Khóa luận Võ Thị Minh Huyền: Tổng hợp dẫn chất N-hydroxycinnamamid kháng ung thư

Tài liệu trình bày nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tác dụng kháng ung thư của dẫn chất N-hydroxycinnamamid mang khung 4-oxoquinazolin hướng ức chế HDAC.

• Tác giả: Võ Thị Minh Huyền
• Người hướng dẫn: Phan Thị Phương Dung
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược
• Đề tài: Tổng Hợp Và Đánh Giá Tác Dụng Kháng Ung Thư Của Một Số Dẫn Chất N-Hydroxycinnamamid Mới Mang Khung 4-Oxoquinazolin Hướng Ức Chế Histon Deacetylase
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Enzym Histon Deacetylase HDAC và Vai Trò Trong Ung Thư

Enzym histon deacetylase (HDAC) là những protein quan trọng điều chỉnh biểu hiện gen thông qua sửa đổi hóa học các histone. Trong các tế bào bình thường, HDAC hoạt động cân bằng với các enzym histone acetyltransferase (HAT) để duy trì cấu trúc chromatin và điều chỉnh hoạt tính gen. Tuy nhiên, trong bệnh nhân ung thư, hoạt động HDAC thường bất thường cao, dẫn đến hạ acetyl hóa histone, làm chặn biểu hiện các gen ức chế종양 (tumor suppressor genes). Điều này cho phép các tế bào ung thư phát triển không kiểm soát. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ức chế HDAC có thể khôi phục hoạt tính gen bị mất, kích hoạt apoptosis (tự sát tế bào) và dừng chu kỳ tế bào ở các tế bào ung thư. Do đó, HDAC trở thành một mục tiêu trị liệu (therapeutic target) đầy hứa hẹn trong điều trị kháng ung thư hiện đại.

1.1. Cấu Trúc và Chức Năng HDAC

HDAC là những enzyme xúc tác các phản ứng khử acetyl hóa histone và các protein không histone khác. Cấu trúc trung tâm hoạt động của HDAC chứa một lỗ kẽm (zinc pocket) là nơi liên kết và kích hoạt phân tử nước để xúc tác phản ứng khử acetyl hóa. Enzyme này được phân loại thành 4 lớp: HDAC loại I, II, III và IV. Mỗi loại đóng những vai trò khác nhau trong điều chỉnh biểu hiện gen và sự phát triển của tế bào.

1.2. Cơ Chế Hoạt Động Bất Thường Trong Ung Thư

Trong tế bào ung thư, hoạt động HDAC tăng cao dẫn đến hạ acetyl hóa histone ở các vùng gen chứa protein ức chế종양. Điều này ngăn chặn biểu hiện các gen như p53, p21 - những gen quan trọng kiểm soát chu kỳ tế bào. Kết quả là tế bào ung thư thoát khỏi kiểm soát và phát triển không giới hạn, tạo nên một đặc điểm định nghĩa của bệnh ung thư.

II. Các Chất Ức Chế HDAC HDACi Tiến Bộ Trong Điều Trị Ung Thư

Chất ức chế HDAC (HDACi) là các hợp chất có khả năng ức chế hoạt động của enzym histon deacetylase, giúp khôi phục hoạt tính các gen bị mất trong tế bào ung thư. Các HDACi hoạt động bằng cách liên kết vào lỗ kẽm (zinc binding pocket) trong cơ chế xúc tác của HDAC, ngăn chặn hoạt động khử acetyl hóa. Các chất ức chế này đã được chứng minh có hoạt tính kháng ung thư mạnh mẽ thông qua việc kích hoạt apoptosis, dừng chu kỳ tế bào và giảm tính xâm lấn của tế bào ung thư. Trên thế giới, nhiều HDACi đã được FDA phê duyệt để sử dụng lâm sàng trong điều trị ung thư, bao gồm vorinostat và romidepsin. Tuy nhiên, vẫn còn nhu cầu phát triển các HDACi mới có hiệu lực cao hơn và độc tính toàn thân thấp hơn để cải thiện hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

2.1. Cơ Chế Tác Dụng của HDACi

HDACi ức chế hoạt động HDAC bằng cách trực tiếp liên kết vào lỗ kẽm hoạt động của enzyme, điều này làm mất khả năng xúc tác của HDAC. Kết quả là acetyl hóa histone tăng, chromatin ở trạng thái sổ mở, cho phép biểu hiện các gen ức chế종양 được khôi phục. Điều này dẫn đến dừng tăng trưởng, apoptosis và phân biệt hóa của tế bào ung thư.

2.2. Phân Loại và Đặc Điểm HDACi

Các HDACi được phân loại dựa trên cấu trúc hóa học: hydroxamic acid, benzamide, cyclic depsipeptide và sulfonamide. Mỗi lớp có độ chọn lọc khác nhau đối với các HDAC khác nhau. Các HDACi thế hệ mới được thiết kế để tăng cải thiện tính chọn lọc và giảm tác dụng phụ, mở ra những cơ hội mới cho liệu pháp ung thư được cá nhân hóa.

III. Khung Quinazolin 4 3H on Trong Thiết Kế Dẫn Chất Kháng Ung Thư

Khung quinazolin-4(3H)-on (hay còn gọi là 4-oxoquinazolin) là một cấu trúc mô phỏng hóa học quan trọng trong thiết kế HDACi hiện đại. Cấu trúc này chứa một nhóm carbonyl (C=O) có khả năng liên kết mạnh với lỗ kẽm trong HDAC thông qua các tương tác điện tích, từ đó cung cấp hiệu lực ức chế cao. Ngoài ra, khung quinazolinon cho phép gắn thêm các nhóm thế khác nhau để tối ưu hóa cấu trúc liên quan tác dụng (SAR). Các dẫn chất mang khung 4-oxoquinazolin không chỉ cho thấy hoạt tính ức chế HDAC mạnh mà còn có hoạt tính kháng ung thư trên các dòng tế bào ung thư khác nhau. Những dẫn chất N-hydroxycinnamamid mới được tổng hợp trong nghiên cứu này kết hợp khung 4-oxoquinazolin với các cấu trúc cinnamate hiệu quả, tạo ra những hợp chất lai đầy tiềm năng.

3.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Của 4 oxoquinazolin

Khung 4-oxoquinazolin gồm một vòng quinazoline có nhóm oxo tại vị trí 4. Cấu trúc này tương tự cinnamate hydroxamide - một nhóm HDACi đã được phê duyệt. Tính đối xứng và khả năng hình thành liên kết hydro của khung này giúp tăng hiệu lực liên kết với lỗ kẽm của HDAC, mang lại hoạt tính ức chế mạnh mẽ.

3.2. Hoạt Tính Kháng Ung Thư của Dẫn Chất Quinazolin

Các dẫn chất quinazolin-4(3H)-on đã được báo cáo có hoạt tính kháng ung thư thông qua ức chế HDAC và nhiều mục tiêu sinh học khác. Các dẫn chất mới trong nghiên cứu này cho thấy hiệu lực cao đối với các tế bào ung thư khác nhau bao gồm ung thư vú, ung thư ruột kết và ung thư tuyến tụy.

IV. Phản Ứng Click CuAAC Phương Pháp Tổng Hợp Hiện Đại Cho HDACi

Phản ứng click cộng đóng vòng alkyn-azid xúc tác đồng (CuAAC) là một phương pháp tổng hợp hóa học hiệu quả, nhanh chóng và kinh tế được sử dụng rộng rãi để tạo ra dẫn chất triazol mang các hoạt tính sinh học mong muốn. Phản ứng này giữa alkynes terminal và azides hữu cơ dưới xúc tác của copper(I) tạo ra 1,2,3-triazol, một nhóm được biết đến như bioisoster có giá trị cho nhiều cấu trúc sinh học hoạt động. Trong bối cảnh thiết kế HDACi mới, phản ứng CuAAC cho phép kết nối linh hoạt giữa khung 4-oxoquinazolin và các cấu trúc cinnamate, tạo ra những hợp chất lai (hybrid compounds) với hoạt tính ức chế HDAC tối ưu. Phương pháp này mang lại nhiều lợi thế: hiệu suất cao, điều kiện phản ứng nhẹ, độ chọn lọc cao và dễ quy mô sản xuất. Do những ưu điểm này, CuAAC trở thành công cụ mạnh mẽ trong việc phát triển các loại thuốc mới chống ung thư.

4.1. Cơ Chế Phản Ứng CuAAC

Phản ứng CuAAC bắt đầu với xúc tác copper(I) kích hoạt alkyne terminal, tạo thành một complex cộng hợp giữa copper và alkyne. Sau đó, azide tấn công carbon được kích hoạt của alkyne, tạo ra vòng triazol 5 ngoại tuyến với vị trí NH tự nguyện. Cơ chế này cực kỳ hiệu quả và chuyên một cho việc tạo liên kết C-N mới.

