Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính gây độc tế bào các dẫn xuất của benzimidazole và indole

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:179

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Hóa học "Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính gây độc tế bào các dẫn xuất của benzimidazole và indole" trình bày các nội dung chính sau: Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole dựa trên phản ứng ngưng tụ các dẫn xuất của ortho-phenylenediamine và benzaldehyde; Đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole và indol; Đề xuất cơ chế ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole và indole có hoạt tính tốt nhất bằng mô hình mô tả phân tử docking.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính gây độc tế bào các dẫn xuất của benzimidazole và indole

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- HUỲNH THỊ KIM CHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH GÂY ĐỘC TẾ BÀO CÁC DẪN XUẤT CỦA BENZIMIDAZOLE VÀ INDOLE LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- HUỲNH THỊ KIM CHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH GÂY ĐỘC TẾ BÀO CÁC DẪN XUẤT CỦA BENZIMIDAZOLE VÀ INDOLE CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ MÃ SỐ: 9.44.01.14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. HOÀNG THỊ KIM DUNG 2. GS. TS. THÁI KHẮC MINH TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022
LỜI CẢM ƠN ----------- Xin cảm ơn PSG. TS. Hoàng Thị Kim Dung – người thầy lớn – người chị – người bạn – người rất quan trọng trong suốt cả hành trình dài, từ lúc còn là ý tưởng đến hình thành nên cuốn luận án này và cũng là người dìu dắt tôi từ lúc tôi mới chập chững bước chân vào con đường nghiên cứu khoa học, đồng hành cùng tôi trong mọi cung bậc cảm xúc trên hành trình gian nan nhưng vô cùng thú vị này. Chân thành cảm ơn GS. TS. Thái Khắc Minh – người đã hướng dẫn tôi đến một lĩnh vực hoàn toàn mới – là phần tiền đề rất quan trọng trong quyển luận án này – giúp tôi chạm đến một cánh cổng mới trên con đường nghiên cứu khoa học, củng cố cho tôi một tầm nhìn tiến bộ hơn, toàn diện hơn về con đường nghiên cứu của mình. Xin cảm ơn TS. Nguyễn Thành Danh – người đã có những góp ý và hướng dẫn rất hữu ích cho tôi trong quá trình viết công bố, luôn chia sẻ những ý tưởng khoa học mới mẻ nhất cho tôi với niềm say mê đáng ngưỡng mộ. Xin gửi lời cảm ơn các thầy, các cô đã giảng dạy cho tôi trong quá trình học tập tại Học Viện Khoa học và Công nghệ – ngoài kiến thức, ý tưởng sáng tạo, thì sự nghiêm túc và lòng say mê với công việc nghiên cứu của mình là những điều đáng quý nhất các thầy, các cô đã trao cho tôi. Cảm ơn các thầy cô và các anh chị đang công tác tại Học Viện Khoa học và Công nghệ - đã là cầu nối quan trọng cho tôi hoàn thành hành trình này. Xin cảm ơn các thầy, các cô ở các cấp hội đồng – những ý kiến đóng góp, phản biện sâu và sát của các thầy, các cô đã giúp tôi có được một quyển luận án ngày càng hoàn thiện hơn. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô, anh, chị và các em làm việc tại Viện Công nghệ Hóa học, đặc biệt là thầy Đặng Chí Hiền, anh Dương Phước Đạt, anh Phùng Văn Trung, chị Nguyễn Thị Hồng Nơ, anh Nguyễn Trí, anh Nguyễn Minh Tý, chị Ngô Thị Quỳnh Như, anh Nguyễn Tấn Phát và chị Trần Bội An – đã gắn bó và động viên tôi trong suốt quá trình công tác cũng như chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của mình, giúp cho tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình làm luận án. Đặc biệt cảm ơn em Nguyễn Thị Hồng An, em Nguyễn Thị Cẩm Thu, em Nguyễn Hoàng Phúc và em Nguyễn Văn Thạnh – các em đã đồng hành cùng tôi trong những
thời điểm quan trọng và hỗ trợ cho tôi một cách nhiệt tình nhất trong công việc cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận án. Xin cảm ơn các cô, các thầy, các chị, các anh, các bạn và các em – những người đã đồng hành cùng tôi dù chỉ trên một đoạn hành trình ngắn mà tôi không thể kể hết ở đây, nhưng đã góp phần, hỗ trợ cho tôi hoàn thành quyển luận án này. Cuối cùng, con không thể viết nên những dòng cảm ơn này nếu không có gia đình, Ba Mẹ đã luôn hỗ trợ cho con trên mọi cung đường và luôn không bao giờ kể đến công lao của mình! Con xin cảm ơn Ba Mẹ! Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2022 HUỲNH THỊ KIM CHI
LỜI CAM ĐOAN Luận án Tiến sĩ Hóa học: “Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính gây độc tế bào các dẫn xuất của benzimidazole và indole” do tôi thực hiện, các số liệu, kết quả đều là trung thực. Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Thị Kim Chi
i MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .......................................................................iv Danh mục các bảng .......................................................................................................vi Danh mục các sơ đồ .....................................................................................................vii Danh mục các hình, ảnh ............................................................................................ viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................... 3 1.1. Đại cương về ung thư ...................................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 3 1.1.2. Phương pháp điều trị ....................................................................................... 4 1.2. Giới thiệu về benzimidazole ............................................................................ 6 1.2.1. Đặc điểm chung ................................................................................................ 6 1.2.2. Tình hình nghiên cứu về hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các hợp chất có khung benzimidazole ............................................................................................. 8 1.2.3. Một số phương pháp tổng hợp benzimidazole .............................................. 14 1.3. Giới thiệu về indole ........................................................................................ 17 1.3.1. Đặc điểm chung .............................................................................................. 17 1.3.2. Tình hình nghiên cứu về hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các hợp chất có khung indole ........................................................................................................ 19 1.3.3. Một số phương pháp tổng hợp các dẫn xuất indole ..................................... 21 1.4. Nghiên cứu docking phân tử (molecular docking) và phức hợp camptothecin-topoisomerase I-DNA ...................................................................... 26 1.4.1. Docking phân tử (molecular docking) .......................................................... 26 1.4.2. Tổng quan về phức hợp camptothecin-topoisomerase I-DNA ..................... 29 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................... 35 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, .............................................................................. 35 2.1.1. Các hóa chất tổng hợp ................................................................................... 35 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................... 36 2.2. Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole và indole ........................................... 37 2.2.1. Tổng hợp các dẫn xuất của benzimidazole ................................................... 37 2.2.2. Tổng hợp các dẫn xuất indole dựa trên phản ứng Mannich đa hợp phần . 42 2.2.1. Sắc ký lớp mỏng (TLC) .................................................................................. 45
ii 2.2.2. Rửa nhiều lần bằng dung môi ....................................................................... 45 2.2.3. Kết tinh ............................................................................................................ 45 2.2.4. Sắc ký cột (CC) ............................................................................................... 45 2.2.4. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) ............................................................... 46 2.2.5. Đo điểm nóng chảy ......................................................................................... 46 2.2.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) .......................................................... 46 2.2.7. Phương pháp khối phổ phân giải cao (HRMS) ............................................ 46 2.2.8. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ..................................... 46 2.3. Phương pháp xác định hoạt tính gây độc tế bào in vitro của các dẫn xuất benzimidazole và indole........................................................................................... 47 2.3.1. Nguyên tắc xác định ....................................................................................... 47 2.3.2. Cách tiến hành ............................................................................................... 48 2.3.3. Đánh giá kết quả ............................................................................................ 