Khóa luận Đặng Mạnh Dũng: Tổng hợp Dẫn chất Butanamid ức chế AChE & BACE1

Khóa luận Dược sĩ về tổng hợp dẫn chất butanamid mới. Đánh giá tác dụng ức chế acetylcholinesterase và β-secretase 1, tiềm năng trị Alzheimer.

• Tác giả: Đặng Mạnh Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Phương Thảo
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược học
• Đề tài: Tổng hợp và đánh giá tác dụng ức chế Acetylcholinesterase và β-Secretase 1 của một số dẫn chất Butanamid mới mang khung Quinazolin-4(3H)-on
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Bệnh Alzheimer và các cơ chế gây bệnh

Bệnh Alzheimer là một rối loạn thoái hóa thần kinh mãn tính, chiếm khoảng 60-80% các trường hợp sa sút trí tuệ ở người cao tuổi. Bệnh đặc trưng bởi sự tích lũy của protein amyloid beta (Aβ) và sợi tau, dẫn đến mất các tế bào thần kinh và suy giảm nhận thức nghiêm trọng. Theo các giả thuyết hiện đại, bệnh Alzheimer liên quan chặt chẽ đến sự giảm mức độ acetylcholine (ACh) trong não bộ. Các dẫn chất butanamid với khung quinazolin-4(3H)-on đã được chứng minh có tiềm năng ức chế đồng thời hai enzyme quan trọng: acetylcholinesterase (AChE) và β-secretase 1 (BACE1), từ đó cung cấp một chiến lược điều trị đa mục tiêu hiệu quả cho bệnh Alzheimer.

1.1. Giới thiệu về bệnh Alzheimer

Bệnh Alzheimer là bệnh thoái hóa thần kinh phổ biến nhất trên thế giới, ảnh hưởng đến hàng triệu người. Bệnh gây ra sự mất mát dần dần các khả năng nhận thức, bộ nhớ và khả năng thực hiện các hoạt động hàng ngày. Sự tiến triển của bệnh liên quan đến tích lũy protein amyloid và sợi tau bất thường, gây ra viêm và tử vong tế bào thần kinh trong não bộ.

1.2. Các giả thuyết về cơ chế bệnh học

Giả thuyết amyloid cascade cho rằng tích lũy Aβ là nguyên nhân chính. Enzyme BACE1 đóng vai trò quyết định trong sản sinh Aβ từ APP. Đồng thời, sự suy giảm acetylcholine làm trầm trọng thêm các triệu chứng nhận thức, do đó ức chế AChE có thể giúp tăng nồng độ ACh trong não.

II. Acetylcholinesterase AChE và tầm quan trọng trong điều trị

Acetylcholinesterase (AChE) là enzyme quan trọng trong hệ thần kinh trung ương, chịu trách nhiệm phân hủy acetylcholine (ACh) thành choline và acetate. Ở bệnh nhân Alzheimer, mức độ ACh giảm đáng kể, dẫn đến suy giảm khả năng nhận thức và trí nhớ. Ức chế AChE là một chiến lược điều trị được chấp nhận rộng rãi, giúp tăng nồng độ ACh bảo toàn tại các khớp thần kinh, từ đó cải thiện các triệu chứng nhận thức. Cấu trúc AChE bao gồm trang hoạt động (active site) chứa các amino acid quan trọng như serine, histamine và glutamate, cho phép liên kết với các chất ức chế. Các dẫn chất butanamid có khung quinazolin-4(3H)-on đã được thiết kế để tương tác hiệu quả với cấu trúc này.

2.1. Cấu trúc và chức năng của AChE

AChE là một enzyme serine esterase, có trang hoạt động (active site) gồm các amino acid đặc biệt. Serine là tàn dư nucleophilic chính, histamine là tàn dư xúc tác, và glutamate giúp định hướng cơ chất. Cấu trúc này cho phép AChE nhanh chóng phân hủy ACh, điều kiện tiên quyết cho ức chế hiệu quả.

2.2. Chiến lược ức chế AChE

Các chất ức chế AChE được chia thành nhiều loại: ức chế đảo ngược, ức chế bất khả nghịch, và ức chế pseudo-bất khả nghịch. Dẫn chất butanamid mang khung quinazolin-4(3H)-on là các ức chế đảo ngược, tương tác cụ thể với trang hoạt động để ngăn chặn sự phân hủy ACh.

