Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của hóa học hữu cơ và dược học, các hợp chất dị vòng chứa nguyên tử nitơ, đặc biệt là dẫn xuất pyridine và các dẫn xuất crown ether, đã thu hút sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng trong điều chế thuốc kháng khuẩn, kháng ung thư và các hoạt tính sinh học khác. Theo ước tính, các hợp chất crown ether và azacrown ether có khả năng tạo phức với ion kim loại, góp phần nâng cao hiệu quả sinh học và tính chọn lọc trong các ứng dụng y sinh. Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp truyền thống các dẫn xuất này thường phức tạp, tốn nhiều thời gian và nguyên liệu, đồng thời hiệu suất không cao.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính gây độc tế bào của một số dẫn xuất [γ-(aryl)pyridino]dibenzo-27,28-diazacrownophane, nhằm phát triển các hợp chất mới có tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thư. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2018-2019 tại Phòng thí nghiệm Hóa học Hữu cơ 2, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Mục tiêu cụ thể là áp dụng phản ứng ngưng tụ đa tác nhân (MCR) để tổng hợp các dẫn xuất azacrown ether chứa nhân pyridine, đồng thời đánh giá hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư phổ biến như ung thư gan (Hep-G2), ung thư vú (MCF7), ung thư tử cung (Fl), ung thư phổi (Lu1), ung thư tiền liệt tuyến (PC3), ung thư mô liên kết (RD) và ung thư cơ vân tim (RD).

Nghiên cứu không chỉ góp phần mở rộng thư viện các hợp chất crownophane có hoạt tính sinh học mà còn đề xuất quy trình tổng hợp hiệu quả, thân thiện môi trường, tiết kiệm thời gian và nguyên liệu. Kết quả khảo sát hoạt tính sinh học dự kiến sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển thuốc hóa dược mới trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Hóa học crown ether và azacrown ether: Crown ether là các hợp chất vòng chứa nhóm oxyethylen (-OCH2CH2-)n, có khả năng tạo phức chọn lọc với các ion kim loại kiềm và kiềm thổ. Azacrown ether là dẫn xuất khi thay thế một hoặc nhiều nguyên tử oxy bằng nguyên tử nitơ, tăng cường khả năng tạo phức và độ bền phức chất. Các hợp chất crownophane là các cyclophane có cấu trúc crown ether chứa nhân thơm, có hoạt tính sinh học và khả năng tạo phức cao.

  • Phản ứng ngưng tụ đa tác nhân (MCR): Là phản ứng trùng ngưng từ ít nhất ba chất ban đầu, tạo sản phẩm chứa tất cả các thành phần chính, ít sản phẩm phụ, giúp tổng hợp các phân tử phức tạp với hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Các phản ứng MCR phổ biến gồm Ugi (4 tác nhân), Mannich, Biginelli, Passerini và Hantzsch. Trong nghiên cứu này, phản ứng Hantzsch và Petrenko-Kritrenko được áp dụng để tổng hợp các dẫn xuất diazacrownophane.

  • Khái niệm về hoạt tính gây độc tế bào: Đánh giá khả năng ức chế sự phát triển của các dòng tế bào ung thư thông qua các chỉ số như CS% (Cell Survival) và IC50 (nồng độ ức chế 50% tế bào), là các chỉ số quan trọng trong nghiên cứu dược học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hợp chất tổng hợp trong phòng thí nghiệm Hóa học Hữu cơ 2, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Dữ liệu phổ hóa lý (1H-NMR, 13C-NMR, IR, HRMS) được thu thập tại Viện Hóa học và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hoạt tính sinh học được khảo sát tại Phòng Sinh học Thực nghiệm, Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên.

  • Phương pháp tổng hợp: Áp dụng phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Hantzsch và Petrenko-Kritrenko để tổng hợp các dẫn xuất podand và diazacrownophane chứa nhân pyridine. Quy trình tổng hợp bao gồm các bước: tổng hợp tiền chất podand từ 2,6-bis(hydroxymethyl)pyridine, sau đó phản ứng với arylaldehyde và muối ammonium acetate trong môi trường acetic acid hoặc ethanol, đun hồi lưu từ 11 đến 16 giờ. Sản phẩm được tinh chế bằng sắc ký cột silica gel.

  • Phương pháp phân tích: Xác định cấu trúc sản phẩm bằng phổ 1H-NMR, 13C-NMR, IR, phổ khối lượng HRMS và phương pháp nhiễu xạ đơn tinh thể (X-ray diffraction) để xác định cấu trúc lập thể.

  • Phương pháp khảo sát hoạt tính gây độc tế bào: Sử dụng phương pháp SRB (Sulforhodamine B) theo quy trình của Skehan và cộng sự, đo khả năng sống sót của tế bào ung thư sau 72 giờ ủ với mẫu thử. Các dòng tế bào ung thư được nuôi cấy trong môi trường MEME hoặc DMEM bổ sung huyết thanh bê tươi 7-10%, kháng sinh và amino acid không thiết yếu. Giá trị IC50 được tính dựa trên đường cong nồng độ-logarit và tỷ lệ sống sót tế bào.

  • Cỡ mẫu và timeline: Tổng hợp và phân tích khoảng 6-8 hợp chất dẫn xuất diazacrownophane. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ tổng hợp, phân tích đến khảo sát hoạt tính sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công các dẫn xuất podand và diazacrownophane: Từ 2,6-bis(hydroxymethyl)pyridine, đã tổng hợp được podand 2,6-bis[(2-acetophenyl)oxymethyl]pyridine (4) với hiệu suất 88% và podand 2,6-bis[(2-formylphenyl)oxymethyl]pyridine (6) với hiệu suất 91,67%. Các dẫn xuất diazacrownophane (8a-f) được tổng hợp qua phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Hantzsch với hiệu suất thu được sản phẩm tinh khiết từ 60-75%.

  2. Xác định cấu trúc chính xác bằng phương pháp phổ và nhiễu xạ đơn tinh thể: Cấu trúc hợp chất (10a) được xác định rõ ràng qua nhiễu xạ đơn tinh thể, khẳng định cấu trúc rac-(1R*, 21S*, 22R*, 24S*). Phổ 1H-NMR và IR cho thấy các tín hiệu đặc trưng của nhóm methylene, nhóm ketone và nhân pyridine, phù hợp với cấu trúc đề xuất.

  3. Hoạt tính gây độc tế bào ấn tượng trên nhiều dòng ung thư: Các dẫn xuất [γ-(aryl)pyridino]dibenzo-27,28-diazacrownophane thể hiện khả năng ức chế tế bào ung thư gan (Hep-G2), ung thư vú (MCF7), ung thư tử cung (Fl), ung thư mô liên kết (RD) với giá trị CS% thấp hơn 50% ở nồng độ 5-10 μg/ml. Ví dụ, hợp chất 30a giảm tỷ lệ sống sót tế bào Hep-G2 xuống còn 7,1% và tế bào RD gần như bị tiêu diệt hoàn toàn (0%). Một số hợp chất khác như 30e và 30f cho kết quả ức chế tế bào gần như tuyệt đối ở nồng độ 10 μg/ml.

  4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả phù hợp với dự báo hoạt tính sinh học từ chương trình PASS, cho thấy các hợp chất có khả năng chống ung thư cao, tương tự hoặc vượt trội so với các dẫn xuất azacrown ether đã được công bố. Hiệu suất tổng hợp và hoạt tính sinh học đồng thời được cải thiện nhờ ứng dụng phản ứng ngưng tụ đa tác nhân.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tổng hợp cao của các dẫn xuất podand và diazacrownophane cho thấy phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Hantzsch và Petrenko-Kritrenko là phương pháp hiệu quả, tiết kiệm thời gian và nguyên liệu so với phương pháp truyền thống nhiều bước. Nhiệt độ và điều kiện phản ứng được tối ưu hóa để hạn chế tạp chất, nâng cao độ tinh khiết sản phẩm.

Hoạt tính gây độc tế bào mạnh mẽ của các dẫn xuất diazacrownophane có thể được giải thích bởi cấu trúc đặc biệt của vòng crown ether kết hợp với dị vòng pyridine, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tương tác với các mục tiêu sinh học trong tế bào ung thư. Các nhóm aryl khác nhau trên nhân pyridine ảnh hưởng đến mức độ ức chế tế bào, thể hiện tính đa dạng và khả năng điều chỉnh hoạt tính sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh tỷ lệ sống sót tế bào (CS%) của các hợp chất trên từng dòng tế bào, hoặc bảng tổng hợp giá trị IC50 để minh họa hiệu quả ức chế tế bào. So sánh với các hợp chất chuẩn như colchicine hoặc eliptine cho thấy tiềm năng phát triển thuốc hóa dược từ các dẫn xuất này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng phản ứng ngưng tụ đa tác nhân trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ và thời gian nghiêm ngặt để nâng cao hiệu suất và độ tinh khiết sản phẩm, giảm thiểu tạp chất. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng thí nghiệm Hóa học Hữu cơ 2 chủ trì.

  2. Mở rộng khảo sát hoạt tính sinh học: Thực hiện đánh giá hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư khác và khảo sát cơ chế tác động phân tử của các dẫn xuất diazacrownophane. Thời gian dự kiến 12 tháng, phối hợp với Viện Nghiên cứu Ung thư Quốc gia.

  3. Nghiên cứu dược động học và độc tính: Tiến hành các thử nghiệm in vivo để đánh giá dược động học, độc tính cấp và mạn tính nhằm đảm bảo an toàn trước khi phát triển thuốc. Thời gian 18 tháng, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu dược lý.

  4. **Phát triển các dẫn xuất mới