Luận án về dị vòng 1H-benzo(d)imidazol-2(3H)-thion của Ngô Duy Túy Hà tại ĐH Y Dược TPHCM

Luận án tiến sĩ dược học của Ngô Duy Túy Hà về tổng hợp và thử tác dụng sinh học của các dị vòng 1H-benzo(d)imidazol-2(3H)-thion tại ĐH Y Dược TPHCM.

• Tác giả: Ngô Duy Túy Hà
• Người hướng dẫn: Trương Phương
• Trường học: Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa dược
• Đề tài: Tổng hợp và thử tác dụng sinh học của các dị vòng 1H-benzo(d) imidazol-2(3H)-thion qua trung gian dẫn chất thioure
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu dị vòng 1H benzo d imidazol 2 3H thion

Dị vòng 1H-benzo(d)imidazol-2(3H)-thion giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực hóa dược hiện đại. Khung phân tử này kết hợp giữa nhân benzen và vòng imidazol chứa dị nguyên tử lưu huỳnh. Cấu trúc lưỡng tính đem lại khả năng tương tác vượt trội với nhiều loại protein mục tiêu trong cơ thể sinh vật. Các nghiên cứu dược lý ghi nhận hoạt tính kháng khuẩn phong phú từ dẫn xuất của hệ dị vòng này. Nhiều hợp chất biểu hiện khả năng ức chế mạnh mẽ đối với vi khuẩn Gram dương và nấm gây bệnh. Đề tài tiến sĩ của tác giả Ngô Duy Túy Hà thực hiện tại Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh đã tiếp cận hệ phân tử này một cách hệ thống. Nghiên cứu tập trung thiết kế các phân tử mới thông qua phản ứng tạo khung từ dẫn chất thioure. Cách tiếp cận này mở ra lộ trình điều chế vật liệu trung gian đầy hứa hẹn. Các chất tổng hợp được kiểm soát chặt chẽ về độ tinh khiết phân tích. Giá trị sinh học của từng cấu trúc được sàng lọc bằng thử nghiệm sinh học chuẩn xác. Mục tiêu chính hướng tới việc cung cấp các dẫn chất kháng sinh mới có tiềm năng ứng dụng điều trị cao.

1.1. Cấu trúc hóa học và đặc tính hóa lý

Khung dị vòng 1H-benzo(d)imidazol-2(3H)-thion sở hữu cấu trúc phẳng với hệ liên kết liên hợp bền vững. Nhóm chức thion dạng thion-thiol hỗ trợ quá trình chuyển dịch proton linh hoạt. Khả năng liên kết hydro đa hướng giúp tăng cường ái lực gắn kết với các thụ thể sinh học. Phân tử thể hiện độ tan biến thiên tùy thuộc vào các nhóm thế alkyl hoặc acyl gắn thêm. Các phương pháp phổ nghiệm hiện đại như cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và 13C-NMR xác nhận độ tinh khiết cấu trúc. Khối phổ phân giải cao chứng minh sự toàn vẹn của khung dị vòng. Dữ liệu phổ nghiệm khẳng định quá trình đóng vòng diễn ra chính xác theo cơ chế phản ứng đề xuất.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Công trình của nghiên cứu sinh Ngô Duy Túy Hà đề ra nhiệm vụ khai thác dẫn chất thioure làm tiền chất đóng vòng. Đề tài hướng tới tổng hợp thư viện phân tử phong phú gồm các dẫn chất thế tại vị trí nitơ và lưu huỳnh. Các hợp chất sau điều chế được đánh giá hoạt tính ức chế vi sinh vật gây hại. Vi khuẩn tụ cầu vàng đề kháng methicillin được chọn làm mục tiêu thử nghiệm trọng tâm. Bên cạnh hoạt tính kháng khuẩn, độc tính tế bào ung thư cũng được kiểm tra toàn diện. Nghiên cứu sử dụng mô hình docking phân tử để làm rõ cơ chế tương tác ở cấp độ nguyên tử.

