Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hệ sinh thái thực vật vô cùng phong phú, trong đó tỉnh Quảng Ninh nổi bật với hơn 80% diện tích tự nhiên là đồi núi và bờ biển khúc khuỷu kéo dài, nằm trong tọa độ địa lý từ 20 độ 40 phút đến 21 độ 40 phút độ vĩ Bắc và 106 độ 26 phút đến 108 độ 31 phút độ kinh Đông. Địa hình đặc trưng này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nhiều loài cây thuốc quý, tiêu biểu là loài cỏ Seo gà hay còn gọi là phượng vĩ thảo (tên khoa học là Pteris multifida Poir., thuộc họ Cỏ luồng Pteridaceae). Trên thế giới, chi Chân xỉ (Pteris L.) bao gồm khoảng 300 loài, trong đó có khoảng 30 loài đã được ghi nhận phân bố tại Việt Nam. Dù cỏ Seo gà đã được sử dụng lâu đời trong y học dân gian để điều trị kiết lỵ, tiêu chảy, viêm đường tiết niệu và viêm gan, các công trình nghiên cứu toàn diện về thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của loài thảo mộc này tại Việt Nam vẫn còn rất hạn chế.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa hữu cơ của tác giả Nguyễn Đình Lâm Bách, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Hương, được xây dựng nhằm giải quyết khoảng trống học thuật này. Đối tượng nghiên cứu là mẫu cỏ Seo gà thu hái trực tiếp tại thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh vào tháng 11 năm 2022. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là khảo sát hệ dung môi chiết xuất tối ưu, phân lập và xác định cấu trúc hóa học của 02 hợp chất sạch, đồng thời đánh giá hoạt tính gây độc tế bào của phân đoạn dịch chiết ethyl acetate đối với dòng tế bào ung thư biểu mô gan HepG2. Công trình đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra và vượt qua quy trình kiểm tra mức độ trùng lặp học thuật nghiêm ngặt trên phần mềm Turnitin với chỉ số tương đồng đạt mức an toàn là 22%, khẳng định tính mới mẻ và độ tin cậy khoa học cao của dữ liệu nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai khung lý thuyết học thuật kinh điển: lý thuyết chuyển hóa thứ cấp trong hóa thực vật và lý thuyết sàng lọc dược lý tế bào in vitro. Trong hóa thực vật học, chi Pteris L. được ghi nhận là nguồn chứa dồi dào các nhóm hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học cao như ent-kaurane diterpenoid, pterosin sesquiterpenoid, flavonoid glycoside, triterpenoid và các phenolic acid. Các tài liệu khoa học quốc tế chỉ ra rằng trên toàn thế giới đã có khoảng 70 hợp chất được phân lập từ loài cỏ Seo gà, trong đó nổi bật là 12 hợp chất ent-kaurane và 12 hợp chất flavonoid.

Các khái niệm then chốt chi phối toàn bộ tiến trình phân tích gồm có: cấu trúc khung ent-kaurane diterpenoid (khung hydrocarbon bốn vòng đặc trưng cho nhiều hoạt tính ức chế vi sinh vật), dẫn xuất pterosin sesquiterpenoid (nhóm hợp chất có nhân 1-indanone liên quan mật thiết đến khả năng gây độc tế bào u), flavonoid toàn phần (tác nhân chống oxy hóa và quét gốc tự do vượt trội), và chỉ số nồng độ ức chế tối thiểu IC50 (thước đo chuẩn mực định lượng nồng độ chất cần thiết để ức chế 50% sự sống của tế bào ung thư đích). Song song đó, lý thuyết sàng lọc độc tính tế bào thông qua phép thử khử màu muối tetrazolium (MTT) cung cấp cơ sở sinh học để đo lường mức độ ảnh hưởng của cao chiết đến sự chuyển hóa của ty thể trong tế bào ung thư gan HepG2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu phục vụ nghiên cứu là 3,5 kg mẫu thực vật cỏ Seo gà nguyên cây tươi được thu hái ngẫu nhiên nhưng đảm bảo tính đại diện sinh thái cao tại các vách đá ẩm mát trên địa bàn thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh vào tháng 11 năm 2022. Mẫu được chuyên gia thực vật học là Tiến sĩ Nguyễn Thế Anh thuộc Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam định danh chính xác tên khoa học. Toàn bộ cây được rửa sạch, phơi khô trong bóng râm, xay nhỏ thành bột đồng nhất và bảo quản ở điều kiện nhiệt độ phòng tiêu chuẩn.

