Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghệ vàng (Curcuma longa L.) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae), là loài thực vật nhiệt đới được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm làm gia vị, chất bảo quản và chất tạo màu tự nhiên. Trong y học cổ truyền và dược lý học, củ nghệ được ghi nhận có tác dụng hỗ trợ điều trị các bệnh lý về gan, mật, vàng da, viêm khớp, u nhọt và cảm cúm. Các nghiên cứu hóa thực vật chỉ ra rằng bột nghệ chứa khoảng 3–6% phức hợp curcuminoid. Thành phần chính của curcuminoid bao gồm 3 hợp chất chủ yếu: curcumin (chiếm khoảng 77%), bisdemethoxycurcumin (BDMC, chiếm khoảng 17%) và demethoxycurcumin (DMC, chiếm khoảng 3%).

Về mặt cấu trúc hóa học, phân tử curcumin là một polyphenol mạch hở đối xứng gồm hai vòng thơm mang các nhóm thế methoxy và hydroxy, được liên kết qua hệ thống liên hợp 1,3-diketone chứa hai nhóm cacbonyl $\alpha,\beta$-bất bão hòa. Khung cấu trúc này mang lại cho curcumin nhiều hoạt tính sinh học giá trị như kháng viêm, chống oxy hóa, kháng ung thư và chống đột biến tế bào. Tuy nhiên, tính chất kém bền, độ tan thấp trong môi trường nước và sinh khả dụng hạn chế đặt ra nhu cầu bán tổng hợp hoặc tổng hợp toàn phần các dẫn xuất mới nhằm tối ưu hóa hoạt tính dược lý.

Tổng quan tình hình nghiên cứu cho thấy:

  • Trong nước: Nhóm tác giả Phan Thị Hoàng Anh và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất isoxazole và pyrazole curcuminoid thông qua phản ứng đóng vòng hệ 1,3-diketone của curcumin, DMC và BDMC với hydroxylamine và hydrazine. Cấu trúc các sản phẩm được xác định bằng các phương pháp phổ NMR, IR và MS. Các thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro ghi nhận khả năng gây độc tế bào của các dẫn xuất này trên 3 dòng tế bào ung thư gồm ung thư gan (HepG2), ung thư phổi (Lu) và ung thư màng tim (RD).
  • Ngoài nước: Nghiên cứu của Daniel L. Flynn và cộng sự chứng minh dạng enol curcumin và các dị vòng azole curcumin có khả năng ức chế enzyme 5-lipoxygenase (5-LO) ở tế bào đa nhân của người. Đồng thời, nghiên cứu của Satyendra Mishra và cộng sự ghi nhận các dẫn xuất isoxazole và pyrazole curcuminoid có tiềm năng kháng ký sinh trùng sốt rét.

Phần lớn các công trình trước đây tập trung vào việc biến đổi trực tiếp từ nguồn curcuminoid tự nhiên (curcumin, DMC, BDMC). Để mở rộng không gian cấu trúc hóa học và tạo tiền đề khám phá các chất có hoạt tính sinh học mới, khóa luận đặt ra hướng tiếp cận: tổng hợp khung curcuminoid từ dẫn xuất benzaldehyde tổng hợp (m-methoxybenzaldehyde), sau đó tiến hành phản ứng đóng vòng hệ 1,3-diketone để tạo các dẫn xuất dị vòng isoxazole và pyrazole mới.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tổng hợp dẫn xuất curcuminoid trung gian (mã hiệu BT01) từ tiền chất m-methoxybenzaldehyde.
  2. Tổng hợp các dẫn xuất dị vòng azole curcuminoid thông qua phản ứng đóng vòng 1,3-diketone của BT01 với các tác chất chứa nitơ, bao gồm: 01 dẫn xuất isoxazole (BT02), 01 dẫn xuất pyrazole (BT03) và 01 dẫn xuất phenylpyrazole (BT04).
  3. Tách chiết, tinh chế và xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất tổng hợp bằng sắc ký bản mỏng (TLC) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR).
  4. Khảo sát tương tác và đánh giá ái lực liên kết của các dẫn xuất tổng hợp với thụ thể protein kinase CDK2 thông qua phương pháp mô phỏng docking phân tử trên phần mềm MOE.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: 4 hợp chất hữu cơ gồm dẫn xuất curcuminoid trung gian (BT01), dẫn xuất isoxazole (BT02), dẫn xuất pyrazole (BT03) và dẫn xuất 1-phenylpyrazole (BT04); thụ thể protein mục tiêu CDK2 (Cyclin-dependent kinase 2).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm tổng hợp hóa hữu cơ và phân tích phổ tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; mô phỏng tính toán in silico docking phân tử trên hệ protein kết tinh PDB 2R3I. Khóa luận được hoàn thành vào tháng 10 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp hai phương pháp nghiên cứu chính: thực nghiệm tổng hợp hóa học hữu cơ và tính toán mô phỏng docking phân tử (in silico).

