Đồ án: Tổng hợp và Docking phân tử Dẫn xuất Curcumin từ p-Methoxybenzaldehyde

Nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde. Phân tích hoạt tính sinh học tiềm năng bằng phương pháp docking phân tử.

• Tác giả: Phan Đăng Quới Tứ
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Hảo
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp và Docking phân tử các Dẫn xuất Curcumin từ p-Methoxybenzaldehyde
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Curcumin và các Dẫn xuất của nó

Curcumin là một hợp chất polyphenol tự nhiên được chiết xuất từ nghệ vàng (Curcuma longa), có cấu trúc hóa học đặc biệt với nhiều nhóm chức năng quan trọng. Dẫn xuất curcumin được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả sinh học và độ ổn định của hợp chất gốc. Nghiên cứu về các dẫn xuất curcumin đã cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng dược phẩm, đặc biệt là trong điều trị các bệnh liên quan đến viêm nhiễm và ung thư. Curcuminoid bao gồm curcumin, demethoxycurcumin và bisdemethoxycurcumin, đều có hoạt tính sinh học cao. Sự phát triển của các dẫn xuất isoxazole và pyrazole curcumin mở ra hướng nghiên cứu mới với những tính chất dược lý cải thiện.

1.1. Nguồn gốc và Hoạt tính Sinh học

Nghệ vàng (Curcuma longa) là một loại thực vật truyền thống được sử dụng rộng rãi trong y học cổ truyền. Curcumin từ nghệ có hoạt tính chống viêm, chống oxy hóa và chống khối u đáng kể. Hoạt tính sinh học của curcuminoid được chứng minh qua nhiều nghiên cứu lâm sàng. Các dẫn xuất curcumin được tổng hợp để tăng cường các tính chất này và cải thiện sinh khả dụng.

1.2. Pharmacophore và Cơ chế Tác dụng

Pharmacophore của curcumin xác định các yếu tố cấu trúc cần thiết để duy trì hoạt tính sinh học. Các nhóm hydroxyl, nhóm conjugated diene và phân tử methoxy đóng vai trò quan trọng. Cơ chế tác dụng của các dẫn xuất curcumin liên quan đến sự ức chế các effector protein và enzyme quan trọng trong các đường dẫn truyền tín hiệu tế bào, đặc biệt là CDK2 (Cyclin dependent kinase 2).

II. Phương pháp Tổng hợp các Dẫn xuất Curcumin

Tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde là một quy trình hóa học phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn. Cơ chế tổng hợp bắt đầu bằng phản ứng Wittig hoặc Horner-Wadsworth-Emmons để tạo thành liên kết double bond conjugated. Dẫn xuất isoxazole được hình thành thông qua phản ứng cycloaddition với hydroxylamine, trong khi dẫn xuất pyrazole được tạo thành từ phản ứng với hydrazin hoặc các dẫn xuất hydrazin đã thay thế. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, dung môi và xúc tác đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm.

2.1. Tổng hợp Dẫn xuất Curcumin QT01

QT01 - (1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta-1,4,6-trien-3-one được tổng hợp qua phản ứng tụ hợp. Chất nền p-methoxybenzaldehyde được kết hợp thông qua phản ứng Wittig sử dụng acetone như chất trung gian. Hợp chất QT01 có cấu trúc gần giống curcumin tự nhiên nhất, giữ nguyên nhóm hydroxyl trung tâm quan trọng.

2.2. Tổng hợp Dẫn xuất Isoxazole và Pyrazole

Dẫn xuất isoxazole QT02 được hình thành từ phản ứng 1,3-cycloaddition giữa nhóm nitrile ảo và alkene. Dẫn xuất pyrazole QT03 và QT04 được tạo bằng phản ứng với hydrazin hoặc N-phenylhydrazin. Các phản ứng này đều yêu cầu điều kiện nhiệt độ kiểm soát và sử dụng dung môi thích hợp để đạt hiệu suất cao.

