咖啡因体内代谢及其应用的研究进展

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 ,