I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hợp Chất Sinh Học Sức Khỏe
Nghiên cứu về hợp chất sinh học và tác động sức khỏe ngày càng trở nên quan trọng. Việt Nam hiện nhập khẩu đến 90% hoạt chất làm thuốc, đặc biệt là các thuốc steroid. Chương trình trọng điểm quốc gia về Hóa - Dược đến năm 2020 nhằm thúc đẩy công nghiệp hóa dược trong nước. Hội Hóa - Dược nhấn mạnh ưu tiên sử dụng nguồn hợp chất thiên nhiên như sterol đậu tương, flavonoid. Diosgenin và solasodin từng là nguyên liệu chính cho tổng hợp steroid, nhưng giá thành cao do thời gian trồng trọt dài. Các sterol thực vật (phytosterol) được chú ý vì trữ lượng lớn và khả năng thu hồi từ phế thải công nghiệp giấy, mía đường, và dầu đậu tương. Phát minh về vi sinh phân cắt chọn lựa mạch bên sterol đến 17-ketosteroid (AD, ADD, 9α-OH AD) đã mở ra hướng đi mới. Các công ty dược phẩm lớn như Apdzon, Serl, Sering, Mitsubisi đã đưa ra thị trường dược phẩm tổng hợp từ sterol thông qua 17-ketosteroid trung gian.
1.1. Phytosterol Nguồn Nguyên Liệu Tiềm Năng Cho Dược Phẩm
Phytosterol, hay sterol thực vật, nổi lên như một nguồn nguyên liệu thay thế đầy hứa hẹn cho diosgenin và solasodin. Ưu điểm vượt trội của phytosterol là trữ lượng dồi dào, có thể thu hồi từ phế thải công nghiệp, giúp giảm chi phí sản xuất dược phẩm. Nghiên cứu tập trung vào việc chuyển hóa phytosterol thành các hợp chất trung gian quan trọng như androstenedione (AD) và androstadienedione (ADD), mở đường cho tổng hợp các loại thuốc steroid khác nhau. Việc khai thác hiệu quả nguồn phytosterol có ý nghĩa lớn về kinh tế và môi trường.
1.2. Vai Trò Của Vi Sinh Vật Trong Chuyển Hóa Sterol
Vi sinh vật đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển hóa sterol thành các hợp chất có giá trị dược lý. Các chủng vi sinh vật đặc biệt có khả năng phân cắt chọn lọc mạch bên của sterol, tạo ra các 17-ketosteroid như AD và ADD. Công nghệ sinh học phân tử và hóa sinh đang được ứng dụng để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa này, nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động của enzyme vi sinh vật sẽ mở ra những hướng đi mới trong sản xuất dược phẩm steroid.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Tổng Hợp Steroid Tại Việt Nam
Từ những năm 1978-1980, cán bộ khoa học Việt Nam đã nỗ lực tìm kiếm nguồn nguyên liệu diosgenin và solasodin từ cây cỏ trong nước, nhưng hàm lượng hoạt chất quá thấp. Cây Solanum di nhập từ Liên Xô trồng thử ở Lâm Đồng dần bị thoái hóa. Một vài cây Dioscorea lấy giống từ Mexico cho hàm lượng diosgenin khá cao và ổn định. Bộ Y tế đã có đề án quốc gia chiết xuất và chuyển hóa diosgenin đến các loại thuốc steroid, nhưng sau ba kế hoạch 5 năm vẫn chưa đưa vào sản xuất một loại thuốc nào. Đề tài này không được tiếp tục từ năm 1990, có lẽ vì sterol đang bắt đầu lên ngôi. Việt Nam có một số nhà máy giấy cỡ lớn và đậu tương là một nông sản quan trọng, do vậy thu hồi sterol từ phế phụ thải của hai ngành sản xuất này là một vấn đề thời sự có ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội và môi trường to lớn.
2.1. Tìm Kiếm Nguồn Nguyên Liệu Steroid Thay Thế Trong Nước
Việc phụ thuộc vào nhập khẩu nguyên liệu steroid tạo ra nhiều thách thức cho ngành dược phẩm Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm và khai thác các nguồn nguyên liệu steroid thay thế trong nước, đặc biệt là từ cây cỏ và phế thải nông nghiệp. Các phương pháp chiết xuất và tinh chế hiệu quả cần được phát triển để đảm bảo chất lượng và số lượng nguyên liệu đáp ứng nhu cầu sản xuất. Hợp tác quốc tế và chuyển giao công nghệ có vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng lực nghiên cứu và sản xuất steroid trong nước.
