Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu docking phân tử các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde

Khám phá đồ án HCMUTE về tổng hợp và docking phân tử các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde, ứng dụng trong nghiên cứu hóa học.

• Tác giả: Phan Đăng Quới Tử
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Hảo
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Và Docking Phân Tử Các Dẫn Xuất Curcumin Từ p-Methoxybenzaldehyde
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về curcumin, curcuminoid
• 1.1. Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid
• 1.2. Hoạt tính sinh học của curcuminoid
• 1.3. Pharmacophore của curcumin
• 1.4. Các dẫn xuất isoxazole và pyrazole của curcumin
• 1.5. Tình hình nghiên cứu về các dẫn xuất curcumin
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6. Giới thiệu về phương pháp docking
• 1.6.1. Receptor – Cyclin dependent kinase 2 (CDK2)
• 1.6.2. Docking phân tử các dẫn xuất curcumin đối với 2R3I
• 1.7. Điểm mới và tính cấp thiết của đề tài
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nguyên liệu, trang thiết bị thí nghiệm
• 2.3. Dụng cụ và trang thiết bị
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc hóa học
• 2.4.2. Phương pháp docking phân tử
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả tổng hợp các dẫn xuất curcumin
• 3.1.1. Kết quả tổng hợp (1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta - 1,4,6-trien-3-one (QT01)
• 3.1.2. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)isoxazole (QT02)
• 3.1.3. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-4H-pyrazole (QT03)
• 3.1.4. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-1-phenyl-1H-pyrazole (QT04)
• 3.2. Kết quả docking phân tử các dẫn xuất curcumin
• 3.2.1. Kết quả redocking
• 3.2.2. Kết quả docking phân tử các dẫn xuất curcumin
• 3.3. Cơ chế tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ chất nền p-methoxybenzaldehyde
• 3.3.1. Cơ chế tổng hợp (1E,4Z, 6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta - 1,4,6-trien-3-one (QT01)
• 3.3.2. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)isoxazole (QT02)
• 3.3.3. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-4H-pyrazole (QT03)
• 3.3.4. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-1-phenyl-1H-pyrazole (QT04)
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về curcumin và các dẫn xuất

Phần này tập trung vào tính chất dược lý curcumin, bao gồm hoạt tính sinh học curcumin và vai trò của các nhóm chức năng trong phân tử. Curcumin, một curcuminoid chính trong củ nghệ, nổi tiếng với hoạt tính sinh học đa dạng như kháng viêm, kháng oxy hóa, và kháng ung thư. Tuy nhiên, curcumin có nhược điểm về độ bền và khả năng hấp thu kém. Vì vậy, việc tổng hợp các dẫn xuất curcumin nhằm cải thiện các tính chất này là rất cần thiết. Nghiên cứu in silico, đặc biệt là docking phân tử, đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán hoạt tính của các dẫn xuất curcumin mới trước khi tiến hành tổng hợp thực tế. P-methoxybenzaldehyde được lựa chọn làm chất nền trong nghiên cứu này vì tiềm năng tạo ra các dẫn xuất curcumin mới với khả năng liên kết tốt hơn.

1.1. Hoạt tính sinh học curcumin và cấu trúc

Curcumin sở hữu nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý. Hoạt tính kháng viêm của curcumin liên quan đến khả năng ức chế enzyme cyclooxygenase. Kháng oxy hóa của nó xuất phát từ nhóm hydroxyl trên vòng benzene, giúp bắt giữ gốc tự do. Hoạt tính chống ung thư của curcumin thể hiện qua việc ức chế sự phát triển và di căn của tế bào ung thư. Các nghiên cứu cho thấy curcumin có thể tương tác với nhiều protein khác nhau, tác động đến nhiều con đường sinh học. Hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính của curcumin là nền tảng cho việc thiết kế các dẫn xuất curcumin hiệu quả hơn. Nghiên cứu docking phân tử giúp làm sáng tỏ các tương tác giữa curcumin và protein mục tiêu, từ đó tối ưu hóa cấu trúc để tăng cường hoạt tính. Curcuminoid khác như DMC và BDMC cũng được đề cập đến trong nghiên cứu này. Methoxybenzaldehyde, Cấu trúc curcumin, Phần mềm docking phân tử được sử dụng để tối ưu hóa quá trình nghiên cứu.

1.2. Tổng hợp dẫn xuất curcumin từ p methoxybenzaldehyde

Tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde là trọng tâm của nghiên cứu. Quá trình tổng hợp bao gồm các bước phản ứng chính xác để tạo ra các dẫn xuất curcumin mới. Các phản ứng hóa học được sử dụng cần được kiểm soát kỹ lưỡng để đảm bảo độ tinh khiết và hiệu suất cao. Cơ chế tổng hợp được làm rõ để hiểu quá trình hình thành liên kết và vị trí các nhóm chức năng trong các dẫn xuất curcumin. Phương pháp sắc ký và các kỹ thuật khác được sử dụng để tinh chế sản phẩm và xác định cấu trúc hóa học của các dẫn xuất curcumin. Phổ 1H NMR, phổ 13C NMR, HSQC, và MS là các kỹ thuật quan trọng trong việc xác định cấu trúc và độ tinh khiết của các hợp chất tổng hợp. Hóa học hữu cơ, Tổng hợp hữu cơ, phản ứng ngưng tụ, p-methoxybenzaldehyde là các khía cạnh quan trọng trong phần này. Chất nền p-methoxybenzaldehyde sẽ được khảo sát kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả của quá trình tổng hợp.

II. Docking phân tử và phân tích kết quả

Phần này trình bày chi tiết về phương pháp docking phân tử được sử dụng để đánh giá khả năng tương tác của các dẫn xuất curcumin với protein mục tiêu. Phần mềm docking phân tử như AutoDock Vina, GoldScore, hoặc Glide được sử dụng để thực hiện docking phân tử. Cơ sở dữ liệu protein (PDB) cung cấp thông tin cấu trúc 3D của protein mục tiêu. CDK2 (PDB: 2R3I) được chọn làm protein mục tiêu trong nghiên cứu này vì vai trò quan trọng của nó trong điều tiết chu kỳ tế bào và sự phát triển ung thư. Phân tích kết quả docking phân tử tập trung vào năng lượng liên kết, khả năng tương tác, và vị trí liên kết của các dẫn xuất curcumin trên protein mục tiêu. Benchmarking docking được thực hiện để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

2.1. Phương pháp docking phân tử và chuẩn bị dữ liệu

Phương pháp docking phân tử được lựa chọn cần phải đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. AutoDock Vina là một trong những phần mềm docking phân tử phổ biến và hiệu quả. Chuẩn bị dữ liệu cho docking phân tử bao gồm việc tối ưu hóa cấu trúc phân tử của các dẫn xuất curcumin và protein mục tiêu. Tối ưu hóa cấu trúc phân tử đảm bảo các phân tử ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Mẫu protein được lấy từ cơ sở dữ liệu protein (PDB) và cần được làm sạch và chuẩn bị trước khi tiến hành docking phân tử. Việc lựa chọn phương pháp tối ưu hóa và tham số phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Tương tác protein-ligand được phân tích kỹ lưỡng sau khi quá trình docking phân tử hoàn tất. Mô hình hóa phân tử, tối ưu hóa cấu trúc, AutoDock Vina, Glide, GoldScore, PDB là các khía cạnh quan trọng trong phần này.

