MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người đã không ngừng nghiên cứu để tìm ra những vật liệu mới nhằm phục vụ cho nhu cầu của cuộc sống. Công nghệ nano ra đời đã đáp ứng được nhu cầu cấp thiết này. Trong những năm gần đây, các nanopolymer được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực y dược. Dendrimer là một trong những nanopolymer được nghiên cứu nhiều nhất bởi cấu trúc hình cầu có nhiều khoảng trống bên trong có thể được ứng dụng làm chất mang thuốc, protein và phân phối gen.
Ngày càng có nhiều loại thuốc đang được sử dụng phải đối mặt với các vấn đề về độ hòa tan, tác dụng sinh học, độ hấp thụ kém và thời gian tồn trữ ngắn. Ngoài ra, các thuốc đặc trị có rất nhiều tác dụng phụ. Đặc biệt thuốc chống ung thư không những gây độc với tế bào ung thư mà còn gây độc đối với cả các tế bào lành. Nhiều báo cáo khoa học chỉ ra rằng việc đóng gói các loại thuốc điều trị ung thư vào các hệ chất mang polymer hay nanopolymer đã nâng cao đáng kể độ tan trong nước và độ ổn định lưu trữ thuốc, giúp tăng cường hoạt động chống khối u và giảm tác dụng phụ của thuốc.
Dendrimer PAMAM là một trong những chất mang nanopolymer có thể làm việc như một công cụ hữu ích cho việc phân phối các loại thuốc, cũng như liệu pháp gen và hóa trị [14, 22, 35, 44, 53, 68, 74-76]. Tuy nhiên, có một nhược điểm của dendrimer PAMAM là gây ra độc tính trong máu và ly giải tế bào do tương tác mạnh mẽ của các nhóm -NH2 ở trên bề mặt PAMAM với màng tế bào, dẫn đến sự phá vỡ màng tế bào, đồng nghĩa là diệt tế bào [44, 53, 79, 88]. Để giải quyết vấn đề này, các nhóm -NH2 trên bề mặt dendrimer PAMAM được biến tính bằng các polymer tương hợp sinh học, làm triệt tiêu điện tích dương của các nhóm amine trên hoặc ngăn chặn sự tiếp xúc giữa các nhóm -NH2 với màng tế bào giúp giảm độc tính, tạo ra khả năng tương tác sinh học cao của chất mang, từ đó nâng cao hiệu quả mang thuốc và điều trị [14, 35, 80, 83]. Ngoài ra việc biến tính bề mặt PAMAM cũng có thể làm tăng khả năng mang thuốc của PAMAM.
2 Trên cơ sở đó, chúng tôi đề xuất đề tài “Nghiên cứu biến tính dendrimer polyamidoamine bằng polymer tương hợp sinh học (PEG và Pluronic) ứng dụng mang thuốc”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu tổng hợp chất mang thuốc trên cơ sở biến tính dendrimer PAMAM bằng polymer tương hợp sinh học (Pluronic, Polyethylene glycol), với mục tiêu làm giảm độc tính của PAMAM (tăng tính tương hợp sinh học) và tăng khả năng mang thuốc của PAMAM. Nội dung nghiên cứu luận án bao gồm: 1. Tổng hợp dendrimer PAMAM đến thế hệ G5.0 từ tâm ethylenediamine (EDA).
Nghiên cứu biến tính 4 thế hệ dendrimer PAMAM G2.0 bằng các Polyethylene glycol 4000 (PEG4K), Polyethylene glycol 6000 (PEG6K), Polyethylene glycol 10000 (PEG10K), Polyethylene glycol 12000 (PEG12K). Nghiên cứu biến tính 4 thế hệ dendrimer PAMAM G2.0 bằng các Pluronic P123, Pluronic F68, Pluronic F127 và Pluronic F108. Nghiên cứu tổng hợp dendrimer PAMAM G4.0-F127 với các tỷ lệ mol PAMAM/F127 khác nhau. Nghiên cứu hiệu quả nang hóa thuốc chống ung thư 5-Fluorouracil (5-FU) của các chất mang nano PAMAM-PEG và PAMAM-Pluronic.
