Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học từ thực vật 1. Khái niệm Hợp chất thiên nhiên (natural product) là các chất hóa học được sản sinh trong các cơ thể sống và có hoạt tính sinh học, dược học nhất định. Các chất thứ cấp này hầu như không có chức năng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật mà được sản xuất như là kết quả của sự thích nghi của sinh vật với môi trường xung quanh hoặc hoạt động như một cơ chế bảo vệ chống lại kẻ thù để đảm bảo sự tồn tại của bản thân sinh vật đó [9].
Trong số các loài sinh vật, thực vật được đánh giá là nguồn cung cấp các hợp chất có hoạt tính sinh học đa dạng và phong phú. Theo ước tính sơ bộ, có khoảng 200 nghìn loài thực vật tổng hợp các hợp chất thứ cấp trong vòng đời của chúng.Với độ đa dạng cao về cấu trúc hóa học, các hợp chất thứ cấp thực vật này đã và đang đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc tìm kiếm các chất có tiềm năng y dược phục vụ bảo vệ sức khỏe cho con người. Phân loại Các hợp chất có hoạt tính sinh học thường được phân loại dựa vào cấu trúc hóa học, các con đường sinh tổng hợp ra các nhóm hợp chất và hoạt tính cơ bản của chúng. Dựa vào tiêu chí đó, Bernhoft (2010) đã phân nhóm một số hợp chất có dược tính từ thực vật như sau: Nhóm Glycoside: nhóm hợp chất này có cấu trúc cơ bản là gồm một hoặc nhiều nhóm saccharide (nhóm đường).
Các nhóm hợp chất chính gồm cardiac glycoside, cyanogenic glycoside, saponin và anthraquinone glycoside [14]. Một hợp chất nổi tiếng thuộc nhóm này là ginseng saponin được phân lập từ các loài nhân sâm như Panax Ginseng C. Meyer và Panax quinquefolius. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Nhóm Flavonoid và Proanthocyanidin: Flavonid là nhóm hợp chất có cấu trúc vòng 3 mạch vòng trung tâm, và các oligomer của Flavonoid tạo thành Proanthocyanidin.
Flavonid thành phần các sắc tố và phổ biến trong hầu hết các thực vật bậc cao. Hoạt tính nổi trội của các hợp chất Flavonoid là ngăn chặn sự hình thành của các gốc oxy hóa tự do, từ đó làm giảm quá trình oxy hóa [14]. Có thể kể đến hợp chất rutin thuộc nhóm Flavonid được tách chiết từ nhiều loại thực vật họ cam chanh Citrus có tác dụng bảo vệ thành mạch [24]. Nhóm Tanin: là hợp chất polyphenol có trong thực vật có khả năng tạo liên kết bền vững với các proteinvà các hợp chất hữu cơ cao phân tử khác như các amino axit và alkaloid.
Tanin kết hợp với protein tạo thành màng trên niêm mạc nên thường dùng làm thuốc săn da. Tanin có tác dụng kháng khuẩn dùng làm thuốc súc miệng khi viêm niêm mạc miệng hoặc chỗ loét khi nằm lâu hoặc chữa viêm ruột, tiêu chảy. Tanin kết tủa với kim loại nặng và alkaloid thường dùng để chữa ngộ độc đường tiêu hoá [14]. Nhóm Terpenoid: Terpenoid, đôi khi được gọi là isoprenoid, là một nhóm hợp chất tự nhiên lớn và rất đa dạng, có nguồn gốc từ các đơn vị isoprene (năm carbon) lắp ráp và biến đổi theo hàng ngàn cách khác nhau.
