Die Isolation von Cannabinoiden

Einleitung

Cannabis sativa besteht aus Hunderten von Einzelverbindungen, die in viele chemische Familien wie Terpene, Aminosäuren, Fettsäuren, Kohlenwasserstoffe, Flavonoide und Cannabinoide eingeteilt werden können.[1]

Cannabinoide sind eine Klasse von Chemikalien, die als terpenophenolische Verbindungen klassifiziert werden. Es gibt etwa 70 terpenophenolische Verbindungen in der Cannabinoid-Klasse. Diese kommen ausschliesslich in Cannabispflanzen vor.[2] Von den 70 Cannabinoiden, die in Cannabis vorkommen, gibt es mehrere Cannabinoide, die für den Menschen von physiologischem und medizinischem Interesse sind. Dazu gehören psychoaktives ∆-9-Tetrahydrocannabinol (THC), nicht-psychoaktives Cannabidiol (CBD) und nicht-psychoaktives Tetrahydrocannabivarin (THCV). THC, THCV und CBD sind neutrale Formen von Cannabinoiden, die nach nichtenzymatischer Decarboxylierung von Delta-9-Tetrahydrocannabinolsäure (THCA), Tetrahydrocannabivarsäure (THCVA) und Cannabidiolsäure (CBDA) entstehen.[3]

Cannabidiol (CBD) ist der Hauptbestandteil der Cannabis sativa-Pflanze. CBD ist von besonderem Interesse, da es einerseits nicht psychotrop ist, andererseits therapeutische und heilende Eigenschaften bei Schmerzen, Entzündungen, Epilepsie und Krebs nachgewiesen wurden. Nach EU-Recht darf Hanf angebaut und legal vermarktet werden, solange er weniger als 0,2 % THC auf Trockengewichtsbasis enthält.[4] Die Nachfrage der größten der Verbraucher in Europa – Italien, die Niederlande und Deutschland – für medizinisches Cannabis könnte sich in den kommenden Jahren verdoppeln.[5]

Cannabinoide sind in einem klebrigen Harz in den Drüsen-Trichomen konzentriert (haarähnlichen Strukturen auf der Oberfläche der Pflanze).[6] Obwohl die meisten Cannabinoide in Wasser fast unlöslich sind, können sie sich normalerweise in Ölen, Alkoholen und anderen unpolaren Lösungsmitteln auflösen. Um die Verbrauchersicherheit zu gewährleisten und der steigenden Nachfrage standzuhalten, ist es entscheidend, standardisierte CBD-Produkte zu entwickeln, die frei von Tetrahydrocannabinol (THC) und anderen Verunreinigungen sind.

Wenn die Cannabispflanze einem Extraktionsprozess unterzogen wird, um CBD zu isolieren, werden in einem ersten Schritt alle Cannabinoid-Verbindungen der Pflanze extrahiert. Dies bedeutet, dass zusätzliche Schritte unternommen werden müssen, um CBD aus dieser Gruppe von Stoffen zu isolieren. Dies macht die Isolation von CBD ziemlich schwierig.

Im Gegensatz zu Isolaten (welche nur CBD enthalten) bestehen Vollspektrum-CBD-Produkte aus dem gesamten Spektrum an Cannabinoiden.[7] Das heisst, das in solchen Produkten auch das psychoaktive THC enthalten ist. Je nach gesetzlicher Richtlinie oder Vorliebe des Konsumenten, kann dies ein Problem darstellen.

Zudem müssen laut Gesetz CBD-Produkte aus Hanf und nicht aus Marihuana gewonnen werden. Hanf enthält per Definition weniger als 0,3 % THC, was bedeutet, dass der Extrakt von Natur aus nur geringe Mengen an THC enthält.[8]

CBD-Isolat hat den Vorteil, dass es die reinste und wirksamste Form von CBD ist. Es enthält oft über 90 % Cannabidiol.[9] Es besteht kein Risiko psychoaktiver Wirkungen und ein minimales Risiko eines falsch positiven Drogentestergebnisses. Darüber hinaus ist CBD-Isolat geschmacks- und geruchsneutral. Dies ist perfekt für alle, die mit CBD kochen möchten: es kann zu Rezepten hinzugefügt werden, ohne den Geschmack zu verändern. Der einzige wirkliche Nachteil von CBD-Isolaten ist, dass sie keinen sogenannten Entourage-Effekt erzeugen.[10]

Der Entourage-Effekt beschreibt, wie die Cannabinoide zusammenwirken. Studien haben gezeigt, dass Patienten, die Vollspektrum-CBD erhielten, eine größere Linderung erfuhren als diejenigen, die CBD-Isolat zu sich nahmen [11] - solche Resultate sind jedoch noch nicht abschliessend verstanden.

