Phytochemical investigation and metabolomic study of Cannabis sativa L.: new methodologies for quality assessment using modern analytical techniques

Abstract

Cannabis sativa L. has been used for thousands of years by humankind for different purposes, including many therapeutic applications. Fiber-type C. sativa, also known as hemp, has emerged as a source of valuable compounds, notably non-psychoactive cannabinoids, such as cannabidiol (CBD). Hemp cultivation was only recently allowed in many European countries, including Greece, leading to the development of novel markets. In parallel, the use of medical cannabis, which is the other well-known chemotype, characterized by high content of the psychoactive Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC), is cautiously expanding around the world due to therapeutic effects. In this regard, the issues of quality assessment and characterization of C. sativa are of obvious relevance. Extraction of plant material is the primary step to recover the bioactive components, such as cannabinoids. In this thesis, plant extraction techniques intended for analytical determination or preparative purposes were investigated and statistically optimized using response surface methodology (RSM). Also, the majority of reported solvents were critically compared in terms of cannabinoid recovery and phytochemical fingerprints. For determination of cannabinoids, analytical methods mostly based on liquid chromatography-photodiode array detection (LC-PDA) were developed and validated, offering rapid and reliable results. To explore aspects of phytochemical composition, detailed characterization was achieved mostly through high-resolution mass spectrometric (HRMS) techniques coupled to liquid chromatography, which enabled the dereplication of minor cannabinoids of various classes, in addition to other constituents. Total extracts as well as fractions produced from efficient techniques such as centrifugal partition extraction (CPE) were characterized. Further, in order to understand the causes of underlying variability among various C. sativa samples, metabolomics approaches were followed, regarding hemp as well as medical cannabis. A large pool of hemp inflorescence samples from Greece was mapped, and the effect of harvesting year, geographical origin and variety was investigated using a combination of nuclear magnetic resonance (NMR) and LC-based metabolite profiling. Multivariate data analysis (MVDA) for pattern recognition enabled classification according to important parameters and revealed potential biomarkers, being the first study of its kind for Greek samples. Regarding the other important chemotype, i.e., medical cannabis, its increased worldwide use for the treatment of debilitating conditions enhances the need for controlled production using biotechnological in vitro approaches. Based on an optimized micropropagation protocol, the chemical diversity across the different stages of tissue culture was explored to understand the effect of ontogeny on specialized as well as primary metabolism. Techniques for rapid and comprehensive metabolite detection, mainly NMR, were used in this regard. For most of the above studies, cannabinoid standards were obtained in the framework of this thesis. Preparative isolation was carried out enabling the production of highly pure analytical standards to be used for method development and extensive validation. Especially for major cannabinoids, various workflows were developed for cost-effective separation and purification, involving centrifugal partition chromatography (CPC) and other preparative techniques. Based on these processes, CBD of high purity was successfully obtained in various scales, and was further explored for its pharmacological properties, particularly its potential antipsychotic effect.