48 2.4. Xây dựng mô hình docking phân tử................................................................ 48 2.4.1. Chuẩn bị cơ sở dữ liệu ................................................................................... 49 2.4.2. Docking lặp lại (re-docking) .......................................................................... 51 2.4.3. Docking các ligand với mục tiêu tác động và đánh giá kết quả ................... 52 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 53 3.1. Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole và indole ........................................... 53 3.1.1. Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole .......................................................... 53 3.1.2. Tổng hợp các dẫn xuất indole........................................................................ 55 3.2. Xác định cấu trúc của các dẫn xuất benzimidazole và indole ...................... 57 3.2.1. Xác định cấu trúc của 64 dẫn xuất benzimidazole ....................................... 57 3.2.2. Xác định cấu trúc của 14 dẫn xuất indole .................................................. 110 3.3. Hoạt tính gây độc tế bào của các dẫn xuất benzimidazole và indole ......... 125 3.3.1. Hoạt tính gây độc tế bào in vitro của các dẫn xuất benzimidazole ............ 125 3.3.2. Hoạt tính gây độc tế bào in vitro của các dẫn xuất indole ......................... 133 3.3.3. Đánh giá khả năng gây độc tế bào thường của các dẫn xuất benzimidazole và indole có hoạt tính ức chế tế bào ung thư tốt nhất .......................................... 138 3.4. Các mô hình gắn kết phân tử docking của các dẫn xuất benzimidazole và indole ....................................................................................................................... 139
iii 3.4.1. Mô hình gắn kết phân tử docking của các dẫn xuất benzimidazole có hoạt tính ức chế tế bào tốt nhất trên phức hợp TopI-DNA .......................................... 140 3.4.2. Mô hình gắn kết phân tử docking của các dẫn xuất indole có hoạt tính ức chế tế bào tốt nhất trên phức hợp TopI-DNA ....................................................... 143 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 148 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 148 KIẾN NGHỊ ............................................................................................................ 150 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 153
iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt AcOH Acetic acid br s broad singlet Mũi đơn rộng CC Chromatography Column Sắc ký cột CC50 The 50% cytotoxic concentration Nồng độ gây độc 50% CPT Camptothecin CTPT Công Thức Phân Tử d Doublet Mũi đôi DAD Diode Array Detector Đầu dò Diode Array dd doublet of doublet Mũi đôi đôi DEPT Detortionless Enhancement by Polarization Phổ DEPT Transfer DMA Dimethylacetamide DMSO Dimethyl Sulfoxide DMF Dimethylformamide DNA Deoxyribonucleic Acid EG Ethylene glycol EtOAc Ethyl acetate EtOH Ethanol FTIR Fourier-transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier h Hour Giờ HPLC High-Performance Liquid Chromatography Sắc ký lỏng hiệu năng cao HMBC Heteronuclear Multiple Bond Coherence Phổ tương tác dị nhân qua nhiều nối HR-ESI-MS High Resolution Electrospray Ionisation Mass Phổ khối lượng phun mù Spectrometry ion hóa phân giải cao HSQC Heteronuclear Single Quantum Correlation Phổ tương tác dị nhân qua một nối
v ID Identification Định danh IC50 Inhibitory Concentration 50% Nồng độ ức chế 50 % J Coupling constant Hằng số ghép m Multiplet Mũi đa MCRs Multicomponent reactions Các phản ứng đa hợp phần MeOH Methanol MsOH Methanesulfonic acid MW Microwave Lò vi sóng nm Nanometer NMR Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân RT (rt) Room Temperature Nhiệt độ phòng RMSD Root-mean-square deviation Độ lệch gốc-trung bình- bình phương OD Optical Density Mật độ quang PDB Protein Data Bank Ngân hàng dữ liệu protein PL Phụ lục ppm parts per million Phần triệu s Singlet Mũi đơn SAR Structure-Activity Relationship Mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc SD Standard deviation Độ lệch chuẩn SDS Sodium dodecyl sulfate STT Số Thứ Tự t Triplet Mũi ba TLC Thin Layer Chromatography Sắc ký lớp mỏng TMS TetramethylSilane TopI-DNA Topoisomerase I-DNA δ Chemical shift Độ dịch chuyển hóa học  Micro
vi Danh mục các bảng Bảng 1.1. Hoạt tính gây độc tế bào của các dẫn xuất sulfonyl bisbenzimidazole ...........9 Bảng 1.2. Hoạt tính sinh học của các dẫn xuất benzimidazole chứa vòng pyrazole .....10 Bảng 1.3. Giá trị IC50 của các dẫn xuất 4a-4s ...............................................................11 Bảng 1.4. Cấu trúc của các dẫn xuất benzimidazole- 1,3,4-oxadiazole ........................13 Bảng 1.5. Hoạt tính gây độc tế bào của các dẫn xuất 5a-5o, doxorubicin và Hoechst 33342 .............................................................................................................................13 Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp ............................................35 Bảng 2.2. Các dụng cụ và thiết bị sử dụng trong tổng hợp ...........................................36 Bảng 2.3. Cấu trúc của các dẫn xuất benzimidazole tổng hợp ......................................37 Bảng 2.4. Cấu trúc của các dẫn xuất indole tổng hợp ...................................................42 Bảng 2.5. Các phần mềm và thiết bị sử dụng trong quá trình docking .........................48 Bảng 3.1. Cấu trúc và hiệu suất tổng hợp của các dẫn xuất benzimidazole tổng hợp ..53 Bảng 3.2. Cấu trúc và hiệu suất của các dẫn xuất indole tổng hợp ...............................55 Bảng 3.3. Kết quả gây độc tế bào của các dẫn xuất benzimidazole ............................125 Bảng 3.4. Kết quả gây độc tế bào của các dẫn xuất indole .........................................134 Bảng 3.5. Kết quả gây độc tế bào ung thư và tế bào thường của các dẫn xuất 53H, 5MM, IPM và BPM ................................................................................................................138 Bảng 3.6. Kết quả re-docking với phức hợp TopI-DNA (PDB ID: 1T8I) ..................139 Bảng 3.7. Kết quả docking của ba dẫn xuất benzimidazole 5MM, 53H và 3BO và camptothecin trên phức hợp TopI-DNA (PDB ID: 1T8I) ...........................................140 Bảng 3.8. Kết quả docking của 3 dẫn xuất indole tốt nhất và camptothecin trên enzyme 1T8I .............................................................................................................................143
vii Danh mục các sơ đồ Sơ đồ 1.1. Một số phản ứng ngưng tụ vòng benzimidazole giữa o-phenylendiamine và mono acid hoặc dicarboxylic acid .................................................................................15 Sơ đồ 1.2. Các phản ứng ngưng tụ khung benzimidazole từ o-phenylendiamine với các aldehyde .........................................................................................................................16 Sơ đồ 1.3. Một số phản ứng đóng vòng benzimidazole từ o-phenylendiamine và dẫn xuất acid anhydride................................................................................................................16 Sơ đồ 1.4. Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole từ o-phenylendiamine với các ortho-ester .......................................................................................................................................17 Sơ đồ 1.5. Tổng hợp dẫn xuất 2,5-dimethylbenzimidazole ...........................................17 Sơ đồ 1.6. Các phản ứng đóng vòng indole sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp .......22 Sơ đồ 1.7. Các phản ứng đóng vòng indole cổ điển không sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp .....................................................................................................................22 Sơ đồ 1.8. Cơ chế của phản ứng Mannich .....................................................................24 Sơ đồ 1.9. Tổng hợp các dẫn xuất 3-aminomethyl indole .............................................25 Sơ đồ 1.10. Tổng hợp các dẫn xuất indole bằng phản ứng Mannich sử dụng xúc tác L- proline (trên), chất hoạt động bề mặt SDS và nước (dưới) ...........................................25 Sơ đồ 1.11. Phản ứng Mannich của indole, benzaldehyde và succinimide trong dung môi DMF...............................................................................................................................26 Sơ đồ 1.12. Phản ứng Mannich trong tổng hợp các dẫn xuất indole sử dụng MsOH và TBAI ..............................................................................................................................26 Sơ đồ 2.1. Tổng hợp các dẫn xuất của benzimidazole ..................................................37 Sơ đồ 2.2. Cơ chế phản ứng đóng vòng benzimidazole ................................................41 Sơ đồ 2.3. Tổng hợp các dẫn xuất của indole ................................................................42 Sơ đồ 2.4. Cơ chế phản ứng Mannich tạo các dẫn xuất 3-aminoalkylated indole ........45 Sơ đồ 2.5. Sự chuyển hoá của muối MTT dưới tác động của ty thể .............................47
