Khóa luận: Tổng hợp và đánh giá tác dụng độc tế bào của dẫn chất Chromen

Nghiên cứu dẫn chất Chromen-Benzimidazol mới với khả năng kháng ung thư hiệu quả. Phân tích cơ chế tác động và tiềm năng ứng dụng trong điều trị.

• Tác giả: Đặng Hoàng Ngân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Công Trường
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược
• Đề tài: Tổng hợp và đánh giá tác dụng gây độc tế bào của một số dẫn chất 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen mới mang khung benzimidazol-5-carboxamid
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dẫn chất Chromen Benzimidazol

Dẫn chất Chromen-Benzimidazol là những hợp chất hữu cơ mới được tổng hợp từ sự kết hợp giữa khung chromen và khung benzimidazol. Đây là kết quả của nghiên cứu chuyên sâu tại Trường Đại học Dược Hà Nội, nhằm phát triển những thuốc chống ung thư hiệu quả. Những dẫn chất này đặc biệt là 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen mang khung benzimidazol-5-carboxamid, được thiết kế để tối ưu hóa hoạt tính sinh học. Cấu trúc phân tử độc đáo của chúng cho phép tương tác mạnh mẽ với các mục tiêu sinh học trong tế bào ung thư, mở ra hướng đi mới trong liệu pháp ung thư hiện đại.

1.1. Khung benzimidazol trong ung thư

Benzimidazol là một heterocycle có cấu trúc gồm vòng imidazol kết hợp với benzene. Cấu trúc này đã được công nhận trong nhiều thuốc kháng ung thư lâm sàng hiện tại. Khung benzimidazol-5-carboxamid đặc biệt cho thấy khả năng ức chế mạnh mẽ sự phát triển của tế bào ung thư thông qua các cơ chế đa mục tiêu, bao gồm ức chế các protein chính trong quá trình phân chia tế bào.

1.2. Khung chromen và hoạt tính kháng ung thư

Khung chromen là một cấu trúc ngũ cạnh chứa oxy, được tìm thấy trong nhiều hợp chất chống ung thư tự nhiên. Sự kết hợp 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen với benzimidazol tạo ra các dẫn chất với hoạt tính sinh học cao hơn. Những tính chất này cho phép các dẫn chất mới xâm nhập tế bào tốt hơn và tương tác với các mục tiêu phân tử liên quan đến ung thư.

II. Tác dụng gây độc tế bào của dẫn chất mới

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng dẫn chất Chromen-Benzimidazol mới có khả năng gây độc tế bào đáng kể đối với nhiều dòng tế bào ung thư khác nhau. Tác dụng này được đánh giá thông qua các phép thử in vitro trên các dòng tế bào ung thư như A549 (ung thư phổi), A2780 (ung thư buồng trứng), và HepG2 (ung thư gan). Kết quả cho thấy những dẫn chất này có khả năng ức chế sự phân chia tế bào một cách có chọn lọc, với IC50 thấp hơn so với các thuốc tiêu chuẩn hiện tại. Cơ chế tác dụng chính liên quan đến việc chuỗi hóa các enzym quan trọng như HDAC và HSP90, dẫn đến apoptosis (chết tế bào lập trình).

2.1. Hoạt tính trên các dòng tế bào ung thư khác nhau

Những dẫn chất Chromen-Benzimidazol được thử nghiệm trên nhiều dòng tế bào ung thư bao gồm HCT-116 (ung thư đại trực tràng), CaCO-2 (ung thư đại tràng), và H1299 (ung thư phổi không tế bào nhỏ). Kết quả cho thấy hoạt tính kháng tế bào ung thư rất tốt với nồng độ ức chế thấp, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thư đa dạng.

2.2. Cơ chế gây độc tế bào

Cơ chế chính của tác dụng kháng ung thư liên quan đến ức chế tăng trưởng tế bào thông qua các đường dẫn tín hiệu quan trọng. Những dẫn chất này có khả năng tương tác với các protein mục tiêu bên trong tế bào, gây ra rối loạn chu kỳ tế bào và apoptosis. Đồng thời, chúng còn inhibit các enzyme lipoxygenase và các yếu tố khác liên quan đến sống sót và phát triển của tế bào ung thư.

