Khóa luận: Nghiên cứu tạo muối của Berberin với một số Acid hữu cơ - Trần Mai Giang

Khóa luận nghiên cứu phương pháp tạo muối của berberin với các acid hữu cơ, phân tích cấu trúc, độ tan và tiềm năng ứng dụng dược học của sản phẩm.

• Tác giả: Trần Mai Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hải
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa dược
• Đề tài: Nghiên cứu tạo muối của Berberin với một số Acid hữu cơ
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Berberin và các Muối Hữu Cơ

Berberin là một alkaloid tự nhiên có nguồn gốc từ các loại thực vật như cỏ vàng, thanh bỏ và lót đất, được biết đến với nhiều tác dụng dược lý quan trọng. Trong thời gian gần đây, nghiên cứu về tạo muối berberin với các acid hữu cơ đã trở thành một hướng nghiên cứu hứa hẹn trong lĩnh vực dược học. Các muối của berberin không chỉ cải thiện tính chất vật lý, hóa học mà còn nâng cao tính sinh khả dụng và hiệu quả dược lý. Khóa luận tốt nghiệp này từ Đại học Dược Hà Nội tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo và đặc trưng hóa các muối berberin mới, nhằm mở ra những ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hóa dược và sản xuất dược phẩm hiện đại.

1.1. Cấu trúc và Tính chất Hóa học của Berberin

Berberin là một alkaloid isoquinoline có công thức phân tử C₂₀H₁₈NO₅⁺. Cấu trúc phân tử đặc biệt của berberin chứa một nhóm imidazolium tích điện dương, giúp nó dễ dàng kết hợp với các acid hữu cơ để tạo thành muối ổn định. Tính chất lipophilic của berberin cho phép nó thấm qua màng sinh học, trong khi tính hydrophilic của các muối giúp tăng độ tan trong nước, cải thiện đáng kể tính sinh khả dụng và độ hấp thụ trong cơ thể.

1.2. Vai trò và Ứng dụng Dược phẩm của Muối Berberin

Các muối của berberin được ứng dụng rộng rãi trong bào chế dược phẩm với mục đích tăng độ tan, cải thiện ổn định và nâng cao hiệu quả trị liệu. Berberin có tác dụng kháng khuẩn, chống viêm, hạ đường huyết và bảo vệ gan. Các muối hữu cơ của berberin như berberin salicylat, berberin glycolat và berberin glycyrrhizinat được phát triển nhằm tăng độ hấp thụ, giảm độc tính và cải thiện tính chất bào chế so với berberin clorid truyền thống.

II. Các Phương pháp Tạo Muối Berberin với Acid Hữu Cơ

Trong nghiên cứu tạo muối berberin, nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau đã được khảo sát và so sánh để tìm ra quy trình tối ưu. Các phương pháp chính bao gồm phương pháp kết tinh trực tiếp, phương pháp trao đổi ion và phương pháp hòa tan-kết tinh. Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng về hiệu suất, độ tinh khiết, thời gian phản ứng và chi phí sản xuất. Các acid hữu cơ được lựa chọn bao gồm acid salicylic, acid glycolic và acid glycyrrhizinic, mỗi loại mang lại những tính chất khác nhau cho sản phẩm muối cuối cùng.

2.1. Phương pháp Kết tinh Trực tiếp và Điều kiện Tối ưu

Phương pháp kết tinh trực tiếp là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất trong tạo muối berberin. Phương pháp này bao gồm việc hòa tan berberin trong dung môi thích hợp, sau đó thêm acid hữu cơ với tỷ lệ mol tối ưu (thường là 1:1) và tiến hành kết tinh ở nhiệt độ kiểm soát (25-80°C). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất kết tinh cao nhất được đạt khi nhiệt độ phản ứng ở 60°C và tỷ lệ mol berberin:acid = 1:1,2.

2.2. Khảo sát các Biến số Ảnh hưởng đến Tạo Muối

Nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ mol chất tham gia là hai biến số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm muối. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ thấp (25-40°C) có thể giảm hiệu suất kết tinh, trong khi nhiệt độ cao (>80°C) có thể phân hủy berberin. Tỷ lệ mol tối ưu của berberin và acid là 1:1,1 đến 1:1,3, đảm bảo độ tinh khiết cao và hiệu suất conversion tốt.

III. Đặc trưng Hóa học và Vật lý của Muối Berberin Tổng hợp

Việc xác định cấu trúc và đặc trưng hóa học của các muối berberin được thực hiện thông qua nhiều phương pháp phổ phân tích tiên tiến. Phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (¹H-NMR) và phổ cộng hưởng từ carbon (¹³C-NMR) được sử dụng để xác nhận cấu trúc phân tử của các sản phẩm. Phổ khối lượng (MS) cung cấp thông tin về khối lượng phân tử chính xác, trong khi phương pháp quản lý nhiệt (TGA) đánh giá ổn định nhiệt của các muối. Kết quả cho thấy các muối tổng hợp có độ tinh khiết cao (>95%) và ổn định nhiệt tốt ở nhiệt độ bảo quản bình thường.

3.1. Phổ hồng ngoại và Phổ cộng hưởng Từ hạt nhân

Phổ IR của các muối berberin cho thấy các dải hấp thụ đặc trưng ở 3000-3500 cm⁻¹ (liên kết O-H và N-H) và 1600 cm⁻¹ (liên kết aromatic C=C). Phổ ¹H-NMR xác nhận sự hiện diện của các proton aromatic và aliphatic, với độ chuyển dịch hóa học phù hợp với cấu trúc berberin. Phổ ¹³C-NMR cung cấp thông tin chi tiết về các carbon ở vòng aromatic và vùng aliphatic, giúp xác nhận cấu trúc và định danh chứng các muối được tạo thành.

3.2. Đánh giá Độ tan và Ổn định của Muối

Độ tan trong nước của các muối berberin được đo lường bằng phương pháp trạng thái ổn định ở 25°C và 37°C. Kết quả cho thấy berberin salicylat có độ tan cao nhất (>50 mg/mL), vượt xa so với berberin clorid (10-15 mg/mL). Ổn định của muối được đánh giá qua điều kiện lưu trữ ở nhiệt độ phòng (25°C) và độ ẩm cao (75%RH), không quan sát thấy thay đổi cấu trúc hoặc phân hủy sau 6 tháng.

IV. Kết quả Nghiên cứu và Hướng Phát triển Tương lai

Nghiên cứu về tạo muối của berberin với các acid hữu cơ đã đạt được những kết quả đáng chú ý và bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ hóa dược. Ba muối berberin mới - berberin salicylat, berberin glycolat và berberin glycyrrhizinat - đã được tổng hợp thành công với hiệu suất cao (60-85%) và độ tinh khiết vượt trội (>95%). Những phát hiện này mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong sản xuất dược phẩm và bào chế với tính sinh khả dụng được cải thiện đáng kể. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm khảo sát độc tính, đánh giá tính sinh khả dụng in vivo và phát triển công thức bào chế tối ưu.

4.1. Những Thành tựu và Ưu thế của Muối Berberin Mới

Các muối berberin tổng hợp được phát triển sở dĩ vượt trội hơn berberin clorid ở nhiều khía cạnh: (1) độ tan tăng 3-5 lần, cải thiện tính sinh khả dụng; (2) độc tính được giảm do sử dụng acid hữu cơ an toàn; (3) ổn định cao trong các điều kiện bảo quản khác nhau; (4) tính chất bào chế tốt cho phép chế tạo các dạng bào chế mới như viên nang, bột hoặc dung dịch tiêm. Những ưu thế này giúp nâng cao chất lượng dược phẩm và hiệu quả trị liệu.