viii Danh mục các hình, ảnh Hình 1.1. Cấu trúc vitamin B12 .......................................................................................7 Hình 1.2. Sự hỗ biến của dẫn xuất 5(6)-methylbenzimidazole .......................................7 Hình 1.3. Một số thuốc điều trị ung thư chứa khung benzimidazole ..............................8 Hình 1.4. Một số thuốc thương mại có chứa khung indole ...........................................18 Hình 1.5. Thuật toán docking xây dựng gia tăng ..........................................................28 Hình 1.6. Phép tam giác phân đặt ligand vào điểm gắn kết của protein .......................29 Hình 1.7. Mô tả enzyme topoisomerase I (TopI) và topoisomerase II (TopII) tháo xoắn chuỗi DNA .....................................................................................................................29 Hình 1.8. Cấu trúc của phức hợp enzyme TopI-DNA người (TopI-DNA)...................30 Hình 1.9. (a) Cấu trúc của CPT, (b) Cấu trúc ba chiều của phức hợp bậc ba CPT-TopI- DNA, (c) CPT xen vào chuỗi xoắn DNA và (d) các amino acid ở vùng hoạt động của CPT trong phức hợp ......................................................................................................31 Hình 1.10. Các tác nhân ức chế phức hợp Topoisomerase I-DNA có chứa khung benzimidazole ................................................................................................................32 Hình 1.11. Kết quả docking của 5n: (A) 5n nằm trong khoang hoạt động của phức hợp TopI-DNA, (B) Các tương tác chính của 5n với khoang hoạt động của phức hợp TopI- DNA, (C) Cấu trúc 5n....................................................................................................32 Hình 1.12. Các tác nhân ức chế phức hợp Topoisomerase I-DNA có chứa khung indole .......................................................................................................................................33 Hình 1.13. (A) Cấu trúc của dẫn xuất evodiamine 29u (B) Cấu hình docking của 29u và CPT được chồng lên (C) 29u gắn kết vào khoang hoạt động của TopI-DNA ..............34 Hình 2.1. Quá trình tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole, giai đoạn (1) .....................40 Hình 2.2. Quá trình tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole, giai đoạn (2) .....................41 Hình 2.3. Các bước tổng hợp các dẫn xuất 3-aminoalkylated indole ...........................44 Hình 2.4. Cấu trúc khoang gắn kết của phức hợp TopI và chuỗi DNA xoắn kép với ligand CPT .....................................................................................................................50 Hình 3.1. Liên kết hydro nội phân tử của các dẫn xuất 2-(5(6)-substituted-1H- benzimidazol-2-yl)-phenol ..........................................................................................109 Hình 3.2. Mối quan hệ giữa cấu trúc của các dẫn xuất benzimidazole tổng hợp và hoạt tính ức chế tế bào ung thư............................................................................................133
ix Hình 3.3. Mối quan hệ giữa cấu trúc của các dẫn xuất indole tổng hợp và hoạt tính ức chế tế bào ung thư ........................................................................................................138 Hình 3.4. Xếp chồng các cấu dạng của ligand đồng kết tinh CPT vào tinh thể của phức hợp TopI-DNA (PDB: 1T8I). Chuỗi kép DNA và TopI được biểu diễn bằng các dải băng màu xanh lá và xanh lam .............................................................................................140 Hình 3.5. Dẫn xuất 5MM tại khoang gắn kết CPT của phức hợp TopI-DNA ............141 Hình 3.6. Dẫn xuất 53H tại khoang gắn kết CPT của phức hợp TopI-DNA ..............141 Hình 3.7. Camptothecin tại khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA .......................142 Hình 3.8. Mô hình 3D và 2D của CPT (A và B), 5MM (C và D), và 53H (E và F) chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA. ...........................................................143 Hình 3.9. Dẫn xuất BPM tại khoang gắn kết CPT của phức hợp TopI-DNA .............144 Hình 3.10. Dẫn xuất IPM tại khoang gắn kết CPT của phức hợp TopI-DNA ............144 Hình 3.11. Dẫn xuất PPM tại khoang gắn kết CPT của phức hợp TopI-DNA ...........145 Hình 3.12. Mô hình 3D và 2D của BPM (A và B), IPM (C và D), và PPM (E và F) chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA ............................................................146
1 MỞ ĐẦU Theo một báo cáo vào tháng 2 năm 2021 cho thấy trong 10 năm vừa qua, FDA đã chấp nhận lưu hành gần 400 loại thuốc, trong đó dẫn đầu là thuốc điều trị ung thư (25%), kế tiếp đó là thuốc điều trị bệnh truyền nhiễm (15%) và rối loạn thần kinh (11%) [1]. Theo thống kê của tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hàng năm trên thế giới có khoảng 10,1 triệu trường hợp mắc ung thư mới và khoảng 6,7 triệu người chết do ung thư, trong đó tỷ lệ tử vong do ung thư chiếm tới 12% trong tổng số các nguyên nhân gây tử vong ở người [2]. Từ các số liệu trên cho thấy việc điều trị ung thư vẫn luôn là mối quan tâm hàng đầu của nhân loại. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều bệnh nhân phải dừng điều trị do các tác dụng phụ của các loại thuốc điều trị ung thư hiện nay. Có 33% bệnh nhân chữa trị ung thư vú bằng palbociclib kết hợp letrozole buộc phải ngưng điều trị và 40-45% bệnh nhân buộc phải giảm liều do những tác dụng phụ của thuốc như buồn nôn, rụng tóc, đau khớp, loãng xương, suy nhược cơ thể, mệt mỏi…[3]. Do đó, việc tìm ra các thuốc chống ung thư mới hiệu quả hơn và ít tác dụng phụ hơn đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay. Các hợp chất dị vòng luôn chiếm một vị trí quan trọng trong nghiên cứu tổng hợp dược. Trong đó benzimidazole và indole là một trong những hợp chất được ứng dụng rộng rãi nhất do chúng có nhiều hoạt tính sinh học như kháng ung thư [4, 5], kháng giun sán [6], kháng nấm [7], kháng vi khuẩn [8], virus [9], là chất dẫn truyền thần kinh [10]… Ngoài ra, trong một số thuốc điều trị ung thư đang lưu hành trên thị trường hiện nay, vẫn có sự hiện diện của khung benzimidazole và indole trong cấu trúc như nocodazole, abemaciclib, selumetinib và bendamustine, vincristine và vinblastin. Tuy nhiên cũng như các thuốc điều trị ung thư khác, chúng còn nhiều tác dụng phụ như: táo bón, nhức đầu, một số vấn đề về đường huyết, rụng tóc [10]… Do đó, việc tìm ra các tác nhân kháng ung thư mới dựa trên khung nền của benzimidazole và indole có hoạt tính ức chế tế bào ung thư tốt hơn, ít tác dụng phụ hơn vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Trên cơ sở khoa học đó, đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính gây độc tế bào các dẫn xuất của benzimidazole và indole” góp phần làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và tìm kiếm các tác nhân chống ung thư mới.
2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 1. Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole dựa trên phản ứng ngưng tụ các dẫn xuất của ortho-phenylenediamine và benzaldehyde; và tổng hợp các dẫn xuất indole bằng phản ứng đa hợp phần Mannich. 2. Đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole và indole tổng hợp được; đánh giá hoạt tính ức chế tế bào thường của các dẫn xuất có tác dụng gây động tế bào ung thư tốt nhất; nghiên cứu mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc của các dẫn xuất, nhằm tìm kiếm các dẫn xuất tiềm năng. 3. Đề xuất cơ chế ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole và indole có hoạt tính tốt nhất bằng mô hình mô tả phân tử docking. Các nội dung nghiên cứu chính 1. Tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole bằng phản ứng đóng vòng ngưng tụ sử dụng tác nhân Na2S2O5 và tổng hợp các dẫn xuất indole bằng phản ứng đa hợp phần Mannich. 2. Xác định cấu trúc hóa học các dẫn xuất benzimidazole và indole tổng hợp được. 3. Đánh giá hoạt tính ức chế tế bào A549 (ung thư phổi), MDA-MB-231 (ung thư vú), PC3 (ung thư tuyến tiền liệt) của các dẫn xuất benzimidazole và indole đã tổng hợp và HEK 293 (tế bào thận gốc phôi ở người) của các dẫn xuất có tác dụng gây động tế bào ung thư tốt nhất. Phân tích mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc của chúng. 4. Xây dựng mô hình docking của các dẫn xuất benzimidazole và indole có hoạt tính gây độc tế bào ung thư tốt nhất trên enzyme mục tiêu topoisomerase I (PDB ID: 1T8I) nhằm giải thích cơ chế ức chế tế bào của chúng. Những đóng góp mới của luận án 1. Tổng hợp 64 dẫn xuất benzimidazole và 14 dẫn xuất indole, trong đó có 16 cấu trúc benzimidazole và 5 cấu trúc indole hoàn toàn mới, theo SciFinder tháng 11 năm 2021. 2. Lần đầu tiên xác định hoạt tính gây độc tế bào của: (i) 60 benzimidazole trên dòng tế bào A549, 64 benzimidazole trên dòng tế bào MDA-MB-231 và PC3; (ii) 14 indole trên ba dòng tế bào A549, MDA-MB-231 và PC3; (iii) 2 benzimidazole và 2 indole trên dòng tế bào HEK 293, theo SciFinder tháng 11 năm 2021. 3. Giải thích cơ chế ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole và indole có hoạt tính tốt nhất bằng mô hình docking phân tử trên đối tượng phức hợp topoisomerase I-DNA và so sánh với đối chứng dương camptothecin.