1. Cơ sở lý thuyết và phản ứng tổng hợp

Phản ứng tổng hợp dựa trên sự biến đổi hóa học của hệ 1,3-diketone trên mạch liên hợp heptadienone. Hợp chất trung gian BT01 mang hệ thống $\beta$-diketone ở trạng thái hỗ biến keto-enol bền vững, có khả năng phản ứng cộng ái nhân với các hợp chất dinucleophile (chứa hai nguyên tử nitơ hoặc nitơ-oxy liền kề) theo sau bởi quá trình tách nước đóng vòng tạo khung dị vòng năm cạnh:

  • Đóng vòng với hydroxylamine hydrochloride ($\text{NH}_2\text{OH}\cdot\text{HCl}$) để tạo dị vòng isoxazole (BT02).
  • Đóng vòng với hydrazine hydrate ($\text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$) để tạo dị vòng $4H$-pyrazole (BT03).
  • Đóng vòng với phenylhydrazine hydrochloride ($\text{NH}_2\text{NHC}_6\text{H}_5\cdot\text{HCl}$) để tạo dị vòng 1-phenyl-$1H$-pyrazole (BT04).

Môi trường phản ứng sử dụng acid acetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$) đóng vai trò vừa là dung môi vừa là chất xúc tác acid nhằm tăng cường tính electrophile của các nhóm carbonyl.

2. Phương pháp phân tích và xác định cấu trúc

  • Sắc ký lớp mỏng (TLC): Thực hiện trên bản mỏng silica gel, sử dụng các hệ dung môi pha động gồm hỗn hợp $n$-hexane : ethyl acetate ($n$-Hex:EA) ở các tỷ lệ thể tích 9:1 và 7:3. Bản mỏng được soi dưới đèn tử ngoại ở bước sóng ngắn $\lambda = 254\text{ nm}$ và bước sóng dài $\lambda = 365\text{ nm}$ để theo dõi tiến trình phản ứng, độ tinh khiết và xác định hệ số lưu giữ ($R_f = x/y$).
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H}$-NMR): Phân tích độ dịch chuyển hóa học ($\delta$, ppm), hình dạng vân phổ và hằng số ghép spin ($J$) để định danh đầy đủ các vị trí proton thơm, proton olefin và proton trên nhóm thế methoxy ($-\text{OCH}_3$).