4.2. Hướng Phát triển và Ứng dụng Lâu dài

Những bước tiếp theo trong nghiên cứu bao gồm khảo sát chi tiết độc tính của các muối mới, đánh giá tính sinh khả dụng in vivo trên mô hình động vật, và phát triển các công thức bào chế tối ưu như viên nén, viên nang hay dung dịch tĩnh mạch. Mục tiêu cuối cùng là đưa các sản phẩm này vào thử nghiệm lâm sàng và công nghiệp hóa sản xuất, nhằm cung cấp các dược phẩm với chất lượng vượt trội cho thị trường dược phẩm quốc tế và đáp ứng nhu cầu sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Berberin (Bbr) là một alkaloid isoquinolin [6] được tìm thấy trong rễ, thân rễ và vỏ thân của nhiều loài thực vật thuộc họ berberidaceae, ranunculaceae, rutaceae… Tác dụng chữa bệnh của Berberin đã được biết đến từ rất lâu đời, thường là sử dụng thông qua các loài thực vật có chứa berberin. Ngày nay, berberin là một hóa dược phổ biến dùng để sản xuất thuốc điều trị các bệnh liên quan đến nhiễm khuẩn đường ruột và ức chế tình trạng kích thích co thắt nhu động ruột [5]. Ngoài ra berberin còn rất nhiều tác dụng lâm sàng khác có thể kể đến như ngăn ngừa nhiễm nấm, hạ đường huyết, giảm cholesterol, triglycerid và xơ vữa động mạch, hạ lipid trong máu, tiêu diệt tế bào ung thư, bảo vệ tim mạch [11]. Berberin trong thực vật chủ yếu tồn tại dưới dạng muối của berberin với acid hữu cơ như acid citric, acid oxalic… Dạng dược dụng được sử dụng phổ biến nhất của berberin là berberin clorid với nhiều ưu điểm như: rẻ tiền, ứng dụng được trong nhiều dạng bào chế cả trong thuốc và thực phẩm chức năng, an toàn cho người sử dụng.

Tuy vậy nhưng berberin clorid vẫn còn tồn tại một số nhược điểm. Đầu tiên là hoạt tính sinh học thấp [18], liều lượng lớn và liều lượng lâm sàng thực tế lên tới 1,2-1,5 g/ngày; thứ hai, độ hòa tan thấp, sự hấp thụ khác nhau trong cơ thể và sinh khả dụng thấp. Không chỉ vậy berberin clorid còn rất dễ bị chuyển từ dạng dihydrat sang tetrahydrat trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao [21]. Như vậy ở một quốc gia nhiệt đới như Việt Nam sẽ rất ảnh hưởng đến độ ổn định của thuốc, gây khó khăn trong quá trình bào chế và bảo quản thuốc.

Và cuối cùng, berberin có vị rất đắng [4], muối berberin clorid cũng chưa thể khắc phục được nhược điểm này gây khó khăn khi sử dụng thuốc theo đường miệng (uống, súc miệng), đặc biệt là đối với trẻ em. Do những khiếm khuyết trên, thực tế cần phải cung cấp một loại dược chất có hoạt tính sinh học cao hơn, liều lượng sử dụng ít, khả năng hòa tan tốt, và thuận tiện cho con người hấp thụ nhằm đáp ứng nhu cầu lâm sàng. Trên thế giới đã có những nghiên cứu nhất định về tổng hợp dạng muối khác của berberin ví dụ như berberin sulfat, berberin tannat, berberin salicylat… đã có những kết quả đáng ghi nhận. Tuy nhiên quy trình tổng hợp muối trong các nghiên cứu này hoặc không được công bố, hoặc công bố không rõ ràng đầy đủ.

Từ những nêu điều trên, nghiên cứu “tạo muối của berberin với một số acid hữu cơ” được tiến hành với mục tiêu: Chế tạo muối của berberin với một số acid hữu cơ từ berberin clorid. Tổng quan về berberin 1. Cấu trúc hóa học - Công thức cấu tạo [4]: O + N O OCH3 OCH3 Hình 2.1: Công thức cấu tạo của Berberin - Tên khoa học: 9,10-dimethoxy-5,6-dihydro[1,3]dioxolo[4,5-g]isoquino[3,2-a] isoquinolin-7-ium [4] - Dạng dược dụng của berberin được quy định trong Dược điển Việt Nam V [4] là muối berberin clorid dihydrat. Ngoài ra, nó còn có dạng dược dụng khác là muối berberin tannat [19].

- Công thức phân tử: C20H18NO4+ [28] - Khối lượng phân tử: 336,4 g/mol [28] - Một số tên gọi khác: berberin (Bbr), umbellatin, berberon… 1. Tính chất vật lý Vì berberin base (Bbr.OH) khó tồn tại ở điều kiện bình thường vậy nên trong nghiên cứu này chủ yếu đề cập đến các tính chất của muối berberin, cụ thể là berberin clorid (nguyên liệu dùng cho phản ứng tạo muối của nghiên cứu này). O + - N Cl O OCH3 OCH3 Hình 2.2: Công thức cấu tạo của berberin clorid - Cảm quan và màu sắc: berberin là chất rắn màu vàng. Berberin clorid là tinh thể hay bột kết tinh màu vàng, vị rất đắng [4].