III. Kỹ thuật Docking Phân tử và Đánh giá Hoạt tính

Docking phân tử là một công cụ máy tính mạnh mẽ được sử dụng để dự đoán cách thức các dẫn xuất curcumin tương tác với protein CDK2 (Cyclin dependent kinase 2). Phương pháp docking phân tử mô phỏng sự kết hợp giữa ligand và receptor ở cấp độ nguyên tử, cung cấp thông tin về năng lượng kết hợp và các tương tác hydrogen bond. Receptor CDK2 (protein ID: 2R3I) là một enzyme quan trọng trong điều hòa chu kỳ tế bào và thường bị điều hòa bất thường trong ung thư. Kết quả docking cho thấy các dẫn xuất curcumin có sự ái lực cao với CDK2, với các giá trị binding energy negative, biểu thị tương tác ưu tiên về mặt nhiệt động học.

3.1. Receptor CDK2 và Tầm quan trọng Sinh học

CDK2 là một enzyme kinase phụ thuộc vào cyclin, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển tiếp giữa các pha của chu kỳ tế bào. Sự hoạt động bất thường của protein CDK2 liên quan đến sự phát triển của các tế bào ung thư. Ức chế CDK2 bằng các inhibitor thích hợp có thể làm chậm hoặc dừng sự phân chia tế bào không kiểm soát, do đó có tiềm năng trị liệu ung thư.

3.2. Phương pháp Redocking và Xác thực

Phương pháp redocking được sử dụng để xác thực độ chính xác của mô hình docking. Ligand gốc SCF được re-dock vào protein 2R3I và so sánh với vị trí kết tinh ban đầu. Độ lệch RMSD nhỏ (thường < 2Å) cho thấy mô hình docking đáng tin cậy. Kết quả redocking thành công là nền tảng để đánh giá các dẫn xuất curcumin mới.

IV. Kết quả và Ứng dụng Lâm sàng của Dẫn xuất Curcumin

Kết quả tổng hợp các dẫn xuất curcumin cho thấy hiệu suất phản ứng từ 45-75% tùy thuộc vào loại dẫn xuất. Độ tinh khiết của các hợp chất được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký lớp mỏng (TLC). Cấu trúc hóa học được xác nhận thông qua phổ NMR, phổ khối lượng và phổ hồng ngoại. Kết quả docking phân tử cho thấy các dẫn xuất QT02, QT03 và QT04 có binding energy tốt hơn so với curcumin tự nhiên, đặc biệt là dẫn xuất pyrazole QT04 với giá trị binding energy = -8.5 kcal/mol. Những phát hiện này gợi ý rằng các dẫn xuất curcumin có tiềm năng phát triển thành các inhibitor CDK2 hiệu quả hơn trong điều trị ung thư.

4.1. Phân tích Kết quả Docking Chi tiết

Tương tác giữa các dẫn xuất curcumin và protein CDK2 chủ yếu thông qua hydrogen bonding và van der Waals forces. Hợp chất QT02 (isoxazole) tạo 3 hydrogen bond với amino acid residues quan trọng tại vị trí hoạt động. Hợp chất QT03 và QT04 (pyrazole) có nhiều tương tác van der Waals, tạo ra độ ở lại cao hơn trong túi binding protein.

4.2. Tiềm năng Ứng dụng Dược phẩm

Các dẫn xuất curcumin được tổng hợp và đánh giá có tiềm năng lớn trong phát triển thuốc ung thư mới. Bioavailability cải thiện của các dẫn xuất này so với curcumin tự nhiên là một lợi thế quan trọng. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào thử nghiệm ngoài ống nghiệm và thử nghiệm trên mô hình động vật để xác nhận hoạt tính sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về curcumin, curcuminoid 1. Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid Nghệ, hay còn gọi là nghệ vàng, thuộc họ gừng, thân cao khoảng 0,6 đến 1,0 m. Thân rễ có dạng hình trụ hoặc hơi dẹt, khi bẻ hoặc cắt ngang có màu vàng cam do có chứa chất màu curcuminoid.

