Phytochemistry of Cannabis: Chemical Profiling as a Tool for Genotype Characterization

Mgr. Dominika KACZOROVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

The phytochemistry of Cannabis sativa L. is a complex interplay of bioactive compounds, including cannabinoids, terpenes, and phenolic compounds. Exploring its miscellaneous phytochemical composition is essential for elucidating its diverse pharmacological effects and therapeutic potential. Moreover, the secondary metabolites are known as plant chemotaxonomic markers and/or are responsible for plant chemical polymorphism. In this work, hyphenated chromatographic methods were optimized for the analysis of cannabis secondary metabolites in different plant organ materials, plant extracts, and pharmaceutical or food products. The optimization process also included the selection of optimal isolation protocols for the extraction of bioactive compounds. For a simple and rapid approach to genetic identification at the plant's early stage, 135 cannabis accessions were genotyped using 19 simple sequence repeat (SSR) markers, and a reference SSR-profile database was established. Representative genotypes of four different chemotypes were subsequently phytochemically characterized, and distinct metabolite profiles were observed for each chemovar, depicting phytochemical variations within the species. In addition, an alternative cultivation method was tested to maximize the light use and increase chemical uniformity. This study also includes the results of the cannabinoid extraction and stability in galenic preparations targeted to topical/dermatological applications. For this purpose, a simple and rapid protocol was designed for their preparation. Furthermore, complex phytochemical profiling was conducted on various cannabis extracts prepared by the developed procedure, followed by an assessment of their antiviral activity by a collaborating institution. Finally, a new cannabinoid, cis-delta-9-tetrahydrocannabinolic acid, was identified and characterized. In conclusion, the results presented in this study demonstrate potential applications in forensic and pharmaceutical areas, as well as in cannabis chemotaxonomic classification and chemovar characterization, facilitating product standardization and optimizing cultivation practices.

Abstract:

Fytochemie konopí setého představuje komplexní souhru bioaktivních látek, zahrnující kanabinoidy, terpeny a fenolové látky. Zkoumání jeho různorodého fytochemického složení je nezbytné pro objasnění jeho rozmanitých farmakologických účinků a terapeutického potenciálu. Sekundární metabolity jsou navíc známy jako chemotaxonomické markery rostlin a jsou zodpovědné za chemický polymorfismus rostlin. V této práci byly optimalizovány kombinované chromatografické metody pro analýzu sekundárních metabolitů konopí v různých materiálech rostlinných orgánů, rostlinných extraktech a farmaceutických nebo potravinářských výrobcích. Optimalizační proces zahrnoval také výběr optimálních izolačních protokolů pro extrakci bioaktivních sloučenin. Pro jednoduchý a rychlý přístup genetické identifikace v raném stádiu rostliny bylo genotypizováno 135 vzorků konopí pomocí 19 markerů odvozených od sekvencí mikrosatelitní DNA (Simple Sequence Repeat, SSR) a byla vytvořena referenční databáze SSR-profilů. Poté byly reprezentativní genotypy čtyř různých chemotypů fytochemicky charakterizovány a u každého chemovaru byly pozorovány odlišné metabolické profily znázorňující fytochemické rozdíly v rámci druhu. Kromě toho byla testována alternativní pěstební metoda za účelem maximálního využití světla a zvýšení chemické uniformity. Tato studie zahrnuje také výsledky extrakce a stability kanabinoidů v galenických přípravcích určených pro lokální/dermatologické použití. Byl tedy navržen jednoduchý a rychlý protokol pro jejich přípravu. Dále bylo provedeno komplexní fytochemické profilování různých konopných extraktů připravených vyvinutým postupem, po němž následovalo hodnocení jejich antivirové aktivity spolupracující institucí. Nakonec byl identifikován a charakterizován nový kanabinoid, kyselina cis-delta-9-tetrahydrokanabinolová. Závěrem lze říci, že výsledky prezentované v této studii poukazují na potenciální využití ve forenzní a farmaceutické oblasti, jakož i v chemotaxonomické klasifikaci konopí a charakterizaci chemovarů, což usnadňuje standardizaci produktu a optimalizaci pěstitelských postupů.

Keywords

konopí, chemotyp, genotyp, kanabinoidy, terpeny, fenolové látky

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Sanja Ćavar Zeljković, Ph.D., Ing. Sanja Ćavar Zeljković, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry