Terpeny w nasionach konopi - od rośliny do człowieka
Z zasianej marihuany powstaje żywica, którą ludzie cenią za jej właściwości psychoaktywne i lecznicze. Mimo że wiedza naukowa i badania nad konopiami stanowią podstawę globalnego przemysłu o obrotach liczonych w miliardach dolarów, pozostaje on daleko w tyle w porównaniu z innymi uprawami o wysokiej wartości. Wynika to w dużej mierze z ograniczeń prawnych, które uniemożliwiły naukowcom badanie konopi, ich produktów i ich wpływu na ludzi. Żywica konopna zawiera setki różnych terpenów i kannabinoidów. Wiele z tych metabolitów nie zostało jeszcze jednoznacznie zidentyfikowanych. Nasza wiedza na temat genotypu i systemu biosyntezy tych metabolitów w konopiach indyjskich oraz czynników wpływających na ich zmienność jest jedynie szczątkowa. W związku z tym istnieją obawy dotyczące braku spójności w składzie terpenów i kannabinoidów w różnych "odmianach" konopi. Również twierdzenia o niektórych właściwościach leczniczych przypisywanych metabolitom zawartym w konopiach indyjskich wymagałyby dokładnego naukowego potwierdzenia.
1) Wprowadzenie
Konopie pochodzą prawdopodobnie z Azji Środkowej i są udomowione od ponad 5000 lat. Odmiany konopi o niskiej zawartości psychoaktywnych kannabinoidów są wykorzystywane do produkcji włókien i nasion oleistych. Jednak najcenniejszym obecnie produktem konopi jest żywica bogata w terpeny i kannabinoidy o różnych właściwościach psychoaktywnych i leczniczych. Żywica jest produkowana i odkładana w gruczołowych trichomach, które gęsto pokrywają powierzchnie kwiatów żeńskich oraz, w mniejszym stopniu, liście roślin męskich i żeńskich. W sumie w żywicy różnych gatunków konopi zidentyfikowano ponad 150 różnych terpenów i około 100 różnych kannabinoidów. Dominującymi kannabinoidami w konopiach indyjskich uprawianych do celów leczniczych lub rekreacyjnych są kwas A9-tetrahydrokannabinolowy (THCA) i kwas kannabidiolowy (CBDA). Podczas gdy kannabinoidy są podstawowymi psychoaktywnymi i leczniczymi składnikami haszyszu, lotne terpeny (monoterpeny i seskwiterpeny) nadają wiele różnych cech zapachowych, które wpływają na preferencje konsumentów.
Różne rodzaje marihuany i produkty konsumenckie z nich otrzymywane są powszechnie określane jako "odmiany". Ich nazwy często odnoszą się do atrybutów zapachowych, które, przynajmniej częściowo, zapewniają terpeny. Różne "szczepy" mogą różnić się cechami morfologicznymi lub różnicami w składzie chemicznym żywicy. Jednak ze względu na historię w dużej mierze nielegalnej produkcji marihuany, "odmiany" konopi są często słabo zdefiniowane genetycznie. Jeśli chodzi o profile terpenów i kannabinoidów, szczepom może brakować powtarzalności. Szczepy te charakteryzują się dużą różnorodnością genetyczną, a większość z nich posiada wysoki poziom heterozygotyczności i domieszki genetycznej.
Konopie są zapylane wiatrem, co również przyczynia się do zmienności metabolitów konopi. W rezultacie, wiele "odmian" konopi nie posiada poziomu standaryzacji, do którego producenci i konsumenci są przyzwyczajeni w przypadku innych roślin uprawnych, takich jak genetycznie i fenotypowo dobrze zdefiniowane odmiany winogron. Wobec braku odpowiedniej charakterystyki genetycznej lub genotypowej podjęto kilka prób chemotaksonomicznej klasyfikacji "szczepów" konopi indyjskich na podstawie terpenów, a rośliny konopi indyjskich opisywano również jako należące do różnych chemotypów. Jednak złożoność systemów biosyntezy terpenów i wiele różnych źródeł terpenów sprawiają, że próby te są często daremne. Ogólnie rzecz biorąc, koncepcja chemotaksonomii została zepchnięta na dalszy plan przez naukę o genomie. Chemotypy nie mogą w sposób wiarygodny zastąpić właściwego genotypowania roślin.