III. Quy trình tổng hợp và tinh chế dẫn chất

Quá trình tổng hợp dẫn chất Chromen-Benzimidazol mới được thực hiện thông qua một chuỗi các phản ứng hữu cơ phức tạp. Bước đầu tiên liên quan đến việc tổng hợp khung benzimidazol từ o-phenylenediamine và các acid carboxylic hoặc aldehyd thích hợp. Tiếp theo, khung chromen được tổng hợp thông qua alkyl hóa và phản ứng Claisen, sau đó hai khung này được kết hợp lại để tạo thành dẫn chất cuối cùng. Các sản phẩm được tinh chế bằng sắc ký cột và được xác nhận cấu trúc bằng phổ NMR, phổ IR, và phổ khối lượng.

3.1. Phương pháp tổng hợp khung benzimidazol

Benzimidazol được tổng hợp thông qua phản ứng ngưng tụ giữa o-phenylenediamine (OPDA) và các acid carboxylic hoặc aldehyd. Phản ứng này diễn ra trong các dung môi cực như DMF ở nhiệt độ cao. Các chất xúc tác được sử dụng để tăng hiệu suất phản ứng và kiểm soát tính chọn lọc của sản phẩm cuối cùng.

3.2. Phương pháp tổng hợp khung chromen

Khung chromen được tổng hợp thông qua sự alkyl hóa và phản ứng Claisen. Quá trình bắt đầu từ phenol hoặc hydroxybenzene như chất khởi đầu, sau đó trải qua đóng vòng oxy hóa để hình thành cấu trúc pyran. Methoxy và dimethyl được thêm vào để tạo ra 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen theo yêu cầu của thiết kế cấu trúc.

IV. Triển vọng ứng dụng lâm sàng và hướng phát triển tương lai

Dẫn chất Chromen-Benzimidazol mới mở ra những triển vọng rất lớn trong điều trị ung thư với những hoạt tính sinh học vượt trội. Những kết quả thí nghiệm in vitro đầy hứa hẹn cho thấy tiềm năng phát triển thành những thuốc chống ung thư thế hệ mới. Các nhà khoa học dự kiến tiếp tục nghiên cứu in vivo trên các mô hình động vật để đánh giá độc tính và hiệu quả trong cơ thể sống. Ngoài ra, việc tối ưu hóa cấu trúc thêm có thể dẫn đến những dẫn chất có hoạt tính cao hơn với độc tính thấp hơn. Điều này có thể mở đường cho sự phát triển của những liệu pháp ung thư cá nhân hóa dựa trên hình thái di truyền của khối u.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thư

Dẫn chất Chromen-Benzimidazol có tiềm năng cao để trở thành thuốc chống ung thư mới với hiệu quả tốt và tác dụng phụ thấp. Những dẫn chất này có thể được kết hợp với các liệu pháp khác như hóa trị hoặc xạ trị để tăng hiệu quả điều trị. Các thử nghiệm lâm sàng được dự kiến sẽ được tiến hành trong những năm tới.

4.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo

Các nhà nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc để tăng hoạt tính sinh học và giảm độc tính. Ngoài ra, các mô hình tính toán và dự báo phân tử sẽ được sử dụng để thiết kế những dẫn chất mới với tính chất mong muốn. Nghiên cứu cơ chế sâu hơn cũng cần thiết để hiểu rõ cách những dẫn chất này tương tác với các mục tiêu phân tử trong tế bào ung thư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hoạt tính kháng tế bào ung thư của các dẫn chất mang khung benzimidazol 1. Giới thiệu khung benimidazol Benzimidazol đầu tiên được tổng hợp bởi nhà khoa học Hobrecker vào năm 1872 [6]. Hợp chất này là một dị vòng thơm chứa nitơ bao gồm vòng benzen kết hợp tại vị trí số 4 và 5 của vòng imidazol [7].