III. BACE1 β secretase 1 và vai trò trong sinh tạo Amyloid beta

β-secretase 1 (BACE1) là enzyme protease aspartic, đóng vai trò then chốt trong quá trình amyloidogenic của amyloid-beta precursor protein (APP). BACE1 cắt APP tại vị trí N-terminal của Aβ, tạo ra C99 fragment, sau đó γ-secretase tiếp tục xử lý tạo thành Aβ40 và Aβ42. Sự tích lũy Aβ, đặc biệt là Aβ42 có độ độc tính cao, là một yếu tố chính trong bệnh lý Alzheimer. Ức chế BACE1 được coi là chiến lược hiệu quả để giảm sản sinh Aβ, từ đó làm chậm tiến triển của bệnh. Cấu trúc BACE1 gồm trang hoạt động (catalytic site) chứa hai aspartate residue (Asp32 và Asp228), những vị trí quan trọng cho hoạt động catalytic. Các dẫn chất butanamid với khung quinazolin-4(3H)-on đã được thiết kế để liên kết hiệu quả với trang hoạt động này.

3.1. Cấu trúc và chức năng của BACE1

BACE1 là protease aspartic có trang hoạt động gồm hai aspartate residue quan trọng. Enzyme này chịu trách nhiệm bước β-cleavage đầu tiên trong quá trình sinh tạo Aβ. Cấu trúc BACE1 có một flap region giúp chất cơ chất và sản phẩm vào/ra trang hoạt động, làm cho nó là mục tiêu lý tưởng cho các ức chế bất khả nghịch và đảo ngược.

3.2. Vai trò BACE1 trong amyloidogenesis

Quá trình amyloidogenic bắt đầu khi BACE1 cắt APP tại vị trí β-site, tạo ra N-terminal fragment chứa Aβ và C99 fragment. Sau đó, γ-secretase cắt C99 tạo thành Aβ peptide. Ức chế BACE1 có thể giảm tích lũy Aβ, nhưng cần cân bằng để tránh ảnh hưởng đến các chức năng sinh lý khác của APP.

IV. Dẫn chất Butanamid với khung Quinazolin 4 3H on

Dẫn chất butanamid mang khung quinazolin-4(3H)-on là những phân tử đó được thiết kế hợp lý để ức chế đồng thời AChE và BACE1, cung cấp một chiến lược điều trị đa mục tiêu (multi-target approach) cho bệnh Alzheimer. Khung quinazolin-4(3H)-on cung cấp một nền tảng cấu trúc cứng nhắc, cho phép sự tương tác cụ thể với trang hoạt động của cả hai enzyme. Các nghiên cứu gần đây đã tổng hợp một loạt dẫn chất butanamid mới, trong đó một số cho thấy hoạt tính ức chế AChE và BACE1 vô cùng mạnh mẽ, với giá trị IC50 nằm trong phạm vi nanoM. Các dẫn chất này có khả năng xuyên hàng rào máu-não (blood-brain barrier), điều cần thiết cho hiệu quả điều trị. Khóa luận tốt nghiệp của Đặng Mạnh Dũng tại Trường Đại học Dược Hà Nội đã tổng hợp và đánh giá hoạt tính sinh học của nhiều dẫn chất butanamid này.

4.1. Cấu trúc chung của dẫn chất Butanamid Quinazolin

Dẫn chất butanamid-quinazolin gồm nhân quinazolin-4(3H)-on làm phần cứng nhắc trung tâm, kết hợp với chuỗi butanamid mở rộng. Chuỗi này có thể mang các nhóm chế biến hóa (substituent) như phenyl, indolyl, hoặc các nhóm aryl khác, giúp tăng hoạt tính sinh học và tính chọn lọc đối với các enzyme đích.

4.2. Hoạt tính ức chế AChE và BACE1 của dẫn chất

Các dẫn chất butanamid được thiết kế có khả năng ức chế AChE thông qua tương tác với trang hoạt động và ức chế BACE1 bằng cách liên kết với aspartate residue trong trang xúc tác. Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiều dẫn chất có IC50 rất thấp, cho thấy hoạt tính sinh học vô cùng cao đối với cả hai mục tiêu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Bệnh Alzheimer (AD) là căn bệnh thoái hóa thần kinh không hồi phục được Alois Alzheimer mô tả lần đầu tiên vào năm 1906 [1]. AD chiếm khoảng 60 % đến 80 % trong tất cả những bệnh làm suy giảm trí nhớ, nhận thức và hành vi của con người [2]. Bệnh được đặc trưng bởi sự rối loạn chức năng nhận thức liên quan đến việc giảm dẫn truyền của hệ cholinergic ở các tế bào thần kinh vỏ não và vùng đồi thị. Sự giảm dẫn truyền này có mối liên hệ mật thiết với chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin (ACh) - một chất nhanh chóng bị thủy phân sau khi được giải phóng trước synap bởi enzym acetylcholinesterase (AChE) [3].

Các thuốc hiện được sử dụng trong điều trị Alzheimer bao gồm rivastigmin, galantamin, donepezil, và memantin chỉ có khả năng làm chậm lại quá trình suy giảm các chức năng nhận thức của người bệnh [4]. Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm các phương pháp mới có thể ngăn chặn hoặc đảo ngược tiến triển của bệnh trở nên vô cùng bức thiết. Một trong những cách tiếp cận nghiên cứu thuốc mới trong điều trị Alzheimer đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong thời gian dài là tái lập dẫn truyền hệ cholinergic thông qua việc ức chế enzym acetylcholinesterase. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra vai trò của β-secretase 1 (BACE1) trong cơ chế bệnh sinh của AD.

Đến nay chưa có thuốc nào ức chế BACE1 để dử dụng lâm sàng trong điều trị AD [5]. Quinazolin là một dị vòng có ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dược phẩm. Các dẫn chất quinazolin có nhiều tác dụng sinh học như kháng vi sinh vật, chống ung thư, chống lao, chống viêm, chống co giật, an thần - gây ngủ, kháng histamin, hạ huyết áp và giảm đau [6]. Nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các dẫn chất quinazolin có khả năng tương tác với một số đích phân tử tiềm năng trong điều trị AD [7], trong đó nghiên cứu về các dẫn chất quinazolin-4(3H)-on hướng ức chế AChE và BACE1 đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm [7-9].

Dựa trên những cơ sở trên, đề tài khóa luận Tổng hợp và đánh giá tác dụng ức chế acetylcholinesterase và β-SECRETASE 1 của một số dẫn chất butanamid mới mang khung quinazolin-4(3H)-on ” được thực hiện với hai mục tiêu: 1. Tổng hợp được khoảng 3 dẫn chất butanamid thơm mới mang khung quinazolin- 4(3H)-on. Bước đầu đánh giá được tác dụng ức chế acetylcholinesterase và β-secretase 1 của các dẫn chất đã tổng hợp được. Giới thiệu về bệnh Alzheimer Bệnh Alzheimer (AD) lần đầu được báo cáo bởi bác sĩ thần kinh Alois Alzheimer vào năm 1906 với trường hợp bệnh nhân là một người phụ nữ 51 tuổi (Auguste D.) có triệu chứng như rối loạn nhận thức, hoang tưởng, mất trí nhớ, rối loạn giấc ngủ,… Bệnh nhân sau đó qua đời sau 5 năm mắc bệnh vào tháng 4 năm 1906.

Sau khi giải phẫu não bệnh nhân, kết quả ghi nhận các mảng bám và đám rối sợi thần kinh lan tỏa bất thường ở vùng vỏ não. Trường hợp này được Alzheimer đưa ra trong báo báo tại hội nghị của các bác sĩ về tâm thần tại Đức vào ngày 3 tháng 11 năm 1906. Năm 1910, Kraepelin đã đề xuất thuật ngữ “bệnh Alzheimer” cho bệnh này [1], [10]. Các triệu chứng chẩn đoán lâm sàng cho bệnh Alzheimer bao gồm: chứng sa sút trí tuệ, mất trí nhớ tiến triển, rối loạn hành vi, suy giảm ngôn ngữ, rối loạn vận động.

Khi bệnh Alzheimer tiến triển, các bệnh nhân thường trải qua nhiều loại triệu chứng thay đổi theo thời gian, những triệu chứng này phản ánh mức độ tổn thương tế bào thần kinh ở các phần khác nhau của não [2], [4]. Theo thống kê của trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh (CDC) Hoa Kỳ, Alzheimer là nguyên nhân gây tử vong cao thứ 6 ở Hoa Kỳ và vào năm 2023 có khoảng 6,7 triệu người Mỹ từ 65 tuổi trở lên mắc bệnh Alzheimer, con số này dự kiến sẽ tăng lên 14 triệu người vào năm 2060 [2]. Ở Việt Nam, một nghiên cứu vào năm 2020 đã ước tính có khoảng 660,000 người đang mắc hội chứng sa sút trí tuệ với chi phí liên quan lên tới 960 triệu đô la Mỹ. Tuy nhiên, số liệu này có thể tăng trong tương lai do sự già hóa dân số và sự thiếu kiến thức đầy đủ về hội chứng sa sút trí tuệ.

Alzheimer đã tạo ra gánh nặng bệnh tật và kinh tế đáng kể cho hệ thống chăm sóc sức khỏe, những người bị Alzheimer yêu cầu mức độ chăm sóc y tế ngày càng tăng khi bệnh tiến triển. Do đó, để giúp bệnh nhân cũng như người chăm sóc quản lý tốt hơn quá trình bệnh, các nhà nghiên cứu cần xác định được con đường tiến triển của bệnh, liệu pháp điều trị phối hợp chăm sóc và theo dõi khi cần thiết. Sự xuất hiện các liệu pháp điều trị mới có thể giúp duy trì chức năng nhận thức ở bệnh nhân Alzheimer, trì hoãn sự tiến triển của bệnh từ đó giúp giảm chi phí điều trị, cải thiện chất lượng cuộc sống của người bệnh [11]. Các giả thuyết về cơ chế gây bệnh Alzheimer 1.

Giả thuyết amyloid Giả thuyết dòng thác amyloid hiện nay vẫn được coi là giả thuyết trung tâm trong cơ chế gây bệnh Alzheimer [12]. Theo giả thuyết, sự tích tụ các mảng amyloid beta (Aβ) độc hại trong hệ thống thần kinh trung ương là nguyên nhân chính gây ra bệnh 2 Alzheimer. Aβ có nguồn gốc từ protein tiền chất amyloid (APP) được tạo ra qua con đường sinh amyloid [13]. Quá trình phân cắt APP phụ thuộc vào các enzym secretase và chia thành hai con đường là: Con đường sinh amyloid (amyloidogenic pathway) và con đường không sinh amyloid (non-amyloidogenic pathway) (Hình 1.

Con đường chuyển hóa APP [14] Con đường không sinh amyloid bắt đầu bằng sự phân cắt APP bởi α-secretase giải phóng APP α hòa tan (sAPPα) ở ngoại bào và một đoạn đầu tận C của APP có chiều dài 83 acid amin (CTF83) vẫn được gắn vào màng sinh chất. Sự phân cắt đoạn CTF83 bởi γ-secretase kế tiếp sẽ giải phóng một đoạn p3 nhỏ vào ngoại bào và để lại miền nội bào APP (AICD) vào tế bào chất. sAPPα được báo cáo là góp phần vào sự phát triển của nơron thần kinh và kích hoạt con đường protein kinase hoạt hóa bằng mitogen (MAPK), con đường điều hòa tín hiệu ngoại bào (ERK) [15]. Trong khi đó, con đường sinh amyloid bắt đầu bằng sự phân cắt APP bởi enzym β-secretase 1 (BACE1) tạo APP hòa tan (sAPPβ) giải phóng vào ngoại bào và một đoạn đầu tận C của APP lớn hơn có chiều dài 99 acid amin (CTF99).

Sự phân cắt đoạn CTF99 bởi γ-secretase kế tiếp sẽ giải phóng Aβ vào ngoại bào và AICD vào tế bào chất[14]. Sự lắng đọng và tích tụ Aβ dẫn đến thoái hóa thần kinh thông qua hình thành các đám rối sợi thần kinh và gây tổn thương hoặc chết tế bào thần kinh, từ đó ảnh hưởng đến trí nhớ và nhận thức của bệnh nhân. Mảnh Aβ không tan có chiều dài từ 37 đến 42 acid amin, trong đó đáng chú ý là mảnh Aβ40 và Aβ42. Mảnh Aβ42 kỵ nước hơn và dễ hình thành sợi hơn trong khi chỉ chiếm khoảng 10 % tổng lượng Aβ peptid được tạo ra [16], [17].