3. Phương pháp mô phỏng Docking phân tử

  • Phần mềm sử dụng: ChemDraw (dùng để vẽ và xuất cấu trúc 2D của các phối tử), MOE (Molecular Operating Environment) dùng để tối ưu hóa hình học, cực tiểu hóa năng lượng (Compute > Energy Minimize), quản lý cơ sở dữ liệu phối tử định dạng .mdb và thực hiện mô phỏng gắn kết (Compute > Simulation > Dock).
  • Thụ thể protein mục tiêu: Chọn protein CDK2 (Cyclin-dependent kinase 2) – một mục tiêu phân tử quan trọng trong nghiên cứu thuốc kháng ung thư. Cấu trúc tinh thể protein CDK2 đồng kết tinh với phối tử ức chế SCF [5-(2-fluorophenyl)-$N$-(pyridin-4-ylmethyl)pyrazolo[1,5-$a$]pyrimidin-7-amine] có độ phân giải $1{,}28\text{ \AA}$, được tải từ Ngân hàng Dữ liệu Protein thế giới (Protein Data Bank) với mã định danh PDB ID: 2R3I.
  • Quy trình docking (4 bước):
    1. Chuẩn bị cấu trúc protein (B1): Tách bỏ các phân tử nước không cần thiết, sửa chữa liên kết, bổ sung nguyên tử hydro và gán điện tích từng phần.
    2. Redocking kiểm chứng phương pháp (B2): Tách phối tử gốc SCF ra khỏi cấu trúc tinh thể và thực hiện docking ngược lại vị trí gắn kết ban đầu của protein CDK2 để kiểm tra độ tin cậy của trường lực và thông số phần mềm MOE qua chỉ số sai lệch vị trí căn chỉnh trung bình (RMSD).
    3. Chuẩn bị phối tử (B3): Xây dựng cấu trúc các dẫn xuất BT01, BT02, BT03, BT04 cùng các chất đối chứng curcumin (C05), isoxazole curcumin (C02), pyrazole curcumin (C03); tối ưu hóa năng lượng và lưu vào tệp dữ liệu chung.
    4. Tiến hành docking (B4): Chạy mô phỏng gắn kết các phối tử vào khoang liên kết của CDK2, tính toán điểm số gắn kết (Docking Score - DS, đơn vị kJ/mol) và phân tích các liên kết hydro, liên kết kỵ nước, tương tác aren-cation tại vị trí tác động.

Nội dung chính theo từng chương

1 Giới thiệu tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các tư liệu khoa học về nguồn gốc sinh học của cây nghệ vàng (Curcuma longa L.), phân loại thực vật học và hàm lượng các hợp chất curcuminoid có trong bột nghệ. Tác giả trình bày chi tiết về cấu tạo phân tử của 3 thành phần tự nhiên: curcumin ($R_1 = R_2 = \text{OCH}_3$), demethoxycurcumin ($R_1 = \text{H}; R_2 = \text{OCH}_3$) và bisdemethoxycurcumin ($R_1 = R_2 = \text{H}$).

Chương này cũng tổng hợp các nghiên cứu trong nước (Phan Thị Hoàng Anh và cộng sự) về việc tổng hợp dẫn xuất isoxazole và pyrazole từ curcumin tự nhiên và đánh giá độc tính tế bào trên các dòng ung thư HepG2, Lu, RD; các nghiên cứu quốc tế (Daniel L. Flynn, Satyendra Mishra) về khả năng ức chế 5-LO và hoạt tính kháng sốt rét của các azole curcuminoid. Từ đó, tác giả chỉ ra hạn chế của các hướng tiếp cận cũ và xác lập tính cấp thiết của việc tổng hợp dẫn xuất curcuminoid mới xuất phát từ $m$-methoxybenzaldehyde.

2 Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tổng hợp hóa học và thiết lập thông số mô phỏng phân tử cho 4 hợp chất mục tiêu:

  • Tổng hợp BT01: $(1E,4Z,6E)$-5-hydroxy-1,7-bis(3-methoxyphenyl)hepta-1,4,6-trien-3-one.
  • Tổng hợp BT02 (3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)isoxazole):
    • Tác chất: BT01 ($336{,}38\text{ g/mol}$, $0{,}59\text{ mmol}$, $0{,}20\text{ g}$, tỷ lệ mol 1,00); $\text{NH}_2\text{OH}\cdot\text{HCl}$ ($69{,}49\text{ g/mol}$, $1{,}19\text{ mmol}$, $0{,}083\text{ g}$, tỷ lệ mol 2,00).
    • Dung môi: Acid acetic $10{,}00\text{ mL}$.
  • Tổng hợp BT03 (3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)-$4H$-pyrazole):
    • Tác chất: BT01 ($336{,}38\text{ g/mol}$, $0{,}59\text{ mmol}$, $0{,}20\text{ g}$, tỷ lệ mol 1,00); $\text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$ ($50{,}06\text{ g/mol}$, $1{,}19\text{ mmol}$, $0{,}06\text{ g}$, $0{,}058\text{ mL}$, khối lượng riêng $d = 1{,}03\text{ g/mL}$, tỷ lệ mol 2,00).
    • Dung môi: Acid acetic $10{,}00\text{ mL}$.
  • Tổng hợp BT04 (3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)-1-phenyl-$1H$-pyrazole):
    • Tác chất: BT01 ($336{,}38\text{ g/mol}$, $0{,}59\text{ mmol}$, $0{,}20\text{ g}$, tỷ lệ mol 1,00); $\text{NH}_2\text{NHC}_6\text{H}_5\cdot\text{HCl}$ ($144{,}60\text{ g/mol}$, $1{,}19\text{ mmol}$, $0{,}17\text{ g}$, tỷ lệ mol 2,00).
    • Dung môi: Acid acetic $10{,}00\text{ mL}$.

Về mô phỏng docking, chương này nêu rõ các thao tác chuẩn bị cấu trúc thụ thể CDK2 từ mã PDB 2R3I, tải cấu hình phối tử SCF, thực hiện lệnh redocking (Compute\Simulation\dock), vẽ và tối ưu hóa năng lượng các phối tử BT01–BT04 trong ChemDraw/MOE và tạo tệp .mdb phục vụ chạy docking.

3 Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được về hiệu suất phản ứng, đặc điểm lý hóa, dữ liệu phổ $^1\text{H}$-NMR, cơ chế phản ứng và kết quả docking phân tử:

1. Dữ liệu tổng hợp và xác định cấu trúc các dẫn xuất:

  • Dẫn xuất BT01:
    • Trạng thái: Chất rắn màu cam.
    • Hiệu suất tổng hợp: $76{,}2%$.
    • Sắc ký bản mỏng (TLC): Hệ dung môi $n$-Hex:EA (9:1); $R_f = 1{,}48 / 3{,}5 = 0{,}428$. Phát hiện trên UV-Vis ở $\lambda = 254\text{ nm}$ và $365\text{ nm}$.
    • Công thức phân tử: $\text{C}{21}\text{H}{20}\text{O}_4$ ($M = 336{,}14\text{ g/mol}$).
    • Nhận danh phổ $^1\text{H}$-NMR: Xác định rõ các nhóm tín hiệu proton $H_{11}\text{-}H_{11'}$, $H_{10}$, $H_2\text{-}H_{2'}$, $H_1\text{-}H_{1'}$, $H_7\text{-}H_{7'}$, $H_8\text{-}H_{8'}$, $H_5\text{-}H_{5'}$, $H_3\text{-}H_{3'}$.
  • Dẫn xuất BT02:
    • Trạng thái: Chất rắn màu vàng.
    • Hiệu suất tổng hợp: $19{,}602%$.
    • Sắc ký bản mỏng (TLC): $R_f = 1{,}48 / 3{,}5 = 0{,}423$; hệ dung môi $n$-Hex:EA (9:1).
    • Công thức phân tử: $\text{C}{21}\text{H}{19}\text{NO}_3$ ($M = 333{,}38\text{ g/mol}$).
    • Nhận danh phổ $^1\text{H}$-NMR: Xác định các tín hiệu đặc trưng của khung isoxazole và các proton $H_{11}\text{-}H_{11'}$, $H_7\text{-}H_{7'}$, $H_2\text{-}H_{2'}$, $H_5\text{-}H_{5'}$, $H_8\text{-}H_{8'}$, $H_1\text{-}H_{1'}$, $H_3\text{-}H_{3'}$.
  • Dẫn xuất BT03:
    • Trạng thái: Chất rắn màu trắng.
    • Hiệu suất tổng hợp: $80{,}08%$.
    • Sắc ký bản mỏng (TLC): Hệ dung môi $n$-Hex:EA (7:3); $R_f = 1{,}12 / 3{,}5 = 0{,}320$.
    • Công thức phân tử: $\text{C}{21}\text{H}{19}\text{NO}_3$ (ghi nhận theo văn bản, $M = 333{,}38\text{ g/mol}$).
    • Nhận danh phổ $^1\text{H}$-NMR: Xác định các tín hiệu proton $H_{11}\text{-}H_{11'}$, $H_1\text{-}H_{1'}$, $H_8\text{-}H_{8'}$, $H_2\text{-}H_{2'}$, $H_5\text{-}H_{5'}$, $H_{10}$, $H_7\text{-}H_{7'}$, $H_3\text{-}H_{3'}$.
  • Dẫn xuất BT04:
    • Trạng thái: Dạng dầu màu nâu.
    • Hiệu suất tổng hợp: $72{,}5%$.
    • Sắc ký bản mỏng (TLC): Hệ dung môi $n$-Hex:EA (9:1); $R_f = 1{,}07 / 3{,}5 = 0{,}306$.
    • Công thức phân tử: $\text{C}{27}\text{H}{24}\text{N}_2\text{O}_2$ ($M = 408{,}49\text{ g/mol}$).
    • Nhận danh phổ $^1\text{H}$-NMR: Xác định đầy đủ các proton của vòng phenyl gắn thêm và khung phân tử gồm $H_{11}\text{-}H_{11'}$, $H_5\text{-}H_{5'}$, $H_{13}\text{-}H_{13'}$, $H_{14}\text{-}H_{14'}$, $H_1\text{-}H_{1'}$, $H_2\text{-}H_{2'}$, $H_7$, $H_8\text{-}H_{8'}$, $H_{15}$, $H_{7'}$, $H_{10}$, $H_3\text{-}H_{3'}$.

2. Kết quả mô phỏng Docking phân tử:

  • Kiểm chứng Redocking: Kết quả redocking phối tử chuẩn SCF vào CDK2 cho giá trị $\text{RMSD} = 0{,}6658\text{ \AA}$. Do giá trị này nhỏ hơn ngưỡng chuẩn $2{,}0\text{ \AA}$, quy trình và thông số docking trên phần mềm MOE được xác nhận đạt độ tin cậy cao để tiến hành trên các dẫn xuất BT01–BT04.
  • Tương tác gắn kết trên protein CDK2:
    • BT01 so với Curcumin (C05): BT01 có điểm docking $\text{DS} = -21{,}3403\text{ kJ/mol}$ (thấp hơn, tức ái lực liên kết mạnh hơn curcumin tự nhiên C05 có $\text{DS} = -21{,}2638\text{ kJ/mol}$). BT01 hình thành liên kết hydro với $\text{Lys20}$, $\text{Lys89}$ và tương tác kỵ nước với $\text{His84}$, $\text{Ile10}$, $\text{Leu134}$, $\text{Leu298}$, $\text{Lys89}$. Trong khi đó, C05 tạo liên kết hydro với $\text{Lys129}$, $\text{Thr165}$, $\text{Val163}$ và tương tác kỵ nước với $\text{Ile10}$, $\text{Lys88}$, $\text{Glu162}$, $\text{Gln131}$.
    • BT02 so với Isoxazole Curcumin (C02): BT02 đạt $\text{DS} = -19{,}2293\text{ kJ/mol}$ (yếu hơn C02 có $\text{DS} = -23{,}2600\text{ kJ/mol}$). BT02 tạo tương tác aren-cation với $\text{Lys89}$ và tương tác kỵ nước với $\text{Lys89}$, $\text{Ile10}$, $\text{Leu298}$, $\text{Glu8}$, $\text{Leu134}$, $\text{His84}$, $\text{Lys33}$. C02 tạo liên kết hydro với $\text{Lys129}$ và tương tác kỵ nước với $\text{Leu83}$, $\text{Thr165}$, $\text{Val163}$, $\text{Lys63}$, $\text{Gln131}$, $\text{Ile10}$.
    • BT03 so với Pyrazole Curcumin (C03): BT03 đạt $\text{DS} = -18{,}9748\text{ kJ/mol}$ (yếu hơn C03 có $\text{DS} = -23{,}8473\text{ kJ/mol}$). BT03 tạo liên kết hydro với $\text{Lys20}$ và tương tác kỵ nước với $\text{Leu298}$, $\text{Ile10}$, $\text{Leu134}$, $\text{Gln131}$. C03 tạo liên kết hydro với $\text{Thr14}$, $\text{Lys89}$ và tương tác kỵ nước với $\text{Lys89}$, $\text{Ile10}$, $\text{Gln131}$, $\text{His84}$, $\text{Lys129}$.