Wraz ze zniesieniem niektórych ograniczeń prawnych dotyczących badań nad konopiami indyjskimi w Kanadzie i niektórych innych jurysdykcjach, pojawiła się możliwość uzyskania lepszego naukowego zrozumienia cech genomicznych, molekularnych i biochemicznych, które określają profile terpenowe i kannabinoidowe różnych "szczepów" konopi. To z kolei może pomóc w rozwoju lepiej zdefiniowanych szczepów konopi. Kolejnym aspektem, który wymaga nowych badań, są różne efekty przypisywane terpenom konopi u ludzi. Podczas gdy niektóre z efektów działania kannabinoidów zostały naukowo wyjaśnione, istnieje znaczne zamieszanie wokół wpływu terpenów kannabinoidowych na człowieka, wykraczającego poza postrzeganie zapachów.
2. Chemia, biosynteza i genomika różnorodności i zmienności terpenów w konopiach indyjskich
Skład terpenowy jest cechą fenotypową, która wykazuje duże zróżnicowanie pomiędzy różnymi odmianami konopi. Większość terpenów występujących w konopiach to węglowodory, które są bezpośrednimi produktami enzymów syntazy terpenowej (TPS), w przeciwieństwie do bardziej złożonych terpenów, które wymagają modyfikacji przez inne enzymy, takie jak cytochrom P450. Dlatego też różnorodność chemiczna terpenów kannabinoidowych odzwierciedla różnorodność enzymów TPS kodowanych przez rodzinę genów TPS kannabinoidów (Cs).
Monoterpen myrcene oraz seskwiterpeny ?-caryophyllene i ?-humulene wydają się być obecne w większości odmian konopi. Inne powszechnie występujące związki obejmują monoterpeny: ?-pinen, limonen i linalol oraz seskwiterpeny: bisabolol i (E)-?-farnezen. Należy zauważyć, że niektóre terpeny, zwłaszcza seskwiterpeny, są nadal trudne do zidentyfikowania ze względu na brak autentycznych wzorców dla wielu z tych związków. W związku z tym doniesienia na temat profili terpenowych w konopiach mogą obejmować nieznane związki, opierać się na wstępnej identyfikacji lub przedstawiać niepełne profile wybranych związków. Również stereochemia nie jest konsekwentnie opisywana lub jest często pomijana w raportach dotyczących terpenów konopi. Problemy te sprawiają, że trudno jest dokonać ogólnej oceny różnorodności terpenów w konopiach indyjskich na podstawie dostępnych danych, a także trudno jest porównać wyniki różnych badań.
Terpeny występujące w haszyszu i izoprenoidowa część struktury kannabinoidów są wytwarzane w systemie biosyntezy izoprenoidów, który wywodzi się ze szlaku kwasu mewalonowego (MEV) w cytozolu i szlaku fosforanu metyloidynylotetrahydrofolu (MEP) w plastydach. Monoterpeny i kannabinoidy mają wspólnego prekursora izoprenoidowego z 10 atomami węgla, difosforan geranylu (GPP, C10), podczas gdy seskwiterpeny są produkowane z 15-węglowego izoprenoidu difosforanu farnezylu (FPP, C15). Gdy GPP lub FPP są wykorzystywane jako substraty, syntazy monoterpenowe (mono-TPS) i syntazy seskwiterpenowe (sesqui-TPS) wytwarzają różne struktury mono- i seskwiterpenów występujących w żywicy konopnej. Niedawna analiza genomu i transkryptomu odmiany konopi Purple Kush pozwoliła na zidentyfikowanie ponad 30 różnych genów CsTPS. Do tej pory scharakteryzowano i opublikowano dane dotyczące funkcji tylko dziewięciu CsTPS. Podobnie jak w przypadku wielu innych roślinnych TPS, osiem z dziewięciu scharakteryzowanych enzymów CsTPS tworzy wiele produktów, które generują kilka różnych struktur terpenowych z GPP lub FPP. Wieloskładnikowy charakter CsTPS może wyjaśniać, dlaczego niektóre terpeny, takie jak ?-humulen i ?-kariofilen, występują razem w różnych próbkach konopi. CsTPS odpowiedzialny za wiele różnych terpenów występujących w konopiach jest wciąż nieznany.