Khảo sát tốc độ giải phóng thuốc 5-Fluorouracil của hệ dendrimer PAMAM G4.0-PEG6K/5-FU trong in vitro với môi trường đệm PBS (pH=7. Khảo sát tốc độ giải phóng thuốc 5-Fluorouracil của hệ dendrimer PAMAM G4.0-P123/5-FU và PAMAM G4.0-F127/5-FU trong in vitro với môi trường đệm PBS (pH=7. Nghiên cứu độc tính tế bào ung thư vú MCF-7 và nguyên bào sợi (Fibroblast) đối với các hệ chất mang nano dendrimer PAMAM, PAMAM-PEG, PAMAM-Pluronic, PAMAM-PEG/5-FU và PAMAM-Pluronic/5FU. Giới thiệu dendrimer Hóa học polymer và kỹ thuật sản xuất đã có từ lâu đời trên nền tảng chính là sản xuất ra polymer mạch thẳng và nhánh, đã thể hiện vai trò là vật liệu quan trọng trong sản xuất và đời sống.
Phân tử polymer có kích thước lớn, cấu tạo mạch thẳng chỉ chứa một vài nhánh nhỏ hơn hoặc có thể là nhánh lớn được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Trong hai thập niên qua người ta nghiên cứu phát triển nhiều loại vật liệu nanopolymer mới có những tính chất khác biệt so với các polymer cao phân tử mạch nhánh và thẳng thông thường. Một trong những vật liệu đó là dendrimer và đây được coi là một loại vật liệu có nhiều ứng dụng tiềm năng. Khái niệm và cấu tạo [2, 106] Khái niệm dendrimer được Donald A.
Tomalia và cộng sự đưa ra đầu tiên vào năm 1985. Dendrimer được bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “Dendron”, có nghĩa là nhánh cây. Từ đó đến nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp và ứng dụng của dendrimer trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Cấu trúc phân tử dendrimer 4 Dendrimer là một nanopolymer có dạng hình cầu, cấu trúc nhánh, có nhiều tính chất ưu việt hơn so với polymer mạch thẳng.
Cấu tạo phân tử dendrimer gồm ba phần (hình 1.1): − Tâm phân tử (core, nhân, lõi). − Các nhánh bên trong: liên kết các nhóm bên ngoài với tâm, giữa các nhánh có nhiều khoảng không gian trống. − Các nhóm bề mặt: nhóm anion, cation, nhóm trung tính, các nhóm ưa nước hay kỵ nước. Phân loại [32, 40, 45, 66] Các dendrimer được phân loại theo các tiêu chí sau: (1) Theo cấu trúc hình học Theo cấu trúc hình học, dendrimer được phân chia thành các dạng sau : dendrgraft; dendron; dendrimer (hình 1.
Cấu trúc phân tử của dendrgraft, dendron và dendrimer (2) Theo nguyên tử tạo nhánh khác nhau Theo nguyên tử tạo nhánh khác nhau thì được phân chia và gọi tên khác nhau (hình 1.3) : nhánh N ; nhánh aryl ; nhánh C ; nhánh Si ; nhánh saccharide ; nhánh P; … 5 Dendrimer nhánh N Dendrimer nhánh aryl Hình 1. Cấu trúc phân tử của dendrimer có nguyên tử tạo nhánh khác nhau (3) Theo loại kết nối Theo loại kết nối (connectivity) sẽ phân chia và gọi tên theo các loại liên kết hóa học tại vị trí kết nối (hình 1.4): cầu nối aryl; cầu nối amide; cầu nối este; cầu nối ether; cầu nối N; cầu nối O; cầu nối Si; cầu nối urea; cầu nối alkyl; cầu nối alken; cầu nối alkyn; … Hình 1. Dendrimer cầu nối N và dendrimer cầu nối aryl (4) Theo thành phần tâm khác nhau Dendrimer được phân chia theo thành phần tâm khác nhau: ví dụ tâm là NH3, ethylenediamine (EDA), butylenediamine (BDA), aryl, … Do các tâm có kích thước khác nhau nên các phản ứng tạo ra dendrimer sẽ bị ảnh hưởng không gian khác nhau, và do tâm có độ phân cực khác nhau nên phần không gian bên trong 6 phân tử dendrimer cũng có độ phân cực khác nhau, do đó ảnh hưởng tới khả năng nang hóa các hoạt chất có độ phân cực khác nhau (hình 1. Dendrimer với tâm NH3 (a) và tâm BDA (b) (5) Theo mối nối tạo nhánh 1→2 và 1→3 Mô hình tạo nhánh 1→2: Đó là mô hình từ một nhánh của thế hệ trước sẽ tạo ra hai nhánh của thế hệ sau (trong phản ứng divergent).
