Konopie okiem chemika: biosynteza kannabinoidów i metody ekstrakcji

Kiedy patrzymy na suszony kwiat konopi, widzimy roślinę. Kiedy patrzy na niego chemik, widzi precyzyjnie poukładaną fabrykę cząsteczek, w której kilkanaście enzymów składa proste prekursory w rodzinę liczącą ponad 150 kannabinoidów. Ta perspektywa jest mniej romantyczna niż „święta roślina”, ale to właśnie ona pozwala odpowiedzieć na pytania, które realnie wpływają na bezpieczeństwo i skuteczność preparatów konopnych: skąd bierze się THC, dlaczego CBDA samoistnie traci grupę karboksylową w temperaturze pokojowej, którym rozpuszczalnikiem wolno ekstrahować surowiec dla pacjenta, a którym lepiej nie.

W odcinku 016 podcastu Rozmowy Konopne gościem był Michał Karliński, chemik, dziennikarz radiowy, autor publikacji popularyzujących chemizm konopi. Ten artykuł rozwija najważniejsze wątki tej rozmowy: pokazuje biosyntezę kannabinoidów krok po kroku, porównuje cztery główne metody ekstrakcji, wyjaśnia klasy toksyczności rozpuszczalników według wytycznych farmaceutycznych ICH Q3C i odnosi to wszystko do praktycznej decyzji, jaką podejmuje konsument lub pacjent w aptece.

Kannabinoidy jako klasa związków: dlaczego to osobna poddziedzina chemii

Kannabinoidy to grupa terpenofenoli, związków, w których część fenolowa (pochodząca od olivetolu) łączy się z częścią terpenową (pochodzącą od fosforanu geranylu). Charakterystyczna struktura, w której pierścień rezorcynolowy podstawiony jest łańcuchem alkilowym i sprzęga się z monoterpenowym fragmentem, sprawia, że cząsteczki te zachowują się chemicznie inaczej niż klasyczne alkaloidy czy flawonoidy. Są lipofilowe, słabo rozpuszczalne w wodzie, podatne na utlenianie, izomeryzację i dekarboksylację. Dlatego ich badanie wymaga osobnego warsztatu: innych rozpuszczalników, innych kolumn chromatograficznych, innych warunków przechowywania prób.

Drugim powodem, dla którego chemia kannabinoidów wyodrębniła się jako poddziedzina, jest sama różnorodność biologiczna konopi. Cannabis sativa wytwarza nie jeden czy dwa, ale dziesiątki spokrewnionych cząsteczek, których proporcje zależą od chemotypu rośliny, etapu rozwoju i warunków uprawy. Inwentaryzacja sporządzona przez Hanuša i współpracowników opisuje ponad 150 fitokannabinoidów o potwierdzonej strukturze, a kolejne, jak Δ9-THCP zidentyfikowany przez Citti i wsp. w 2019 roku, są wciąż dodawane do listy. Dla chemika oznacza to, że każda partia surowca jest osobnym przedmiotem analizy, a uogólnienia w stylu „olejek CBD” opisują w rzeczywistości mieszaninę kilkudziesięciu związków.

Biosynteza krok po kroku: od olivetolu do THC, CBD i CBN

Szlak biosyntezy kannabinoidów, zrekonstruowany m.in. przez zespół Taury, zaczyna się od dwóch prekursorów. Z jednej strony jest kwas olivetolowy (produkowany ze szlaku poliketydowego), z drugiej fosforan geranylu (GPP, geranyl diphosphate), pochodzący ze szlaku terpenowego. Oba spotykają się w obecności enzymu, geranylotransferazy, który skleja je w kluczowy związek pośredni: kwas kannabigerolowy, CBGA.

CBGA jest kannabinoidem macierzystym, to z niego, w zależności od tego, który z trzech enzymów ostatniego etapu zadziała na cząsteczkę, powstają trzy główne gałęzie rodziny:

• THCA (kwas tetrahydrokannabinolowy), pod wpływem syntazy THCA. Po dekarboksylacji, czyli usunięciu grupy karboksylowej (uwalniającym dwutlenek węgla), przechodzi w neutralny THC, tę formę aktywującą receptor CB1.
• CBDA (kwas kannabidiolowy), pod wpływem syntazy CBDA. Po dekarboksylacji daje CBD, niepsychoaktywne, ale farmakologicznie aktywne.
• CBCA (kwas kannabichromenowy), pod wpływem syntazy CBCA. Po dekarboksylacji daje CBC, znacznie mniej zbadane od dwóch poprzednich (więcej w artykule o CBC).