II. Vấn đề kháng thuốc và dị vòng 1H benzo d imidazol 2 3H thion

Tình trạng kháng kháng sinh đang gia tăng nhanh trên phạm vi toàn cầu. Nhiều chủng vi khuẩn nguy hiểm như tụ cầu vàng MRSA làm giảm đáng kể hiệu lực của thuốc điều trị truyền thống. Đột biến cấu trúc enzym và bơm tống thuốc khiến việc kiểm soát nhiễm trùng bệnh viện trở nên khó khăn. Thực tế lâm sàng đòi hỏi các cấu trúc hóa học hoàn toàn mới để vượt qua cơ chế kháng. Nhóm dị vòng chứa nitơ và lưu huỳnh được đánh giá là ứng viên sáng giá. Tuy nhiên, việc tổng hợp các dẫn xuất benzimidazol-2-thion đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Phản ứng đóng vòng thông thường thường cho hiệu suất thấp và tạo nhiều sản phẩm phụ khó phân tách. Các tác nhân oxy hóa độc hại làm hạn chế khả năng mở rộng quy mô phòng thí nghiệm. Độ bền hóa học của các sản phẩm alkyl hóa và acyl hóa cũng đặt ra thách thức lớn. Việc phân tích mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học đòi hỏi quy trình thực nghiệm nghiêm ngặt. Những khó khăn này thúc đẩy nhu cầu chuẩn hóa quy trình điều chế nhằm tìm ra hoạt chất tối ưu.

2.1. Thách thức từ vi khuẩn đa kháng thuốc

Vi khuẩn Gram dương và nấm gây bệnh đang hình thành các cơ chế phòng thủ phức tạp. Chủng tụ cầu vàng kháng methicillin tạo ra enzym biến đổi làm vô hiệu hóa kháng sinh nhóm beta-lactam. Tỷ lệ tử vong do nhiễm trùng MRSA tại các cơ sở y tế vẫn duy trì ở mức báo động. Ngoài ra, loài nấm Candida albicans xuất hiện nhiều biến thể kháng thuốc azole kinh điển. Sự khan hiếm phân tử thuốc mới có cơ chế tác động độc lập tạo ra khoảng trống trị liệu nghiêm trọng. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải phát hiện những hợp chất có khả năng can thiệp trực tiếp vào enzym thiết yếu của mầm bệnh.

2.2. Hạn chế của các phương pháp tổng hợp cũ

Nhiều phương pháp truyền thống điều chế khung benzimidazol-2-thion yêu cầu điều kiện phản ứng rất khắc nghiệt. Việc sử dụng acid mạnh như triflic hoặc chất oxy hóa độc hại gây ô nhiễm môi trường. Phản ứng phụ dễ phát sinh khiến quá trình tinh chế qua cột sắc ký tốn nhiều thời gian và dung môi. Hiệu suất tổng hợp dao động lớn và khó lặp lại ở quy mô lớn hơn. Các dẫn chất phenylthioure cũng dễ bị phân hủy nếu nhiệt độ phản ứng không được kiểm soát tối ưu. Sự thiếu hụt các quy trình thân thiện với môi trường cản trở việc phát triển thư viện hợp chất quy mô lớn.

III. Giải pháp tổng hợp dị vòng 1H benzo d imidazol 2 3H thion

Luận án của Ngô Duy Túy Hà xây dựng quy trình tổng hợp dị vòng qua trung gian dẫn chất thioure một cách hiệu quả. Phương pháp này tận dụng các nguyên liệu đầu sẵn có để tạo liên kết carbon-lưu huỳnh bền vững. Quá trình đóng vòng được tối ưu hóa thông qua việc lựa chọn xúc tác và dung môi thích hợp. Tác giả đã khảo sát chi tiết điều kiện phản ứng nhằm tăng hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm. Sau khi tạo khung chính, phản ứng thế alkyl và acyl được triển khai tại các vị trí hoạt động trên dị vòng. Cấu trúc của từng dẫn chất được xác định bằng hệ thống phổ 1H-NMR, 13C-NMR và phổ khối lượng. Quy trình thử nghiệm sinh học in vitro áp dụng phương pháp khuếch tán đĩa thạch và pha loãng vi lượng. Các chủng thử nghiệm bao gồm Escherichia coli, Bacillus subtilis và Candida albicans. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng gắn kết phân tử docking được ứng dụng để phân tích tương tác enzym. Kết quả tính toán giải thích rõ ràng cơ chế ức chế enzym dihydrofolat reductase ở mức độ phân tử.

