CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về Catharanthus roseus (L.1 Phân loài Giới: Thực vật Phân giới: Tracheobionta - cây có mạch Ngành: Magnoliophyta - cây có hoa Lớp: Magnoliopsida - cây 2 lá mầm Phân lớp: Asteridae Bộ: Gentianales Họ: Apocynaceae - họ dừa cạn Chi: Catharanthus G. Don - periwinkle Loài: Catharanthus roseus (L. Danh pháp đồng nghĩa: Vinca rosea L.) Moench, Lachnea rosea (L.) Small, Lochnera rosea Reichenb., Hittonia littoralis Lour. Tên thông dụng: Madagascar periwinkle, dừa cạn.2 Hình thái Catharanthus roseus là cây bụi thấp, nhỏ, sống lâu năm, mọc thẳng đứng, cao 30 - 80 cm, phân nhánh nhiều và là loài có nhựa mủ.
Lá cây mọc đối xứng, màu xanh đậm, trơn nhẵn, mặt trên sẫm bóng, hình oval, chiều dài khoảng 2 - 7 cm, rộng khoảng 1,5 - 3 cm, bo tròn ở đỉnh, cuống lá ngắn. Hoa có 5 cánh, mọc riêng lẻ hoặc thành đôi ở nách lá, dài 1,5 - 4 cm, xòe rộng khoảng 5 cm. Màu sắc của hoa khá đa dạng với “mắt” ở ngay tâm. Màu hoa được dùng để phân biệt giống.
Giống album có hoa màu trắng với “mắt” màu vàng, giống roseus hay violacea có hoa màu hồng - tím với “mắt” màu đỏ - tím, giống ocellatus hay oculata có hoa màu trắng với “mắt” màu đỏ - tím (Hình 1. Quả có dạng thuôn, có vỏ. Bên trong vỏ chứa nhiều hạt màu nâu đen, nhỏ, có lông mịn (Hình 1.1: Cây và hoa dừa cạn (Catharanthus roseus) [4].2: Trái và hạt dừa cạn (Catharanthus roseus) [4].3 Phân bố địa lý C. roseus là cây bản địa của đảo Madagascar ở vùng Ấn Độ Dương [5].
Ngày nay, loài cây này trở nên phổ biến và được trồng làm cảnh ở hầu hết các vùng nhiệt đới và cận nhiệt trên thế giới, trong đó có Việt Nam.4 Chất có hoạt tính sinh học trong C. roseus Catharanthus roseus (L. Don là một trong những loài cây dược liệu phổ biến nhất, chứa hơn 130 loại terpenoid indole alkaloid (TIA). Đây là loài thực vật quan trọng nhờ có sự hiện diện của nhiều hợp chất tự nhiên có giá trị trong y học, trong đó có vinblastine và vincristine là hai loại alkaloid phổ biến chống ung thư được tìm thấy chủ yếu ở lá, ajmalicine được tìm thấy trong rễ.
Các loại alkaloid quan trọng khác như catharanthine, vindoline, serpentine… Ngoài ra, trong cây còn có các acid hữu cơ như proto-cathechuic, caffeic-p- hydroxybenzoic acid và ursolic. Các acid hữu cơ và hợp chất phenolic được tìm thấy trong rễ C. roseus được đánh giá là những chất chống oxy hóa có tiềm năng [2].2 Tổng quan về alkaloid trong C.1 Alkaloid Năm 1805, Friedrich Sertürner là người đầu tiên ly trích ra morphine, một trong những alkaloid quan trọng, nhưng cho đến năm 1819, khái niệm “alkaloid” mới được đề cập đến lần đầu bởi W. Meißner, một nhà bào chế thuốc sống ở Halle (Đức).
Những hợp chất này có đặc tính “giống alkali” (tính kiềm) nên được gọi là alkaloid [6]. Khái niệm alkaloid không đơn giản, vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi. Về phương diện sinh học, alkaloid là những hợp chất hóa học dị vòng có chứa nitơ và có hoạt tính sinh học, trong nhiều trường hợp được dùng cho y dược và môi trường. Alkaloid có thể được phân nhóm theo nhiều cách thức: theo hoạt tính sinh học và sinh thái học, theo cấu trúc hóa học, hoặc theo con đường sinh tổng hợp.