Do tego dochodzi czwarty produkt, CBN (kannabinol), który nie powstaje enzymatycznie w żywej roślinie, lecz jest produktem powolnej degradacji THC w czasie. Im starszy susz, tym więcej CBN i tym mniej THC. Z kolei kannabinodion, związek znacznie rzadziej omawiany w piśmiennictwie popularnym, bywa wskazywany jako produkt dalszych utleniających przekształceń, choć jego znaczenie farmakologiczne pozostaje słabo poznane.

Warto zatrzymać się przy CBGA dłużej, bo to właśnie ten związek jest wąskim gardłem całego szlaku. Jeśli roślina nie wytworzy CBGA w odpowiedniej ilości, nie powstanie nic dalej. Dlatego selekcja odmian o wysokiej produkcji CBGA jest jednym z głównych kierunków hodowli surowca medycznego (szerzej: artykuł o CBGA).

Cztery główne metody ekstrakcji i co je różni

Sama biosynteza nie wystarczy, żeby z kwiatu zrobić preparat, trzeba kannabinoidy wyciągnąć. W praktyce farmaceutycznej i przemysłowej używa się dziś czterech rodzin metod, opisanych m.in. w przeglądzie Lazarjani i wsp. z 2021 roku.

CO2 w stanie nadkrytycznym

Industrial standard. Dwutlenek węgla pod ciśnieniem ok. 70–100 barów i w temperaturze nieco powyżej 31 °C przechodzi w stan nadkrytyczny, ma gęstość cieczy, ale lepkość gazu. W takich warunkach świetnie rozpuszcza tłuszcze, kannabinoidy i terpeny. Zalety: brak pozostałości rozpuszczalnika (CO2 odparowuje całkowicie po zwolnieniu ciśnienia), selektywność (można sterować ciśnieniem i temperaturą, by frakcjonować ekstrakt), pełna kontrola procesu. Wady: koszt aparatury idzie w setki tysięcy złotych, więc metoda nie nadaje się do warunków aptecznych ani domowych.

Etanol

Klasyczna receptura apteczna i ekstrakcyjna. Etanol rozpuszcza kannabinoidy bardzo dobrze, jednocześnie wyciągając też część chlorofilu i wosków (które potem trzeba usunąć przez tzw. winteryzację, wymrażanie i filtrację). Zaleta: etanol jest rozpuszczalnikiem klasy 3 wg ICH Q3C, czyli o niskim ryzyku toksykologicznym. Jest też tani, łatwy do odzyskania przez destylację i dopuszczony w farmacji. Wada: niespecyficzny, wyciąga „wszystko”, co oznacza więcej pracy na etapie oczyszczania.

Izopropanol (RSO-style)

Izopropanol, alkohol izopropylowy, to rozpuszczalnik klasy 2 wg ICH Q3C, czyli taki, dla którego wytyczne farmaceutyczne ustanawiają limity dziennej ekspozycji. Ekstrakcje typu RSO (Rick Simpson Oil), w których surowiec macerowany jest właśnie w izopropanolu lub naftowym eterze, są popularne w obiegu pacjenckim, ale budzą uzasadnione kontrowersje. Po pierwsze: skuteczność odparowania rozpuszczalnika w warunkach domowych jest niemierzalna. Po drugie: izopropanol pozostawiony w preparacie metabolizowany jest do acetonu, co dla pacjenta onkologicznego nie jest obojętne. Po trzecie: pacjent nie ma narzędzi, by sprawdzić, ile rozpuszczalnika realnie zostało w gotowym ekstrakcie (rzetelnym kontekstem jest tu rozmowa o badaniach laboratoryjnych produktów konopnych).