4.2. Ứng Dụng CuAAC Trong Tổng Hợp HDACi

CuAAC được ứng dụng để nối khung 4-oxoquinazolin với các cấu trúc cinnamate thông qua triazol linker. Nhóm triazol hoạt động như một spacer cứng nhắc, cho phép tối ưu hóa khoảng cách giữa các đơn vị dược lực (pharmacophore). Phương pháp này giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi của việc phát triển thuốc kháng ung thư mới hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ung thư là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên toàn cầu. Theo dữ liệu từ GLOBOCAN 2022, thế giới ghi nhận gần 20 triệu ca mắc mới và 9,7 triệu ca tử vong do ung thư trong năm 2022, và con số này vẫn đang có xu hướng gia tăng đáng kể mỗi năm [1]. Trong số các chiến lược điều trị hiện nay, bên cạnh các liệu pháp truyền thống như hóa trị và xạ trị, các phương pháp nhắm trúng đích phân tử, đặc biệt là những mục tiêu liên quan đến biến đổi biểu sinh (epigenetic), đang ngày càng được quan tâm nhờ tính đặc hiệu cao và khả năng đảo ngược các biến đổi bệnh lý [2]. Trong số các biến đổi biểu sinh, quá trình acetyl hóa histon được điều hòa bởi enzym histon deacetylase (HDAC) đóng vai trò then chốt trong việc khởi phát và tiến triển của nhiều loại ung thư.

HDAC nổi bật là một mục tiêu tiềm năng với nhiều thuốc ức chế đã được đưa vào ứng dụng lâm sàng. Đến nay, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã phê duyệt bốn thuốc HDACi là vorinostat (Zolinza®, 2006), romidepsin (Istodax®, 2009), belinostat (Beleodaq®, 2014) và panobinostat (Farydax®, 2015) để điều trị các loại ung thư huyết học. Tuy nhiên, các HDACi hiện có vẫn gặp hạn chế về tính chọn lọc enzym, hiệu lực trên khối u rắn và độc tính cao trên tế bào bình thường [3]. Gần đây, các nghiên cứu hướng tới thiết kế HDACi mới theo cấu trúc lai đa chức năng, kết hợp các khung hoạt tính sinh học khác nhau nhằm tăng hiệu quả và giảm độc tính đã trở thành một xu hướng nổi bật trong lĩnh vực hóa dược.

Trong đó, các dẫn chất mang khung 4-oxoquinazolin được cho là có độc tính giảm đáng kể trên tế bào thường [4] và đã được chứng minh hiệu quả trên điều trị khối u rắn [5], [6]. Bên cạnh đó, các chất ức chế HDAC mang khung N-hydroxycinnamamid cũng đã thể hiện hoạt tính kháng ung thư tiềm năng. Từ các cơ sở khoa học và tiềm năng thực tế trên, đề tài khóa luận: “Tổng hợp và đánh giá tác dụng kháng ung thư của một số dẫn chất N-hydroxycinnamamid mới mang khung 4-oxoquinazolin hướng ức chế histon deacetylase” được tiến hành với hai mục tiêu chính: 1. Tổng hợp được 6 dẫn chất N-hydroxycinnamamid mới mang khung 4- oxoquinazolin và dị vòng triazol hướng ức chế enzym histon deacetylase.

Đánh giá tác dụng ức chế HDAC và tác dụng kháng một số tế bào ung thư của các dẫn chất tổng hợp được. DI TRUYỀN HỌC BIỂU SINH (NGOẠI DI TRUYỀN) Bên cạnh các đột biến di truyền, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các biến đổi biểu sinh (epigenetic changes) đóng vai trò trung tâm trong quá trình khởi phát và di căn của ung thư [7]. Những năm gần đây, ngày càng có nhiều yếu tố điều hòa biểu sinh được phát hiện và nghiên cứu chuyên sâu. Theo báo cáo cập nhật mới nhất vào năm 2022, cơ sở dữ liệu EpiFactors đã ghi nhận hơn 900 gen đóng vai trò trực tiếp trong việc điều hòa biểu sinh [8].