- Độ tan: berberin clorid tan trong nước theo tỷ lệ 1/400, tan tốt trong nước nóng, ethanol, không tan trong cloroform và ether [8]. Berberin không có carbon bất đối nên không có đồng phân quang học. 2 Berberin clorid dạng dihydrat có nhiệt độ nóng chảy là 191-192℃ [8], dạng khan nước là 204-206℃ (phân hủy) [8]. - Berberin clorid bình thường rất khó tồn tại ở dạng khan mà là dạng ngậm nước dihydrat.

Ngoài ra trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao sẽ có hiện tượng chuyển từ dạng dihydrat sang dạng tetrahydrat [21], gây khó khăn trong quá trình bảo quản và bào chế. Tính chất hóa học - Dạng base có khả năng tạo muối với các acid khác nhau, việc tạo muối berberin không giống như các alkaloid khác mà muối tạo thành giống muối của hydroxyd kim loại, nghĩa là có loại phân tử nước [8]. O O + + - N OH - N Cl + H 2O O + HCl O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Hình 2.3: Phản ứng tạo muối của berberin với HCl - Berberin clorid tham gia phản ứng trao đổi: [8] O O + + - N Cl - + NaOH N OH + NaCl O O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Hình 2.4: Phản ứng của berberin clorid với NaOH - Phản ứng cộng nucleophil vào liên kết đôi C = N+ [8]: O O + + - N Cl - + NaCN N CN + NaCl O O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Hình 2.5: Phản ứng của berberin clorid với NaCN - Nhân thơm có chứa N của berberin clorid có thể bị khử bởi các tác nhân khác nhau tạo thành hydro alkaloid không màu [8]. O O + - N X N O [H] O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Hình 2.6: Phản ứng khử của berberin 3 1.

Tác dụng dược lý Từ hơn 3000 năm trước công nguyên berberin được cho là đã được sử dụng bởi Thần Nông ở Trung Quốc dưới dạng dược liệu và được mô tả trong sách y học cổ đại “Thần Nông bản thảo kinh”. Hiện nay, có thể kể đến một số tác dụng của berberin: - Kháng khuẩn: Berberin có khả năng ức chế và tiêu diệt một số chủng vi khuẩn, cả gram dương như Staphylococcus aureus, Staphylococcus cholermidis, Enterococcus faecalis, Bacillus subtilis và gram âm như Aspergdlus fumigatus, Plasmodium falciparum [22]. - Hạ lipid máu: Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tác dụng hạ lipid máu của berberin có hiệu quả điều trị tương tự với simvastatin, berberin còn có hiệp đồng tác dụng với simvastatin [11]. - Chống ung thư: Berberin là một tác nhân chống ung thư có triển vọng, an toàn và tiềm năng [27].

Các nghiên cứu chỉ ra berberin có thể ứng chế tăng sinh tế bào khối u thông qua các tương tác với các mục tiêu và cơ chế khác nhau. Vậy nên berberin có tác dụng trên nhiều loại tế bào ung thư khác nhau. - Hạ đường huyết: Tác dụng hạ đường huyết tương tự như metformin, dựa trên nhiều cơ chế khác nhau [27]. - Tác dụng cải thiện trí nhớ: berberin là một tác nhân đầy hứa hẹn trong điều trị Alzheimer [20].

- Tác dụng khác: Có lợi ích đối với tim mạch do tác dụng làm giảm các yếu tố nguy cơ như hạ đường huyết, hạ lipid máu; tác dụng bảo vệ chức năng gan, thận [27]. Chỉ định của berberin: berberin được chỉ định trong lâm sàng để điều trị nhiễm trùng đường ruột, tiêu chảy, viêm ống mật [5]. Dược động học Hấp thu: Hấp thu qua đường uống kém và sinh khả dụng thấp. Sinh khả dụng tuyệt đối của berberin là 0,37% [28] khi dùng một lần qua đường uống (120 hoặc 240 mg/kg trọng lượng cơ thể) ở chuột; ở người, một nghiên cứu đã báo cáo rằng Cmax của berberin ở 10 người khỏe mạnh được uống 500 mg berberin là cực kỳ thấp, ở mức 0,07 nM [28].

Chuyển đổi các phân tử sinh học thành hợp chất muối có thể là một phương pháp để cải thiện sinh khả dụng của berberin trong cơ thể. Sinh khả dụng của muối acid hữu cơ berberin, đặc biệt là berberin fumarat và berberin succinat, cao hơn berberin clorid [11]. Phân bố: Berberin được phân bố nhanh chóng qua các mô ở gan, thận, cơ, phổi, não, tim, tuyến tụy và mỡ theo thứ tự giảm dần nhưng vẫn cao hơn nồng độ trong huyết tương 4 giờ sau khi uống ở liều 200 mg/kg ở chuột [34]. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây về sự 4 phân bố berberin in vivo rất hiếm, có thể là do sự phân bố rộng rãi vào các mô trong cơ thể sau khi uống.

Chuyển hóa: Gan và ruột là cơ quan chuyển hóa chính của berberin bằng đường uống. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng có tới 16 chất chuyển hóa có thể xác định được trong cơ thể [11]. Thải trừ: berberin và các chất chuyển hóa của nó chủ yếu được bài tiết qua thận (nước tiểu và phân) và mật [11]. Tổng khả năng thu hồi berberin và các chất chuyển hóa của nó từ nước tiểu, mật và phân là 41,2% ở chuột [11].

Tỷ lệ thải trừ cao có thể là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến sinh khả dụng thấp của berberin. Các dạng bào chế trên thị trường Berberin được sử dụng rất phổ biến trên thị trường với nhiều dạng bào chế khác nhau: Bảng 2.1: Một số sản phẩm chứa berberin trên thị trường Hoạt Hàm Dạng bào Nhà sản STT Biệt dược Công dụng chất lượng chế xuất Berberin 100 Viên nang Hataphar, 1 Berzecin Thuốc điều trị tiêu chảy clorid mg cứng Việt Nam Dược phẩm Berberin 25 Viên nén 2 Loberin Thuốc điều trị tiêu chảy Nam Hà, clorid mg bao phim Việt Nam Bột pha Berberin 25 Phòng và trị một số bệnh ở Bidiphar, 3 Gynopic dung dịch clorid mg cơ quan sinh dục Việt Nam rửa Hỗ trợ sức khỏe tim mạch, Berberin 500 Viên nang Puritan's 4 Berberine ổn định nồng độ cholesterol clorid mg cứng Pride, Mỹ và lượng đường trong máu Giảm cholesterol, triglycerid Rottapharm Armolipid 500 5 Berberin Viên nén trong máu, ngăn ngừa xơ vữa S. A, Plus mg động mạch Milan, Italy 1. Một số loại muối của berberin Vì berberin dạng base không bền nên berberin trên thị trường gần như đều sử dụng dưới dạng muối.

Berberin clorid Dạng dược dụng của berberin được quy định trong Dược điển Việt Nam V là berberin clorid dihydrat [4]. Berberin clorid không chỉ giữ được những tác dụng dược lý của berberin mà còn cải thiện được độ ổn định so với dạng base. 5 Berberin clorid thường được bào chế để dùng đường uống như viên nén, viên nang… và đã được sử dụng rộng rãi trên thị trường trong chỉ định nhiễm khuẩn đường ruột, tiêu chảy, lỵ, viêm ống mật [5] … ngoài ra berberin clorid cũng xuất hiện trên nhiều loại thực phẩm chức năng với công dụng là giảm cholesterol, triglycerid và ổn định đường huyết. Tuy vậy nhưng sinh khả dụng thấp [18] dẫn tới liều dùng lên tới 1,2-1,5g/ngày vẫn là một nhược điểm lớn cần phải cải thiện của nó.

* Các phương pháp sản xuất berberin clorid: - Tổng hợp hóa học: Phương pháp của Z. Chen và các cộng sự đã nghiên cứu quy trình sản xuất berberin gồm 6 giai đoạn đi từ nguyên liệu 2,3- dimethoxylphenylmethanol (34) hình 1.