Różnice w składzie rodziny genów CsTPS i zmienność ekspresji genów CsTPS prawdopodobnie wyjaśniają obserwowane zróżnicowanie profili terpenowych u poszczególnych gatunków. Jednakże poziom zróżnicowania w wielkości, składzie i ekspresji rodziny genów CsTPS oraz czynniki wpływające na ekspresję genów CsTPS są w większości nieznane. Na przykład, wykazano, że zróżnicowanie biosyntezy terpenów na poziomie genomicznym, transkryptomicznym, proteomicznym i biochemicznym u innych roślin odpowiada za fenotypowe wewnątrzgatunkowe zróżnicowanie profili terpenowych. Profile terpenowe mogą również ulegać istotnym zmianom ze względu na zróżnicowaną ekspresję genu CsTPS podczas rozwoju rośliny lub w odpowiedzi na czynniki środowiskowe. Ponadto, rozwojowa lub tkankowo-specyficzna ekspresja CsTPS może wpływać na zmianę profili terpenowych w produktach z konopi. Żaden z tych czynników zmienności terpenów, które mogą przyczyniać się do słabej odtwarzalności składu terpenów, nie był systematycznie badany w konopiach indyjskich.
Funkcjonalność tlenowa prostych alkoholi terpenowych występujących w konopiach indyjskich, takich jak linalol czy bisabolol, może być wynikiem aktywności enzymatycznej CsTPS, co wykazano również w przypadku TPS u innych gatunków roślin. Inne pochodne terpenowe wykrywane w konopiach indyjskich mogą powstawać nieenzymatycznie w wyniku utleniania lub w wyniku przegrupowań wywołanych działaniem ciepła lub promieniowania UV podczas przetwarzania lub przechowywania, np. tlenek kariofilenu, ?-elemen lub pochodne mircenu. Te nieenzymatyczne modyfikacje mogą dodać poziom zmienności, który jest niezależny od genomu i biochemii rośliny. Jeżeli analizę terpenów przeprowadza się na wysuszonym materiale roślinnym, inną przyczyną zróżnicowania terpenów mogą być zmienne straty ilościowe terpenów, zwłaszcza bardziej lotnych monoterpenów.
W celu rozwiązania problemu słabej odtwarzalności profili terpenowych w konopiach indyjskich konieczne będzie przeprowadzenie specjalistycznych badań z wykorzystaniem różnorodnych genotypów konopi uprawianych w kontrolowanych warunkach środowiskowych oraz ilościowa i jakościowa analiza profili terpenowych w trakcie rozwoju rośliny. Musiałoby to obejmować kontrolowane eksperymenty w celu oceny wpływu warunków środowiskowych, takich jak światło, nawadnianie i składniki odżywcze. Eksperymenty te powinny obejmować nie tylko analizę metabolitów terpenowych, ale również kompleksowe profilowanie transkrypcyjne ekspresji genów CsTPS. Wyniki takiego badania pozwoliłyby na tak potrzebne prawidłowe przypisanie powtarzalnych profili terpenowych do różnych "szczepów" i wsparłyby standaryzację odmian konopi i pochodnych produktów konsumenckich.
3) Biosynteza kannabinoidów
W porównaniu z biosyntezą terpenów, biosynteza kannabinoidów jest jak dotąd priorytetem ograniczonych badań nad biosyntezą metabolitów w konopiach. Znaczna część szlaku biosyntezy rdzenia kannabinoidowego została scharakteryzowana. Podstawowym produktem pośrednim w biosyntezie kannabinoidów jest kwas kannabigerolowy (CBGA). CBGA powstaje w wyniku prenylacji aromatycznego kwasu oliwinowego przez grupę geranylową. Niedawno sklonowano prenylotransferazę aromatyczną (aPT) i wykazano jej aktywność w zmodyfikowanych metabolicznie drożdżach do produkcji CBGA, a w literaturze patentowej opisano wcześniej pokrewne białko błony konopnej o aktywności prenylotransferazy.
Wykazano, że podobne enzymy prenylują acylochloroglucynole, tworząc kwasy goryczkowe w chmielu, bliskim krewnym konopi. Dokładne pochodzenie prekursorów kwasów tłuszczowych kwasu olivetolowego nie jest znane. Opublikowano geny dla trzech różnych syntaz kannabinoidowych, mianowicie syntazy THCA (THCAS), syntazy CBDA (CBDAS) i syntazy kwasu kannabichromenowego (CBCAS). Jednak geny i enzymy odpowiedzialne za wiele pomniejszych kannabinoidów, w tym warianty propylowe łańcucha bocznego, pozostają nieznane.
4) Efekty przypisywane terpenom w konopiach indyjskich
Prawdopodobnie jedynym niekwestionowanym skutkiem oddziaływania terpenów konopi na człowieka są właściwości zapachowe różnych lotnych związków mono- i seskwiterpenowych oraz ich mieszanin. W zależności od zmiennych profili składu terpenów konopi, różne "odmiany" wytwarzają różne zapachy, które mogą wpływać na preferencje konsumentów. Jednak inne właściwości przypisywane terpenom w produktach z konopi indyjskich, w tym właściwości lecznicze, nie zostały jeszcze poparte dowodami naukowymi.
Popularnym pomysłem jest tak zwany "efekt świty". Zakłada ona synergię farmakologiczną pomiędzy kannabinoidami i innymi składnikami marihuany, w szczególności terpenami. Przewidywane aspekty efektu entourage obejmują leczenie depresji, lęków, uzależnień, epilepsji, raka i infekcji. Wydaje się, że koncepcja efektu synergicznego wynika z przekonania użytkowników konopi indyjskich, że różne "odmiany" mają różne skutki fizjologiczne. Nie ulega wątpliwości, że w ogromnej przestrzeni chemicznej tysięcy roślinnych terpenów i terpenoidów znajduje się wiele biologicznie aktywnych cząsteczek. Niektóre terpenoidy, takie jak lek przeciwnowotworowy Taxol, są silnymi i bardzo wartościowymi lekami, których działanie jest poparte wieloma badaniami farmakologicznymi i klinicznymi. W jednym z niewielu badanych przykładów efektu "entourage" stwierdzono, że terpeny nie przyczyniają się do analgezji wywołanej przez kannabinoidy u szczurów. Z możliwym wyjątkiem seskwiterpenu ?-kariofilenu, nie wykazano żadnego mechanizmu molekularnego, który wyjaśniałby potencjalną synergię terpenów z kannabinoidami. Jedno z możliwych wyjaśnień efektów przypisywanych terpenom ujawniono w ostatnim przeglądzie, w którym podkreślono, że efekt placebo jest częściowo mediowany przez układ endokannabinoidowy, co może wyjaśniać niektóre z postrzeganych efektów produktów z konopi indyjskich.
Sezkwiterpen ?-kariofilen jest obecny w wielu "odmianach" i produktach z konopi. Cząsteczka wiąże się z receptorem kannabinoidowym CB2 u ssaków, co może być prawdopodobnym mechanizmem interakcji z kannabinoidami i punktem wyjścia do przyszłych badań. ?-kariofilen jest jednym z najmniej zmiennych składników terpenowych w konopiach, więc różnice w działaniu różnych szczepów na człowieka nie mogą być wyjaśnione w ten sposób. Przypuszczalny synergiczny wpływ terpenów na skutki działania konopi indyjskich na człowieka to obszar wymagający dokładnych badań, które będą teraz możliwe w tych jurysdykcjach, w których zniesiono niektóre ograniczenia prawne.
5. Twierdzenia o antyrakowym działaniu marihuany i terpenów konopi mogą przynieść więcej szkody niż pożytku
Wykazano, że niektóre monoterpeny blokują powstawanie guzów lub hamują progresję cyklu komórkowego u szczurów in vivo. Jednakże ilość terpenów potrzebna do wywołania działania antyproliferacyjnego u szczurów stanowi do 10 % diety tych zwierząt. Podobnie, kannabinoidy mogą hamować powstawanie guzów w zwierzęcych modelach nowotworów. Badania laboratoryjne, takie jak te, mogły doprowadzić do sugestii, że ekstrakty z konopi, wraz z kombinacją kannabinoidów i terpenów, mają właściwości antynowotworowe. Jednak do tej pory nie ma przekonujących dowodów na poparcie twierdzenia o przeciwnowotworowym działaniu terpenów spożywanych z produktami z konopi. Podczas gdy ekstrakt z kwiatów konopi ma wyższą aktywność przeciwnowotworową niż czyste THC, efekt ten nie został przypisany żadnemu z pięciu najbardziej powszechnych terpenów.
Ogólnie rzecz biorąc, należy zauważyć, że konopie indyjskie są często spożywane poprzez palenie lub w postaci oparów. Dotyczy to również używania konopi indyjskich przez młode osoby dorosłe. Nawyki związane z konsumpcją, takie jak wdychanie spalonych lub odparowanych produktów z konopi, należy traktować jako zagrożenie dla zdrowia, w tym potencjalne ryzyko wywołania raka lub innych problemów zdrowotnych, bardziej niż promowanie niepopartych dowodami twierdzeń o antyrakowym działaniu konopi.