2.2. Vấn Đề Thoái Hóa Giống Cây Dược Liệu Tại Việt Nam
Thoái hóa giống cây dược liệu là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất nguyên liệu steroid. Các biện pháp bảo tồn và phục tráng giống cây dược liệu cần được triển khai đồng bộ, bao gồm việc xây dựng ngân hàng gen, áp dụng kỹ thuật canh tác tiên tiến, và kiểm soát chất lượng giống. Nghiên cứu về di truyền và tế bào học sẽ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế thoái hóa giống và phát triển các phương pháp chọn tạo giống kháng bệnh, năng suất cao.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Pregnan Từ Phytosterol Hiệu Quả
Từ năm 1990 đến nay, nhóm nghiên cứu của Lưu Đức Hụy và cộng sự (Viện Hóa học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu nhằm hoàn thiện một số phương pháp mới chuyển hóa sterol đến corticoid thông qua 17-ketosteroid trung gian. Mục đích cuối cùng là đưa ra một sơ đồ mới hiệu quả tổng hợp corticoid từ sterol thay thế cho các sơ đồ trước đây tổng hợp chúng dựa trên nguyên liệu cũ không còn tương lai diosgenin và solasodin. Năm 2006, lần đầu tiên Lưu Đức Hụy và cộng sự Cuba đã công bố kết quả chuyển hóa vi sinh rất hiệu quả phytosterol, nguyên liệu Việt Nam đến androstenedion (AD) và androstadienedion (ADD). Năm 2007, Bộ Khoa học & Công nghệ đã phê duyệt nhiệm vụ nghị định thư hợp tác với Liên bang Nga “Nghiên cứu công nghệ vi sinh chuyển hóa phytosterol đến androstenedion (AD) và 9α-hydroxy AD sử dụng trong công nghiệp hóa-Dược” do Lưu Đức Hụy làm chủ nhiệm . Vừa mới đây, Lưu Đức Hụy và cộng sự Nga đã có công bố về công nghệ chuyển hóa vi sinh phytosterol của Việt Nam đến AD và 9α-OH AD với hiệu suất trung bình đạt 70% và 75÷80% tương ứng. Công nghệ còn được nghiên cứu cải tiến, nâng cấp nhờ áp dụng phương pháp xúc tác Immobil.
3.1. Chuyển Hóa Sterol Thành Corticoid Hướng Đi Mới
Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các phương pháp chuyển hóa sterol thành corticoid thông qua các hợp chất trung gian 17-ketosteroid. Mục tiêu là tạo ra một quy trình tổng hợp hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường, thay thế cho các phương pháp truyền thống dựa trên diosgenin và solasodin. Các phương pháp hóa học và sinh học được kết hợp để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa, nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc. Ứng dụng công nghệ enzyme và sinh học phân tử mở ra những triển vọng mới trong sản xuất corticoid.
3.2. Ứng Dụng Xúc Tác Immobil Trong Chuyển Hóa Sterol
Phương pháp xúc tác Immobil, hay cố định enzyme, được ứng dụng để cải tiến công nghệ chuyển hóa vi sinh phytosterol. Ưu điểm của phương pháp này là tăng độ ổn định và khả năng tái sử dụng của enzyme, giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn và cố định các enzyme có hoạt tính cao, đồng thời tối ưu hóa điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất chuyển hóa cao nhất. Ứng dụng xúc tác Immobil có tiềm năng lớn trong sản xuất các hợp chất steroid có giá trị.
IV. Tổng Hợp Mạch Pregnan Phương Pháp Keyaandrinh Ưu Việt
Về nguyên tắc khi nguyên liệu đầu là diosgenin hay solasodin, sau khi phân cắt chọn loại mạch nhánh ta đã có được mạch bên pregnan; khi chuyển sang sterol ta nhận được 17-ketosteroid, tức là chưa có mạch bên pregnan. Như vậy, một trong số các nhiệm vụ quan trọng nhất là xây dựng mạch bên pregnan. Trong số nhiều phương pháp xây dựng mạch bên pregnan chúng tôi trình bày trong phần tổng quan, phương pháp Keyaandrinh và phương pháp acetylen tỏ ra có triển vọng ứng dụng nhất. Từ phytosterol trong phạm vi của luận văn này, chúng tôi hạn chế nghiên cứu các phương pháp chính sau: 1. Phương pháp tạo mạch bên corticoid sử dụng hợp chất đa hóa trị của iod PhI(OAc)2. Phương pháp chọn lựa lập thể tổng hợp 16β-metyl-17α-hydroxy pregnan. Thuộc về một chương trình rộng lớn hơn của nhóm nghiên cứu do Lưu Đức Hụy phụ trách, nghiên cứu tổng hợp các loại thuốc có gốc steroid đặc biệt là các corticoid.
4.1. Xây Dựng Mạch Pregnan Thách Thức Trong Tổng Hợp Steroid
Việc xây dựng mạch bên pregnan là một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp các hợp chất steroid, đặc biệt là corticoid. Các phương pháp hóa học và sinh học khác nhau được sử dụng để tạo ra mạch pregnan từ các hợp chất trung gian như 17-ketosteroid. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các phương pháp hiệu quả, chọn lọc và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất dược phẩm. Các phương pháp Keyaandrinh và acetylen được đánh giá là có tiềm năng lớn trong việc xây dựng mạch pregnan.
4.2. Ứng Dụng Hợp Chất Đa Hóa Trị Iod Trong Tổng Hợp Corticoid
Hợp chất đa hóa trị của iod, PhI(OAc)2, được sử dụng để tạo mạch bên corticoid. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng và lựa chọn các chất xúc tác phù hợp để đạt hiệu suất cao và độ chọn lọc tốt. Cơ chế tác động của hợp chất iod trong quá trình tạo mạch corticoid cần được nghiên cứu sâu hơn để phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn. Ứng dụng hợp chất iod có tiềm năng trong sản xuất các loại corticoid mới.
V. Tổng Quan Phương Pháp Keyaandrinh Tổng Hợp Pregnan
Tổng hợp cortiosteroid, nói riêng 20-ketopregnan từ 17-ketoandrosten có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp sau. Phương pháp Keyaandrinh: 17-ketosteroid được ngưng tụ chọn lựa lập thể với HCE; 17β-xiano-17α-hydroxyandrosten tạo thành được ankyl hóa bằng tác nhân Grignard hay metyl liti. Ứng dụng phản ứng Vitte, tức là tương tác 17-ketosteroid với Ilit phospho. Ứng dụng phản ứng Knevenagel: ngưng tụ xúc tác bazo 17-ketosteroid với hợp chất có nguyên tử hydro linh động như metoxy-, este xianoaxetic, isoxianoaxetat, nitrometan và tiếp theo, oxy hóa liên kết đôi C17=C20. Ứng dụng phản ứng Reformatski: tương tác 17-ketosteroid với este của axit α-halogena có mặt Zn và sau đó oxy hóa liên kết đôi C17=C20.
5.1. Phản Ứng Keyaandrinh Cơ Chế Và Ứng Dụng
Phản ứng Keyaandrinh là một phương pháp quan trọng trong tổng hợp mạch bên pregnan. Phản ứng này bao gồm việc ngưng tụ chọn lọc lập thể 17-ketosteroid với HCE, sau đó ankyl hóa bằng tác nhân Grignard hoặc metyl liti. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng, lựa chọn tác nhân ankyl hóa phù hợp, và kiểm soát độ chọn lọc lập thể. Phản ứng Keyaandrinh có tiềm năng lớn trong tổng hợp các hợp chất steroid có cấu trúc phức tạp.
5.2. Các Phản Ứng Hỗ Trợ Trong Tổng Hợp Pregnan
Ngoài phản ứng Keyaandrinh, các phản ứng khác như Vitte, Knevenagel, và Reformatski cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp mạch bên pregnan. Phản ứng Vitte được sử dụng để tương tác 17-ketosteroid với Ilit phospho. Phản ứng Knevenagel được sử dụng để ngưng tụ xúc tác bazo 17-ketosteroid với các hợp chất có nguyên tử hydro linh động. Phản ứng Reformatski được sử dụng để tương tác 17-ketosteroid với este của axit α-halogena. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các phản ứng này để đạt hiệu suất cao và độ chọn lọc tốt.
VI. Acetylen Hóa Phương Pháp Mới Tổng Hợp Steroid
Phương pháp acetylen, tức là 17-ketosteroit được ngưng tụ với acetylen; 17α-etynyl-17β-hydroxy-androsten tạo ra sẽ được chuyển hóa đến pregnan bằng những phương pháp khác nhau. Con đường acetylen bắt đầu phát triển chỉ vào những năm gần đây khi có được khả năng rõ ràng 17β-etynyl hóa định hướng lập thể 17-ketosteroid hay là epime hóa hiệu quả trung tâm C17 của 17α-etynyl- 17β- hydroxyandrosten nhận được ban đầu trong phản ứng ngưng tụ acetylen. Điều đó đã kích thích mối quan tâm ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn và cần thiết tổng kết lại các tư liệu tham khảo mà cho đến nay trong các tổng quan mới chỉ được đề cập rời rạc ở phạm vi tổng hợp mạch bên pregnan.
6.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Acetylen Hóa Trong Tổng Hợp Steroid
Phương pháp acetylen hóa nổi lên như một hướng đi đầy hứa hẹn trong tổng hợp steroid. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng tạo ra các hợp chất trung gian 17α-etynyl-17β-hydroxy-androsten, có thể chuyển hóa thành pregnan bằng nhiều phương pháp khác nhau. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng ngưng tụ acetylen, kiểm soát độ chọn lọc lập thể, và phát triển các phương pháp chuyển hóa hiệu quả các hợp chất trung gian thành pregnan.
6.2. Nghiên Cứu Về Epime Hóa Trung Tâm C17 Trong Acetylen Hóa
Epime hóa trung tâm C17 là một bước quan trọng trong phương pháp acetylen hóa. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu cơ chế epime hóa, phát triển các chất xúc tác hiệu quả, và kiểm soát độ chọn lọc lập thể. Việc kiểm soát thành công epime hóa trung tâm C17 sẽ mở ra khả năng tổng hợp các hợp chất steroid có cấu trúc và hoạt tính mong muốn. Các phương pháp hóa học và sinh học được kết hợp để tối ưu hóa quá trình epime hóa.
