CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Curcumin 1.1 Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid Nghệ, hay còn gọi là nghệ vàng, uất kim, khương hoài, khinh lương, có tên khoa học là Curcuma longa L., thuộc họ gừng (Zingiberaceae) là cây thân thảo lâu năm, có thân rễ dưới mặt đất. Thân rễ có dạng hình trụ hoặc hơi dẹt, khi bẻ hoặc cắt ngang có màu vàng cam do có chứa chất màu curcuminoid. Lá hình trái xoan, thon nhọn ở hai đầu, hai mặt đều nhẵn, lá khum hình máng rộng, đầu tròn màu xanh lục nhạt, lá non hẹp hơn, màu tím nhạt. Có vị cay, đắng, tính mát, có tác dụng hành huyết, phá ứ, hành khí, giải uất, và thường được dùng để chữa các bệnh: dạ dày, tá tràng, gan, cảm cúm, ho,… Trong thành phần của nghệ còn chứa tinh bột, canxi oxalate (CaC2O4) và chất béo.
Nghệ là một cây trồng quen thuộc ở khắp các nước vùng nhiệt đới, từ Nam Á đến Đông Nam Á và Đông Á như Ấn Độ, Cam-pu-chia, In-đô-nê-xi-a, Trung Quốc,… Ở Việt Nam, nghệ cũng được trồng ở khắp các địa phương, từ vùng đồng bằng ven biển đến vùng núi cao như Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hưng Yên, Nghệ An, Quảng Nam, Đồng Nai, Bình Dương… Phần củ nghệ được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm.1: Thân, củ nghệ vàng Nghệ là cây ưa ẩm, ưa sáng và có thể chịu nóng, cây có biên độ sinh thái rộng, thích nghi được với nhiều tiểu vùng khí hậu khác nhau. Nhiệt độ phù hợp để cây sinh trưởng và phát triển là 20- 25℃, lượng mưa trung bình năm vào khoảng 2000- 2500mm, độ ẩm không khí 80-90% [1]. Với mùa đông lạnh kéo dài, nghệ vẫn tồn tại và sinh trưởng phát triển tốt và thường được thu hoạch vào mùa thu. Thành phần hóa học chính và quan trọng nhất của củ nghệ là curcuminoid (curcumin, 3 demethoxycurcumin – DMC, bisdemethoxycurcumin – BDMC), chiếm hàm lượng khoảng 6%, là thành phần tạo nên màu vàng cho nghệ; trong đó curcumin chiếm khoảng 70-80% về khối lượng [2,3].
Bên cạnh đó, trong nghệ còn chứa một số thành phần khác với hàm lượng nhỏ hơn, được trình bày trong bảng 1.1: Thành phần các chất trong củ nghệ Thành phần Khối lượng / 100g Đơn vị Acid ascorbic 50 mg Canxi 0.9 g Kali 2000 mg Năng lượng thực phẩm 390 Kcal Natri 30 mg Niacin 4.0 g Phospho 260 mg Protein 8.2 Cấu trúc phân tử Curcumin Curcumin hay deferuoylmethan có tên IUPAC là (1E, 6E) 1,7-bis (4- hydroxy- 3- methoxyphenyl) -1,6-heptadiene-3,5-dione) là một hợp chất tự nhiên thuộc nhóm polyphenol. Curcuminoid có 03 thành phần chính gồm curcumin (77%), DMC (demethoxycurcumin, 17%) và BDMC (bisdemethoxycurcumin, 6%), trong đó curcumin chiếm thành phần lớn và có hoạt tính sinh học đa dạng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Curcumin: R1= R2= OCH3 Demethoxycurcumin: R1= H, R2= OCH3 Bisdemethoxycurcumin: R1= R2= H Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của Curcuminoid Bảng 1.2 Các thông số vật lý của Curcumin Công thức phân tử C21H20O6 Phân tử khối 368.37 g/mol Nhiệt độ nóng chảy 183℃ pKa 8,5 (enol); 10-10,5 (phenol) Cấu trúc phân tử của Curcumin có 3 vùng chức năng chính bao gồm hai hệ thống nhân thơm chứa nhóm m- methoxy phenol, liên kết thông qua cầu nối gồm 7 carbon và khung 1,3- diketone như hình 1.3: Ba vùng cấu trúc chính của phân tử Curcumin - Hệ thống vòng thơm (A): Hai khung vòng thơm phenyl kỵ nước được liên kết với nhau bởi một cầu nối linh hoạt, có thể tham gia vào tương tác π- π Van der Waals với các amino acid thơm. -Khung 1,3- diketone (B): Bởi vì khung β-diketone, curcumin có thể tồn tại dạng hỗ biến keto- enol và tồn tại chủ yếu ở dạng enol ngay cả trong dung dịch hay ở dạng tinh thể.