Το φυτό της κάνναβης (Cannabis sativa L.) χρησιμοποιείται εδώ και χιλιάδες χρόνια από την ανθρωπότητα για ποικίλους σκοπούς, συμπεριλαμβανομένων πολλών θεραπευτικών εφαρμογών. Ο τύπος κλωστικών ινών, γνωστός και ως βιομηχανική κάνναβη, έχει αναδειχθεί ως πηγή πολύτιμων ενώσεων, κυρίως μη ψυχοδραστικών κανναβινοειδών, όπως η κανναβιδιόλη (CBD). Η καλλιέργεια βιομηχανικής κάνναβης επετράπη μόλις πρόσφατα σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Ελλάδας, οδηγώντας στην ανάπτυξη νέων αγορών. Παράλληλα, η χρήση της φαρμακευτικής κάνναβης, που αποτελεί τον χημειότυπο με υψηλή περιεκτικότητα στην ψυχοδραστική ουσία Δ9-τετραϋδροκανναβινόλη (Δ9-THC), επεκτείνεται με σταθερό ρυθμό σε όλο τον κόσμο για την αντιμετώπιση ορισμένων παθολογικών καταστάσεων. Με βάση τα παραπάνω, ζητήματα που αφορούν την αξιολόγηση ποιότητας και τον χαρακτηρισμό της C. sativa με βάση το φυτοχημικό περιεχόμενο έχουν προφανή σημασία. Η εκχύλιση του φυτικού υλικού είναι το πρωταρχικό βήμα για την ανάκτηση βιοδραστικών συστατικών, όπως τα κανναβινοειδή. Σε αυτή τη διατριβή, τεχνικές εκχύλισης που προορίζονται τόσο για ποσοτική ανάλυση όσο και για παρασκευαστικούς σκοπούς διερευνήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν με τη χρήση μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης (RSM). Επίσης, η πλειονότητα των διαλυτών εκχύλισης που αναφέρονται στη βιβλιογραφία συγκρίθηκαν διεξοδικά τόσο όσον αφορά την ανάκτηση κανναβινοειδών όσο και το συνολικό φυτοχημικό προφίλ των εκχυλισμάτων. Για τον προσδιορισμό των κανναβινοειδών, αναπτύχθηκαν και επικυρώθηκαν αναλυτικές μέθοδοι που βασίζονται κυρίως στην υγρή χρωματογραφία με ανιχνευτή συστοιχίας φωτοδιόδων (LC-PDA), αποδίδοντας γρήγορα και αξιόπιστα αποτελέσματα. Με σκοπό την περαιτέρω φυτοχημική διερεύνηση, επιτεύχθηκε λεπτομερής χαρακτηρισμός δειγμάτων, κυρίως μέσω τεχνικών φασματομετρίας μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRMS) σε συνδυασμό με υγρή χρωματογραφία, επιτρέποντας την ταχεία αναγνώριση δευτερευόντων κανναβινοειδών από διάφορες κατηγορίες, καθώς και άλλων συστατικών. Με αυτό τον τρόπο χαρακτηρίστηκαν ολικά εκχυλίσματα καθώς και κλάσματα που προέκυψαν από αποτελεσματικές τεχνικές απλοποίησης της χημικής πολυπλοκότητας, όπως η εκχύλιση κατανομής με φυγοκέντρηση (CPE). Στη συνέχεια, προκειμένου να κατανοηθούν οι αιτίες της υποκείμενης μεταβλητότητας μεταξύ διαφόρων δειγμάτων C. sativa, ακολουθήθηκαν μεταβολομικές προσεγγίσεις, τόσο στην βιομηχανική όσο και στην φαρμακευτική κάνναβη. Όσον αφορά τη βιομηχανική κάνναβη, χαρτογραφήθηκε ένα πλήθος δειγμάτων από την ελληνική επικράτεια και διερευνήθηκε η σημασία του έτους συγκομιδής, της γεωγραφικής προέλευσης και της ποικιλίας χρησιμοποιώντας συνδυασμό πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) και τεχνικών βασισμένων στην υγρή χρωματογραφία για την καταγραφή του προφίλ μεταβολιτών. Η πολυπαραμετρική ανάλυση δεδομένων (MVDA) για την αναγνώριση προτύπων επέτρεψε την ταξινόμηση σύμφωνα με σημαντικές παραμέτρους και αποκάλυψε πιθανά μόρια-βιοδείκτες, αποτελώντας την πρώτη μελέτη του είδους της για ελληνικά δείγματα κάνναβης. Όσον αφορά τον άλλο σημαντικό χημειότυπο, δηλαδή την φαρμακευτική κάνναβη, η αυξημένη παγκόσμια χρήση της για θεραπευτικούς σκοπούς εντείνει την ανάγκη για ελεγχόμενη παραγωγή με χρήση βιοτεχνολογικών εργαλείων, όπως in vitro καλλιέργεια. Χρησιμοποιώντας ένα βελτιστοποιημένο πρωτόκολλο ιστοκαλλιέργειας, διερευνήθηκε η χημική ποικιλομορφία ανάμεσα στα διαφορετικά στάδια του μικροπολλαπλασιασμού για να κατανοηθεί η επίδραση της οντογένεσης στον δευτερογενή αλλά και στον πρωτογενή μεταβολισμό. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές για γρήγορη και ολοκληρωμένη ανίχνευση μεταβολιτών, κυρίως NMR. Για τις περισσότερες από τις παραπάνω μελέτες, απαιτήθηκαν ποσότητες πρότυπων κανναβινοειδών, οι οποίες παραλήφθηκαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε απομόνωση από το φυτικό υλικό, που οδήγησε στην παραλαβή αναλυτικών προτύπων υψηλής καθαρότητας για χρήση στην ανάπτυξη και επικύρωση μεθόδων. Κυρίως όσον αφορά τα πρωταρχικά κανναβινοειδή, αναπτύχθηκαν διάφορες διεργασίες για αποδοτικό διαχωρισμό και καθαρισμό, περιλαμβάνοντας χρωματογραφία κατανομής με φυγοκέντρηση (CPC) και άλλες παρασκευαστικές τεχνικές. Με βάση τις διαδικασίες αυτές, ανακτήθηκε CBD υψηλής καθαρότητας σε διάφορες κλίμακες, επιτρέποντας την περαιτέρω διερεύνηση των φαρμακολογικών της ιδιοτήτων, και συγκεκριμένα της πιθανής αντιψυχωσικής της δράσης.