3.1. Kỹ thuật tổng hợp qua trung gian thioure

Quy trình sử dụng dẫn xuất thioure mang lại lộ trình khép vòng êm dịu và cho độ tinh khiết cao. Phản ứng xảy ra trong dung môi hữu cơ với sự hỗ trợ của hệ xúc tác chuyển pha thích hợp. Thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể so với các phương pháp nhiệt phân cổ điển. Tác giả kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ để hạn chế tạo sản phẩm phụ sulfur tự do. Sản phẩm sau khi kết tinh thu được dưới dạng tinh thể đồng nhất với hiệu suất khả quan. Phương pháp này chứng minh tính khả thi cao trong việc thiết kế nhiều dẫn xuất mới với biến đổi cấu trúc đa dạng.

3.2. Mô hình docking phân tử và thử nghiệm in vitro

Đánh giá sinh học in vitro được tiến hành trên các chủng vi sinh vật chuẩn quốc tế ATCC. Đường kính vòng vô khuẩn phản ánh chính xác độ nhạy cảm của vi khuẩn đối với từng hợp chất thử nghiệm. Ciprofloxacin và ampicillin đóng vai trò chất đối chiếu chuẩn để so sánh hiệu lực kháng khuẩn. Đồng thời, kỹ thuật docking phân tử mô phỏng không gian gắn kết của dẫn chất vào vị trí hoạt động của enzym DHFR. Năng lượng gắn kết tự do thấp khẳng định ái lực bền chặt giữa phân tử thuốc và protein mục tiêu. Sự tương đồng với nhân purin giải thích cơ chế can thiệp vào quá trình tổng hợp acid nucleic của tế bào vi khuẩn.

IV. Kết luận ứng dụng của dị vòng 1H benzo d imidazol 2 3H thion

Luận án tiến sĩ của Ngô Duy Túy Hà đã đóng góp giá trị khoa học to lớn cho ngành hóa dược Việt Nam. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp hàng loạt dẫn chất 1H-benzo(d)imidazol-2(3H)-thion mới với độ tinh khiết cao. Các chất này thể hiện hoạt tính sinh học vượt trội trên nhiều chủng vi khuẩn Gram dương và nấm men. Một số dẫn chất alkyl hóa cho thấy hiệu lực diệt khuẩn tương đương kháng sinh chuẩn ở nồng độ khảo sát. Cơ chế ức chế enzym dihydrofolat reductase được chứng minh sáng tỏ qua mô phỏng tính toán in silico. Phát hiện này củng cố tiềm năng phát triển thuốc kháng khuẩn đặc trị cho các ca nhiễm trùng MRSA. Kết quả nghiên cứu đồng thời mở ra hướng ứng dụng trong điều trị ức chế tế bào ung thư. Dữ liệu phổ nghiệm và hoạt tính sinh học cung cấp cơ sở dữ liệu quý báu cho các đề tài phát triển thuốc tiếp theo. Các phát hiện mới này khẳng định triển vọng đưa hợp chất dị vòng vào nghiên cứu tiền lâm sàng.

4.1. Tiềm năng phát triển thuốc kháng khuẩn thế hệ mới

Các dẫn chất benzimidazol-2-thion được biến đổi chứng minh khả năng ức chế vi khuẩn mạnh mẽ. Khung phân tử tương tự purin giúp phân tử gắn kết chọn lọc vào enzym DHFR của vi khuẩn. Sự chọn lọc này làm gián đoạn chu trình sinh tổng hợp acid nucleic của tế bào gây bệnh. Các thử nghiệm trên Escherichia coli và Bacillus subtilis ghi nhận vòng vô khuẩn mở rộng đáng kể. Đây là tiền đề quan trọng để phát triển các kháng sinh phổ rộng mới chống vi khuẩn đề kháng. Những dẫn chất có hoạt tính cao nhất xứng đáng được đưa vào thử nghiệm trên mô hình động vật sống.