Die Entwicklung verschiedener Technologien, die sowohl legal als auch wirtschaftlich sind, ist noch immer eine Herausforderung. Die Entwicklung standartisierter Methoden ist Grundlage um Produktionsstandards im industriellen Maßstab festlegen zu können. Trotz routinemäßiger Isolierungstechniken im Labor sind die Variablen, die die Wahl der Isolierungsmethode sowie die endgültige Extraktionsausbeute beeinflussen, noch immer nicht gut verstanden – schliesslich arbeitet man ja mit einem lebenden Organismus.[12]

SFC

Methode

Die superkritische Flüssigkeitschromatographie (SFC) ist eine leistungsstarke chromatographische Technik zur Trennung und Isolierung komplexer Gemische aus Naturstoffen.[13] Nahezu alle modernen SFC-Praktiken verwenden Kohlendioxid (CO2) als Lösungsmittel.

Kohlendioxid hat mehrere Vorteile, wenn es als Hauptlösungsmittel in der mobilen Phase bei der überkritischen Flüssigkeitschromatographie verwendet wird. CO2 gilt als „grünes Lösungsmittel“, also umweltfreundlich. Es ist auch leicht mit zahlreichen organischen Co-Lösungsmitteln (z. B. Ethanol) mischbar,[14] verdampft leicht aus den Cannabinoiden und ermöglicht so einen schnellen Isolationsprozess. Rest-CO2 im Endprodukt gilt als ungiftig. Zudem ist CO2 hochselektiv für verschiedene Verbindungen, die in komplexen Mischungen wie Cannabis vorkommen. Dadurch eignet sich SFC gut für die Isolierung und Reinigung von Cannabisextrakten.

Einer der Schlüsselfaktoren für die erfolgreiche präparative Trennung und Isolierung von SFC-Cannabinoiden ist die Wahl der stationären Phase. Für eine optimale stationäre Phase sind mehrere Merkmale erforderlich, darunter:[15]

  1. die stationäre Phase sollte so ausgelegt sein, dass die gewünschte Trennung mit dem niedrigstmöglichen Gehalt an organischem Modifikator erreicht wird (im Fall von Cannabis wäre dies Ethanol);
  2. die stationäre Phase muss für präparative Anwendungen robust und leicht skalierbar sein;
  3. die Herstellung der stationären Phase sollte nicht teuer sein.

CPC

Methode

Im CPC wird eine Phase durch Zentrifugalkraft immobilisiert, während die andere Phase durch die Säule gepumpt wird. Moleküle mit einer hohen Affinität für die mobile Phase passieren schneller und eluieren zuerst, während Moleküle mit einer hohen Affinität für die stationäre Phase langsamer passieren und später eluieren.

Herkömmliche Methoden der Chromatographie wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, die teures Silikonharz und große Mengen an Lösungsmittel erfordern, sind nicht effizient genug, um halbwegs reine Cannabinoide aus Hanf in Massenproduktion zu extrahieren. Alternativ kann eine Zentrifugal-Partitionschromatographie (CPC) verwendet werden. Dieser Arbeitsablauf kann schnellere Wiederfindungsraten liefern als die durchschnittliche HPLC-Methode und verbraucht dabei deutlich weniger Lösungsmittel.[16] Zudem gewinnt man mit CPC fast 100 % CBD aus dem komplexen Rohextrakt zurück.

Neben CBD und THC kann CPC auch verwendet werden, um weitere Cannabinoide wie Cannabigerol (CBG) und Cannabidiolsäure (CBDA) aus Cannabis zu reinigen. CPC kann eine komplett THC-freie Cannabinoid-Mischung hervorbringen, wie sie für die Herstellung von Arzneimitteln benötigt wird.[17]

Da CPC eine flüssige stationäre Phase verwendet, erfordert die Elution von Cannabinoiden bis zu fünfmal weniger Lösungsmittel als die Festchromatographie. Zudem kann die Säule einfach gewaschen und wiederverwendet werden, und es muss keine teure Kieselsäure ersetzt werden (im Gegensatz zur Festchromatographies).[18]

Reinigungsparameter können in der CPC-Technologie abhängig vom gewünschten Isolat oder dem gewünschten Reinheitsgrad angepasst werden. Die Methodik ist von Labor- bis Industriemaßstab anpassbar. Da bei dieser Methode kein Silikatharz verwendet wird, kommt es zu keiner irreversiblen Adsorption der Probe an die Matrix und damit zu keinem Probenverlust.