Cấu trúc hóa học của benzimidazol Trong lịch sử nghiên cứu, benzimidazol được chú ý từ khi Woolley phát hiện ra sự tương đồng về mặt cấu trúc của 2-aminobenzimidazol với purine vào năm 1944 và Brink phát hiện ra 5,6-dimethylbenzimidazol là sản phẩm phân hủy của vitamin B12 [8]. Sau đó, khung benzimidazol được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và chứng minh là một khung cấu trúc được chú ý trong lĩnh vực y học với một loạt tác dụng dược lý. Điều này được cho rằng xuất phát từ sự kết hợp của vòng benzen và imidazol độc đáo, có thể tương tác không cộng hóa trị với một loạt các mục tiêu sinh học do sự có mặt của hệ thống vòng thơm giàu điện tử và dị vòng 2 nguyên tử nitơ [9]. Theo thời gian, benzimidazole và dẫn chất của nó đã phát triển thành hệ dị vòng đầy tiềm năng với nhiều loại thuốc được FDA chấp thuận như albendazole, bendamustin, thiabendazol, benzitriamid, mizolastin, omeprazol,.

Các thuốc trên thị trường có chứa khung benzimidazol [10] 2 1. Khung benzimidazol trong điều trị ung thư Một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phát triển của ung thư là rối loạn biểu sinh, đây là một biến đổi di truyền làm thay đổi biểu hiện gen mà không làm thay đổi trình tự ADN. Do đó tác động vào mục tiêu thay đổi biểu sinh là liệu pháp điều trị ung thư tiềm năng [8]. Đặc biệt, benzimidazol có cấu trúc giống với các nucleotid purin tự nhiên, cho phép chúng dễ dàng tiếp xúc với các mục tiêu sinh học trong cơ thể sống [11].

Vì vậy, các hợp chất mang khung benzimidazol có nhiều tác dụng sinh học trên các tế bào ung thư khi chúng tương tác với nhiều mục tiêu biểu sinh khác nhau như ức chế HDAC, ức chế protein kinase CK2, ức chế topoisomerase, ức chế tyrosine kinase, chống hình thành mạch, ức chế chống tăng sinh, ức chế yếu tố gây thiếu oxy [10]. Ức chế HDAC Histone deacetylase (HDAC) là một loại enzym loại bỏ nhóm acetyl các gốc histone lysine dẫn đến sự ngưng tụ chromatin và ức chế phiên mã. Chúng cũng điều chỉnh trạng thái acetyl hóa của các protein không phải histone và protein tế bào chất. Ức chế HDAC có thể dẫn đến histone bị acetyl hóa quá mức, chu kỳ tế bào bị dừng lại và tế bào chết [12].

Vì vậy, chất ức chế histone deacetylase (HDAC) là một nhóm thuốc chống ung thư tương đối mới đóng vai trò quan trọng trong điều hòa biểu sinh hoặc không biểu sinh, gây ra cái chết, apoptosis và ngừng chu kỳ tế bào ở các tế bào ung thư [13]. Do đó, HDAC là một mục tiêu tiềm năng để nghiên cứu về hoạt tính kháng ung thư. Năm 2009, Wang và cộng sự đã tổng hợp N-hydroxy-1,2-R1,R2-1H- benzimidazol-5-yl acrylamid, nhấn mạnh rằng hợp chất 1a (hình 1.3) là chất có khả năng ức chế HDAC1 với IC50 là 0,035 ± 0,016 μM và ức chế các isoenzyme HDAC loại I, II và IV trong phạm vi nanomolar. Nó có hoạt tính chống tăng sinh khi được thử nghiệm trên các dòng tế bào HCT116, A2780 và PC3 với giá trị IC50 (μM) lần lượt là 0,20, 0,19 và 0,15 [14].

Một nghiên cứu khác vào năm 2010, Bressi và cộng sự đã tổng hợp N - hydroxy-3-[3-(1-R-1H- benzimidazol-2-yl)-phenyl]-acrylamid và dẫn chất của nó. Hợp chất 1b (hình 1.3) cho thấy hoạt tính ức chế HDAC2 (IC50 là 10,0 nM), HDAC6 (IC50 là 100 nM) và HDAC8 (IC50 là 200 nM). Hơn thế nữa, cơ chế tác dụng của nó đã được chứng minh bằng quá trình tăng acetylation H3 và H4 trong các tế bào bệnh bạch cầu HL60. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ đánh giá khả năng ức chế sự phát triển tế bào ung thư (EC50) của các hợp chất trên các dòng tế bào ung thư phổi A549 (EC50 là 3 0,6 - 50 μM), bệnh bạch cầu HL60 (EC50 là 0,03 - 50 μM) và PC3 (EC50 là 0,05 - 50 μM) [15].