Hầu hết là những cấu trúc đa vòng này khác nhau không chỉ ở nhóm chức năng mà còn ở bộ khung carbon cơ bản của chúng [14]. Terpenoid là nhóm hợp chất có cấu trúc đa dạng nhất và có số lượng lớn nhất và được sử dụng rộng rãi từ công nghiệp thực phẩm và đồ uống đến công nghiệp dược.Có thể kể đến những ví dụ nổi trội về ứng dụng của các hợp chất terpenoid như menthol chiết xuất từ cây bạc hà, hay artemisinin là thành phần chính của thuốc chống sốt rét và taxol có tác dụng diệt các tế bào ung thư người [15]. Nhóm Resin: có cấu trúc hóa học gồm lipid kết hợp với một nhóm có khả năng tan trong nước. Các hợp chất này thường tồn tại ở dạng lỏng, có đặc tính dính nên thường có đặc tính ức chế vi sinh vật, làm lành vết thương [14].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Nhóm Lignan: là những hợp chất có bộ khung 18 carbon hình thành từ sự kết hợp 2 nhóm phenylpropanoid và những nhóm chức khác. Nhóm lignans thực vật thường có hoạt tính ức chế vi sinh vật, chống oxy hóa [14]. Nhóm Alkaloid: là nhóm hợp chất chứa Nitơ dị vòng, có hàm lượng rất thấp trong thực vật. Các hợp chất alkaloid gồm nhiều phân nhóm như: trophane alkaloid, pyrrolizidine alkaloid, isoquinoline alkaloid, methylxanthine alkaloid, pseudoalkaloid.
Hầu hết các hợp chất thuộc nhóm alkaloid có hoạt tính mạnh, thường lên hệ thần kinh và gây độc tế bào nên được sử dụng làm các thuốc giảm đau và tiêu diệt khối u [14]. Nhóm Furocoumarine và naphthodianthrone: đây là những hợp chất nhạy sáng ở thực vật, do vậy một số hợp chất nhóm này tách từ thực vật có thể được sử dụng để điều chế thuốc chống trầm cảm [14]. Những nghiên cứu về hợp chất thiên nhiên từ thực vật trên thế giới Theo Tổ chức y tế thế giới (WHO), có đến 80% dân số thế giới sử dụng thảo dược làm thuốc để chữa bệnh và chăm sóc sức khỏe. Thống kê cho thấy, khoảng hơn 100 hợp chất từ 90 loài cây có thể được xem là các thuốc quan trọng hiện đang được sử dụng tại một hoặc nhiều nước, với khoảng 70% trong số này có nguồn gốc từ các loài thực vật đươc dùng trong y học truyền thống [7].
Từ lâu, vỏ cây canh kina đã được dùng làm thuốc trị sốt rét ở Nam Mỹ. Từ năm 1630, người ta đã biết dùng vỏ cây này để trị sốt và từ năm 1677 đã được sử dụng ở Luân Đôn (Anh) với tên “Vỏ Peru”. Từ cây mọc hoang, năm 1792, các nhà khoa học đã tổ chức trồng trọt cây canh kina ở nhiều vùng khác nhau trên thế giới, nhất là ở Angeri, Peru, Java sau đó là ở Malaysia, Việt Nam và Châu Phi (Camorun, Ghine). Đây là cây thuốc với 2 loại alkaloid chính là quinin và quinidin.
Hóa học các hợp chất thiên nhiên thực sự bắt đầu bởi công trình của Serturner người đầu tiên phân lập được morphine, hợp chất nhóm alkaloid từ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 cây thuốc phiện (Papaver somniferum) vào năm 1803. Năm 1817, Emetine được phân lập từ Ipecacuanha [41]. Một số alkaloid khác như strychnine (Strychnos nuxvomica) [50], quinine (Cinchona officinalis) [23], colchinne (Colchicum autumnale), atropin (Atropa belladonna) [9], papaverine (Papaver somniferum) [44],…cũng đã được phân lập. Vào năm 1876, Maclagan giới thiệu salicin từ dịch chiết của cây dương liễu (Spiraea ulmaria) [42].
Đến năm 1971, Wani và cộng sự đã tìm ra một diterpene amide mới có khả năng chống ung thư gọi là “taxol” chiết từ cây thông đỏ Pacific (Taxus brevifolia) [53]. Đến năm 1983, taxol được Cục quản lý Dược phẩm và Thực phẩm Hoa Kỳ (FDA) đồng ý đưa vào thử nghiệm ở giai đoạn I điều trị cho ung thư buồng trứng. Sau đó, FDA đã cho phép sử dụng taxol trong điều trị các trường hợp ung thư buồng trứng và ung thư vú. Ngoài ra, taxol cũng có tác dụng đối với các bệnh nhân có khối u ác tính, ung thư phổi và các dạng u bướu khác và nó được xem như là chất đầu tiên của một nhóm mới trong hóa trị liệu ung thư [26].