Węglowodory: heksan, n-pentan, butan

W industrialnych koncentratach (shatter, wax, BHO) stosuje się węglowodory, najczęściej butan i propan, rzadziej heksan i n-pentan. Wyciągają kannabinoidy bardzo wydajnie i selektywnie (mało chlorofilu), ale są to rozpuszczalniki klasy 2 (heksan) lub klasy 3 (pentan, butan) z bardzo niskim progiem zapłonu, co czyni proces niebezpiecznym, jeśli wykonywany jest poza odpowiednim reaktorem. W warunkach przemysłowych z zamkniętym obiegiem, automatyczną kontrolą i końcową próżnią pozwala uzyskać produkt o znanym profilu. W warunkach „garażowych” to po prostu sposób na pożar.

Klasy toksyczności rozpuszczalników: po co istnieje ICH Q3C

Międzynarodowa wytyczna ICH Q3C(R6) jest dokumentem regulacyjnym, który dzieli rozpuszczalniki używane w produkcji leków na trzy klasy. To kluczowy punkt odniesienia, gdy oceniamy, czy dany ekstrakt nadaje się do podania doustnego.

• Klasa 1, rozpuszczalniki, których należy unikać. Wykazują udowodnione działanie kancerogenne lub silne działanie toksyczne. Należą tu m.in. benzen, czterochlorek węgla, 1,2-dichloroetan, 1,1-dichloroeten. W produkcji preparatów konopnych nie powinny pojawiać się w ogóle.
• Klasa 2, rozpuszczalniki z ograniczeniami. Mogą być używane, ale ich pozostałości w gotowym produkcie nie mogą przekroczyć limitów PDE (Permitted Daily Exposure). Należą tu m.in. heksan, metanol, dichlorometan, acetonitryl.
• Klasa 3, rozpuszczalniki o niskim ryzyku. Przy normalnym użyciu i poprawnym odparowaniu nie stanowią zagrożenia toksykologicznego. Należą tu m.in. etanol, izopropanol, aceton, octan etylu, n-pentan, n-heptan.

Praktyczny wniosek jest prosty: jeśli pacjent kupuje preparat konopny w aptece, ma prawo oczekiwać, że został on wytworzony z rozpuszczalnika klasy 3 (lub bez rozpuszczalnika, CO2), a wszelkie pozostałości zostały oznaczone analitycznie. Jeśli kupuje „RSO z internetu”, takiej gwarancji nie ma.

Dekarboksylacja: dlaczego CBDA znika, nawet gdy go nie podgrzewamy

Dekarboksylacja to reakcja, w której kwasowy kannabinoid (THCA, CBDA, CBGA) traci grupę karboksylową i przechodzi w formę neutralną (THC, CBD, CBG). W tradycyjnym opisie reakcja zachodzi pod wpływem temperatury, podgrzanie suszu do 100–140 °C przez kilkanaście minut konwertuje większość THCA w THC.

Mniej znany, ale dobrze udokumentowany fakt, opisany m.in. przez Wanga i wsp. w badaniu Decarboxylation Study of Acidic Cannabinoids z 2016 roku, jest taki, że dekarboksylacja zachodzi również w temperaturze pokojowej, tylko bardzo powoli. CBDA jest pod tym względem szczególnie nietrwałe: w roztworze olejowym, przechowywane w temperaturze pokojowej, w ciągu kilku tygodni potrafi w znaczącym procencie skonwertować się do CBD. Implikacje są praktyczne: olejek deklarowany jako „pełnospektralny z dużą zawartością CBDA” po pół roku leżenia na półce w łazience nie zawiera już tyle CBDA, co w dniu produkcji. Stąd zalecenia przechowywania preparatów w chłodzie, ciemności i w szczelnym opakowaniu, to nie marketing, tylko chemia.

Ekstrakty selektywne vs pełnospektralne: gdzie się rozchodzi farmacja i nutraceutyk

W dyskursie konsumenckim dominuje narracja entourage effect, że ekstrakt pełnospektralny działa lepiej, bo zawiera „całe spectrum” kannabinoidów i terpenów. Z perspektywy badań klinicznych obraz jest jednak odwrotny: do rejestracji leku dąży się do ekstraktów selektywnych, w których profil substancji czynnej jest powtarzalny od partii do partii i pozwala kontrolować dawkę z precyzją do miligrama.