Nhiều gen trong số này, bao gồm EZH2, DNMT, HDAC, PRMT, v., có liên quan đến cơ chế bệnh sinh và tiên lượng của nhiều loại ung thư [9]. Khái niệm “biểu sinh” chỉ những thay đổi di truyền trong biểu hiện gen mà không liên quan đến sự thay đổi trình tự ADN. Các biến đổi này bao gồm sự methyl hoá ADN, sự acetyl/ methyl hoá histon, biến đổi cấu trúc nhiễm sắc thể [10] và ARN không mã hoá [11]. Sự rối loạn điều hòa của các gen biểu sinh là biểu hiện thường gặp trong nhiều bệnh lý và liên quan đến tất cả các giai đoạn trong cơ chế bệnh sinh của ung thư [12].

Không như các biến đổi di truyền, các biến đổi biểu sinh này có thể bị đảo ngược, cho phép can thiệp điều trị bằng cách tái lập lại kiểu biểu hiện gen ban đầu thông qua sử dụng các tác nhân ức chế hay hoạt hóa các yếu tố biểu sinh [13]. Tầm quan trọng và tiềm năng của hướng nghiên cứu này được minh chứng qua những thuốc biểu sinh đầu tiên là các DNMTi (azacitidin và decitabin), HMTi (tazemetostat) và nhiều nhất là các HDACi (vorinostat, romidespin, panobinostat, belinostat) đã được phê duyệt bởi FDA để điều trị một số loại ung thư (Hình 1.1) [14], cùng với một số ứng viên khác đang ở các giai đoạn khác nhau trong nghiên cứu tiền lâm sàng và thử nghiệm lâm sàng. Vì những lí do trên, HDAC nổi lên như một mục tiêu điều trị đầy triển vọng trong ung thư học hiện đại. Một số thuốc biểu sinh đã được FDA chấp thuận trong điều trị ung thư 2 1.

Giới thiệu về enzym histon deacetylase Chức năng của histon chịu sự điều hòa bởi nhiều biến đổi hậu dịch mã, trong đó quan trọng nhất là quá trình acetyl hóa thuận nghịch trên gốc lysin ở đầu amino. Quá trình này được kiểm soát nhờ sự cân bằng giữa hai nhóm enzym là histon acetyltransferase (HAT), enzym acetyl hoá histon và histon deacetylase (HDAC), enzym deacetyl hoá histon [15]. Các enzym này điều hoà trạng thái acetyl hoá trên nhiều phân lớp protein, giữ vai trò then chốt trong việc kiểm soát hoạt động phiên mã, đáp ứng tín hiệu nội bào và sự cân bằng của nhiều quá trình sinh học thiết yếu [16], [17]. Ngoài ra, HDACs còn tác động trên nhiều protein không phải histon.

Các protein này bao gồm các yếu tố phiên mã (TFs) như p53 và NF-κB [18], [19], thụ thể hormon, protein truyền tín hiệu, các chaperon và các protein tham gia vào quá trình đáp ứng tổn thương ADN [20]. Khi các histon được acetyl hóa bởi HAT, nhóm acetyl trung hòa điện tích dương trên đầu lysin của histon, làm giảm tương tác với ADN mang điện tích âm và khiến cho cấu trúc chất nhiễm sắc (chromatin) tháo xoắn. Sự thay đổi này tạo điều kiện thuận lợi cho các yếu tố phiên mã tiếp cận vùng khởi động (promoter) của các gen mục tiêu và kích thích quá trình phiên mã. Ngược lại, các HDAC loại bỏ nhóm acetyl, làm giảm acetyl hóa histon, khiến cấu trúc chromatin cuộn xoắn và hạn chế sự tiếp cận của các yếu tố phiên mã tới ADN (Hình 1.

Trong điều kiện sinh lý bình thường, hoạt động của HDAC góp phần duy trì cân bằng biểu sinh và kiểm soát biểu hiện gen. Tuy nhiên, khi HDAC bị biểu hiện quá mức hoặc hoạt động bất thường, chúng có thể ức chế biểu hiện các gen ức chế khối u như p53 và p21, góp phần vào quá trình sinh ung thư [21]. Vai trò của HDAC và HAT 3 1. Phân loại các HDAC Ở người, có 18 HDAC được phân vào bốn nhóm chính dựa trên mức độ tương đồng về trình tự acid amin, cấu trúc miền chức năng và mối liên hệ tiến hóa với các protein ở nấm men Saccharomyces cerevisiae [22].

