenterol:~.TiwawechDSrivatanakulPKaralakAeta.CytochromePApolymorphisminnasopharyngealcarcinoma.CancerLett..:~.NowellSSweeneyCHammonsGeta.CYPAactivitydeterminedbycaffeinephenotyping:associationwithcolorectalcancerrisk.CancerEpidemiolBiomarkersPrev.:~.MahatthanatrakulWNontaputTRidtitidWeta.Ri一生理科学进展年第卷第期fampinacytochromePAinducerdecreasesplasmaconcentrationsofantipsychoticfispefidoneinhealthyvolunteers.JClinPharmTher:~.FujitaK.FooddruginteractionsviahumancytochromePA(CYPA).DrugMetabolDrugInteract:~.SchneiderHMaLGlattH.Extractionlessmethodforthedeterminationofurinarycaffeinemetabolitesusinghigh·performanceliquidchromatographycoupledwithtandemmassspectrometry.JChromatogrBAnalytTechnolBiomedLifeSci:~.BegasEKouvarasETsakalofAeta.InvivoevaluationofCYPACYPANAT一andxanthineoxidaseactivitiesinaGreekpopulationsamplebytheRP··HPLCmonitoringofcaffeinemetabolicratios.BiomedChromatogr:~.CastorenaTorresFMendoza.CantfiAdeLenMBeta.CYPAphenotypeandgenotypeinapopulationfromtheCarboniferousRegionofCoahuilaMexico.ToxicolLett:~.NyrkiABiollazJKesselringUWeta.Extractionlessmethodforthesimultaneoushigh·performanceliquidchrom·atographicdeterminationofurinarycaffeinemetabolitesforN.acetyhransferase.cytochromePAandxan山ineoxidaseactivityassessment.JChromatogrBBiomedSciAppl:~.LambertJPMullettWMKwongEeta.Stirbarsorptiveextractionbasedonrestrictedaccessmaterialforthedirectextractionofcaffeineandmetabolitesinbiologicalfluids.JChromatogrA..:~.肥胖者肝脏脂联素受体mRNA水平及其与胰岛素抵抗的关系脂联素(adiponectin)是一种主要由脂肪细胞分泌的细胞因子可通过与靶细胞膜上的脂联素受体结合而参与糖脂代谢的调节发挥胰岛素增敏、抗炎和抗动脉粥样硬化等作用故脂联素受体表达水平的变化直接影响到脂联素对下游信号通路的激活及生物学效应的发挥。已有动物实验证明胰岛素可以调节小鼠肝脏细胞脂联素受体和受体mRNA的表达然而在人体胰岛素抵抗与肝脏脂联素受体基因转录调节的关系尚未见报道。为此Felder等选取了名胰岛素敏感肥胖者(胰岛素敏感组)和名胰岛素抵抗肥胖者(胰岛素抵抗组)作为研究对象通过ELISA和RealTimePCR方法分析血浆脂联素水平和肝脏脂联素受体mRNA的变化。结果显示胰岛素抵抗组的血浆脂联素水平明显低于胰岛素敏感组但前者的肝脏脂联素受体和受体表达水平均高于后者。作者进一步探讨了FOXO通路是否在脂联素受体表达的调节过程中发挥作用。结果表明胰岛素抵抗组的肝脏脂联素受体mRNA和FOXOmRNA表达呈正相关而胰岛素敏感组并不存在这种相关性且两组联素受体和FOXO表达间均无关联。为进一步探索FOXO对脂联素受体转录的影响作者将表达FOXO的质粒同脂联素受体或脂联素受体的启动子荧光素酶报告基因共转录到HepG细胞中结果显示FOXO可以激活脂联素受体的转录而不能激活受体。Felder等的研究首次在人体证实了胰岛素抵抗肥胖者肝脏脂联素受体和受体mRNA水平的升高是其血浆脂联素降低的一种代偿机制FOXO在调控脂联素受体的基因转录中发挥重要作用。该研究有助于更好地理解脂联素受体的调节因素以及研发以脂联素受体为分子靶点的药物为防治糖尿病及大血管病变等肥胖相关疾病提供新的思路。(IntJObesityadvanceonlinepublicatinFebruarydoi:./ijo..)(韩意吴立玲)

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