Dạng hỗ biến keto- enol cho phép phần trung tâm của cấu trúc thể hiện được cả vai trò cho- nhận liên kết hydro. Dạng enol cũng có thể tạo một hợp chất phức vòng càng lý tưởng cho các ion kim loại mang điện tích dương. -Nhóm liên kết đôi (C): Nối vòng thơm với khung 1,3-diketone, cho phép phân tử đóng vai trò như một chất nhận kiểu Michael đối với các tác nhân nucleophile.4: Hỗ biến keto- enol của Curcumin Trong điều kiện môi trường acid- trung tính (pH=3 - 7), curcumin tồn tại chủ yếu dưới 6 dạng diketone, do đó nó dễ dàng cho proton bởi hai Hα của nhóm methylene rất linh động do chịu ảnh hưởng của hai nhóm carbonyl rút điện tử. Trong điều kiện mà dạng enolate là chủ yếu (pH > 8) thì curcumin lại thể hiện tính chất cho electron, một tính chất quan trọng đối với khả năng bắt giữ gốc tự do [5].5: Sự phân ly proton của Curcumin ở các điều kiện pH khác nhau Curcumin thể hiện nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý là kháng oxy hóa, kháng viêm, kháng ung thư, kháng HIV, bảo vệ hệ thần kinh,… Hiệu quả trị liệu của curcumin là do nó tác động trên nhiều đích khác nhau và theo các chuyên gia nghiên cứu cho rằng curcumin tương đối khá trơ cũng như không gây độc cho cả người và động vật ngay cả khi dùng với liều lượng cao (8 g/ngày ở người) nên rất có tiềm năng sử dụng trong ngành dược [6].3 Hoạt tính đáng chú ý liên quan đến cấu trúc phân tử 1.1 Hoạt tính kháng oxy hóa Gốc tự do là các chất phản ứng mạnh, được tạo ra khi cơ thể trao đổi O2 hoặc chuyển hóa thức ăn tạo năng lượng cho cơ thể.
Sự tương tác giữa các gốc tự do và các chất oxy hóa là yếu tố quan trọng để duy trì sức khỏe. Sự tăng các gốc tự nhiên dẫn đến sự mất cân bằng oxy hóa trong cơ thể, nếu quá trình tạo các gốc tự do vượt quá tác dụng bảo vệ của các chất oxy hóa dẫn đến các bệnh liên quan đến lão hóa [7]. Curcumin là một hợp chất polyphenol có tính kháng oxy hóa, và nó được nhiều chuyên gia chú ý đến. Curcuminoid là chất chống oxy hoá tự nhiên, có tác dụng trung hòa các gốc tự do và tăng cường các hệ thống phòng chống oxy hóa của cơ thể.
7 Curcumin bắt giữ các ROS như HOCl, .O2-, hydroperoxide [8], trong các thử nghiệm in vitro và thử nghiệm in vivo. Curcuminoid chống oxy hóa bằng cách bẻ gãy chuỗi phản ứng, khả năng trung hòa các gốc tự do của curcuminoid chủ yếu là nhờ nhóm chức hydroxyl phenolic. Curcuminoid có thể làm giảm nồng độ nitric oxide (NO) trong máu và ngăn cản các chất trung gian phản ứng sinh ra NO. Hơn nữa, curcuminoid cạnh tranh tạo phức chelate với các kim loại có hoạt tính oxy hóa- khử và ức chế phản ứng dây chuyền tạo ra các gốc tự do ion kim loại [9,10].
Tác dụng ức chế các phản ứng dây chuyền của curcuminoid là nhờ hoạt động của nhóm α-β diketone bất bão hòa. Theo Leopoldini et al (2011), quá trình kháng oxy hóa của các hợp chất phenolic (bao gồm curcumin) có thể diễn ra theo cơ chế (i) HAT (hydrogen atom transfer); (ii) SET- PT (single electron transfer followed by proton transfer) hoặc (iii) SPLET (sequential proton losselectron transfer). Các quá trình trên được tóm tắt như sau: a) HAT: R· + ArOH → RH + ArO· b) SET-PT: R· + ArOH → R– + ArOH+· →RH + ArO· H R· H c) SPLET: ArOH ArO- ArO· + R- RH + ArO· Trong cơ chế chuyển nguyên tử HAT, chất kháng oxy hóa (ArOH) phản ứng trực tiếp với gốc tự do (R·) tạo phân tử bền RH thông qua quá trình phân ly liên kết O–H. Hoạt tính của ArOH do đó được quyết định bởi năng lượng phân ly liên kết O–H.
Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (SET-PT) gồm hai giai đoạn: tách electron cho ArOH-*, theo sau là quá trình trao đổi proton. Trong trường hợp này, hợp chất có năng lượng ion hóa và năng lượng tách proton càng nhỏ, hoạt tính kháng oxy hóa càng mạnh. Đối với cơ chế mất proton – chuyển electron (SPLET), ái lực proton và enthalpy trao đổi electron của anion ArO– đóng vai trò quyết định [11]. Nhóm tác giả Chen và cộng sự thực hiện nghiên cứu liên quan về cấu trúc cho thấy nhóm OH phenol cho hoạt tính oxy hóa tốt hơn nhóm methoxy, tert-butyl hay bromo [12].2 Hoạt tính kháng ung thư Ung thư làm một trong những căn bệnh nguy hiểm của cả thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
Theo thống kê của Bộ Y tế, mỗi năm ở nước ta có thêm khoảng trên 100.000 ca ung thư [13]. Điều đáng lo ngại là tỉ lệ người mức bệnh và tỉ lệ bệnh nhân 8 tử vong vì ung thư ngày một tăng cao [13]. Yêu cầu của các thuốc trị ung thư là phải ức chế sự phát triển và biệt hóa các tế bào ung thư, tuy nhiên hiện nay các thuốc trị ung thư có một nhược điểm chung là không có tính chọn lọc cao và dễ kháng thuốc, hệ số an toàn giảm dần theo thời gian sử dụng, gây hại đến các tế bào lành và gây nhiều tác dụng phụ. Khả năng kháng ung thư của curcumin được phát hiện và kiểm định lâm sàng bởi hơn 2000 công trình nghiên cứu khoa học và y học trên toàn thế giới.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng curcumin có khả năng làm bất hoạt phân tử NF-κB, đóng vai trò quan trọng đối với sự sinh tồn, phát triển, phân chia và di căn của các tế bào ung thư. Khi NF-κB bị ức chế sẽ dẫn đến đường truyền tín hiệu đến các tế bào ung thư bị gián đoạn, ảnh hưởng đến các mục tiêu chức năng như: yếu tố phiên mã, yếu tố tăng trưởng và thụ thể,…dẫn đến các tế bào sẽ tự hủy (apoptosis), giảm hoặc mất khả năng tăng trưởng và di căn [13, 14, 15]. Chú thích: : Kích hoạt : Ức chế Curcumin Các gen kháng ung thư NF-κB và các gen liên quan đến ung thư Sự sinh tồn Khả năng kháng thuốc Quá trình phát triển, tăng Sự di căn của tế bào của tế bào ung thư của tế bào ung thư trưởng của các tế bào ung thư ung thư Hình 1.6: Sơ đồ giải thích khả năng ức chế tế bào ung thư của Curcumin [33] Curcumin ức chế các quá trình sản xuất enzyme trong hệ thống cytochrome P450 của tế bào ung thư. Các enzyme này có khả năng bất hoạt thuốc rất hiệu quả và có khả năng giúp cho tế bào ung thư đối phó với hóa trị, xạ trị [16, 17, 18].
Curcumin cũng hạn chế sự tự chữa lành tế bào ung thư sau hóa trị và xạ trị [19]. Các nghiên cứu của SAR về curcumin và các dẫn xuất của nó giải thích rằng sự có mặt 9 của nhóm nhận hydrogen đồng phẳng (coplanar hydrogen donor group) và β-diketone rất quan trọng trong việc ức chế hoạt động của các hooc-mon sinh dục dẫn đến ung thư.