Một số dẫn chất của benzimidazol ức chế HDAC [13],[14] 1. Ức chế kinase Protein kinase là các enzyme điều chỉnh các con đường tế bào bao gồm tăng trưởng, tăng sinh, biệt hóa và chết tế bào theo chương trình, đặc biệt là những enzyme liên quan đến quá trình truyền tín hiệu bằng cách phosphoryl hóa các protein tế bào khác. Vì vậy, sự mất điều hòa hoạt động của kinase là nguyên nhân thường gặp gây ra bệnh, đặc biệt là ung thư [16]. Do đó, ức chế protein kinase là liệu pháp điều trị ung thư tiềm năng và khung benzimidazol là đã được nghiên cứu rộng rãi như một khuôn mẫu để tổng hợp chất ức chế protein kinase (Hình 1.

Năm 2021, Abemaciclib là chất ức chế kinase phụ thuộc cyclin (CDK) đã được FDA chấp thuận để sử dụng làm thuốc bổ trợ với liệu pháp nội tiết để điều trị ung thư vú [17]. Ức chế CDK4/6 làm ức chế quá trình phosphoryl hóa Rb, dẫn đến cản trở sự tăng sinh tế bào ung thư [19]. Cấu trúc dẫn chất ức chế protein kinase [17] 4 1. Khung benzimidazol-5-carboxamid trong các chất ức chế ung thư Gần đây nhất, vào năm 2023, Shailendra Singh cùng các cộng sự đã tiến hành tổng hợp và đánh giá tác dụng kháng tế bào ung thư của một số dẫn chất benzimidazol-5-carboxamid [20].

Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp và thử độc tính tế bào của 12 hợp chất đối với các dòng tế bào ung thư đại tràng (HCT-116 và CaCO-2), ung thư vú (MCF-7) và dòng tế bào bình thường (HEK293) đã được nghiên cứu in vitro sử dụng xét nghiêm sống sót tế bào 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromid (MTT). Tất cả các hợp chất đều được chứng minh có tác dụng kháng các dòng tế bào ung thư trên ở mức độ từ trung bình đến tốt với giá trị IC50 đối với các dòng tế bào ung thư HCT-116, CaCO-2 và MCF-7 lần lượt là (3,0-10,0 µM), (4,1-11,6 µM), (3,5-9,8 µM). Đồng thời các hợp chất trên không ảnh hưởng tới dòng tế bào bình thường HEK293 (IC50: 30,1- 42,4 µM). Đặc biệt, trong số đó thì hợp chất 1d thể hiện khả năng gây độc tế bào tốt nhất đối với ba dòng tế bào ung thư trên [20].

Cấu trúc các hợp chất 1d [20] Từ đó, chúng tôi thấy các hợp chất mang khung benzimidazol có tiềm năng trong việc nghiên cứu và điều trị các tế bào ung thư. Đặc biệt, trong những năm gần đây, khung benzimidazol-5-carboxamid được chứng minh là khung có hoạt tính kháng ung thư tốt. Do vậy, khóa luận đã sử dụng khung cấu trúc benzimidazol-5-carboxamid với mong muốn tìm ra hợp chất mới có hoạt tính kháng tế bào ung thư tốt hơn các hợp chất đã công bố trước đó. Hoạt tính kháng tế bào ung thư của các dẫn chất mang khung 5-methoxy-2,2- dimethyl-2H-chromen Trong những năm gần đây, tubulin trở thành mục tiêu cho sự phát triển của thuốc chống ung thư do chúng tham gia vào một loạt các quá trình tế bào bao gồm điều chỉnh sự vận động, tín hiệu tế bào, duy trì hình dạng tế bào, sự tăng sinh tế bào và vận chuyển nội bào [21].

Do đó, ức chế tubulin gây gián đoạn quá trình phân bào dẫn đến dừng chu kỳ tế bào và apoptosis. Vì vậy, tubulin là mục tiêu được chú ý là liệu pháp điều trị ung thư trong nhiều nghiên cứu. Trong đó, Millemachin là dẫn xuất có nhiều nghiên cứu về hoạt tính chống ung thư nhắm mục tiêu vào tubulin. Millemachin là một pyranochalcon tự nhiên, lần đầu 5 được phân lập từ Millettia pachycarpa bởi Chen và công sự trong phòng thí nghiệm vào năm 2013.

Những hợp chất này ức chế mạnh mẽ sự phát triển của các dòng tế bào ung thư và sự trùng hợp tubulin bằng cách liên kết với vị trí colchicin của tubulin và khiến các tế bào ngừng hoạt động trong giai đoạn G2/M của chu kỳ tế bào [21].6 : Cấu trúc hóa học của Millemachin [21] Năm 2014, Ở Trung Quốc, Zhuang Yang và cộng sự đã tổng hợp dẫn xuất mới của Millepachine và đánh giá hoạt tính chống tăng sinh trong ống nghiệm. Dãy dẫn chất đều chứa 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen và thay thế nhóm methoxyl bằng diethyl amino hoặc đưa nhóm hydroxyl vào vòng B để tăng hoạt tính chống ung thư và hiệu quả in vivo hoặc thay thế ở vị trí ortho của nhóm methoxy bằng nhóm este propionat (hợp chất 1e) thì hoạt tính tăng gấp 15-45 lần so với Millemachin. Sau đó, họ tập trung nghiên cứu và tổng hợp dãy dẫn chất thay thế vị trí ortho của nhóm methoxy bằng nhóm amino thì kết quả ghi nhận tăng đáng kể hoạt động chống tăng sinh. Trong số đó, 8 chất thể hiện hoạt tính mạnh nhất với giá trị IC50 từ 8 – 27 nM đối với nhóm dòng tế bào ung thư.

Đặc biệt, hợp chất 1f được chứng minh là chất ức chế trùng hợp tubulin bằng cách liên kết tại vị trí colchicin và có tác dụng chống tăng sinh mạnh đối với khối u HepG2 trên dòng tế bào gan (IC50= 0,008 ± 1 µM), khối u MCI- H358 của phổi (IC50= 0,012 ± 5 µM), ung thư vú MCF-7 (IC50= 0,027 ± 4 µM) [22]. Cấu trúc hóa học của chất 1e và 1f [22] Xét với một mục tiêu đầy tiềm năng khác mà các nhà nghiên cứu nhắm tới để tìm ra các chất có hoạt tính kháng ung thư tốt là HSP90. HSP90 là một mục tiêu đặc biệt do nó tồn tại ở tế bào thường với số lượng cực lớn, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình tế bào thiết yếu và các con đường điều hòa [23]. Vì vậy, sự biểu hiện quá 6 mức của HSP90 đã được tìm thấy trong nhiều tế bào khối u bao gồm ung thư vú, phổi, đại trực tràng, buồng trứng, nội mạc tử cung, thực quản, xương, tiết niệu và tuyến tiền liệt.Từ đó, ức chế HSP90 là một mục tiêu trong nhiều công trình nghiên cứu về ung thư.

Trong một nghiên cứu các dẫn xuất của deguelin về khả năng ức chế HSP90 được công bố vào năm 2012, Dong-Jo Chang và các cộng sự đã tổng hợp một dãy các dẫn chất mang khung 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen đồng thời chứng minh được tác dụng kháng tế bào ung thư phổi không tế bào nhỏ H1299 của chúng [24]. Hợp chất đều có giá trị IC50 rất nhỏ nên đều có hoạt tính kháng tế bào ung thư phổi rất tốt. Cấu trúc hóa học của hợp chất 1g-1i [24] Vì vậy, khóa luận chọn khung 5-methoxy-2,2-dimethyl-2H-chromen để tiến hành khóa luận với mong muốn tìm ra hợp chất có hoạt tính kháng ung thư tốt hơn hợp chất đã công bố.