Powód jest prozaiczny: jeśli pacjent dostaje preparat zawierający „mniej więcej 25 mg CBD i nieokreśloną ilość kilkudziesięciu innych związków”, to lekarz nie jest w stanie ustalić relacji dawka–odpowiedź, a regulator nie jest w stanie zatwierdzić preparatu jako leku. Dlatego Epidiolex (zarejestrowany w padaczce lekoopornej) to izolat CBD, a nie pełnospektralny ekstrakt, i dlatego większość konopnych preparatów onkologicznych w randomizowanych badaniach to standaryzowane ekstrakty THC o zdefiniowanym profilu. Entourage nie jest „obalony”, może wciąż okazać się prawdziwy, ale dopóki nie zostanie zoperacjonalizowany jako mierzalny i powtarzalny, farmacja będzie wolała kontrolę nad estetykę „całej rośliny”.

Praktyka: prosty macerat olejowy w warunkach domowych

Jeśli kogoś interesuje samodzielne wykorzystanie legalnego suszu CBD do łagodnych zastosowań (np. preparat na skórę, miejscowo), istnieje bezpieczna technika niewymagająca rozpuszczalników: macerat olejowy. Polega na zalaniu zdekarboksylowanego suszu CBD (po wcześniejszym podgrzaniu w piekarniku w ok. 110 °C przez 30–40 minut) wysokiej jakości olejem (oliwa, MCT) w stosunku ok. 1 g suszu na 10 ml oleju, utrzymaniu mieszaniny w temperaturze 60–70 °C przez 1–2 godziny (np. w łaźni wodnej) i przesączeniu. Nie wymaga żadnego rozpuszczalnika klasy 1 ani 2, jest powtarzalna i nie pozostawia toksykologicznych niespodzianek.

Macerat olejowy nie zastępuje leku medycznego, wydajność ekstrakcji jest niższa niż w metodzie etanolowej, a profil kannabinoidów ograniczony do tego, co rzeczywiście było w suszu. Ale dla osoby, która chce z legalnego źródła zrobić sobie własny preparat o znanym składzie, jest to opcja, której chemicy nie krytykują.

FAQ: chemia konopi w pytaniach

Powiązane materiały

• Odcinek 016, Konopie okiem chemika (Michał Karliński)
• CBGA, kwas kannabigerolowy: co mówi nauka
• CBC, kannabichromen: co mówi nauka
• Ekstrakty THC: farmakologia doustna, ból, onkologia
• Badania laboratoryjne produktów konopnych (Canalabs)

Źródła

1. Taura F i wsp. Cannabinoid biosynthesis: molecular cloning and characterization of cannabis enzymes. Phytochem Rev. 2007. PubMed
2. Hanuš LO i wsp. Phytocannabinoids: a unified critical inventory. Nat Prod Rep. 2016. PMID: 27801932. PubMed
3. Citti C i wsp. A novel phytocannabinoid isolated from Cannabis sativa L. with in vivo cannabimimetic activity higher than Δ9-THC: Δ9-THCP. Sci Rep. 2019. PMID: 31889100. PubMed
4. Wang M i wsp. Decarboxylation Study of Acidic Cannabinoids: A Novel Approach Using Ultra-High-Performance Supercritical Fluid Chromatography/Photodiode Array-Mass Spectrometry. Cannabis Cannabinoid Res. 2016. PMID: 28861493. PubMed
5. ICH Q3C(R6) Impurities: Guideline for Residual Solvents. ICH
6. Lazarjani MP i wsp. Processing and Extraction Methods of Medicinal Cannabis: A Narrative Review. J Cannabis Res. 2021. PMID: 33850316. PubMed

Disclaimer: Artykuł ma charakter wyłącznie edukacyjny i nie stanowi porady medycznej, farmaceutycznej ani prawnej. Opisane metody ekstrakcji rozpuszczalnikami (etanol, izopropanol, węglowodory) są procesami wymagającymi zaplecza laboratoryjnego i nie powinny być wykonywane w warunkach domowych ze względu na ryzyko pożaru, wybuchu oraz pozostałości toksykologicznych w produkcie. Stosowanie preparatów konopnych, w tym CBD, w celach zdrowotnych należy skonsultować z lekarzem, zwłaszcza przy współistniejącej farmakoterapii. Status prawny THC w Polsce jest restrykcyjny, niniejszy tekst nie zachęca do działań niezgodnych z obowiązującym prawem.