Phương pháp chiết tách và phân lập áp dụng kỹ thuật ngâm chiết hồi lưu phân đoạn kết hợp sắc ký cột pha thường silica gel và sắc ký bản mỏng phân tích. Nghiên cứu sử dụng bản mỏng nhôm tráng sẵn silica gel 60 F254 của Merck với độ dày lớp hấp phụ là 0,2 mm để theo dõi quá trình phân tách dưới bước sóng tử ngoại 254 nm và 365 nm, sau đó hiện màu bằng thuốc thử vanillin pha trong acid sulfuric. Để phân lập các hợp chất tinh khiết, hệ thống sắc ký cột nhanh sử dụng silica gel cỡ hạt 70 đến 200 mesh được dùng cho các phân đoạn thô, tiếp nối bởi sắc ký cột trọng lực silica gel siêu mịn cỡ hạt 197 đến 400 mesh (tương đương đường kính hạt 0,040 đến 0,063 mm) cho các phân đoạn tinh. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm tối ưu hóa độ chọn lọc, giảm thiểu hiện tượng thoái hóa nhiệt của các hợp chất sesquiterpenoid và peptide kém bền.

Việc xác định cấu trúc hóa học dựa trên các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân hiện đại gồm phổ 1H-NMR đo ở tần số 500 MHz, phổ 13C-NMR đo ở tần số 125 MHz, kết hợp phổ tương quan hai chiều HSQC và phổ khối lượng phân giải cao ESI-MS. Khả năng gây độc tế bào được thực hiện thông qua thử nghiệm MTT trên dòng tế bào ung thư gan HepG2 nuôi cấy trong môi trường DMEM có bổ sung 10% huyết thanh thai bò, tiến hành ủ trong tủ sinh trưởng tế bào ở điều kiện 37 độ C và 5% CO2. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm được triển khai chặt chẽ trong khung thời gian 14 tháng liên tục, từ tháng 11 năm 2022 đến tháng 12 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học mang tính bước ngoặt về thành phần hóa học và dược lý của loài cỏ Seo gà tại Quảng Ninh:

Thứ nhất, kết quả khảo sát định tính bằng chuỗi phản ứng hóa màu đặc trưng trên cặn chiết ethyl acetate xác nhận sự hiện diện phong phú của 5 nhóm hợp chất tự nhiên chủ lực gồm flavonoid, saponin, glycoside tim, coumarin và triterpenoid. Trong đó, phản ứng cyanidin cho màu đỏ tươi rõ rệt, chứng minh hàm lượng hợp chất flavonoid phân bố đậm đặc trong nguyên liệu thực vật thu hái tại địa phương.

Thứ hai, từ phân đoạn dịch chiết ethyl acetate, tác giả đã phân lập thành công 02 hợp chất sạch ở trạng thái tinh thể đồng nhất, được ký hiệu lần lượt là SG1 và SG2. Cấu trúc hóa học của hợp chất SG1 được xác định chính xác là Aurantiamide acetate (khối lượng phân tử 444 Da), một dẫn xuất dipeptide tự nhiên hiếm gặp trong các loài dương xỉ. Hợp chất SG2 được định danh là Pterosin Q (khối lượng phân tử 278 Da), một sesquiterpenoid đặc hữu thuộc nhóm 1-indanone.

Thứ ba, dữ liệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều và hai chiều của SG1 và SG2 hoàn toàn trùng khớp với các giá trị đối sánh trong các công bố quốc tế chuẩn mực, với độ lệch dịch chuyển hóa học delta không vượt quá 0,02 ppm trên phổ carbon và proton. Đây là minh chứng thực nghiệm khẳng định độ tinh khiết cao của 02 hợp chất phân lập được.

Thứ tư, thử nghiệm sinh học in vitro đối với cặn chiết phân đoạn ethyl acetate trên dòng tế bào ung thư gan HepG2 cho thấy tỷ lệ ức chế tăng trưởng tế bào tỷ lệ thuận với nồng độ thử nghiệm. Ở nồng độ khảo sát từ 10 microgam/ml đến 100 microgam/ml, cặn chiết làm suy giảm tỷ lệ sống sót của tế bào ung thư xuống dưới mức 50%, mở ra tiềm năng khai thác lớn cho các nghiên cứu hoạt tính chống tăng sinh dòng u biểu mô gan.

Thảo luận kết quả

Cơ chế sinh học tạo nên hoạt tính của cỏ Seo gà gắn liền chặt chẽ với sự hiện diện đồng thời của nhóm hợp chất sesquiterpenoid dạng pterosin và dẫn xuất amide. Cấu trúc nhân indanone trong Pterosin Q mang các trung tâm ái điện tử có khả năng tương tác với các enzyme phân bào, trong khi khung peptide của Aurantiamide acetate đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế tín hiệu tiền viêm và ngăn chặn sự phát triển bất thường của tế bào ngoại lai.

Khi đối chiếu với các công bố quốc tế, kết quả này bổ sung sự tương đồng sâu sắc với nghiên cứu của tác giả Ge Xin và cộng sự năm 2008, trong đó hai hợp chất tương đồng là Multifidoside A và Multifidoside B phân lập từ loài cỏ Seo gà thể hiện khả năng ức chế dòng tế bào HepG2 với giá trị IC50 lần lượt là 8,69 microM và 9,26 microM. Ngoài ra, nghiên cứu của Yu Canqui và cộng sự năm 2013 cũng chỉ ra rằng phân đoạn flavonoid toàn phần của loài này ở liều 150 mg/kg đạt hiệu suất ức chế khối u H22 trên chuột lên đến 49,36%, cao hơn rõ rệt so với liều 50 mg/kg chỉ đạt 33,97%. Về khả năng điều hòa chuyển hóa mỡ máu, báo cáo của Wang T. năm 2010 ghi nhận cao đông khô cỏ Seo gà giúp làm giảm nồng độ triglycerid huyết tương tới 36,8% và giảm LDL-cholesterol tới 21,0%.

Để tối ưu hóa tính trực quan trong công bố khoa học, toàn bộ hệ thống dữ liệu phổ NMR của SG1 và SG2 được cấu trúc dưới dạng bảng đối sánh hai cột chi tiết, thể hiện tường tận độ dịch chuyển hóa học delta (đơn vị ppm), độ bội và hằng số tương tác spin-spin J (đơn vị Hz) đối chiếu trực tiếp với các tài liệu chuẩn. Đồng thời, hoạt tính gây độc tế bào HepG2 của mẫu cặn ethyl acetate được trực quan hóa qua biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ phần trăm sống sót của tế bào theo từng dải nồng độ gia tăng, kết hợp đường cong hồi quy phi tuyến tính để ngoại suy chính xác giá trị IC50 với hệ số xác định R bình phương đạt trên 0,98.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên những phát hiện khoa học từ đề tài, 4 giải pháp chiến lược kèm theo mục tiêu định lượng cụ thể được đề xuất nhằm khai thác tối đa giá trị của loài cỏ Seo gà:

Thứ nhất, mở rộng quy mô chiết tách và tinh chế các hợp chất pterosin và dẫn xuất peptide sạch. Đơn vị chủ trì là Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ thuộc Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên cần cải tiến quy trình dung môi xanh nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi Aurantiamide acetate và Pterosin Q thêm 15% đến 20% trong giai đoạn 2024 - 2025.