Các nghiên cứu in vivo và in vitro đã chỉ ra rằng Aβ42 gây độc thần kinh nhiều hơn và có nhiều khả năng tổng hợp thành các oligomer không hòa tan [18]. Các oligomer độc hại được tạo ra bởi sự tích lũy Aβ kích hoạt một loạt các con đường gây bệnh khác của Alzheimer bao gồm tổn thương do stress oxy hóa, viêm thần kinh và tăng phosphoryl hóa protein tau,. Giả thuyết cholinergic Giả thuyết cholinergic là một giả thuyết lâu đời nhất dựa trên rối loạn chức năng của hệ cholinergic [19]. Giả thuyết này tập trung vào sự thoái hóa sợi thần kinh ở não trước và giả thuyết được cho là nguyên nhân chính gây ra rối loạn chức năng và sự chết theo chu trình của các tế bào thần kinh cholinergic [20].

Hệ thống cholinergic bao gồm các thụ thể acetylcholin nicotinic (nAChRs) và thụ thể acetylcholin muscarinic (mAChRs) liên kết với chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin (ACh) để truyền tín hiệu (Hình 1. Acetylcholin là một chất dẫn truyền thần kinh chính trong não, hoạt động xuyên suốt vỏ não, hạch nền và nền trước não. ACh là chất dẫn truyền thần kinh được sử dụng bởi tất cả các tế bào thần kinh cholinergic, có vai trò rất quan trọng trong hệ thần kinh ngoại biên và trung ương. Tất cả các tế bào thần kinh giao cảm trước hạch đều sử dụng ACh làm chất dẫn truyền thần kinh.

Ngoài ra, một phần tế bào thần kinh giao cảm sau hạch cũng sử dụng ACh làm chất dẫn truyền thần kinh [22]. Acetylcholin tham gia vào việc điều hòa các chức năng và hoạt động sinh lý của hệ thống thần kinh bao gồm: sự tập trung, ghi nhớ, học tập, chu kỳ giấc ngủ và khả năng nhận thông tin từ các giác quan [22], [23]. Acetylcholin được tổng hợp từ cholin và acetyl coenzym A thông qua enzym cholin acetyltransferase (ChAT) sau đó sẽ được giải phóng khi nhận kích thích ở màng trước synap và gắn vào các receptor cholinergic ở màng sau synap. Ngoài ra, ACh dễ dàng bị thuỷ phân, mất tác dụng thành acetat và cholin nhờ enzym acetylcholinesterase (AChE) tập trung với nồng độ cao ở khe synap [20].

Sơ đồ dẫn truyền thần kinh hệ cholinergic [24] Trong bệnh Alzheimer, nồng độ ACh và ChAT giảm mạnh được ghi nhận là nguyên nhân dẫn đến mất trí nhớ và rối loạn chức năng nhận thức. Do đó, việc điều chỉnh hoạt động của AChE có thể giúp cải thiện chức năng nhận thức và đem lại tín hiệu 4 synap bình thường [25]. Các nghiên cứu khác nhau đã báo cáo sự giảm đáng kể về mức độ biểu hiện của thụ thể acetylcholin nicotinic và thụ thể acetylcholin muscarinic trong não bệnh nhân Alzheimer [26]. Chiến lược điều trị AD dựa trên việc khôi phục chức năng cholinergic thông qua việc sử dụng các hợp chất ngăn chặn enzym phân hủy acetylcholin.

Do vậy, việc thiết kế và tạo ra các chất ức chế cholinesterase để giảm sự phân hủy và duy trì hoạt động của ACh tại các khớp thần kinh cholinergic được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm [19], [20]. Tổng quan về acetylcholinesterase (AChE) 1. Giới thiệu về acetylcholinesterase Sự suy giảm khả năng học tập và trí nhớ trong AD chủ yếu do giảm chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin và rối loạn dẫn truyền hệ cholinergic. Do đó, nhiều chiến lược điều trị đã được nghiên cứu nhằm làm chậm sự tiến triển các triệu chứng của AD đồng thời khôi phục nồng độ ACh trong khe synap và dẫn truyền cholinergic [27], [28].