Ví dụ từ nguyên tử X sẽ tách ra thành hai nhánh Y, từ mỗi nhánh Y tiếp tục được tách ra thành hai nhánh Z ở thế hệ tiếp theo (hình 1. Tổng hợp divergent theo mô hình tạo nhánh 1→2 Mô hình tạo nhánh 1→3: Đó là mô hình từ một nhánh của thế hệ trước sẽ tạo ra ba nhánh của thế hệ sau. Ví dụ từ nguyên tử X sẽ tách ra thành ba nhánh Y, từ mỗi nhánh Y sẽ tiếp tục được tách ra thành ba nhánh Z ở thế hệ tiếp theo (hình 1. Tổng hợp divergent theo mô hình tạo nhánh 1→3 1.
Tính chất của dendrimer [18, 23, 31, 52, 61, 68] Dendrimer có những tính chất đặc biệt giúp cho nó ngày càng khẳng định được vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng trong đời sống. Tính đơn phân tán Nhược điểm lớn nhất của các polymer thông thường là các phân tử có kích thước và khối lượng phân tử khác nhau, không đồng đều dẫn đến độ đa phân tán cao. Nguyên nhân là do trong quá trình tổng hợp các polymer mạch thẳng hay nhánh thì sự sắp xếp các nhánh xảy ra một cách ngẫu nhiên, không kiểm soát được. Trong khi đó, kích thước và khối lượng phân tử dendrimer được kiểm soát một cách chặt chẽ trong suốt quá trình tổng hợp, thể hiện tính đơn phân tán.
Chỉ số DPI của dendrimer gần như bằng 1 (khoảng 1-1,05). Tính tan của dendrimer Tính tan của dendrimer do các thành phần cấu trúc quyết định. Dendrimer với tâm và các nhóm bên ngoài là các nhóm ưa nước thì có khả năng tan được trong nước, trong khi các dendrimer với tâm và các nhóm bên ngoài là các nhóm kỵ nước, ưa dầu thì chúng không có khả năng tan trong nước mà tan được trong các dung môi có tính dầu. Độ dài của tâm liên quan đến hình dạng và tính ái dầu của dendrimer.
Nếu số nhóm CH2 trong tâm phân tử càng nhiều sẽ làm tăng tính ái dầu. Dựa trên cơ sở đó, bằng cách lựa chọn thành phần cấu trúc thích hợp ta có thể tổng hợp được dendrimer với khả năng hòa tan như mong muốn. Tính nang hóa Do dendrimer có chứa các khoảng trống ở bên trong nên dendrimer được sử dụng như một chất mang. Các chất mà dendrimer có thể mang là thuốc, các đoạn ADN, các hormon, xúc tác kim loại,… Dendrimer rất thích hợp cho việc nang hóa thuốc vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc.
Đối với các dendrimer thế hệ thấp (G=0-2), phân tử dendrimer chưa có cấu trúc hình cầu rõ rệt nên chưa thể hiện tốt vai trò mang vác. Từ thế hệ thứ tư trở đi (G ≥3) thì dạng hình cầu càng rõ rệt, độ chặt càng tăng, các khoảng trống bên trong dendrimer bắt đầu thể hiện tốt hơn vai trò mang vác. Tuy nhiên, đến các thế hệ cao hơn thì các nhóm bề mặt hầu như xếp khít nhau, dẫn đến sự xâm nhập của các phân tử khác vào không gian bên trong bị hạn chế rất nhiều. Tính đa hóa trị Tính đa hóa trị của dendrimer do các nhóm bên ngoài quyết định.
Dendrimer với các nhóm chức bề mặt có khả năng tương tác qua lại đa hóa trị với các phân tử xung quanh. Trong sinh học, phối tử đơn hóa trị rất khó kết nối. Vì thế dendrimer với khả năng tương tác đa hóa trị rất có triển vọng sử dụng trong hóa sinh, dendrimer được sử dụng như chất mang trong nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt tính sinh học dùng để trị bệnh đến cơ thể người.