4 Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết việc hoàn thành tổng hợp và xác định cấu trúc của 4 hợp chất BT01, BT02, BT03, BT04; khẳng định tính khả thi của quy trình tính toán docking trên MOE với mục tiêu CDK2; đồng thời đưa ra các đề xuất tiếp tục thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro đối với các dẫn xuất đã tổng hợp.

Kết quả và đóng góp

1. Bảng tổng hợp kết quả thực nghiệm tổng hợp hóa học

Dưới đây là bảng tổng hợp các đặc tính hóa lý, điều kiện sắc ký và hiệu suất thu nhận 4 dẫn xuất trong khóa luận:

Mã dẫn xuất Tên hóa học xác định Trạng thái cảm quan Hệ dung môi TLC ($n$-Hex:EA) Hệ số lưu giữ ($R_f$) Hiệu suất phản ứng (%) Công thức phân tử Khối lượng phân tử ($M$, g/mol)
BT01 $(1E,4Z,6E)$-5-hydroxy-1,7-bis(3-methoxyphenyl)hepta-1,4,6-trien-3-one Rắn màu cam 9:1 0,428 76,20% $\text{C}{21}\text{H}{20}\text{O}_4$ 336,14
BT02 3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)isoxazole Rắn màu vàng 9:1 0,423 19,602% $\text{C}{21}\text{H}{19}\text{NO}_3$ 333,38
BT03 3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)-$4H$-pyrazole Rắn màu trắng 7:3 0,320 80,08% $\text{C}{21}\text{H}{19}\text{NO}_3$ 333,38
BT04 3,5-bis(($E$)-3-methoxystyryl)-1-phenyl-$1H$-pyrazole Dầu màu nâu 9:1 0,306 72,50% $\text{C}{27}\text{H}{24}\text{N}_2\text{O}_2$ 408,49

2. Bảng tổng hợp kết quả mô phỏng Docking phân tử trên CDK2 (PDB 2R3I)

Kết quả docking phân tử so sánh các dẫn xuất tổng hợp với các curcuminoid đối chứng:

Hợp chất Điểm Docking (DS, kJ/mol) Tương tác liên kết Hydrogen Tương tác kỵ nước (Hydrophobic) Tương tác Aren-Cation
BT01 -21,3403 Lys20, Lys89 His84, Ile10, Leu134, Leu298, Lys89 Không ghi nhận
Curcumin (C05) -21,2638 Lys129, Thr165, Val163 Ile10, Lys88, Glu162, Gln131 Không ghi nhận
BT02 -19,2293 Không ghi nhận Lys89, Ile10, Leu298, Glu8, Leu134, His84, Lys33 Lys89
Isoxazole Curcumin (C02) -23,2600 Lys129 Leu83, Thr165, Val163, Lys63, Gln131, Ile10 Không ghi nhận
BT03 -18,9748 Lys20 Leu298, Ile10, Leu134, Gln131 Không ghi nhận
Pyrazole Curcumin (C03) -23,8473 Thr14, Lys89 Lys89, Ile10, Gln131, His84, Lys129 Không ghi nhận

