咖啡因的中毒、檢測及其應用研究進展

翟金曉，崔文，朱軍

（濟寧醫學院法醫學與醫學檢驗學院，山東濟寧272067）

咖啡因的中毒、檢測及其應用研究進展

翟金曉，崔文，朱軍

（濟寧醫學院法醫學與醫學檢驗學院，山東濟寧272067）

咖啡因是茶葉、咖啡豆等天然植物中常見的一種黃嘌呤類生物堿化合物，是世界上使用最為廣泛的精神活性藥物。其在生活中普遍存在，與生命健康關系緊密，但咖啡因具有成癮性，一旦停用會出現渾身困乏疲軟、精神萎頓等各種戒斷癥狀，因此被列入國家管制的精神藥品范圍。綜述了近年來關于咖啡因及其代謝物的研究，總結了咖啡因的體內代謝、毒理作用、檢測方法及其應用等方面內容，以期為法醫毒物及臨床工作者提供參考。

咖啡因；代謝產物；中毒；檢測；LC-MS/MS；細胞色素P450酶1A2；肝功能

Abstract:Caffeine is a psychoactive stimulatory alkaloid that naturally exists in plants such as coffee beans，cocoa beans，tea leaves，and cola nuts.Caffeine is the world's most widely used psychoactive substance.It is widespread in people's life and is closely related to life and health.But caffeine is addictive，once stop using it，the objects may have withdrawal symptoms such as faint and weak and spirit withering.Therefore，it is included in the state control of psychotropic drugs. Cases of caffeine poisoning were reported occasionally.In addition，caffeine is the most classic and common probe drugs for studying the activity of CYP1A2 enzyme.Foreign countries have made caffeine as the iconic compound in the study of liver function.Thispaperreviewsthestudiesofcaffeineanditsmetabolites’chemicalcomposition，toxicology，pharmacokinetics，analyzing methods and application in recent years，providing reference for forensic toxicology and clinical peers.

Keywords:caffeine;metabolite;poisoning;analysis;LC-MS/MS;CYPlA2;liver function

咖啡因是茶葉、咖啡豆等天然植物中常見的一種黃嘌呤類生物堿化合物，主要分布于植物的幼嫩組織部位，化學式為C8H10N4O2，化學名為l，3，7-三甲基黃嘌呤（137X）[1]?？Х纫蚣兤窞閺娏铱辔兜陌咨蹱钗铮Ｓ糜谥委熒窠浰ト鹾突杳詮吞K，是世界上使用最為廣泛的精神活性藥物，若長期或大劑量攝入咖啡因會對人體中樞神經系統造成損害，引發心臟病和高血壓，且咖啡因具有成癮性，一旦停用會出現渾身困乏疲軟、精神萎頓等各種戒斷癥狀，因此被列入國家管制的精神藥品范圍。此外，咖啡因也是國際奧委會禁用物質中受管制藥物之一。目前，咖啡因類制劑的使用越來越廣泛，常用的咖啡因制劑有感冒靈膠囊、復方氨酚烷胺片、氨基比林咖啡因片等。含咖啡因的飲料已經成為人們日常生活中補充能量和抵抗疲勞的主要產品，大多數功能性飲料中均含有咖啡因。成年人口服咖啡因后，吸收快而完全，生物利用度近100%，大量飲用很可能成癮甚至中毒死亡。近些年，由于攝入過量咖啡因造成的急診搶救、死亡案例日益增多。國內外有關咖啡因的中毒案件也有零星報道[2-3]。飲入過多能量飲料會導致失眠、精神緊張、頭痛、焦慮、血壓升高、心跳加快、癲癇發作，當與乙醇混用時后果更為嚴重[4]?？Х纫虻闹卸炯皺z測一直備受人們關注，在食品安全研究以及法醫鑒定中均具有重要的意義。本文就咖啡因的體內代謝、毒理作用、檢測方法及其應用方面進行綜述，以期為咖啡因中毒的法醫學鑒定和臨床診治提供參考。