2.2. Phân tích kết quả docking phân tử và thảo luận

Phân tích kết quả docking phân tử nhằm xác định các dẫn xuất curcumin có khả năng liên kết tốt nhất với protein mục tiêu. Điểm đánh giá docking (ví dụ: GoldScore, Affinity score) được sử dụng để so sánh khả năng liên kết của các dẫn xuất. Khả năng liên kết được đánh giá dựa trên năng lượng liên kết và các tương tác phi cộng hóa trị (ví dụ: liên kết hydro, tương tác van der Waals). Vị trí liên kết của các dẫn xuất trên protein mục tiêu được xác định và phân tích chi tiết. Thảo luận kết quả tập trung vào việc giải thích các kết quả thu được, mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính, và tiềm năng ứng dụng của các dẫn xuất curcumin. Phân tích kêt quả docking, điểm đánh giá docking, khả năng ức chế, tương tác protein-ligand là các khía cạnh quan trọng trong phần này. Redocking được sử dụng để xác nhận độ chính xác của kết quả.

III. Kết luận và kiến nghị

Phần này tóm tắt các kết quả nghiên cứu, nêu bật những đóng góp và ý nghĩa của nghiên cứu. Kết luận nghiên cứu khẳng định được các mục tiêu đã đạt được. Kiến nghị đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để mở rộng và phát triển. Tầm quan trọng nghiên cứu được nhấn mạnh. Ứng dụng thực tiễn của các kết quả nghiên cứu cũng được đề cập. Thiết kế thuốc, dược phẩm, điều trị ung thư là các ứng dụng tiềm năng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Curcumin là hợp chất polyphenol tự nhiên được phân lập chủ yếu từ thân rễ cây nghệ vàng (Curcuma longa L.), nổi bật với phổ hoạt tính sinh học rộng bao gồm kháng viêm, kháng oxy hóa, kháng khuẩn và ức chế sự phát triển của nhiều dòng tế bào ung thư. Dù sở hữu tiềm năng dược lý đáng kể, curcumin trong tự nhiên lại bộc lộ những nhược điểm lớn về mặt dược động học: độ bền chuyển hóa kém, tốc độ bài tiết nhanh và sinh khả dụng đường uống rất thấp. Điều này đặt ra yêu cầu thiết yếu trong việc biến đổi cấu trúc phân tử của curcumin nhằm tạo ra các dẫn xuất mới có hoạt tính tối ưu và độ bền sinh học cao hơn.

Các công trình nghiên cứu trước đây tại Việt Nam về dẫn xuất curcumin phần lớn sử dụng phương pháp phân lập curcuminoid trực tiếp từ củ nghệ hoặc tinh bột nghệ thương phẩm, sau đó mới tiến hành các phản ứng biến đổi bán tổng hợp. Hướng tiếp cận này gặp nhiều trở ngại do quy trình chiết tách phức tạp, tốn kém hóa chất, thời gian kéo dài và hiệu suất thu nhận hoạt chất tinh khiết không cao. Để khắc phục hạn chế trên, khóa luận lựa chọn hướng đi tổng hợp toàn phần các dẫn xuất curcumin đi từ tiền chất đơn giản là p-methoxybenzaldehyde phản ứng với acetylacetone (2,4-pentanedione). Chiến lược biến đổi hóa học tiếp theo tập trung vào hệ 1,3-dicarbonyl trung tâm—vốn là vị trí nhạy cảm chuyển hóa—để dị vòng hóa thành các khung 1,2-azole (isoxazole và pyrazole), kết hợp mô phỏng docking phân tử trên thụ thể đích liên quan đến ung thư nhằm định hướng cấu trúc tối ưu.

Căn cứ theo văn bản giao đề tài, tác giả xác định 03 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Tổng hợp thành công 04 dẫn xuất curcumin từ tiền chất p-methoxybenzaldehyde.
2. Xác định cấu trúc hóa học của 04 dẫn xuất bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC) và phổ khối lượng (MS).
3. Xác định các tương tác giữa các dẫn xuất tổng hợp được và protein cyclin-dependent kinase 2 (CDK2; mã PDB: 2R3I) bằng phương pháp docking phân tử.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các phản ứng tổng hợp dẫn xuất curcumin từ chất nền p-methoxybenzaldehyde với acetylacetone, các phản ứng đóng vòng isoxazole, pyrazole từ nhóm 1,3-dicarbonyl, cùng quá trình mô phỏng docking phân tử tương tác giữa các dẫn xuất này với enzyme CDK2. Phạm vi thực nghiệm của đề tài được triển khai tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; đo đạc nhiệt độ nóng chảy tại Đại học Lạc Hồng; phân tích dữ liệu phổ NMR và MS tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội). Toàn bộ nội dung nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ ngày 22/02/2019 đến ngày 19/07/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng hóa dược và hóa học các hợp chất thiên nhiên, tập trung vào mối liên quan giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (SAR) của khung diarylheptanoid trong phân tử curcumin. Phân tử curcumin chuẩn sở hữu hai vòng thơm liên kết qua chuỗi bảy carbon bất bão hòa chứa nhóm chức $\beta$-diketone và hai liên kết đôi olefin đối xứng. Hoạt tính chống oxy hóa phụ thuộc vào nhóm phenolic và chuỗi liên hợp, trong khi nhóm 1,3-diketone liên quan chặt chẽ đến khả năng kháng viêm và kháng khối u nhưng lại là nguyên nhân chính khiến curcumin kém bền. Việc thay thế nhân $\beta$-diketone bằng dị vòng đẳng diện ngũ giác như isoxazole hoặc pyrazole giúp duy trì hoặc tăng cường hoạt tính sinh học, đồng thời cải thiện độ bền phân tử.

Về mặt sinh học phân tử, thụ thể mục tiêu được lựa chọn là Cyclin-Dependent Kinase 2 (CDK2)—một protein kinase có khối lượng phân tử khoảng 34–40 kDa, giữ vai trò kiểm soát quá trình chuyển pha trong chu kỳ tế bào. Sự rối loạn điều hòa hoạt động của các phức hệ cyclin-CDK liên quan trực tiếp đến sự tăng sinh mất kiểm soát của tế bào ung thư. Tác giả chọn cấu trúc tinh thể CDK2 có độ phân giải cao 1,28 Å đồng kết tinh với phối tử ức chế mạnh SCF [5-(2-fluorophenyl)-$N$-(pyridin-4-ylmethyl)pyrazolo[1,5-$a$]pyrimidin-7-amine, $\text{IC}_{50} = 1000\text{ nM}$] từ Ngân hàng Dữ liệu Protein (PDB ID: 2R3I) làm đích tác động.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp hóa học: Phản ứng ngưng tụ aldol hóa bảo vệ chọn lọc bằng phức chất chứa boron (boron oxide $\text{B}_2\text{O}_3$ kết hợp tri-$n$-butyl borate do tác giả tự tổng hợp từ boric acid và $n$-butanol) dưới sự xúc tác của bazơ yếu $n$-butylamine trong dung môi ethyl acetate ở 80 °C, nhằm ngăn chặn phản ứng Knoevenagel tại vị trí C3 của acetylacetone. Tiếp theo là các phản ứng đóng vòng tạo dị vòng isoxazole và pyrazole từ nhóm 1,3-diketone với hydroxylamine hydrochloride ($\text{NH}_2\text{OH}\cdot\text{HCl}$), hydrazine hydrate ($\text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$) và phenylhydrazine hydrochloride ($\text{NH}_2\text{NHC}_6\text{H}_5\cdot\text{HCl}$) trong môi trường acid acetic băng ở 80 °C.
• Phương pháp tinh chế và kiểm tra độ tinh khiết: Sắc ký cột cổ điển sử dụng pha tĩnh silica gel với tỷ lệ chất hấp phụ/mẫu là 50:1 (khối lượng), giải ly bằng hệ dung môi $n$-hexane:ethyl acetate có độ phân cực tăng dần. Sắc ký lớp mỏng (TLC) thực hiện trên bản mỏng silica gel 60 $\text{F}_{254}$ (Merck) kiểm tra qua ba hệ dung môi khác nhau, định vị vết bằng đèn tử ngoại ở bước sóng 254 nm, 365 nm hoặc hiện màu bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ 40%. Đo điểm nóng chảy trên máy Kruss M5000 (được hiệu chuẩn bằng acid benzoic chuẩn, nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm 123,1 °C).
• Phương pháp phân tích cấu trúc: Phổ $^1\text{H}$-NMR (500 MHz), $^{13}\text{C}$-NMR (125 MHz) và phổ tương quan hạt nhân HSQC đo trên thiết bị Bruker Avance III; phổ khối lượng MS ghi trên máy Finnigan Mat SSQ-7000 CI-MS.
• Phương pháp tính toán và docking phân tử: Phần mềm ChemDraw 18.0 được dùng để phác thảo cấu trúc và chuyển đổi định dạng. Phần mềm MOE 2008.10 (Molecular Operating Environment) thực hiện tối thiểu hóa năng lượng phối tử (tiêu chuẩn hội tụ chênh lệch năng lượng đạt 0,05 kJ/mol), chuẩn hóa cấu trúc protein (loại bỏ phân tử nước tự do, proton hóa 3D, tính toán bề mặt khoang gắn kết). Quy trình docking được kiểm chứng độ tin cậy bằng phương pháp redocking phối tử đồng kết tinh SCF với tiêu chí sai lệch bình phương trung bình gốc RMSD < 2,0 Å.

Nguồn hóa chất chính trong thực nghiệm gồm p-methoxybenzaldehyde (98%), acetylacetone ($\ge 99,5%$), hydroxylamine hydrochloride (99%), $n$-butylamine (99,5%), boron oxide (99%), ethyl acetate ($\ge 99,8%$), dichloromethane (99,9%) từ hãng Acros Organics; phenylhydrazine hydrochloride ($\ge 99%$) từ Merck; hydrazine hydrate (>80%) và acid acetic băng (99,5%) từ Trung Quốc.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tổng quan về curcumin, curcuminoid

Chương này hệ thống hóa các tài liệu khoa học về nguồn gốc, đặc tính thực vật học của củ nghệ vàng và thành phần hóa học của thân rễ nghệ (với hàm lượng curcuminoid chiếm khoảng 6%, trong đó curcumin chiếm 70–80%, demethoxycurcumin chiếm tỷ lệ nhỏ hơn và còn lại là bisdemethoxycurcumin; hàm lượng tinh dầu chiếm 2–7%). Tác giả phân tích chuyên sâu các bằng chứng thực nghiệm về hoạt tính sinh học của curcuminoid gồm: khả năng dập tắt gốc tự do DPPH và MDA, ức chế enzyme cyclooxygenase trong phản ứng viêm, kìm hãm sự nhân lên của virus HIV-1, và can thiệp vào ba giai đoạn phát triển của khối u ác tính.

Trong phần pharmacophore, chương tổng quan làm rõ mối tương quan giữa các nhóm chức và hoạt tính dược lý: nhóm para-hydroxyl chi phối khả năng dập tắt gốc tự do, nhóm liên kết đôi và hệ 1,3-diketone đảm nhiệm hoạt tính kháng viêm và chống phân bào. Tác giả tổng thuật các nghiên cứu trong nước (như công trình của Phan Thị Hoàng Anh tổng hợp 30 dẫn xuất curcuminoid, Lê Xuân Tiến, Đặng Thị Mỹ Lệ, Cao Thị Kim Anh) và quốc tế (công trình của W. Zhou, Shim, Flynn, Ohtsu) về việc dị vòng hóa khung curcumin thành các dẫn xuất isoxazole và pyrazole, chỉ ra rằng việc thay thế nhóm $\beta$-diketone bằng vòng azole giúp gia tăng độc tính chọn lọc trên các dòng tế bào ung thư như PC-3, Hep-G2, LU, RD và tăng cường tính ức chế enzyme COX-2. Cuối chương giới thiệu cấu trúc, vai trò sinh học của thụ thể đích CDK2 và nguyên lý ứng dụng phương pháp docking phân tử trong thiết kế thuốc hiện đại.

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương hai mô tả chi tiết toàn bộ điều kiện hóa chất, thiết bị và quy trình thao tác thực nghiệm:

• Tổng hợp tri-$n$-butyl borate: Đun hoàn lưu 62,0 g acid boric ($\text{H}_3\text{BO}_3$, 1,0 mol) cùng 450,0 g $n$-butanol (6,0 mol) trong bình cầu 1,0 L; thu nhận 250,0 mL dịch chưng cất rồi nạp bổ sung 200,0 g $n$-butanol, nâng nhiệt độ hỗn hợp từ 117,0 °C lên 150,0 °C và kết thúc ở 220,0 °C để thu hóa chất tinh khiết phục vụ phản ứng chính.
• Tổng hợp (1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta-1,4,6-trien-3-one (QT01): Phản ứng giữa 1,03 mL acetylacetone (10,0 mmol), 0,35 g $\text{B}_2\text{O}_3$ (10,0 mmol), 2,44 mL p-methoxybenzaldehyde (20,0 mmol) và 10,8 mL tri-$n$-butyl borate trong 50,0 mL ethyl acetate ở 80 °C trong 30 phút; tiếp tục nhỏ giọt 0,4 mL $n$-butylamine trong 5,0 mL ethyl acetate suốt 30 phút; duy trì phản ứng trong 4 giờ (theo dõi qua TLC); sau đó thủy phân giải phóng phức boron bằng 25,0 mL dung dịch HCl 1,0 M ở 80 °C trong 60 phút, trung hòa bằng dung dịch $\text{NaHCO}_3$ bão hòa, chiết tách bằng ethyl acetate và tinh chế qua cột sắc ký silica gel.
• Tổng hợp các dẫn xuất dị vòng QT02, QT03, QT04: Sử dụng chất nền QT01 (200,0 mg; 0,595 mmol) hòa tan trong 10,0 mL acid acetic băng ở 80 °C:
  • QT02: Phản ứng với 82,74 mg hydroxylamine hydrochloride, thời gian phản ứng 9 giờ; chiết bằng dichloromethane ($3 \times 15,0\text{ mL}$), tinh chế cột với hệ $n$-hexane:ethyl acetate (100% $n$-hexane đến 95:5 v/v).
  • QT03: Phản ứng với 58,0 $\mu\text{L}$ hydrazine hydrate, thời gian phản ứng 6 giờ; chiết bằng dichloromethane, tinh chế cột với hệ giải ly $n$-hexane:ethyl acetate (100% $n$-hexane đến 8:2 v/v).
  • QT04: Phản ứng với 173,0 mg phenylhydrazine hydrochloride, thời gian phản ứng 6 giờ; chiết bằng dichloromethane, tinh chế cột với hệ dung môi $n$-hexane:ethyl acetate (100% $n$-hexane đến 95:5 v/v).
• Quy trình docking: Thiết lập các thông số mô phỏng trên phần mềm MOE 2008.10; thực hiện chuẩn hóa protein 2R3I, tối ưu hóa hình học phối tử và kiểm soát thuật toán thông qua bước redocking.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương ba tập trung trình bày các dữ liệu thực nghiệm thu được, biện giải cấu trúc chi tiết bằng phổ học, thảo luận cơ chế phản ứng và kết quả mô phỏng tính toán:

• Đặc trưng sản phẩm QT01: Tinh thể màu vàng cam, nhiệt độ nóng chảy 159,4 °C, hiệu suất tổng hợp đạt 61,3% (thu được 2,06 g sản phẩm tinh khiết). Giá trị $R_f$ trên bản mỏng silica gel đạt 0,257 (Hệ A); 0,342 (Hệ B); 0,486 (Hệ C). Dữ liệu phổ: $^1\text{H}$-NMR xác định mũi đơn tại $\delta\ 3,843\text{ ppm}$ tương ứng với 6 proton nhóm $-\text{OCH}3$; mũi đơn tại $\delta\ 5,780\text{ ppm}$ tương ứng proton enolic $(=\text{CH}-)$ liên kết với carbon tại $\delta\ 101,32\text{ ppm}$ trên phổ HSQC; hai mũi đôi tại $\delta\ 6,914\text{ ppm}$ ($4\text{H}, d, J = 9\text{ Hz}$) và $\delta\ 7,506\text{ ppm}$ ($4\text{H}, d, J = 9\text{ Hz}$) chứng minh sự ghép cặp para của vòng benzen. Phổ $^{13}\text{C}$-NMR xuất hiện 9 tín hiệu, trong đó có tín hiệu nhóm carbonyl $>\text{C}=\text{O}$ tại $\delta\ 183,35\text{ ppm}$ và carbon methoxy tại $\delta\ 55,40\text{ ppm}$. Khối phổ MS ghi nhận mũi ion phân tử $[\text{M}]^+ = 336,4$, trùng khớp với công thức phân tử $\text{C}{21}\text{H}_{20}\text{O}_4$ ($M = 336\text{ g/mol}$).
• Đặc trưng sản phẩm QT02: Chất rắn màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 172,2 °C, hiệu suất tổng hợp đạt 50,85% (thu được 100,78 mg từ 200 mg chất nền). Giá trị $R_f$ tương ứng là 0,157 (Hệ A); 0,286 (Hệ B); 0,457 (Hệ C). Dữ liệu phổ $^1\text{H}$-NMR ghi nhận proton dị vòng isoxazole tại $\delta\ 6,412\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$); hai hệ thống liên kết đôi olefin giữ nguyên cấu hình trans với các hằng số tương tác lớn: $\delta\ 7,121\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, J = 15,5\text{ Hz}$) ghép với $\delta\ 6,832\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, J = 15,5\text{ Hz}$), và $\delta\ 7,302\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, J = 16,0\text{ Hz}$) ghép với $\delta\ 6,990\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, J = 17,0\text{ Hz}$); tín hiệu proton nhân thơm tại $\delta\ 7,465\text{ ppm}$ ($d, 4\text{H}, J = 8,0\text{ Hz}$) và $\delta\ 6,917\text{ ppm}$ ($d, 4\text{H}, J = 8,0\text{ Hz}$); nhóm $-\text{OCH}3$ tại $\delta\ 3,839\text{ ppm}$ ($s, 6\text{H}$). Phổ $^{13}\text{C}$-NMR ghi nhận 17 tín hiệu, đặc trưng bởi liên kết $-\text{C}=\text{N}$ tại $\delta\ 162,23\text{ ppm}$ và $=\text{C}-\text{O}$ tại $\delta\ 168,56\text{ ppm}$. Phổ MS xác nhận mũi $[\text{M}+\text{H}]^+ = 333,9$, phù hợp với công thức phân tử $\text{C}{21}\text{H}_{19}\text{O}_3\text{N}$.
• Đặc trưng sản phẩm QT03: Chất rắn màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 176,1 °C, hiệu suất tổng hợp đạt 63,75% (thu được 126,0 mg). Giá trị $R_f$ đạt 0,171 (Hệ C); 0,314 (Hệ D); 0,657 (Hệ E). Phổ $^1\text{H}$-NMR thể hiện tính chất đối xứng cao của phân tử pyrazole: tín hiệu nhóm $-\text{OCH}3$ tại $\delta\ 3,811\text{ ppm}$ ($s, 6\text{H}$); hai cặp proton olefin dạng trans tại $\delta\ 6,910\text{ ppm}$ ($2\text{H}, d, J = 16,5\text{ Hz}$) và $\delta\ 7,063\text{ ppm}$ ($2\text{H}, d, J = 16,5\text{ Hz}$); các proton vòng benzen tại $\delta\ 6,850\text{ ppm}$ ($4\text{H}, d, J = 8,5\text{ Hz}$) và $\delta\ 7,395\text{ ppm}$ ($4\text{H}, d, J = 8,5\text{ Hz}$). Phổ $^{13}\text{C}$-NMR cho 11 tín hiệu với carbon methoxy tại $\delta\ 55,31\text{ ppm}$ và carbon liên kết $-\text{C}=\text{N}$ tại $\delta\ 159,70\text{ ppm}$. Khối phổ MS cho mũi $[\text{M}+\text{H}]^+ = 333$, tương ứng công thức phân tử $\text{C}{21}\text{H}_{20}\text{O}_2\text{N}_2$.
• Cơ chế phản ứng: Tác giả biện luận chi tiết cơ chế phản ứng tổng hợp QT01 thông qua sự tạo phức chelate giữa acetylacetone và hợp chất boron để làm trơ nhóm methylene trung tâm, thúc đẩy phản ứng cộng ái nhân của hai nhóm methyl đầu mạch vào nhóm carbonyl của p-methoxybenzaldehyde dưới tác dụng của bazơ $n$-butylamine. Đối với QT02 và QT03, cơ chế diễn ra theo con đường cộng ái nhân của amine bậc một vào nhóm carbonyl của hệ $\beta$-diketone, tiếp nối bằng phản ứng tách nước và đóng vòng nội phân tử tạo dị vòng thơm azole bền vững.
• Kết quả docking phân tử: Phép thử redocking phối tử SCF vào CDK2 (PDB: 2R3I) cho giá trị sai lệch RMSD nằm trong ngưỡng cho phép (< 2,0 Å), khẳng định thông số tính toán trên phần mềm MOE có độ tin cậy. Khi tiến hành docking các dẫn xuất curcumin, phần mềm xác định được năng lượng gắn kết (docking score mang giá trị âm) và các amino acid chủ chốt trong khoang gắn kết của CDK2 tham gia tương tác liên kết hydrogen và tương tác kỵ nước với phối tử.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thực nghiệm đề ra về mặt tổng hợp hữu cơ và khảo sát tính toán in silico. Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số hóa lý, hiệu suất và dữ liệu phân tích cấu trúc của các dẫn xuất curcumin đã được tổng hợp và đặc trưng đầy đủ trong văn bản:

Ký hiệu mẫu	Tên danh pháp IUPAC	Công thức phân tử	Khối lượng phân tử (g/mol)	Dạng tồn tại / Màu sắc	Nhiệt độ nóng chảy (°C)	Hiệu suất phản ứng (%)	Giá trị $R_f$ kiểm tra trên TLC	Dữ liệu khối phổ MS
QT01	(1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta-1,4,6-trien-3-one	$\text{C}{21}\text{H}{20}\text{O}_4$	336	Tinh thể vàng cam	159,4	61,30	0,257 (Hệ A) 0,342 (Hệ B) 0,486 (Hệ C)	$[\text{M}]^+ = 336,4$
QT02	3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)isoxazole	$\text{C}{21}\text{H}{19}\text{O}_3\text{N}$	333	Chất rắn màu vàng	172,2	50,85	0,157 (Hệ A) 0,286 (Hệ B) 0,457 (Hệ C)	$[\text{M}+\text{H}]^+ = 333,9$
QT03	3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-4H-pyrazole	$\text{C}{21}\text{H}{20}\text{O}_2\text{N}_2$	332	Chất rắn màu vàng	176,1	63,75	0,171 (Hệ C) 0,314 (Hệ D) 0,657 (Hệ E)	$[\text{M}+\text{H}]^+ = 333,0$
QT04	3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-1-phenyl-1H-pyrazole	Đang tổng hợp	—	Chất rắn	—	—	Đã khảo sát qua TLC	—

Về mặt đóng góp khoa học, tác giả đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp tổng hợp toàn phần đi từ tiền chất thơm p-methoxybenzaldehyde so với phương pháp chiết tách curcuminoid truyền thống từ củ nghệ:

• Rút ngắn thời gian thu nhận chất trung gian, loại bỏ hoàn toàn các công đoạn tách chiết hỗn hợp curcuminoid phức tạp (vốn luôn chứa lẫn curcumin, DMC và BDMC khó phân lập triệt để).
• Làm chủ quy trình điều chế chất trợ tạo phức tri-$n$-butyl borate ngay trong điều kiện phòng thí nghiệm, giúp kiểm soát tốt độ chọn lọc vị trí của phản ứng aldol hóa mà không cần nhập khẩu hóa chất đắt tiền.
• Bổ sung dữ liệu phổ nghiệm chi tiết ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC, MS) của các dẫn xuất curcumin chứa dị vòng azole mang nhóm thế para-methoxy.
• Thiết lập mô hình sàng lọc in silico trên enzyme CDK2 thông qua phần mềm MOE, làm rõ các vị trí gắn kết và định hướng hóa học cho việc thiết kế các phối tử ức chế kinase tiềm năng tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận phản ánh một số điểm giới hạn xuất phát từ phạm vi thực nghiệm và điều kiện nghiên cứu tại thời điểm thực hiện:

• Nghiên cứu mới dừng lại ở việc đánh giá tương tác giữa các dẫn xuất curcumin với enzyme CDK2 qua mô phỏng tính toán docking phân tử (in silico), chưa triển khai các thử nghiệm sinh học thực nghiệm (in vitro) để xác định giá trị $\text{IC}_{50}$ ức chế enzyme CDK2 thực tế hoặc thử nghiệm gây độc trên các dòng tế bào ung thư cụ thể.
• Phạm vi chất nền mới chỉ tập trung vào một dẫn xuất aldehyde thơm duy nhất là p-methoxybenzaldehyde.

Từ những hạn chế trên, các hướng mở rộng được đề xuất bao gồm:

• Mở rộng tổng hợp hệ thống dẫn xuất curcumin mới bằng cách sử dụng các tiền chất benzaldehyde mang những nhóm thế có bản chất điện tử khác nhau (nhóm rút điện tử như $-\text{NO}_2, -\text{F}, -\text{Cl}, -\text{Br}$ hoặc nhóm đẩy điện tử tại các vị trí ortho, meta, para).
• Thực hiện các thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro (đo khả năng bắt gốc tự do DPPH, thử nghiệm ức chế enzyme CDK2, khảo sát độc tính tế bào ung thư) nhằm kiểm chứng và đối chiếu với kết quả dự đoán từ mô hình docking phân tử.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị thực tiễn đối với sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa dược và Công nghệ Sinh học:

• Quy trình tổng hợp thực nghiệm: Nội dung chi tiết tại Chương 2 về quy trình điều chế tri-$n$-butyl borate và kỹ thuật sử dụng phức chất boron bảo vệ nhóm methylene trong phản ứng ngưng tụ aldol là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đề tài tổng hợp hợp chất tự nhiên và dẫn xuất diarylheptanoid.
• Biện giải phổ nghiệm hữu cơ: Phần phân tích và gán tín hiệu phổ $^1\text{H}$, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC và MS trong Chương 3 cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp xác định cấu trúc phân tử đối xứng và phân tử bất đối xứng thuộc nhóm dẫn xuất isoxazole/pyrazole.
• Phương pháp luận docking phân tử: Quy trình chuẩn hóa thụ thể PDB 2R3I, tối thiểu hóa năng lượng phối tử và các bước redocking kiểm chứng sai số RMSD trên phần mềm MOE là hướng dẫn từng bước hữu ích cho người mới tiếp cận lĩnh vực thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc (Structure-Based Drug Design).

Câu hỏi thường gặp

1. Hóa chất nào được sử dụng để định hướng phản ứng aldol hóa xảy ra chọn lọc tại hai nhóm methyl của acetylacetone trong quá trình tổng hợp hợp chất QT01?

Tác giả đã sử dụng hỗn hợp gồm boron oxide ($\text{B}_2\text{O}_3$) và tri-$n$-butyl borate cùng xúc tác bazơ $n$-butylamine. Sự kết hợp giữa các hợp chất chứa boron tạo ra phức chất chelate với hai nguyên tử oxy của nhóm $\beta$-diketone, giúp bảo vệ và ngăn chặn phản ứng ngưng tụ Knoevenagel không mong muốn tại nguyên tử carbon methylene hoạt động ở vị trí C3, từ đó định hướng phản ứng cộng ái nhân xảy ra chọn lọc tại hai nhóm methyl đầu mạch.

2. Các hệ dung môi triển khai sắc ký lớp mỏng (TLC) được tác giả quy định cụ thể như thế nào trong quá trình kiểm tra độ tinh khiết của sản phẩm?

Tác giả sử dụng 5 hệ dung môi pha động có độ phân cực tăng dần, pha chế từ $n$-hexane và ethyl acetate theo các tỷ lệ thể tích ($v/v$) xác định:

• Hệ A: $n$-hexane : ethyl acetate (9:1)
• Hệ B: $n$-hexane : ethyl acetate (8:2)
• Hệ C: $n$-hexane : ethyl acetate (7:3)
• Hệ D: $n$-hexane : ethyl acetate (6:4)
• Hệ E: $n$-hexane : ethyl acetate (5:5)

3. Mục tiêu sinh học và cấu trúc tinh thể nào được lựa chọn cho nghiên cứu docking phân tử và tiêu chí lựa chọn là gì?

Mục tiêu sinh học được chọn là Cyclin-Dependent Kinase 2 (CDK2) do enzyme này đóng vai trò trực tiếp trong việc điều hòa chu kỳ tế bào và liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của bệnh ung thư. Cấu trúc tinh thể được tải về từ Ngân hàng Dữ liệu Protein là PDB ID: 2R3I, được lựa chọn nhờ sở hữu độ phân giải cao (1,28 Å), khoang gắn kết đủ lớn cho các dẫn xuất azole cồng kềnh, và chứa phối tử đồng kết tinh SCF có hoạt tính ức chế mạnh ($\text{IC}_{50} = 1000\text{ nM}$).

4. Tiêu chuẩn đánh giá nào được áp dụng để xác nhận tính khả thi của mô hình docking phân tử trước khi tiến hành tính toán trên các dẫn xuất curcumin?

Tác giả tiến hành bước redocking (docking lại) chính phối tử đồng kết tinh SCF vào khoang gắn kết của protein 2R3I trên phần mềm MOE. Mô hình và thuật toán tính toán được xem là có độ tin cậy và đạt chuẩn khi giá trị sai lệch bình phương trung bình gốc giữa cấu dạng sau redocking và cấu dạng thực nghiệm gốc (RMSD - Root Mean Square Deviation) nhỏ hơn 2,0 Å.

5. Dấu hiệu phổ $^1\text{H}$-NMR nào chứng minh phản ứng đóng vòng tạo dẫn xuất isoxazole (QT02) và pyrazole (QT03) đã diễn ra thành công?

Sự hình thành vòng isoxazole trong QT02 được khẳng định bằng sự xuất hiện của mũi đơn đặc trưng cho 1 proton tại $\delta\ 6,412\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$) trên dị vòng oxazole và sự biến mất của tín hiệu proton enolic tại $\delta\ 5,780\text{ ppm}$ của chất nền QT01. Đối với dẫn xuất pyrazole QT03, phổ phản ánh tính đối xứng cao của phân tử khi các proton olefin gộp thành 2 cặp tín hiệu rõ rệt tại $\delta\ 6,910\text{ ppm}$ ($2\text{H}, d, J = 16,5\text{ Hz}$) và $\delta\ 7,063\text{ ppm}$ ($2\text{H}, d, J = 16,5\text{ Hz}$), cùng với sự xuất hiện của tín hiệu carbon $-\text{C}=\text{N}$ tại $\delta\ 159,70\text{ ppm}$ trên phổ $^{13}\text{C}$-NMR.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Phan Đăng Quới Tử đã thực hiện thành công quy trình tổng hợp toàn phần dẫn xuất curcumin QT01 từ tiền chất p-methoxybenzaldehyde với hiệu suất 61,3%, đồng thời chuyển hóa thành công hệ 1,3-dicarbonyl thành các dẫn xuất dị vòng isoxazole QT02 (hiệu suất 50,85%) và pyrazole QT03 (hiệu suất 63,75%). Cấu trúc hóa học và độ tinh khiết của các sản phẩm được chứng minh đầy đủ thông qua nhiệt độ nóng chảy, sắc ký lớp mỏng cùng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC, MS). Kết quả mô phỏng docking phân tử trên enzyme cyclin-dependent kinase 2 (CDK2; PDB ID: 2R3I) bằng phần mềm MOE đã bước đầu làm rõ cơ chế gắn kết và tiềm năng tương tác sinh học của các dẫn xuất azole, đặt cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc thuốc kháng ung thư trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về curcumin, curcuminoid 1. Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid Nghệ, hay còn gọi là nghệ vàng, thuộc họ gừng, thân cao khoảng 0,6 đến 1,0 m. 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 (Hình 1. Củ nghệ có vị đắng, cay, mùi thơm hơi nồng, chứa tinh dầu với hàm lượng 3 – 5 % màu vàng nhạt, thơm. Ngoài ra, thành phần trong củ nghệ còn có tinh bột, canxi oxalate (CaC2O4) và chất béo [1]. Thân, củ nghệ vàng Hiện nay, nghệ là một cây trồng quen thuộc ở khắp các nước vùng nhiệt đới, từ Nam Á đến Đông Nam Á và Đông Á.

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. Thành phần hóa học chính và quan trọng nhất của củ nghệ là curcuminoid (curcumin, demethoxycurcumin – DMC, bisdemethoxycurcumin – BDMC), chiếm hàm lượng khoảng 6%, là thành phần tạo màu vàng cho nghệ, trong đó lượng curcumin chiếm khoảng 70-80% khối lượng. Trong củ nghệ còn chứa tinh dầu (hàm lượng từ 2-7%) với các thành phần chính là artumeron, zingberen, borneol [2, 3]. Ngoài ra còn có những thành phần khác trong củ nghệ được trình bày trong Bảng 1.

1 do an Bảng 1. Thành phần các chất trong thân rễ nghệ Thành phần Khối lượng/100g Đơn vị Năng lượng thực phẩm 390 Kcal Nước 6,0 g Protein 8,5 g Chất béo 8,9 g Carbohydrate 69,9 g Tro 6,8 g Canxi 0,2 g Phospho 260 mg Natri 30 mg Kali 2000 mg Sắt 47,5 g Thiamine 0,09 mg Riboflavin 0,19 mg Niacin 4,8 mg Acid ascorbic 50 mg 1. Hoạt tính sinh học của curcuminoid Curcuminoid có 03 thành phần chính gồm curcumin, DMC và BDMC (Hình 1.2), trong đó curcumin chiếm thành phần lớn và có hoạt tính sinh học đa dạng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Cấu trúc hóa học của curcuminoid 2 do an Curcumin tương đối trơ và không gây độc đối với cả động vật lẫn người ngay cả với lượng lớn.

Theo nghiên cứu, curcumin không gây độc với người khi dùng ở liều lượng cao [4]. Chính nhờ tính an toàn đó mà curcumin là chất có tiềm năng sử dụng trong ngành dược. Curcumin có giá trị hoạt tính sinh học đa dạng là do trong công thức cấu tạo của curcumin có các nhóm hoạt tính (Hình 1. Công thức cấu tạo của curcumin 1.

Nhóm parahydroxyl: hoạt tính chống oxi hoá 2. Nhóm keto: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào 3. Nhóm liên kết đôi: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào Hoạt tính sinh học chủ yếu của curcumin là kháng oxy hoá, kháng khuẩn, kháng virus và kháng một số loại ung thư. Các nghiên cứu cho thấy curcumin có tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư.

Tại Mỹ, Đài Loan, người ta đã tiến hành thử lâm sàng dùng curcumin điều trị ung thư và kết luận rằng curcumin có thể ức chế sự phát triển tế bào ung thư da, dạ dày, ruột, vòm họng, dạ con, bàng quang. Curcumin còn có tương tác tốt với dạ dày, ruột, gan, mật, lọc máu, làm sạch máu, điều trị vết thương, chống viêm khớp, dị ứng, nấm, chống vi khuẩn. Từ nǎm 1993, các nhà khoa học thuộc Đại học Harvarrd (Mỹ) đã công bố ba chất có tác dụng kìm hãm tế bào HIV-1, HIV-1-RT và một trong ba chất đó là curcumin [5, 6]. Hoạt tính kháng oxy hóa Gốc tự do là các chất phản ứng mạnh, được tạo ra khi cơ thể thu nhận khí oxy hoặc chuyển hóa thức ăn để tạo ra năng lượng.

Bản thân các gốc tự do góp phần vào quá trình lão hóa của cơ thể. Tuy nhiên, nếu số lượng gốc tự do quá nhiều có thể gây tổn thương các tế bào lành. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến một số bệnh như ung thư, 3 do an xơ cứng động mạch, làm suy yếu hệ thống miễn dịch gây dễ bị nhiễm trùng, làm giảm trí tuệ, teo cơ quan bộ phận người cao niên [7]. Curcumin là hợp chất tự nhiên có khả năng kháng oxy hóa.

Curcumin có khả năng ngăn cản sự tạo thành gốc tự do như superoxide, hydroxyl. Ngăn cản sự peroxide hóa các lipid trong cơ thể nhờ vào nhóm OH trên vòng bezene [8]. Tinh dầu và curcumin tách từ củ nghệ vàng thể hiện hoạt tính quét gốc tự do DPPH cao. Tinh dầu nghệ thể hiện hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn so với curcumin ở cả hai thử nghiệm kháng oxy hóa DPPH và MDA [9].

Hoạt tính kháng viêm, kháng virus, vi khuẩn và kháng nấm Viêm nhiễm là một chuỗi phản ứng của cơ thể nhằm chống lại tổn thương mô. Phản ứng này cần thiết cho quá trình lành viết thương, nhưng đồng thời làm đau, nổi mẫn đỏ và phồng viết thương. Trong quá trình viêm nhiễm, cơ thể sinh ra arachidonic acid. Enzyme cylooxygenase chuyển hóa arachidonic acid thành các chất gây viêm.

Liên kết đôi ở C3,4 và C3’,4’ và nhóm OH ở C8,8’ (Hình 1.2) trên vòng benzene của curcumin có khả năng ức chế enzyme cylooxygenase, từ đó giảm quá trình chuyển hóa arachidonic acid [10]. Curcumin còn có khả năng ức chế virus HIV [11]. Ngoài ra, hỗn hợp các curcumin, DMC và BDMC còn có thể kháng giun [12]. Ngoài ra, tinh dầu nghệ vàng có khả năng kháng mạnh với các chủng vi nấm Microsporum gypseum, Trichophyton mentagrophytes, Candida albicans [9].

Hoạt tính kháng đông máu Sự kết tụ của các tiểu huyết cầu trong máu sẽ gây ra hiện tượng đông máu. Curcumin có khả năng ngăn cản hoạt động của enzyme cyclooxyenase tạo thêm tiểu huyết cầu, nên curcumin có tác dụng chống đông máu [13]. Hoạt tính kháng ung thư Ung thư hiện là căn bệnh nan y và hiện chưa có thuốc chữa. Yêu cầu của thuốc trị ung thư là ức chế sự phát triển và biệt hóa các tế bào ung thư nhằm chặn đứng sự phát triển và di căn của ung thư.

Tuy nhiên nhược điểm chung của đại đa số các thuốc trị ung thư hiện nay là không có sự chọn lọc cao, dễ kháng thuốc và hệ số an toàn giảm dần theo thời gian sử dụng, ngoài ra chúng có thể gây độc cho các tế bào lành và gây ra các tác 4 do an dụng phụ như rụng tóc, buồn nôn,… Vì vậy việc tìm ra một hoạt chất có tác dụng chống ung thư nguồn gốc từ tự nhiên và tăng hoạt tính của các hoạt chất đó đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Curcumin là chất ức chế tế bào ung thư theo cơ chế tự ức chế từng phần các tế bào ác tính [14]. Curcumin có tác dụng ức chế tế bào ung thư ở cả ba giai đoạn khởi phát, tiến triển và giai đoạn cuối. Kết quả là các tế bào ung thư bị vô hiệu hóa nhưng không gây ảnh hưởng đến tế bào lành tính, đồng thời ngăn ngừa sự hình thành tế bào ung thư mới.

Curcumin có khả năng ức chế sự tạo khối u, tác động đến hầu hết các giai đoạn của quá trình hình thành và phát triển khối u [13]. Trong giai đoạn đầu của bệnh, các tế bào bình thường bị tác động bởi các gốc tự do và bị biến đổi thành các tế bào ung thư. Curcumin có thể ngăn chặn quá trình này bằng cách bắt giữ các gốc oxy hóa khác nhau như gốc hydroxyl HO, gốc peroxyl ROO+, singlet oxygen [15]. Curcumin có khả năng bảo vệ lipid, hemoglobin và AND khỏi quá trình oxy hóa.

Curcumin tinh khiết có hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn DMC và BDMC. Curcumin được chứng minh có khả năng chống di căn đối với một vài loại tế bào ung thư đồng thời ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Khả năng làm giảm quá trình di căn này còn phụ thuộc vào nguồn gốc và loại khối u ác tính [13]. Nhóm methoxy (-OCH3) được xác định có vai trò quan trọng trong cơ chế trung hòa gốc tự do DPPH của curcumin.

Curcuminoid và các dẫn xuất thể hiện hoạt tính gây độc tế bào ung thư tuyến tiền liệt PC3 mạnh. Trong đó, các dẫn xuất pyrazole thể hiện hoạt tính cao hơn so với curcumin, nổi bật là dẫn xuất methyl pyrazole- curcumincarboxylate có hoạt tính gấp 38 lần curcumin [9]. Pharmacophore của curcumin Curcumin là một diarylheptanoid với hai nhóm p-OH và m-OCH3 liên kết với một β- diketone bởi hai liên kết olefin đối xứng. Các liên kết đôi olefin được xem là cầu nối giữa vòng thơm và nhóm diketone và thường không được thay đổi khi thiết kế các dẫn xuất curcumin.

Thay vào đó, nhóm diketone, vòng thơm và các nhóm thế là mục tiêu chính trong thiết kế các dẫn xuất. Vì thế, các nhóm thế đã được thay đổi trên cấu trúc 5 do an curcumin, bao gồm các dẫn xuất có vòng 1,2 – azole để tạo thành dẫn xuất mới [16]. Khi loại bỏ nhóm p-OH hoặc thêm vào nhóm m-OCH3 dẫn đến hoạt tính chống tăng sinh tế bào giảm nhẹ [17]. Nếu thay đổi vị trí của nhóm p – phenolic và m – methoxy cho nhau thì hoạt tính chống tăng sinh tế bào bị mất đi [17].

Mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc hóa học của curcumin được thiết lập bằng cách so sánh hoạt tính sinh học của curcumin với các dẫn xuất của curcumin (Bảng 1. Cấu trúc hóa học của curcumin và dẫn xuất A Curcumin B Demethoxycurcumin Bisdemethoxycurcumin Tetrahydrocurcumin Hexahydrocurcumin C Octahydrocurcumin Kết quả cho rằng khả năng kháng viêm và kháng khối u của curcumin có liên quan đến mức độ hydro hóa, methoxy hóa và độ bất bão hòa của nhóm diketone [18]. Khả năng lấy gốc tự do của curcumin có liên quan đến số lượng nhóm thế m-OCH3 và mức độ hydro hóa của nhánh heptadiene trong cấu trúc của curcumin [19, 20]. Glycosyl hóa 6 do an vòng thơm làm cho curcumin tan trong nước với sự ổn định động học cao và chỉ số điều trị tốt [21].

Các dẫn xuất isoxazole và pyrazole của curcumin Trong nhiều năm qua, số lượng lớn các dẫn xuất curcumin đã được tổng hợp bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới. Các dẫn xuất mới này có khả năng ức chế gốc tự do [22], gây độc tế bào, kháng viêm và các hoạt tính khác [23-25]. Một số dẫn xuất còn có hoạt tính chống ung thư [26], chất kích hoạt NF – κB [27], thuốc siêu vi [28],… Curcumin và 9 dẫn xuất curcumin (Hình 1.4) được tổng hợp để khảo sát hoạt tính.