Tuy nhiên, sử dụng taxol trong điều trị bị hạn chế do chỉ tách chiết được một lượng rất ít từ vỏ của cây thông đỏ tự nhiên. Lớp vỏ mỏng này chứa khoảng 0,001% taxol tính theo khối lượng khô. Ở cây 100 năm tuổi trung bình chỉ thu được 3kg vỏ (khoảng 300mg taxol), lượng này ứng với một liều trong toàn đợt điều trị ung thư. Sở dĩ nguồn taxol khan hiếm như vậy là do các cây tự nhiên sinh trưởng rất chậm [26].
Do đó, cần có những nguồn khác để thay thế mới đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng trong y học. Do vậy, hiện nay việc nuôi cấy tế bào các loài Taxus được xem như một phương pháp tối ưu để cung cấp nguồn taxol ổn định, được ứng dụng rộng rãi và tạo ra giá trị lớn. Hiện nay, rất nhiều nghiên cứu về các hợp chất thiên nhiên dùng trong y học đang tiếp tục được thực hiện. Tuy nhiên để tạo ra được lượng lớn các chất này thì phương pháp chủ yếu là nuôi cấy tế bào để thu sinh khối rồi tiến hành tách chiết.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tình hình nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên từ thực vật tại Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ tách chiết các hợp chất thứ cấp chủ yếu gắn liền với công nghệ nuôi cấy tế bào và được phát triển từ những năm 1970. Đến nay đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể như là quy trình sản xuất sâm Ngọc Linh do Học viện Quân Y khai thác. Sâm Ngọc Linh là loại sâm thứ 20 được tìm thấy trên thế giới, có tác dụng phòng chống ung thư, bảo vệ tế bào gan, kích thích hệ miễn dịch, chống stress và trầm cảm, chống oxy hóa, lão hóa.
Công trình của Học viện Quân Y đã hoàn thành quy trình nuôi cấy tế bào rễ củ sâm, quy trình định tính và định lượng thành phần ginsenoid trong sinh khối sâm Ngọc Linh bằng sắc ký lỏng cao áp (HPLC). Phương pháp sản xuất sinh khối tế bào rễ sâm Ngọc Linh được cấp bằng sáng chế số 7523 ngày 11/2/2009 tại Việt Nam [58]. Từ kinh nghiệm y học cổ truyền sử dụng các bộ phận của cây cà độc dược để điều trị các bệnh đường hô hấp, tiêu hóa và giảm đau, nhóm tác giả Đặng Thị Hồng Vân, Phan Quốc Kinh, Nguyễn Văn Long đã chiết được scopolamin thuộc nhóm alkaloid chủ yếu trong loài thực vật này. Tiếp đó, Viện dược liệu đã chiết được hyoscyamin và atropine.
Atropine dùng trong điều trị các cơn đau thắt đường tiêu hóa và tiết niệu [6]. Berberin là alkaloid chính của các cây Hoàng liên gai (Berberis wallichiana D.C), Hoàng liên chân gà (Coptis teeta Wall), Hoàng bá (Phellodendron amurense) mọc hoang và được trồng ở quanh dãy Hoàng Liên Sơn). Berberin là một loại thuốc có hoạt tính kháng sinh, chống viêm. Gần đây, các nhà y học phương tây lại rất chú ý đến các hoạt tính sinh học mới của Berberin.
Những nghiên cứu mới nhất đã xác định berberin có tác dụng chống lại nhiều loại vi khuẩn Gram (+), Gram (-) và các vi khuẩn kháng acid. Bên cạnh đó nó còn có tác dụng chống lại một số loại nấm men và một số động vật nguyên sinh.