Trong đó, nhóm I (HDAC1, 2, 3, 8) có quan hệ gần với protein Rpd3; nhóm IIa (HDAC4, 5, 7, 9) và IIb (HDAC6, 10) tương đồng với Had1; trong khi nhóm IV (HDAC11) có mối liên hệ với Hos3 ở nấm men. Các HDAC nhóm I, II, IV được xếp vào nhóm HDAC kinh điển phụ thuộc kẽm. Ngược lại, lớp III (SIRT1-7) bao gồm các protein tương đồng với Sir2 ở nấm men, phụ thuộc NAD+ và được gọi chung là họ sirtuin (Hình 1. Trong khóa luận này, định nghĩa các chất ức chế HDAC được sử dụng cho các chất có mục tiêu tác động là nhóm các HDAC kinh điển.

Phân loại các HDAC 1. Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym HDAC Các HDAC kinh điển (nhóm I, II, IV) liên kết với Zn²⁺ tại trung tâm hoạt động. Cấu trúc trung tâm hoạt động này gồm một “túi” dài hình ống trong lõi enzym được chia thành ba vùng với chức năng chính tương ứng: miệng túi (rim), thành túi (tunnel wall) và vùng gắn ion kẽm (zinc-binding domain - ZBD) [24]. Phần miệng túi thường có các acid amin phân cực và thơm tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác π-π và liên kết hydro với nhóm cap của chất ức chế HDAC (HDACi), giúp cố định phân tử chất ức chế tại vị trí thích hợp.

Phần thành túi là nơi nhóm linker của HDACi đi qua, đóng vai trò cầu nối định hướng nhóm gắn kẽm (Zinc binding group - ZBG) vào sâu bên trong trung tâm xúc tác. Tại đáy túi hoạt động có một ion kẽm (Zn²⁺) 4 được phối trí bởi các acid amin: thường gồm hai histidin liền kề, hai aspartat và một tyrosin, tạo thành một chuỗi truyền điện tử hỗ trợ cho phản ứng xúc tác [24]. Bên cạnh túi xúc tác chính dạng ống, nhiều HDAC sở hữu các túi phụ (sub pocket) đặc trưng cho phép mở rộng tương tác với phối tử hoặc HDACi. Cấu trúc các HDAC nhóm I có thêm một túi chân (foot pocket), là một khoang nhỏ nối với đáy kênh enzym.

HDAC1 và 2 có túi chân rộng nhờ các acid amin nhỏ (Ser/Gly), trong khi HDAC8 có túi chân hẹp bị chắn bởi Trp141 (một amino acid cồng kềnh) [25]. Đặc biệt, HDAC8 là enzym duy nhất trong các HDAC nhóm I được ghi nhận có thêm một túi bên (side pocket) nằm gần miệng kênh xúc tác, bao quanh bởi Tyr306 và các vòng lặp cấu trúc L1, L6. Túi này có thể đóng mở linh động và là đích chọn lọc cho một số chất ức chế như PCI-34051 [26], [27]. Ngược lại, các HDAC nhóm II, đặc biệt là IIa (HDAC4, 5, 7, 9), không có túi chân hay túi bên, mà đôi khi lại xuất hiện túi dưới (lower pocket), là một hốc sâu bên dưới trung tâm hoạt động, phù hợp cho các phối tử dạng chữ U cồng kềnh như các HDACi mang khung trifloromethyloxadiazol (Hình 1.

Cấu trúc trung tâm hoạt động chung của các HDAC bao gồm túi chính và các túi phụ đặc trưng 1. Cơ chế xúc tác của enzym HDAC Ion Zn2+ hoạt hóa một phân tử nước tại vị trí hoạt động, biến nước thành tác nhân nucleophil tấn công vào nhóm acetyl trên lysin. Quá trình này diễn ra theo cơ chế acid- base, trong đó một base xúc tác (thường là histidin) nhận proton của nước để tạo hydroxid tấn công carbonyl, trong khi một acid xúc tác (thường là tyrosin) cung cấp proton cho nhóm rời đi acetat. Kết quả của phản ứng loại bỏ nhóm acetyl là giải phóng đuôi lysin với nhóm amin tự do và một phân tử acetat [28].

Cơ chế deacetyl hóa của HDAC8 (HDAC nhóm I) được đề xuất bởi Bonomi và cộng sự (2015). Quá trình deacetyl hóa bởi HDAC8 và các enzym HDAC nhóm I bắt đầu bằng sự hình thành liên kết hydro giữa gốc hydroxyl của Tyr306 và nguyên tử oxy nhóm carbonyl acetyl. Tương tác này làm tăng tính dương điện của nguyên tử carbon nhóm carbonyl, khiến nó dễ bị tấn công bởi phân tử nước đã được hoạt hóa bởi His142 và His143.