3. Đóng góp khoa học tự nêu của đề tài

  • Về mặt tổng hợp hóa học: Đề tài đã mở rộng phương pháp tiếp cận tổng hợp các dẫn xuất curcuminoid dị vòng bằng cách sử dụng nguyên liệu đầu là dẫn xuất benzaldehyde nhân tạo ($m$-methoxybenzaldehyde) thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn curcuminoid tự nhiên chiết xuất từ củ nghệ, qua đó làm phong phú thêm thư viện các dẫn chất isoxazole và pyrazole mang nhóm methoxy ở vị trí meta.
  • Về mặt tính toán sinh học: Thiết lập thành công mô hình docking phân tử trên thụ thể CDK2 với độ chuẩn xác cao thông qua phép thử redocking ($\text{RMSD} = 0{,}6658\text{ \AA} < 2\text{ \AA}$). Đề tài cung cấp chi tiết vị trí liên kết và amino acid tương tác chính của các dẫn chất BT01–BT04, phát hiện dẫn xuất BT01 có ái lực gắn kết lý thuyết trên CDK2 ($\text{DS} = -21{,}3403\text{ kJ/mol}$) tốt hơn curcumin tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Hiệu suất tổng hợp của dẫn xuất isoxazole BT02 còn tương đối thấp ($19{,}602%$) so với các dẫn xuất pyrazole khác (BT03 đạt $80{,}08%$, BT04 đạt $72{,}5%$).
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở việc xác định tương tác và tính toán ái lực liên kết trên mô hình mô phỏng in silico (docking phân tử trên phần mềm MOE), chưa thực hiện các thử nghiệm hoạt tính sinh học thực tế in vitro trên các dòng tế bào ung thư (như HepG2, Lu, RD) hoặc thử nghiệm ức chế trực tiếp enzyme kinase CDK2.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tối ưu hóa các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ xúc tác) nhằm cải thiện hiệu suất phản ứng đóng vòng tạo dẫn xuất BT02.
    • Mở rộng tổng hợp thêm các dẫn xuất azole khác từ các đồng phân aldehyde thơm khác nhau.
    • Triển khai các thử nghiệm sinh học in vitro nhằm kiểm chứng thực tế khả năng gây độc tế bào ung thư và ức chế enzyme CDK2 của các hợp chất BT01, BT02, BT03 và BT04.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  1. Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Hóa học, Hóa Dược và Dược học: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng ngưng tụ tạo hệ 1,3-diketone và phản ứng đóng vòng chọn lọc tạo các dị vòng isoxazole và pyrazole từ các amin/hydrazine.
  2. Nghiên cứu viên trong lĩnh vực Hóa tin học và Thiết kế thuốc (In Silico Drug Design): Là tài liệu tham khảo thực tế về quy trình docking phân tử từng bước trên phần mềm MOE, bao gồm phương pháp redocking chuẩn hóa với chỉ số RMSD và cách phân tích các dạng tương tác liên kết (liên kết hydro, tương tác kỵ nước, tương tác aren-cation).
  3. Phần nội dung đáng chú ý nhất: Bảng gán tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR) chi tiết cho các dẫn xuất styryl azole và dữ liệu so sánh ái lực gắn kết trên thụ thể đích CDK2 (PDB 2R3I).

Câu hỏi thường gặp

1. Thụ thể protein nào được lựa chọn làm đích tác động trong nghiên cứu docking phân tử và mã cấu trúc PDB tương ứng là gì?
Nghiên cứu lựa chọn protein CDK2 (Cyclin-dependent kinase 2) đồng kết tinh với phối tử ức chế SCF [5-(2-fluorophenyl)-$N$-(pyridin-4-ylmethyl)pyrazolo[1,5-$a$]pyrimidin-7-amine] ở độ phân giải $1{,}28\text{ \AA}$. Cấu trúc này được tải về từ Ngân hàng Dữ liệu Protein (PDB) với mã số định danh là 2R3I.