Theo hoạt tính, người ta chia alkaloid thành 6 nhóm: (1) trung tính hoặc tính kiềm yếu; (2) alkaloid từ động vật; (3) alkaloid từ biển; (4) alkaloid từ rêu; (5) alkaloid từ vi khuẩn và nấm; (6) alkaloid không có nguồn gốc tự nhiên [6]. 5 Về mặt cấu trúc, alkaloid được phân loại thành: (1) alkaloid thực; (2) protoalkaloid; (3) pseudoalkaloid. Alkaloid thực là những hợp chất dị vòng có chứa nitơ và có nguồn gốc từ amino acid, ví dụ như morphine trong cây anh túc (hình 1.3), ajmalicine, catharanthine trong cây dừa cạn. Protoalkaloid là những hợp chất có nhân nitơ có nguồn gốc từ amino acid, nhưng nitơ không nằm trong vòng, ví dụ mescaline (hình 1.
Pseudoalkaloid có chứa nitơ nhưng không có nguồn gốc từ amino acid, ví dụ pinidine (hình 1.3: Morphine, một loại alkaloid thực [6].4: Mescaline, một loại protoalkaloid [6].5: Pinidine, một loại pseudoalkaloid [6].1 Lịch sử phát hiện alkaloid trong C. roseus 6 Các alkaloid tự nhiên được tổng hợp chủ yếu trong C. roseus còn được gọi là Vinca alkaloid. Vinca alkaloid đầu tiên được khám phá bởi Noble và các cộng sự tại Canada vào năm 1957 và được đặt tên là vincaleukoblastine, sau đó được rút ngắn lại thành vinblastine.
Cùng khoảng thời gian này, một nhóm nhà nghiên cứu khác gồm Svoboda và các cộng sự ở Mỹ cũng phát hiện ra hai hợp chất trong cây dừa cạn có hoạt tính chống ung thư, một trong hai hợp chất này là vinblastine đã xác định trước đó, chất còn lại được đặt tên là leurosine. Bằng các thử nghiệm lâm sàng, các nhà khoa học đã chứng minh được vinblastine có công dụng hữu hiệu trong việc điều trị bệnh Hodgkin, ung thư hệ bạch huyết và các loại ung thư khác, trong khi leurosine không phù hợp để dùng trong điều trị bệnh ung thư bởi độc tính của nó. Về sau, Svoboda đã ly trích được thêm một loại alkaloid khác trong cây dừa cạn phù hợp cho điều trị ung thư. Hợp chất này ban đầu được đặt tên là leurocristine, sau đó được đổi thành vincaleukocristine và cuối cùng được gọi là vincristine.
Từ những khám phá này, Vinca alkaloid đã trở thành các hợp chất tự nhiên chống ung thư đầu tiên được dùng trong lâm sàng và đến nay vẫn là một phần không thể thiếu được trong liệu pháp hóa học điều trị các căn bệnh ung thư [7].2 Con đường sinh tổng hợp các alkaloid trong C. roseus Alkaloid trong C.roseus thuộc nhóm các alkaloid thực, có nguồn gốc từ L- tryptophan. Về mặt cấu trúc, chúng là các hợp chất terpenoid indole alkaloid (TIA). roseus, có hơn 130 TIA có hoạt tính sinh học được tìm thấy.
Trong đó, vinblastine và vincristine là các Vinca alkaloid nhị phân tử đã được chứng nhận và sử dụng rộng rãi trong điều trị một số căn bệnh ung thư. Ngoài ra, các alkaloid khác trong C. roseus gồm các loại đơn phân tử như vindoline, catharanthine, ajmalicine, serpentine… cũng có những vai trò quan trọng [7], [8]. Con đường sinh tổng hợp các TIA trong C.
roseus trải qua khoảng 30 bước được điều hòa bởi enzyme, có tối thiểu 35 hợp chất trung gian đã được xác định. Tất cả TIA được sinh tổng hợp từ một phân tử tiền chất là strictosidine. Strictosidine là hợp chất được tạo thành từ sự kết hợp của một tryptamine mang nhân indole có nguồn gốc từ tryptophan và phần terpenoid của secologanin có nguồn gốc từ geraniol (Hình 1.6: Sơ đồ cơ bản tóm tắt sự sinh tổng hợp các loại terpenoid indole alkaloid trong C. Enzyme chưa xác định 2.
Loganic acid methyltransferase (LAMT) 12. 16-methoxy-2,3-dihydro-3-hydroxy- 3. TDC, tryptophan decarboxylase 13. Class III basic peroxidase (PRX1) 8.
Aglycone không bền và tiếp tục qua một số bước chuyển hóa chưa được xác định rõ, tạo thành cathenamine. Cathenamine là hợp chất trung gian quan trọng ở điểm phân nhánh trong con đường sinh tổng hợp các loại TIA. Cathenamine có thể bị khử để tạo thành ajmalicine, hoặc chuyển hóa thành tabersonine và từ đó đi theo con đường gồm nhiều bước trung gian để tạo thành vindoline, hoặc cathenamine có thể phản ứng với 4,21-dehydrogeissoschizine dẫn đến sự sinh tổng hợp stemmadenine rồi chuyển hóa thành catharanthine (Hình 1. Ajmalicine sau khi bị oxy hóa bởi peroxidase III sẽ chuyển thành serpentine tích trữ trong không bào.
Catharanthine tích trữ trong lớp sáp trên bề mặt lá (Roepke và cộng sự, 2010) với vai trò là một hàng rào bảo vệ chống lại sự tấn công của côn trùng và vi sinh vật. Vindoline có con đường chuyển hóa từ tabersonine gắn liền với sự có mặt của ánh sáng và sự phân hóa tế bào ở các giai đoạn phát triển khác nhau của cây (De Luca và cs, 1986; Vazquez-Flota và cs, 2002; Campous-Tamayo và cs, 2008; Shukla và cs, 2010). Vindoline và catharanthine là hai alkaloid đơn phân tử và là hai tiền chất quan trọng để tổng hợp vinblastine và vincristine có tác dụng chống ung thư, kết thúc con đường sinh tổng hợp các TIA trong C. Nhờ phản ứng nhị hóa được xúc tác bởi enzyme peroxidase III, vindoline và catharanthine kết hợp với nhau tạo thành -3’, 4’- anhydrovinblastine - tiền chất trực tiếp của vinblastine [7] [8].
Vinblastine và vincristine chỉ khác nhau ở một điểm nhỏ duy nhất trong cấu tạo hóa học: vincristine có nhóm formyl ở vị trí thay cho nhóm methyl của vinblastine, nhưng hai alkaloid này lại khác nhau đáng kể về loại khối u mà chúng có tác động và khác nhau về độc tính [7]. Quá trình sinh tổng hợp các TIA trong C. roseus không đơn giản chỉ là một chuỗi các phản ứng enzyme xúc tác liên tiếp nhau, mà chúng còn biểu hiện khác nhau trong các cơ quan khác nhau cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của cây. Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học thấy rằng hầu hết catharanthine được tích lũy trong lớp sáp trên bề mặt lá (Roepke và cs, 2010) trong khi vindoline lại thường hiện diện trong các tế bào nhựa mủ và các dị bào.
Sự khác biệt về không gian này giúp ngăn cản việc kết hợp 9 catharanthine và vindoline thành vinblastine và vincristine trừ khi cần thiết, vì bản chất vinblastine và vincristine cũng độc cho cây. Điều này góp phần lí giải vì sao hàm lượng vinblastine và vincristine thu được từ cây nguyên vẹn trong tự nhiên rất thấp.7 thể hiện quá trình sinh tổng hợp các TIA trong C. roseus đi qua các phần khác nhau, các tế bào khác nhau và các cơ quan nội bào khác nhau.7: Sơ đồ thể hiện không gian bên trong và ngoài tế bào của con đường sinh tổng hợp terpenoid indole alkaloid ở các bộ phận/ tế bào khác nhau của C. Các phần màu xanh lá thể hiện phản ứng/ chất hình thành đặc trưng ở lá; các phần màu cam thể hiện các bước phản ứng/ chất hình thành đặc trưng ở rễ; các mũi tên đứt quãng màu đỏ thể hiện nhiều bước trung gian hoặc thể hiện các phản ứng chưa được biết rõ; choloroplast-lục lạp; cytosol-nguyên sinh chất; ER-mạng lưới nội chất; nucleus-nhân; NC-dịch nhân; plastid-lạp thể; vacuole-không bào.3 Tác dụng của các Vinca alkaloid Vinblastine, với các tên thuốc thương mại là Velbé, Velban, Vinblastine… được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với các thuốc chống ung thư khác trong phác đồ điều trị bệnh Hodgkin, ung thư hệ bạch huyết, ung thư biểu mô tinh hoàn, ung thư dạ con và ung thư biểu mô vú… Tuy nhiên, việc sử dụng vinblastine có thể gây ra sự phá hủy tủy xương bởi độc tính của nó [8].8: Sản phẩm thương mại từ vinblastine [9].