Filtration

Methode

Moderne Technologien verwenden eine Extraktion mit überkritischen Flüssigkeiten oder anderen nicht überkritischen Lösungsmitteln, um spezifische Produkte aus Substanzen wie Lipiden, Terpenen und Chlorophyllen oder Pestiziden zu entfernen. Diese Methoden helfen dabei, Rohextrakte zu reinigen und Cannabinoide in höherer Reinheit freizusetzen, jedoch nicht in den von vielen Herstellern gewünschten Mengen. Für einige Hersteller hat sich die Umkehrphasenchromatographie zu einem analytischen Werkzeug für die Reinigung in grossem Masstab entwickelt. Die daraus resultierenden Extrakte enthalten jedoch noch viele andere Verbindungen, die die Reinheit des Produktes verringern. Daher entsteht besonders bei hochskalierten Reinigungsprozessen zunehmender der Bedarf eines zweiten Filtrationsschritts.[19]

Flash-Chromatographie kann verwendet werden, um zuvor extrahierte Cannabisrohstoffe weiter zu filtern. Die Verwendung eines orthogonalen Ansatzes mit sofortiger Filtration (beginnend mit der Normalphase, um potentiell koeluierende Verunreinigungen zu entfernen, gefolgt von einer Umkehrphasenfiltration der gesammelten Normalphasenfraktionen) verbessert die Trenneffizienz, die Beladungskapazität und die Reinheit der Verbindung dramatisch.[20]

 

[1] vgl. El-Sohly, M.A. & Slade, D. (2005). Life Sci. 78. S. 539f.

[2] vgl. Omar, J.; Olivares, M.; Alzaga, M.; Etxebarria, N. (2013). J. Sep. Sci. 36 (36). S. 1397ff.

[3] vgl. Walsh, Z.; Callaway, R.; Belle-Isle, L.; Capler, R.; Kay, R.; Lucas, P. (2013). Int. J. Drug Policy 24. S. 513f.

[4] www.emcdda.europa.eu/system/files/publications/4135/TD0217210ENN.pdf

[5] https://prohibitionpartners.com/reports/#european-cannabis-report-fourth-edition

[6] vgl. Di Marzo, V. (Hrsg.) (2014). "Cannabinoids". Wiley-Blackwell. S. 21.

[7] Ebd. S. 76.

[8] vgl. Pertwee, R. (Hrsg.) (2005). "Cannabinoids". Handbook of Experimental Pharmacology. Band 168. Springer, Berlin/ Heidelberg. S. 116.

[9] vgl. Pertwee, R. G. (2004). “Pharmacological and therapeutic targets for Δ⁹-tetrahydrocannabinol and cannabidiol”. In: Euphytica. 140, S. 72.

[10] Ebd. S. 72f.

[11] Ebd. S. 73f.

[12] Ebd. S. 199.

[13] vgl. Maftouh, M.; Granier-Loyaux, C.; Cavana, E.; Marini, J.; Pradines, A.; Vander Heyden, Y.; Picard, C. (2005). J. Chromatogr. A. 1088. S. 65.

[14] vgl. Zhang, Y.; Watts, W.; Nogle, L.; McConell, O. (2004). J. Chromatogr. A 1049. S. 75.

[15] Ebd. S. 810f.

[16] www.gilson.com/system-verity-compact-cpc-system.html

[17] www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187439001730071X

[18] vgl. Murayama, W.; Kobayashi, T.; Kosuge, Y.; Yano, H.; Nunogaki, Y.; Nunogaki, K. (1982). "A new centrifugal counter-current chromatograph and its application". J. Chromatogr. 239, S. 643.

[19] vgl. Aubin, A. (2015). "What’s in it & how much; Analysis of cannabinoids in plants and extracts", Waters Corp. BioBotanical Workshop.

[20] Ebd.

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