Lá hình trái xoan, thon nhọn ở hai đầu, hai mặt đều nhẵn, lá khum hình máng rộng, đầu tròn màu xanh lục nhạt, lá non hẹp hơn, màu tím nhạt (Hình 1. Củ nghệ có vị đắng, cay, mùi thơm hơi nồng, chứa tinh dầu với hàm lượng 3 – 5 % màu vàng nhạt, thơm. Ngoài ra, thành phần trong củ nghệ còn có tinh bột, canxi oxalate (CaC2O4) và chất béo [1]. Thân, củ nghệ vàng Hiện nay, nghệ là một cây trồng quen thuộc ở khắp các nước vùng nhiệt đới, từ Nam Á đến Đông Nam Á và Đông Á.

Ở Việt Nam, nghệ cũng được trồng ở khắp các địa phương, từ vùng đồng bằng ven biển đến vùng núi cao như Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hưng Yên, Nghệ An, Quảng Nam, Đồng Nai, Bình Dương,… Phần củ nghệ được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm. Thành phần hóa học chính và quan trọng nhất của củ nghệ là curcuminoid (curcumin, demethoxycurcumin – DMC, bisdemethoxycurcumin – BDMC), chiếm hàm lượng khoảng 6%, là thành phần tạo màu vàng cho nghệ, trong đó lượng curcumin chiếm khoảng 70-80% khối lượng. Trong củ nghệ còn chứa tinh dầu (hàm lượng từ 2-7%) với các thành phần chính là artumeron, zingberen, borneol [2, 3]. Ngoài ra còn có những thành phần khác trong củ nghệ được trình bày trong Bảng 1.

Thành phần các chất trong thân rễ nghệ Thành phần Khối lượng/100g Đơn vị Năng lượng thực phẩm 390 Kcal Nước 6,0 g Protein 8,5 g Chất béo 8,9 g Carbohydrate 69,9 g Tro 6,8 g Canxi 0,2 g Phospho 260 mg Natri 30 mg Kali 2000 mg Sắt 47,5 g Thiamine 0,09 mg Riboflavin 0,19 mg Niacin 4,8 mg Acid ascorbic 50 mg 1. Hoạt tính sinh học của curcuminoid Curcuminoid có 03 thành phần chính gồm curcumin, DMC và BDMC (Hình 1.2), trong đó curcumin chiếm thành phần lớn và có hoạt tính sinh học đa dạng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Cấu trúc hóa học của curcuminoid 2 Curcumin tương đối trơ và không gây độc đối với cả động vật lẫn người ngay cả với lượng lớn. Theo nghiên cứu, curcumin không gây độc với người khi dùng ở liều lượng cao [4].

Chính nhờ tính an toàn đó mà curcumin là chất có tiềm năng sử dụng trong ngành dược. Curcumin có giá trị hoạt tính sinh học đa dạng là do trong công thức cấu tạo của curcumin có các nhóm hoạt tính (Hình 1. Công thức cấu tạo của curcumin 1. Nhóm parahydroxyl: hoạt tính chống oxi hoá 2.

Nhóm keto: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào 3. Nhóm liên kết đôi: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào Hoạt tính sinh học chủ yếu của curcumin là kháng oxy hoá, kháng khuẩn, kháng virus và kháng một số loại ung thư. Các nghiên cứu cho thấy curcumin có tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư. Tại Mỹ, Đài Loan, người ta đã tiến hành thử lâm sàng dùng curcumin điều trị ung thư và kết luận rằng curcumin có thể ức chế sự phát triển tế bào ung thư da, dạ dày, ruột, vòm họng, dạ con, bàng quang.

Curcumin còn có tương tác tốt với dạ dày, ruột, gan, mật, lọc máu, làm sạch máu, điều trị vết thương, chống viêm khớp, dị ứng, nấm, chống vi khuẩn. Từ nǎm 1993, các nhà khoa học thuộc Đại học Harvarrd (Mỹ) đã công bố ba chất có tác dụng kìm hãm tế bào HIV-1, HIV-1-RT và một trong ba chất đó là curcumin [5, 6]. Hoạt tính kháng oxy hóa Gốc tự do là các chất phản ứng mạnh, được tạo ra khi cơ thể thu nhận khí oxy hoặc chuyển hóa thức ăn để tạo ra năng lượng. Bản thân các gốc tự do góp phần vào quá trình lão hóa của cơ thể.