4.2. Định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung tối ưu hóa dược động học và độ hòa tan của các dẫn chất. Việc bổ sung các nhóm thế thân nước có thể cải thiện khả năng hấp thu của thuốc qua đường uống. Độc tính mạn tính và tính dung nạp trên cơ thể sống cần được khảo sát chi tiết. Quy trình tổng hợp cần được nâng cấp để đáp ứng sản xuất thử nghiệm ở quy mô pilot. Sự kết hợp giữa nghiên cứu hóa học thực nghiệm và tính toán mô phỏng tiếp tục là công cụ định hướng đắc lực. Thành công của đề tài tạo động lực mạnh mẽ cho nghiên cứu phát triển thuốc mới tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Bên cạnh các bệnh không lây nhiễm như tim mạch, ung thư, đái tháo đường và bệnh phổi tắt nghẽn mãn tính, các bệnh nhiễm khuẩn, nhiễm nấm, nhiễm virus cũng là mối lo ngại lớn, đe dọa sức khỏe con người, nhất là trong tình hình đề kháng kháng sinh ngày càng trầm trọng. Sự xuất hiện các chủng vi khuẩn nguy hiểm kháng kháng sinh, trong đó có nhiều chủng vi khuẩn mới, chưa từng xuất hiện trên trái đất là một áp lực lớn cho ngành y tế. Từ thực trạng này, việc nghiên cứu tìm kiếm những nhóm kháng sinh mới đang là một vấn đề cấp thiết của ngành dược [1], [2]. Benzimidazol là một trong các nhóm cấu trúc được quan tâm nhiều hiện nay vì những tác dụng dược lý đa dạng [3].

Các dẫn chất benzimidazol có mặt trong một số thuốc đang lưu hành trên thị trường như omeprazol, lansoprazol (thuốc ức chế bơm proton), mebendazol, flubendazol (thuốc trị giun). Một số tác dụng đáng kể của các thuốc chứa cấu trúc benzimidazol đã được nghiên cứu như tác dụng kháng nấm [4], kháng khuẩn [5], [6], [7], [8], [9], [10], kháng ký sinh trùng [11], [12], kháng HIV [13], kháng histamin [14], tác dụng gây độc tế bào [15], chống động kinh và đái tháo đường [16]. Đặc biệt, từ năm 1992 đã có nghiên cứu về các dẫn chất pyrimido benzimidazol đại diện cho nhóm thuốc ức chế ADN gyrase mới [17]. Do vậy, benzimidazol là một cấu trúc quan trọng về mặt sinh học và là một mô típ (motif) cấu trúc hữu ích.

Khi thêm lưu huỳnh vào carbon số 2 trên vòng benzimidazol, khung benzimidazol-2-thion được tạo thành, nhóm cấu trúc này cũng được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Năm 2010, Yaseen cùng cộng sự đã tổng hợp 6 dẫn chất alkyl hóa tại vị trí S của benzimidazol-2-thion cho thấy có tác dụng tốt trên vi khuẩn Escherichia coli và Bacillus subtilis [18]. Một số dẫn chất benzimidazol-2-thion đối xứng qua cầu nối alkyl được tổng hợp bởi Srikanth Gurrala cùng cộng sự vào năm 2011 [19] có hoạt tính kháng khuẩn trên hai chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus và Escherichia coli. Từ đầu những năm 2000, triclabendazol chứa khung cấu trúc benzimidazol-2-thion đã được công ty Novartis phát triển thành biệt dược Egaten (triclabendazol 250 mg) với chỉ định điều trị bệnh sán lá gan và sán lá phổi trên người.

Nhiều tác giả cũng đã chứng minh dẫn chất benzimidazol-2-thion có tác dụng gây độc tế bào [22], [23], chống động kinh và trị đái tháo đường [24], [25], kháng viêm, giảm đau, kháng khuẩn [26], chống khối u [27], chống oxy hóa [28], chống trầm cảm [29], ức chế tiết acid dạ dày [30]. Điều này cho thấy benzimidazol- 2-thion là một khung cấu trúc có tác dụng sinh học phong phú, đa dạng. Nhằm tiếp bước những kết quả trên, góp phần tạo cơ sở cho việc phát triển thuốc kháng sinh, kháng nấm và kháng ung thư mới, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu tổng hợp các dẫn chất với các nhóm thế alkyl hoặc acyl trên các vị trí N hay S của khung cấu trúc benzimidazol-2-thion. Các chất tổng hợp được sẽ được thử hoạt tính sinh học in vitro bao gồm tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm và hoạt tính độc tế bào, từ đó sàng lọc ra những chất có tác dụng tốt.

Trong khuôn khổ luận án tiến sĩ, đề tài “Tổng hợp và thử tác dụng sinh học của các dị vòng 1H-Benzo(d) imidazol-2(3H)-thion qua trung gian dẫn chất thioure” được tiến hành với những bước cụ thể như sau: 1. Từ các dẫn chất 1,2-diaminobenzen, tổng hợp, kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc các benzimidazol-2-thion. Tổng hợp, kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc các dẫn chất alkyl và acyl của các benzimidazol-2-thion. Thử hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn và hoạt tính độc tế bào của các chất tổng hợp được.