Thứ hai, triển khai khảo sát sàng lọc độc tính tế bào mở rộng trên tối thiểu 4 dòng tế bào ung thư khác. Nhóm nghiên cứu Dược liệu cần phối hợp với Viện Hóa học triển khai phép thử MTT đối với các dòng tế bào ung thư cổ tử cung HeLa, ung thư phổi NCI-H460, ung thư vú MCF-7 và ung thư máu HL-60 trong thời hạn 12 đến 18 tháng, hướng tới mục tiêu thiết lập bản đồ hoạt tính toàn diện với ngưỡng IC50 mong đợi dưới 30 microM.

Thứ ba, xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và bảo tồn vùng nguyên liệu bản địa tại tỉnh Quảng Ninh. Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Quảng Ninh phối hợp cùng các đơn vị chuyên môn cần thực hiện quy hoạch bảo tồn nguồn gen tự nhiên trên diện tích ước tính 50 hecta tại vùng đồi núi Uông Bí, kiểm soát hàm lượng hoạt chất chính trong dược liệu đạt độ ổn định trên 95% theo từng mùa thu hái trong chu kỳ 24 tháng.

Thứ tư, đẩy mạnh nghiên cứu tiền lâm sàng in vivo đánh giá khả năng bảo vệ gan và hạ mỡ máu. Các viện nghiên cứu Dược lý học cần thiết lập mô hình thử nghiệm trên chuột bạch với các mức liều kiểm soát từ 100 mg/kg đến 500 mg/kg trong thời gian theo dõi 28 đến 60 ngày, nhằm cung cấp dữ liệu an toàn sinh học vững chắc trước khi tiến hành các thử nghiệm lâm sàng chuyên sâu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này là nguồn tư liệu khoa học hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, giảng viên và học viên sau đại học chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa thực vật và Hóa dược. Công trình cung cấp quy trình phân lập chuẩn xác từ mẫu thô đến chất tinh khiết, đi kèm bộ dữ liệu phổ 1D-NMR, 2D-NMR và ESI-MS chi tiết, giúp người học nắm vững phương pháp phân giải cấu trúc của các dẫn xuất pterosin và peptide tự nhiên.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại hơn 50 doanh nghiệp dược phẩm và thực phẩm bảo vệ sức khỏe trên cả nước. Doanh nghiệp có thể ứng dụng trực tiếp các số liệu về cặn chiết ethyl acetate để xây dựng công thức sản phẩm hỗ trợ điều trị gan nhiễm mỡ, hạ mỡ máu hoặc các chế phẩm tăng cường chức năng gan có nguồn gốc thiên nhiên.

Nhóm thứ ba là các cơ quan quản lý nông nghiệp, dược liệu và tài nguyên môi trường tại tỉnh Quảng Ninh. Báo cáo cung cấp căn cứ khoa học xác thực giúp các nhà hoạch định chính sách xây dựng phương án phát triển kinh tế dưới tán rừng, biến loài cỏ dại mọc trên hơn 80% diện tích đồi núi thành cây dược liệu hàng hóa có giá trị kinh tế cao.

Nhóm thứ tư là các y bác sĩ y học cổ truyền và dược sĩ lâm sàng. Các số liệu thực nghiệm in vitro giúp đội ngũ thầy thuốc hiểu rõ bản chất hoạt tính kháng viêm, tiêu độc và ức chế tế bào lạ của hơn 10 bài thuốc dân gian lưu truyền từ phượng vĩ thảo, từ đó kê đơn điều trị an toàn và khoa học hơn cho người bệnh.

Câu hỏi thường gặp

Loài cỏ Seo gà có đặc điểm thực vật nhận diện và tên gọi nào khác trong dân gian? Cỏ Seo gà còn được biết đến với tên gọi là phượng vĩ thảo hay ráng seo gà sẻ nhiều, thuộc họ Pteridaceae. Cây thân thảo cao từ 20 cm đến 40 cm, có thân rễ mọc bò dài khoảng 3 cm đến 4 cm mang nhiều mấu cứng. Phiến lá xẻ lông chim hai lần, sinh trưởng tự nhiên rất tốt ở các vách đá ẩm mát trên khắp vùng miền núi phía Bắc.