Tuy nhiên, nếu số lượng gốc tự do quá nhiều có thể gây tổn thương các tế bào lành. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến một số bệnh như ung thư, 3 xơ cứng động mạch, làm suy yếu hệ thống miễn dịch gây dễ bị nhiễm trùng, làm giảm trí tuệ, teo cơ quan bộ phận người cao niên [7]. Curcumin là hợp chất tự nhiên có khả năng kháng oxy hóa. Curcumin có khả năng ngăn cản sự tạo thành gốc tự do như superoxide, hydroxyl.

Ngăn cản sự peroxide hóa các lipid trong cơ thể nhờ vào nhóm OH trên vòng bezene [8]. Tinh dầu và curcumin tách từ củ nghệ vàng thể hiện hoạt tính quét gốc tự do DPPH cao. Tinh dầu nghệ thể hiện hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn so với curcumin ở cả hai thử nghiệm kháng oxy hóa DPPH và MDA [9]. Hoạt tính kháng viêm, kháng virus, vi khuẩn và kháng nấm Viêm nhiễm là một chuỗi phản ứng của cơ thể nhằm chống lại tổn thương mô.

Phản ứng này cần thiết cho quá trình lành viết thương, nhưng đồng thời làm đau, nổi mẫn đỏ và phồng viết thương. Trong quá trình viêm nhiễm, cơ thể sinh ra arachidonic acid. Enzyme cylooxygenase chuyển hóa arachidonic acid thành các chất gây viêm. Liên kết đôi ở C3,4 và C3’,4’ và nhóm OH ở C8,8’ (Hình 1.2) trên vòng benzene của curcumin có khả năng ức chế enzyme cylooxygenase, từ đó giảm quá trình chuyển hóa arachidonic acid [10].

Curcumin còn có khả năng ức chế virus HIV [11]. Ngoài ra, hỗn hợp các curcumin, DMC và BDMC còn có thể kháng giun [12]. Ngoài ra, tinh dầu nghệ vàng có khả năng kháng mạnh với các chủng vi nấm Microsporum gypseum, Trichophyton mentagrophytes, Candida albicans [9]. Hoạt tính kháng đông máu Sự kết tụ của các tiểu huyết cầu trong máu sẽ gây ra hiện tượng đông máu.

Curcumin có khả năng ngăn cản hoạt động của enzyme cyclooxyenase tạo thêm tiểu huyết cầu, nên curcumin có tác dụng chống đông máu [13]. Hoạt tính kháng ung thư Ung thư hiện là căn bệnh nan y và hiện chưa có thuốc chữa. Yêu cầu của thuốc trị ung thư là ức chế sự phát triển và biệt hóa các tế bào ung thư nhằm chặn đứng sự phát triển và di căn của ung thư. Tuy nhiên nhược điểm chung của đại đa số các thuốc trị ung thư hiện nay là không có sự chọn lọc cao, dễ kháng thuốc và hệ số an toàn giảm dần theo thời gian sử dụng, ngoài ra chúng có thể gây độc cho các tế bào lành và gây ra các tác 4 dụng phụ như rụng tóc, buồn nôn,… Vì vậy việc tìm ra một hoạt chất có tác dụng chống ung thư nguồn gốc từ tự nhiên và tăng hoạt tính của các hoạt chất đó đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu.

Curcumin là chất ức chế tế bào ung thư theo cơ chế tự ức chế từng phần các tế bào ác tính [14]. Curcumin có tác dụng ức chế tế bào ung thư ở cả ba giai đoạn khởi phát, tiến triển và giai đoạn cuối. Kết quả là các tế bào ung thư bị vô hiệu hóa nhưng không gây ảnh hưởng đến tế bào lành tính, đồng thời ngăn ngừa sự hình thành tế bào ung thư mới. Curcumin có khả năng ức chế sự tạo khối u, tác động đến hầu hết các giai đoạn của quá trình hình thành và phát triển khối u [13].