1 藥理及毒理作用

1.1 藥理作用

咖啡因具有較強的中樞興奮作用，臨床主要用作中樞興奮藥，在機體的多個系統中發揮著重要的作用[5]。其中對心血管具有正性作用，小劑量便能產生心率增快、血壓升高等作用[6-7]，還能引起促腎上腺皮質激素和皮質醇合成的增加。在消化系統方面，可通過興奮中樞神經系統的迷走中樞，刺激迷走神經胃支，從而引起胃泌酸增加和胃腺分泌亢進，也會刺激胃肥大細胞釋放組胺，進而造成胃壁細胞泌酸增加[8]。在神經系統方面，咖啡因是中樞神經系統興奮藥，小劑量就能興奮大腦皮質，改善思維活動，提高對外界的感應性。大劑量則會興奮延髓的呼吸中樞和血管運動中樞，增加呼吸頻率和深度。

1.2 毒理作用

咖啡因大劑量或長期使用會引起成癮性，可致失眠、激動不安、心悸、頭痛；劑量過大可引起驚厥，一旦停用會出現精神萎頓、渾身乏力等戒斷癥狀。當其耐受性增強導致用藥量不斷增加時，咖啡因還會引起陣發性驚厥和骨骼震顫，損害肝、胃、腎等內臟器官，誘發呼吸道炎癥等疾病。孕前和孕期使用咖啡因可致小鼠受孕延遲，胎鼠吸收胎、死胎、FGR發生率升高[9]。此外，咖啡因會給胎兒的新陳代謝系統增加負擔，同時還可能減少胎盤血流量，對胎兒造成傷害。咖啡因的體內代謝半衰期較長，又具有成癮性，體內容易產生蓄積，若連續飲用，則易引起蓄積中毒?？Х纫蛟隗w內代謝會產生茶堿，而茶堿類藥物的治療劑量與中毒劑量相當接近，其安全范圍窄，極易引起中毒[4]。研究表明，咖啡因與老年人認知功能、蛋白質病變也有一定關聯[10]。

2 咖啡因的體內代謝

咖啡因及其相關制劑口服后主要經胃腸道吸收，約15～60 min達到峰值濃度，此峰值可持續2 h，由于個體差異偶有胃排空延遲導致峰值會有所改變[11-16]?？Х纫蚴紫仁怯尚∧c進入門脈循環，經首過消除效應，主要由細胞色素P450酶作用，隨之進入全身大循環。由于咖啡因的首過消除效應較弱，所以經吸收后能完全地進入全身組織并且自由通過血、腦、胎盤、血-睪屏障。人體攝入的咖啡因幾乎都是經肝臟代謝，一般咖啡因隔夜就會被肝臟代謝清除，其中只有不足5%的咖啡因以原形通過腎臟排泄?？Х纫蛟隗w內主要是3位脫甲基生成1，7-二甲基黃嘌呤（17X），17X再經C8-氧化生成1，7-二甲基尿酸（17U）。其次為7位脫甲基生成1，3-二甲基黃嘌呤（13X），最終生成1，3-二甲基尿酸（13U）。這兩條途徑使得咖啡因排在尿液中的代謝產物多達十幾種[17]?？诜Х纫蚝?，經3-N脫甲基化生成的17X（副黃嘌呤）為主要代謝產物，約占80%，這一步反應由藥物代謝酶CYP1A2催化（部分由CYP2E1代謝）。此外，通過1-N脫甲基和7-N脫甲基分別生成的37X（可可堿12%）和13X（膽茶堿7%）分別由藥物代謝酶CYP1A2和CYP2E1催化完成；進一步經3-N脫甲基化生成1X（1-甲基嘌呤）；17X和1X進一步經C8羥基化分別生成17U和1U，這兩步反應分別由CYP2A6和黃嘌呤氧化酶催化完成[18]。37X為咖啡因的主要活性代謝產物，13X結構與咖啡因相近，但毒性作用卻強于咖啡因，毒性作用時間也較長?？Х纫虻拇x途徑及其與代謝物的化學結構詳見圖1[19]。

圖1 咖啡因的代謝途徑及其與代謝物的化學結構

3 咖啡因及其代謝產物的檢測方法

關于咖啡因及其代謝產物的檢測，國內外一直有著相關的研究報道。一部分研究主要關注的是咖啡因和幾個甲基嘌呤代謝產物的檢測，而另一部分的研究則主要關注黃嘌呤和尿酸代謝產物的檢測。目前咖啡因及其代謝物的主要檢測方法主要有液相色譜法（HPLC）[16，18，20-22]、氣相色譜-質譜聯用法[23-24]、液相色譜-質譜聯用法（LC-MS）[25-26]，液相色譜-質譜串聯法（LC-MS/MS）[27-28]、核磁共振法（NMR）[29]等（表1）。在法醫學領域中研究多集中在血液、尿液和組織等生物檢材中咖啡因及其代謝物的檢測[20，30-31]。LC-MS/MS檢測器靈敏度高，離子篩選能力強，選擇特異性高，可以極好地滿足咖啡因及其代謝產物的同時檢測及定量要求，因此越來越多的人采用此技術來進行相關的研究。對于生物檢材中痕量咖啡因及其代謝物的同時檢測方法是國內外研究中沒有突破的一個問題，目前的檢測方法沒有全面滿足體內檢材的痕量、快速的分析，對于分析結果的評價和推斷也仍存在缺陷。因此建立LCMS/MS對人體內的咖啡因及其主要代謝產物的定性定量方法實屬必要。已有研究表明血液與唾液中咖啡因含量呈線性相關，相關系數為0.943（p<0.001）[32]，因此，也可考慮根據唾液咖啡因濃度的檢測結果，進行血藥濃度的推斷，更有利于在實際工作中的現場檢測和法醫學鑒定。

表1 咖啡因及其代謝產物的檢測方法

4 咖啡因檢測相關應用

4.1 在肝功能評價中的應用

N-乙?；D移酶（N-acetyltransferase，NAT2）、細胞色素P450酶1A2（Cytochrome P4501A2，CYPlA2）和黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）在藥物代謝以及前致癌物激活的過程中均起著重要的作用，這些酶的活性與很多藥物的療效或毒性以及某些腫瘤的易感性密切相關，它們的不同活性狀態的存在對于化學物質的體內轉化必定產生一定的影響。因此，對上述藥物代謝酶活性的測定有助于藥物療效的預測、藥物毒副反應的預防以及臨床個體化的合理用藥[22]。其中，CYP450酶是藥物在人體內氧化代謝過程中最主要的酶，其活性檢測在肝功能評估中的作用受到越來越多的重視，CYP1A2酶是CYP家族主要成員之一，約占肝臟總CYP酶的13%，并且CYP1A2酶只在肝臟內表達。CYP1A2酶活性與肝臟代謝功能緊密相關，其活性的大小在一定程度上可直接反映肝臟的儲備功能。目前評估CYP1A2酶的活性主要依靠藥物探針法，因此選擇一種合適、有效的探針藥物至關重要。常用的探針藥物主要包括非那西丁、咖啡因、茶堿等，其中咖啡因的體內攝入幾乎均由肝臟代謝，約90%的咖啡因是由CYPlA2酶轉化代謝的[33]，且咖啡因還能夠增加其活性，因此常常通過檢測咖啡因的代謝產物或計算咖啡因的代謝率來判斷CYP1A2酶活性水平。另外，由于咖啡因是人類生活中廣泛接觸的外源物質且咖啡因的安全性高，也常被用作測定XO和NAT2活性的探針藥物。應用咖啡因來分析NAT2是近年來發展起來的新方法，與其他探針藥物相比咖啡因沒有不良反應，受試者易于接受。因此，咖啡因是目前研究CYP1A2酶活性最經典、最常用的探針藥物?，F已有通過對人體內的咖啡因及其主要代謝產物的定性定量分析來判斷CYPlA2等代謝酶活性評估的報道[16，21]，從而對其肝功能進行初步評價，為臨床診斷及法醫鑒定提供指導意義。用咖啡因代謝指數評估體內藥物代謝酶活性一般采用尿液中的咖啡因代謝產物的比率（CMRs）來評估藥物代謝酶活性，包括CYPlA2、CYP2A6、NAT2、XO[16]。也可測定咖啡因5種主要代謝產物，采取不同的代謝物比率及組合來反映NAT2、CYPlA2和XO這三種酶在體內的活性水平[22]。

4.2 在中毒案件中的應用

咖啡因成人口服致死量一般為10 g，中毒血濃度為15～60 μg/mL，致死血濃度為80 μg/mL[34]。相關案例多有報道，如，某女在出租房被發現昏迷，劇烈抽搐，多汗，呼吸急促，經醫院搶救無效死亡，現場勘查發現死者手提包中有一氨基比林咖啡因片（100片）空藥瓶。毒物檢驗心血中檢出氨基比林、咖啡因和安乃近，含量分別為788.1、340.4、270.5 μg/mL[2]。另Banerjee P等[35]報道的咖啡因多例中毒死亡案例，一名57歲男性，心血中檢測出咖啡因濃度為180μg/mL，一名39歲女性，檢測出心血中咖啡因濃度為90μg/mL等。案例中死者心血中咖啡因含量均達到致死量，結合中毒癥狀及尸體解剖病理特征，可判斷為咖啡因中毒死亡。功能性飲料濫用成癮案例也偶有報道，如，某男12歲，因大量飲用可樂飲料，并反復出現戒斷癥狀入院治療。此人約兩年前飲用可樂量開始增大，由開始的每天3瓶（600/mL/瓶），增至平均每天10瓶，最大量每天15瓶。期間伴有記憶力下降、反應遲鈍、便秘等癥狀，停飲可樂后，出現頭痛、腹痛、惡心嘔吐、失眠、易激惹等癥狀，再次飲用可樂后，上述不適很快消失[3]，診斷為可樂依賴，中樞性尿崩癥。臨床中發現，絕大部分濫用止咳藥水的青少年早期有將止咳藥水和可樂合并濫用的現象，即所謂的“搖頭水”濫用，更容易成癮。統計市售含咖啡因飲品的咖啡因含量數據并加以標識，簡便高效地監控長期飲用者體內咖啡因含量，及時給予介入治療，可為合理飲用功能飲料提供準確的數據基礎，為人類健康生活提供指示信息。

5 研究展望

綜上所述，目前咖啡因的體內代謝過程及其主要代謝產物的研究已有一些報道，咖啡因及其代謝產物的檢測技術和手段也在不斷地提高和改進。建立快捷、準確、高靈敏度的多種飲品及生物檢材中咖啡因定性定量分析方法，在食品安全研究以及法醫鑒定中均具有重要的意義，為臨床診斷及法醫學鑒定實踐中咖啡因中毒案件的取材及檢測結果的評價提供指導信息。

此外，在臨床應用及法醫鑒定工作中，咖啡因作為經典的肝功能探針藥物也在不斷的被廣泛研究，可通過咖啡因的代謝指數來評估CYPlA2、NAT2、CYP2A6和XO等藥物代謝酶活性，從而對肝功能進行診斷評估，使得咖啡因及其代謝產物在科研中的應用也隨著技術的發展而得到逐步的開發推廣。

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典（二部）[M].北京：中國醫藥科技出版社，2015：649.

[2] 趙彬，曹文平.口服氨基比林咖啡因片中毒死亡1例[J].中國法醫學雜志，2014，29（2）：174.

[3] 何日輝，王曉麗.可樂飲料成癮一例[J].中國藥物依賴性雜志，2008，17（6）：48.

[4] 沈敏，向平.濫用物質分析與應用[M].北京：科學出版社，2016：127-131.

[5] 李海霞，陳榕，周丹，等.咖啡因的合成及其藥理作用的研究進展[J].華西藥學雜志，2011，（2）：182-187.

[6] Smith PF，Smith A，Miners J，et al.The Safety Aspects of Dietary Caffeine[R].Australia:Report from the expert Working Group，2000：30-35.

[7] Hartley TR，Lovallo WR，Whitsett TL.Cardiovascular Effectsof Caffeine in Men and Women[J].Am J Cardiol，2004，93（8）:1022-1026.

[8] Kwiecien S，Konturek SJ.Gastric Analysis with Fraction Altest Meals（Ethanol，Caffeine，and Peptone Meal），Augmented Histamine or Pentagastrin Tests，and Gastric PH Recording[J].J Physiol Pharmacol，2003，54（S3）:69-82.

[9] 潘曉靚，劉冬琳，孟巍，等.咖啡因暴露對小鼠胚胎發育的影響[J].武漢大學學報（醫學版），2008，29（2）：165-168.

[10] Ritchie K，Artero S，Portet F，et al.Caffeine，Cognitive Functioning and White Matter Lesions in the Elderly: Establishing Causality from Epidemiological Evidence[J]. Ritchie，2010，（1）：1-17.

[11] Chia HY，Yau WP，Ho HK.Establishing Population Distribution of Drug-Metabolizing Enzyme Activities for the Use of Salivary Caffeine as a Dynamic Liver Function Marker in a Singaporean Chinese Population[J].Biopharm Drug Dispos，2016，（37）：168-181.

[12] Marventano S，Salomone F.Coffee and Tea Consumption in Relation with Non-Alcoholic Fatty Liver and Metabolic Syndrome:A Systematic Review and Meta-analysis of Observational Studies[J].Clin Nutr，2016，35（6）:1269-1281.

[13] Tripathi A，Tiwari B，Patil R，et al.The Role of Salivary Caffeine Clearance in the Diagnosis of Chronic Liver Disease[J].J Oral Biol Craniofac Res，2015，（5）：28-33.

[14] Park GJ，Wiseman E，George J，et al.Non-Invasive Estimation of Liver Fibrosis in Non-Alcoholic Fatty Liver Disease Using the 13 C-caffeine Breath Test[J].J Gastroenterol Hepatol，2011，（26）:1411-1146.

[15] Rybak ME，Pao CI，Pfeiffer CM.Determination of Urine Caffeine and Its Metabolites by Use of High-performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry:Estimating Dietary Caffeine Exposure and Metabolic Phenotyping in Population Studies[J].Anal Bioanal Chem，2014，（406）:771-784.

[16] Begas E，Kouvaras E，Tsakalof AK，et al.Development and Validation of a Reversed-Phase HPLC Method for CYP1A2 Phenotyping by Use of a Caffeine Metabolite Ratio in Saliva[J].Biomed Chromatogr，2015，（29）：1657-1663.

[17]Denaro CP，Wilson M，Jacob P，et al.The Effect of Liver Disease on Urine Caffeine Metabolite Ratios[J].Clin Pharmacol Ther，1996，（59）:624-635.

[18] Caubet MS，Elbastw，Dubuc Mc，et al.Analysis of Urinary Caffeine Metabolites by HPLC-DAD the Use of Metabolic Rations to Assess CYP1A2 Enzyme Activity[J]. J Pharm Biomed Anal，2002，（27）:261-270.

[19] Caubet MS，Comte B，Brazier JL.Determination of Urinary C-13-Caffeine Metabolites by Liquid Chromatography-Mass Spectrometry:the Use of Metabolic Ratios to Assess CYP1A2 Activity[J].J Pharm Biomed Anal，2004，（34）:379-389.

[20] Jordan NY，Mimper JY，Bogaard WJ，et al.Analysis of Caffeine and Paraxanthine in Human Saliva with Ultrahigh-Performance Liquid Chromatography for CYP1A2 Phenotyping[J].Journal of Chromatography B，2015，（995-996）:70-73.

[21] Perera V，Gross AS，McLachlan AJ.Caffeine and Paraxanthine HPLC Assay for CYP1A2 Phenotype Assessment Using Saliva and Plasma[J].Biomed Chromatogr，2010，（24）：1136-1144.

[22] 李軍，彭向前，張鑒，等.HPLC直接進樣測定咖啡因代謝物評價三種藥物代謝酶活性[J].中國臨床藥理學與治療學，2005，（10）：768-771.

[23] Regal KA，Howald WN，Peter RM，et al.Subnanomolar Quantification of Caffeine's in Vitro Metabolites by Stable Isotope Dilution Gas Chromatography-Mass Spectrometry[J].J Chromatogr B Biomed Sci Appl，1998，（708）: 75-85.

[24] 王玉飛.微量化學-GC/MS法測定茶葉中咖啡因的含量[J].中國衛生檢驗雜志，2005，（7）：818-819.

[25] 張婷，陳學國，楊瑞琴，等.液相色譜-質譜法測定指紋汗液中咖啡因及其代謝物[J].理化檢驗（化學分冊），2015，（6）：795-799.

[26] Lawson G，Patel P，Mulla H，et al.Dried Blood Spot Sampling with LC-MS Analysis for Routine Therapeutic Caffeine Monitoring in Neonates[J].ISRN Chromatography，2012，（5）：1-7.

[27] Rybak ME，Pao CI，Pfeiffer CM.Determination of Urine Caffeine and Its Metabolites by Use of High-Performance LiquidChromatography-TandemMass Spectrometry:Estimating Dietary Caffeine Exposure and Metabolic Phenotyping in Population Studies[J].Anal Bioanal Chem，2014，（406）: 771-784.

[28] 李莉明，彭向東，陽國平，等.HPLC-MS/MS同時測定人血漿中對乙酰氨基酚和咖啡因含量的方法學研究[J].中南藥學，2010，（6）：419-422.

[29] 盧愛民，蔣紅梅，呂波，等.核磁共振氫譜內標法測定飲料中咖啡因含量[J].南京農業大學學報，2014，（6）：119-124.

[30] Jeff W，Terr D，Ashraf M.Analysis of Amphetamine，Methamphetamine，Methylenedioxyamphetamine and Methylenedioxymethamphetamine in Whole Blood Using in-Matrix Ethyl Ehloroformate Derivatization and Automated Headspace Solid-Phase Microextraction Followed by GC-MS[J].Forensic Toxicol，2008，（26）:66-70.

[31] Cone EJ.Oral Fluid Testing:New Technology Enables Drug Testing Without Embarrassment[J].J Calif Dent Assoc，2006，（34）:311-315.

[32] 賈娟，曹潔，王玉瑾，等.咖啡因在家兔唾液、尿液和血液中濃度的相關性研究[A].中國法醫學會，公安部物證鑒定中心.中國法醫學理論與實踐創新成果精選[D].全國第九次法醫學術交流會論文集，2013：201-203.

[33] Kot M，Daniel WA.The Relative Contribution of Human Cytochrome P450 Isoforms to the Four Caffeine Oxidation Pathways:an in Vitro Comparative Study with cDNAExpressed P450s including CYP2C Isoforms[J].Biochem Pharmacol.2008，（76）:543-551.

[34] 劉良.法醫毒理學[M].北京：人民衛生出版社，2009：99.

[35] Banerjee P，Ali Z，Levine B，et al.Fatal Caffeine Intoxieation:aSeriesofEightCasesfrom1999to 2009[J].J Forensic Sci，2014，59（3）:865-868.

（本文編輯：施妍）

Recent Advances on the Study of the Poisoning，Analysis and Application of Caffeine

ZHAI Jin-Xiao，CUI Wen，ZHU Jun
（Institute of Forensic Medicine and Laboratory Medicine，Jining Medical University，Jining 272067，China）

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2017.05.005

1671-2072-（2017）05-0030-06

2017-05-18

濟寧醫學院青年教師科研扶持基金（JY2016KJ036Y）

翟金曉（1989—），女，助教，碩士，主要從事法醫毒物分析研究。E-mail:zhaijinxiao@126.com。

崔文（1961—），男，教授，主要從事法醫病理學與司法鑒定管理工作。E-mail:cuiwenmdd@163.com。