6. Perspektywa i przyszłość
Genomika powoli docierała do konopi, głównie ze względu na ograniczenia prawne dotyczące finansowania i naukowców. Pierwszy genom konopi o jakości referencyjnej został opublikowany w 2018 roku, umożliwiając analizę genomową genów dla systemów ścieżek metabolicznych w konopiach. Potrzeba więcej badań genotypowania i sekwencjonowania, aby objąć pełną różnorodność gatunków. Szczególny nacisk należy położyć na słabo opisane lądowe odmiany euroazjatyckie i afrykańskie. Narzędzia niezbędne do genomiki funkcjonalnej systemów metabolicznych, a ostatecznie do poprawy jakości upraw, takie jak transformacja genetyczna lub edycja genomu, nie zostały jeszcze udostępnione do badań nad konopiami indyjskimi w domenie publicznej. Oprócz genów, które kodują enzymy biosyntezy terpenów i kannabinoidów w konopiach, konieczne są badania mające na celu wyjaśnienie czynników, które kontrolują ekspresję tych systemów biosyntezy. Obejmuje to, na przykład, regulację ekspresji genów specyficznych dla danego typu komórek w odniesieniu do rozwoju trichomów gruczołowych, architektury roślin i początku kwitnienia u roślin żeńskich.
W miarę rozluźniania ograniczeń w zakresie badań nad konopiami indyjskimi, konopie indyjskie staną się prawdopodobnie bardziej popularnym organizmem do badań, zarówno w zakresie wiedzy podstawowej, jak i zastosowań praktycznych. Konopie indyjskie są użytecznym systemem do badań nad terpenami, ponieważ produkują duże ilości różnorodnej, bogatej w terpeny żywicy na powierzchni pokrytej trichomami. Ilość i wielkość jego gruczołowych trichomów czyni go użytecznym źródłem do badań nad komórkową specjalizacją i regulacją metabolizmu terpenów i kannabinoidów.
Obecnie, spośród setek metabolitów terpenów i kannabinoidów zidentyfikowanych w konopiach, mniej niż 30 zostało scharakteryzowanych pod kątem biosyntezy. Przyszłe prace biochemiczne i funkcjonalne nad systemami biosyntezy w konopiach indyjskich przyniosłyby korzyści społeczności, która stara się wygenerować i zarchiwizować kompletny i powtarzalny zestaw danych metabolitów i genomów dla jednego lub więcej genotypów, aby służyć jako punkt odniesienia. Równocześnie należy odpowiednio scharakteryzować pod względem genotypowym i fenotypowym (np. w odniesieniu do ich metabolitów) większą liczbę rodzajów konopi, aby przezwyciężyć obecne zamieszanie związane z określeniem "szczepy". Celem byłoby opracowanie powtarzalnych odmian konopi do celów badawczych i przemysłowych, porównywalnych z dobrze zdefiniowanymi odmianami winogron stosowanymi w uprawie winorośli. Przejście od "szczepów" do odmian będzie wymagało współpracy między badaczami, hodowcami i plantatorami konopi. Do tej pory żadne stowarzyszenie branżowe nie przejęło wiodącej roli w ustalaniu standardów i praktyk lub w określaniu odmian dostępnych dla społeczności. Jako pierwszy kraj rozwinięty, który w pełni zalegalizował konopie indyjskie, naukowcy i przemysł kanadyjski mają wyjątkową pozycję do odegrania wiodącej roli w tym przedsięwzięciu.
FOTO: Shutterstock
"Wszystkie informacje podane na niniejszej stronie internetowej, jak również informacje, które są przekazywane za pośrednictwem tej strony, służą wyłącznie do celów edukacyjnych. Żadna z przedstawianych tu informacji nie służy jako zamiennik diagnozy lekarskiej i takiej informacji nie należy uważać za poradę lekarską czy zalecane leczenie. Niniejsza strona internetowa nie wspiera, nie zatwierdza ani też nie broni dozwolonego i zabronionego stosowania substancji psychoaktywnych oraz psychotropowych, ani też wykonywania innych nielegalnych działań. Dodatkowe informacje można znaleźć w naszym Oświadczeniu o odpowiedzialności.”