Trong giai đoạn đầu của bệnh, các tế bào bình thường bị tác động bởi các gốc tự do và bị biến đổi thành các tế bào ung thư. Curcumin có thể ngăn chặn quá trình này bằng cách bắt giữ các gốc oxy hóa khác nhau như gốc hydroxyl HO, gốc peroxyl ROO+, singlet oxygen [15]. Curcumin có khả năng bảo vệ lipid, hemoglobin và AND khỏi quá trình oxy hóa. Curcumin tinh khiết có hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn DMC và BDMC.

Curcumin được chứng minh có khả năng chống di căn đối với một vài loại tế bào ung thư đồng thời ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Khả năng làm giảm quá trình di căn này còn phụ thuộc vào nguồn gốc và loại khối u ác tính [13]. Nhóm methoxy (-OCH3) được xác định có vai trò quan trọng trong cơ chế trung hòa gốc tự do DPPH của curcumin. Curcuminoid và các dẫn xuất thể hiện hoạt tính gây độc tế bào ung thư tuyến tiền liệt PC3 mạnh.

Trong đó, các dẫn xuất pyrazole thể hiện hoạt tính cao hơn so với curcumin, nổi bật là dẫn xuất methyl pyrazole- curcumincarboxylate có hoạt tính gấp 38 lần curcumin [9]. Pharmacophore của curcumin Curcumin là một diarylheptanoid với hai nhóm p-OH và m-OCH3 liên kết với một β- diketone bởi hai liên kết olefin đối xứng. Các liên kết đôi olefin được xem là cầu nối giữa vòng thơm và nhóm diketone và thường không được thay đổi khi thiết kế các dẫn xuất curcumin. Thay vào đó, nhóm diketone, vòng thơm và các nhóm thế là mục tiêu chính trong thiết kế các dẫn xuất.

Vì thế, các nhóm thế đã được thay đổi trên cấu trúc 5 curcumin, bao gồm các dẫn xuất có vòng 1,2 – azole để tạo thành dẫn xuất mới [16]. Khi loại bỏ nhóm p-OH hoặc thêm vào nhóm m-OCH3 dẫn đến hoạt tính chống tăng sinh tế bào giảm nhẹ [17]. Nếu thay đổi vị trí của nhóm p – phenolic và m – methoxy cho nhau thì hoạt tính chống tăng sinh tế bào bị mất đi [17]. Mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc hóa học của curcumin được thiết lập bằng cách so sánh hoạt tính sinh học của curcumin với các dẫn xuất của curcumin (Bảng 1.

Cấu trúc hóa học của curcumin và dẫn xuất A Curcumin B Demethoxycurcumin Bisdemethoxycurcumin Tetrahydrocurcumin Hexahydrocurcumin C Octahydrocurcumin Kết quả cho rằng khả năng kháng viêm và kháng khối u của curcumin có liên quan đến mức độ hydro hóa, methoxy hóa và độ bất bão hòa của nhóm diketone [18]. Khả năng lấy gốc tự do của curcumin có liên quan đến số lượng nhóm thế m-OCH3 và mức độ hydro hóa của nhánh heptadiene trong cấu trúc của curcumin [19, 20]. Glycosyl hóa 6 vòng thơm làm cho curcumin tan trong nước với sự ổn định động học cao và chỉ số điều trị tốt [21]. Các dẫn xuất isoxazole và pyrazole của curcumin Trong nhiều năm qua, số lượng lớn các dẫn xuất curcumin đã được tổng hợp bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới.

Các dẫn xuất mới này có khả năng ức chế gốc tự do [22], gây độc tế bào, kháng viêm và các hoạt tính khác [23-25]. Một số dẫn xuất còn có hoạt tính chống ung thư [26], chất kích hoạt NF – κB [27], thuốc siêu vi [28],… Curcumin và 9 dẫn xuất curcumin (Hình 1.4) được tổng hợp để khảo sát hoạt tính.