2. Kết quả kiểm chứng độ tin cậy của phần mềm docking (Redocking) đạt giá trị RMSD bao nhiêu?
Kết quả redocking phối tử đồng kết tinh SCF trở lại protein CDK2 trên phần mềm MOE ghi nhận giá trị $\text{RMSD} = 0{,}6658\text{ \AA}$. Vì giá trị này nhỏ hơn $2{,}0\text{ \AA}$, mô hình tính toán được xác nhận hoàn toàn phù hợp và có độ chính xác cao để thực hiện docking các dẫn xuất BT01–BT04.

3. Bốn hợp chất được tổng hợp trong khóa luận có hiệu suất phản ứng và trạng thái vật lý cụ thể như thế nào?

  • Hợp chất BT01: Chất rắn màu cam, hiệu suất đạt $76{,}2%$.
  • Hợp chất BT02: Chất rắn màu vàng, hiệu suất đạt $19{,}602%$.
  • Hợp chất BT03: Chất rắn màu trắng, hiệu suất đạt $80{,}08%$.
  • Hợp chất BT04: Hợp chất dạng dầu màu nâu, hiệu suất đạt $72{,}5%$.

4. Dẫn xuất trung gian BT01 thể hiện ái lực liên kết và tương tác phân tử như thế nào so với curcumin tự nhiên (C05) trên thụ thể CDK2?
Dẫn xuất BT01 đạt điểm docking $\text{DS} = -21{,}3403\text{ kJ/mol}$, cho thấy ái lực gắn kết trên CDK2 mạnh hơn so với curcumin tự nhiên C05 ($\text{DS} = -21{,}2638\text{ kJ/mol}$). Về mặt tương tác, BT01 tạo 2 liên kết hydro với các acid amin $\text{Lys20}$, $\text{Lys89}$ và tương tác kỵ nước với $\text{His84}$, $\text{Ile10}$, $\text{Leu134}$, $\text{Leu298}$, $\text{Lys89}$.

5. Điều kiện và tác chất sử dụng để thực hiện phản ứng đóng vòng tổng hợp dẫn xuất pyrazole BT03 và BT04 là gì?
Cả hai phản ứng đều sử dụng $0{,}59\text{ mmol}$ dẫn xuất BT01 hòa tan trong $10\text{ mL}$ acid acetic. Để tạo BT03, tác chất sử dụng là hydrazine hydrate ($\text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$, $1{,}19\text{ mmol}$, tỷ lệ mol 1:2). Để tạo BT04, tác chất sử dụng là phenylhydrazine hydrochloride ($\text{NH}_2\text{NHC}_6\text{H}_5\cdot\text{HCl}$, $1{,}19\text{ mmol}$, tỷ lệ mol 1:2).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Bảo Thanh đã hoàn thành việc tổng hợp 4 dẫn xuất curcuminoid gồm BT01, BT02, BT03 và BT04 từ nguyên liệu ban đầu $m$-methoxybenzaldehyde, đồng thời xác định đầy đủ cấu trúc hóa học bằng phương pháp sắc ký bản mỏng và phổ $^1\text{H}$-NMR. Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng docking phân tử trên phần mềm MOE với độ tin cậy cao ($\text{RMSD} = 0{,}6658\text{ \AA}$) nhằm đánh giá tương tác của các dẫn xuất lên thụ thể protein kinase CDK2 (PDB ID: 2R3I). Kết quả tính toán cho thấy dẫn xuất trung gian BT01 có điểm số docking ($\text{DS} = -21{,}3403\text{ kJ/mol}$) tốt hơn curcumin tự nhiên, tạo tiền đề khoa học cho các hướng nghiên cứu tiếp theo về thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro.