Tổng quan nghiên cứu

Ung thư là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn cầu, với khoảng 10 triệu người chết mỗi năm, trong đó 70% xảy ra ở các nước có thu nhập thấp và trung bình. Tại Việt Nam, theo GLOBOCAN 2020, có khoảng 182.563 ca mắc mới và 122.690 ca tử vong do ung thư, trong đó ung thư gan, phổi, dạ dày và đại tràng chiếm tỷ lệ cao nhất. Bệnh ung thư ngày càng có xu hướng trẻ hóa, gây khó khăn trong phát hiện và điều trị. Hiện nay, hơn 400 loại thuốc đã được sử dụng trong điều trị ung thư, tuy nhiên tình trạng kháng đa thuốc ngày càng nghiêm trọng, đòi hỏi nghiên cứu và phát triển các hợp chất mới có hiệu quả cao hơn và ít tác dụng phụ.

Podophyllotoxin là một aryltetralin lignan có nguồn gốc từ thực vật họ Podophyllum, được biết đến với hoạt tính kháng ung thư thông qua cơ chế ức chế sự trùng hợp tubulin, ngăn chặn quá trình phân bào. Các dẫn xuất của podophyllotoxin như etoposide và teniposide đã được FDA phê duyệt sử dụng trong điều trị ung thư, nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế như độc tính toàn thân, sinh khả dụng thấp và kháng thuốc. Việc tổng hợp podophyllotoxin và các dẫn xuất phức tạp gặp nhiều khó khăn do cấu trúc phức tạp và nguồn cung tự nhiên hạn chế.

Trong bối cảnh đó, nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất podophyllotoxin mới, đặc biệt là các hợp chất lai với khung 1,4-naphthoquinone, được xem là hướng đi tiềm năng nhằm nâng cao hiệu quả kháng ung thư và giảm tác dụng phụ. Luận văn tập trung vào tổng hợp một số dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone bằng phương pháp tổng hợp đa thành phần có sử dụng vi sóng, xác định cấu trúc và đánh giá khả năng gây độc tế bào ung thư của các hợp chất này trên một số dòng tế bào ung thư phổ biến. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong năm 2022, góp phần mở rộng kho hợp chất chống ung thư tiềm năng và cung cấp cơ sở khoa học cho phát triển thuốc mới.

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:

  • Cơ chế tác động của podophyllotoxin và dẫn xuất: Podophyllotoxin ức chế sự trùng hợp tubulin, gây bắt giữ chu kỳ tế bào ở pha G2/M, ngăn chặn phân bào. Các dẫn xuất như etoposide ức chế enzym DNA topoisomerase II, bắt giữ chu kỳ tế bào ở pha S, từ đó gây độc tế bào ung thư.
  • Phản ứng đa thành phần (Multicomponent Reaction - MCR): Phản ứng hóa học trong đó ba hoặc nhiều tác nhân phản ứng cùng lúc tạo thành sản phẩm phức tạp trong một bước, giúp tăng hiệu suất, giảm thời gian và thân thiện môi trường.
  • Khung 1,4-naphthoquinone: Là cấu trúc có hoạt tính sinh học đa dạng, bao gồm chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng ung thư. Các hợp chất lai naphthoquinone với podophyllotoxin được kỳ vọng tăng cường hoạt tính kháng ung thư.
  • Khái niệm IC50: Nồng độ hợp chất ức chế 50% sự sống sót của tế bào, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả gây độc tế bào.
  • Phương pháp MTT: Phương pháp đánh giá khả năng sống sót của tế bào dựa trên phản ứng enzym khử MTT thành formazan, đo mật độ quang học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone được thực hiện tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các hóa chất, dung môi có độ tinh khiết cao (98%) được sử dụng, bao gồm 2-amino-1,4-naphthoquinone, tetronic acid, các dẫn xuất benzaldehyde khác nhau.
  • Phương pháp tổng hợp: Sử dụng phản ứng đa thành phần có hỗ trợ của máy vi sóng Monowave 400, với điều kiện tối ưu là acid acetic băng làm dung môi, xúc tác p-toluenesulfonic acid 20 mol%, nhiệt độ 120°C trong 15-20 phút. Phản ứng kết hợp 2-amino-1,4-naphthoquinone, tetronic acid và các dẫn xuất benzaldehyde tạo thành các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone.
  • Phương pháp phân tích: Sản phẩm được tinh chế bằng sắc ký cột silica gel, theo dõi phản ứng bằng sắc ký lớp mỏng. Cấu trúc các dẫn xuất được xác định bằng các kỹ thuật phổ hiện đại: phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (^1H-NMR, ^13C-NMR), phổ khối phổ phân giải cao (HR-ESI-MS), và đo nhiệt độ nóng chảy.
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính: Đánh giá khả năng gây độc tế bào ung thư bằng phương pháp MTT trên các dòng tế bào ung thư phổ biến như KB, HepG2, MCF7, A549, SK-Lu-1, Hek-293. Các mẫu được xử lý ở nhiều nồng độ khác nhau, ủ trong 48 giờ, đo mật độ quang học tại bước sóng 570 nm để tính toán IC50.
  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá được thực hiện trong năm 2022, với 7 dẫn xuất tổng hợp thành công, mỗi hợp chất được thử nghiệm lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng: Acid acetic băng là dung môi phù hợp nhất, kết hợp với xúc tác p-toluenesulfonic acid 20 mol% và nhiệt độ 120°C cho hiệu suất phản ứng cao nhất, đạt 82% đối với dẫn xuất 4b. Hiệu suất phản ứng trong các dung môi khác như tert-butanol, isopropanol, toluene, acetonitrile chỉ đạt khoảng 11-13%. Tăng xúc tác lên 30 mol% không cải thiện hiệu suất đáng kể.

  2. Tổng hợp thành công 7 dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone (4a-4g): Hiệu suất tổng hợp dao động từ 75% đến 89%, với thời gian phản ứng ngắn chỉ 15-20 phút nhờ sử dụng vi sóng. Các dẫn xuất chứa nhóm thế ở vị trí ortho và para trên vòng phenyl cho hiệu suất cao hơn nhóm meta. Nhiệt độ nóng chảy của các dẫn xuất nằm trong khoảng 283-334°C, chứng tỏ tính ổn định cao.

  3. Xác định cấu trúc chính xác: Các phổ ^1H-NMR, ^13C-NMR và HR-ESI-MS cho thấy các dẫn xuất có cấu trúc đúng như dự kiến, với các tín hiệu đặc trưng của nhóm NH, proton vòng thơm, nhóm methylene và methine. Ví dụ, dẫn xuất 4a có tín hiệu NH ở δH 10.74 ppm, dẫn xuất 4b có proton H-11 ở δH 5.00 ppm, phù hợp với cấu trúc 11-(phenyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione.

  4. Hoạt tính gây độc tế bào ung thư: Các dẫn xuất tổng hợp thể hiện khả năng gây độc tế bào ung thư tốt với giá trị IC50 dưới 10 µM trên các dòng tế bào KB, HepG2, MCF7, A549, SK-Lu-1 và Hek-293. Hiệu quả này vượt trội so với podophyllotoxin gốc và tương đương hoặc tốt hơn các dẫn xuất 4-aza-podophyllotoxin đã được báo cáo.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất cao và thời gian phản ứng ngắn đạt được nhờ ứng dụng phản ứng đa thành phần có hỗ trợ vi sóng, giúp tăng tốc độ phản ứng và giảm tiêu hao năng lượng. Việc sử dụng acid acetic băng làm dung môi và p-TsOH làm xúc tác tạo môi trường acid mạnh, thuận lợi cho các bước hoạt hóa và đóng vòng nội phân tử trong cơ chế tổng hợp.

So với các phương pháp tổng hợp truyền thống phức tạp và nhiều bước, quy trình này đơn giản, hiệu quả và có thể áp dụng cho nhiều dẫn xuất khác nhau với nhóm thế đa dạng. Kết quả xác định cấu trúc bằng phổ hiện đại đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các dẫn xuất thu được.

Hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone cho thấy tiềm năng phát triển thành các thuốc chống ung thư mới với hiệu quả cao và có thể khắc phục hạn chế của podophyllotoxin gốc như độc tính và kháng thuốc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh IC50 của các dẫn xuất trên các dòng tế bào, minh họa sự vượt trội về hiệu quả.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hoạt tính của các dẫn xuất 4-aza-podophyllotoxin và các hợp chất lai naphthoquinone, đồng thời mở rộng thêm hướng tổng hợp mới với hiệu suất cao và đa dạng cấu trúc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nghiên cứu tổng hợp: Áp dụng quy trình tổng hợp đa thành phần có hỗ trợ vi sóng để tạo ra thư viện các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone với đa dạng nhóm thế, nhằm tối ưu hóa hoạt tính và giảm độc tính. Thời gian thực hiện 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu hóa hữu cơ và dược lý phối hợp thực hiện.

  2. Nghiên cứu cơ chế tác động: Tiến hành các thử nghiệm sinh học sâu hơn để làm rõ cơ chế gây độc tế bào của các dẫn xuất, bao gồm khảo sát ảnh hưởng đến chu kỳ tế bào, apoptosis, và các đích phân tử như tubulin, topoisomerase. Thời gian 1 năm, phối hợp với phòng thí nghiệm sinh học phân tử.

  3. Đánh giá độc tính và dược động học: Thực hiện các nghiên cứu tiền lâm sàng về độc tính trên mô hình động vật, đánh giá sinh khả dụng và chuyển hóa để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi phát triển thuốc. Thời gian 1-2 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu dược lý.

  4. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp để sản xuất các dẫn xuất với quy mô lớn, đảm bảo tính kinh tế và ổn định, phục vụ cho nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng. Thời gian 1 năm, phối hợp với phòng thí nghiệm công nghệ hóa dược.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa hữu cơ và dược học: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp đa thành phần hiệu quả, dữ liệu cấu trúc và hoạt tính sinh học của các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone, hỗ trợ phát triển thuốc mới.

  2. Chuyên gia phát triển thuốc chống ung thư: Thông tin về hoạt tính gây độc tế bào và cơ chế tác động giúp định hướng nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng các hợp chất tiềm năng.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học, dược học: Tài liệu tham khảo về phương pháp tổng hợp, kỹ thuật phân tích phổ hiện đại và đánh giá hoạt tính sinh học, nâng cao kiến thức thực hành và nghiên cứu.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và công nghiệp dược phẩm: Cơ sở khoa học để phát triển các sản phẩm thuốc chống ung thư mới, đồng thời áp dụng quy trình tổng hợp thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng đa thành phần có ưu điểm gì trong tổng hợp các dẫn xuất podophyllotoxin?
    Phản ứng đa thành phần giúp tổng hợp nhanh chóng, hiệu suất cao, giảm số bước phản ứng và tiết kiệm năng lượng, đồng thời cho phép tạo ra các hợp chất đa dạng với cấu trúc phức tạp trong một bước duy nhất.

  2. Tại sao sử dụng vi sóng trong phản ứng tổng hợp?
    Vi sóng tăng tốc độ phản ứng bằng cách cung cấp năng lượng nhanh và đồng đều, giúp giảm thời gian phản ứng từ hàng giờ xuống còn vài phút, đồng thời cải thiện hiệu suất và độ thuần khiết sản phẩm.

  3. Các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone có hoạt tính như thế nào so với podophyllotoxin gốc?
    Các dẫn xuất tổng hợp thể hiện hoạt tính gây độc tế bào ung thư tốt hơn hoặc tương đương podophyllotoxin, với IC50 dưới 10 µM trên nhiều dòng tế bào ung thư, đồng thời có tiềm năng giảm độc tính và kháng thuốc.

  4. Phương pháp xác định cấu trúc các dẫn xuất được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng phổ hồng ngoại (IR) để xác định nhóm chức, phổ cộng hưởng từ hạt nhân (^1H-NMR, ^13C-NMR) để xác định cấu trúc phân tử và vị trí các nguyên tử, phổ khối phổ phân giải cao (HR-ESI-MS) để xác định khối lượng phân tử chính xác.

  5. Luận văn có đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nào không?
    Có, luận văn đề xuất mở rộng tổng hợp các dẫn xuất mới, nghiên cứu cơ chế tác động, đánh giá độc tính tiền lâm sàng và phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn nhằm ứng dụng trong phát triển thuốc chống ung thư.

Kết luận

  • Đã tối ưu hóa thành công điều kiện phản ứng tổng hợp đa thành phần có hỗ trợ vi sóng cho các dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone với hiệu suất cao (75-89%) và thời gian ngắn (15-20 phút).
  • Tổng hợp và xác định cấu trúc chính xác 7 dẫn xuất podophyllotoxin-naphthoquinone với các nhóm thế đa dạng trên vòng phenyl.
  • Các dẫn xuất tổng hợp thể hiện hoạt tính gây độc tế bào ung thư tốt trên nhiều dòng tế bào phổ biến với IC50 dưới 10 µM, vượt trội so với podophyllotoxin gốc.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hợp chất chống ung thư mới có hiệu quả cao và ít tác dụng phụ, đồng thời cung cấp quy trình tổng hợp thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.
  • Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo về cơ chế tác động, đánh giá độc tính tiền lâm sàng và phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn để ứng dụng trong phát triển thuốc.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực hóa hữu cơ, dược học và phát triển thuốc chống ung thư. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để phát triển các hợp chất mới, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị ung thư trong tương lai.