Vì sao luận văn lại lựa chọn địa bàn tỉnh Quảng Ninh để thu thập mẫu nghiên cứu? Quảng Ninh sở hữu hơn 80% diện tích là đồi núi với hệ sinh thái rừng nhiệt đới gió mùa đặc trưng, biên độ nhiệt và độ ẩm cao. Mẫu thu hái tại thành phố Uông Bí vào tháng 11 năm 2022 cho thấy sự tích lũy hoạt chất thứ cấp rất cao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân lập các hợp chất pterosin tinh khiết.

Hai hợp chất tinh khiết được phân lập thành công trong luận văn là gì? Đó là hợp chất SG1 có tên khoa học là Aurantiamide acetate (dẫn xuất dipeptide) và hợp chất SG2 có tên khoa học là Pterosin Q (sesquiterpenoid đặc trưng của chi Pteris). Cấu trúc của cả 02 hợp chất đều được kiểm chứng chính xác tuyệt đối thông qua hệ thống phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và 13C-NMR hiện đại.

Dịch chiết cỏ Seo gà thể hiện hoạt tính sinh học in vitro nào đáng chú ý nhất? Phân đoạn chiết ethyl acetate thể hiện tác dụng gây độc rõ rệt đối với dòng tế bào ung thư gan HepG2 ở nồng độ từ 10 đến 100 microgam/ml. Hoạt tính này tương đồng với các nghiên cứu thế giới, nơi các pterosin như Multifidoside A và B đạt giá trị IC50 từ 8,69 đến 9,26 microM và dịch chiết nước có khả năng quét gốc tự do DPPH lên đến 82,5%.

Mức độ an toàn của việc sử dụng cỏ Seo gà đường uống đã được chứng minh ra sao? Các thử nghiệm độc tính trường diễn của Wang T. trên chuột thực nghiệm ở liều cao liên tục từ 100 mg/kg đến 1000 mg/kg trong suốt 28 ngày không ghi nhận bất kỳ dấu hiệu ngộ độc, suy giảm cân nặng hay tổn thương mô bệnh học nào, khẳng định tính an toàn sinh học cao của dược liệu.

Kết luận

Nội dung nghiên cứu của luận văn mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn sâu sắc thông qua 5 điểm kết luận then chốt:

  • Xác lập hồ sơ hóa thực vật chuẩn mực cho loài cỏ Seo gà (Pteris multifida Poir.) phân bố tại Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh, đạt chuẩn kiểm định tính trùng lặp học thuật Turnitin ở mức tương đồng 22%.
  • Phân lập thành công 02 hợp chất tinh khiết có giá trị sinh học cao lần đầu tiên từ nguồn mẫu Quảng Ninh gồm Aurantiamide acetate (SG1) và Pterosin Q (SG2).
  • Giải đoán sáng tỏ cấu trúc hóa học của các hợp chất bằng kỹ thuật phổ hiện đại phân giải cao 1D-NMR và 2D-NMR ở tần số 500 MHz.
  • Đánh giá hoạt tính gây độc tế bào của cặn ethyl acetate trên dòng tế bào ung thư biểu mô gan HepG2, đặt nền tảng khoa học giải thích các công bố hạ mỡ máu 36,8% và ức chế khối u đạt 49,36% của các nhà khoa học quốc tế.
  • Thiết lập lộ trình nghiên cứu tiếp nối trong 24 đến 36 tháng nhằm thử nghiệm trên động vật in vivo và chuẩn hóa quy trình chiết xuất hoạt chất quy mô phòng thí nghiệm.

Để chuyển hóa triệt để những kết quả nghiên cứu này vào đời sống y tế và kinh tế, các doanh nghiệp dược phẩm cùng các viện nghiên cứu cần sớm bắt tay liên kết, đẩy mạnh đầu tư thử nghiệm tiền lâm sàng nhằm phát triển các dòng sản phẩm hỗ trợ điều trị bệnh gan và ung thư từ nguồn dược thảo quý giá của Việt Nam.