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Đại cương về ung thư 1.1.1. Giới thiệu chung Ung thư là một danh từ chung để mô tả một nhóm các bệnh có sự thay đổi về sự sinh sản, tăng trưởng và chức năng của tế bào. Cơ thể liên tục sản xuất ra các tế bào mới để thay thế những tế bào đã chết, hoặc hàn gắn lại những tế bào bị tổn hại sau bệnh hay chấn thương, giúp cơ thể chúng ta phát triển. Vì các nguyên nhân khách quan hoặc chủ quan, các tế bào bình thường trở nên bất thường (đột biến) và tăng sinh một cách không kiểm soát, xâm lấn các mô ở gần (xâm lấn cục bộ) hay ở xa (di căn) qua hệ thống bạch huyết hay mạch máu. Chính vì vậy ung thư là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới. Có thể phân loại ung thư thành các dạng chính như sau [11]: (i) ung thư biểu mô (Carcinoma): là ung thư bắt nguồn trong da hoặc trong các mô lót hay phủ các cơ quan bên trong. Nhóm này bao gồm nhiều loại ung thư phổ biến nhất, ví dụ như ung thư da, ung thư cổ tử cung, ung thư hậu môn, ung thư thực quản, ung thư gan, ung thư thanh quản, ung thư thận, ung thư dạ dày, ung thư tinh hoàn và ung thư tuyến giáp; (ii) ung thư mô liên kết (Sarcoma): bắt nguồn từ các mô liên kết, trong xương, sụn, mỡ, thần kinh; phát triển từ các tế bào có nguồn gốc từ tế bào trung mô ở bên ngoài tủy xương; (iii) ung thư bạch huyết (Lymphoma) và bệnh bạch cầu, máu trắng (Leukemia): bắt nguồn từ các tế bào tạo máu rời khỏi tủy xương, sản xuất ra một số lượng lớn các tế bào máu bất thường tiến vào dòng máu; (iv) ung thư tế bào mầm (Seminoma và Dysgerminoma): là ung thư bắt nguồn từ các tế bào mầm, thường gặp nhiều nhất ở tinh hoàn hoặc buồng trứng; (v): ung thư nguyên bào (Blastoma): có nguồn gốc từ các tế bào tiền thân chưa trưởng thành hoặc từ mô phôi. Trong số các ca mắc ung thư mới theo Hiệp hội ung thư Hoa Kỳ báo cáo năm 2020, dẫn đầu ở nam giới là ung thư tuyến tiền liệt (21%), ung thư phổi và phế quản (13%), ở nữ giới là ung thư vú (30%), ung thư phổi và phế quản (12%) [12]. Ba loại ung thư này cũng là mục tiêu để đánh giá khả năng ức chế của các dẫn xuất tổng hợp
4 được trong nghiên cứu này, với các dòng tế bào ung thư A549 (ung thư phổi), MDA- MB-231 (ung thư vú) và PC3 (ung thư tuyến tiền liệt). 1.1.2. Phương pháp điều trị Để điều trị ung thư, cần phải loại bỏ tất cả các tế bào ung thư. Có nhiều yếu tố để nâng cao tỉ lệ thành công trong việc chữa trị ung thư, trong đó phát hiện sớm tế bào ung thư và sử dụng phương pháp điều trị thích hợp là những yếu tố quan trọng nhất. Các phương pháp điều trị ung thư hiện nay bao gồm: 1.1.2.1. Phẫu thuật Trong một thời gian dài, phẫu thuật được xem là phương pháp duy nhất để điều trị ung thư và đến nay nó vẫn được sử dụng phổ biến trong việc điều trị rất nhiều loại ung thư. Phương pháp này có các ưu điểm như: có khả năng loại bỏ khối u nguyên phát, xâm lấn tại chỗ và không phát sinh ung thư; đánh giá được mức độ xâm lấn cũng như xác định đặc tính mô học của khối u, làm cơ sở cho xếp loại và chỉ định điều trị. Bên cạnh đó, phương pháp này có một số nhược điểm: có thể có các biến chứng đe dọa đến tính mạng bệnh nhân như chảy máu, hình thành cục máu đông, nhiễm trùng hoặc làm suy giảm chức năng sinh lý một số cơ quan [13, 14]. 1.1.2.2. Xạ trị Xạ trị là phương pháp sử dụng tia bức xạ ion hóa để điều trị ung thư. Đây là phương pháp điều trị ung thư phổ biến thứ 2 sau phẫu thuật, đã được áp dụng hơn 100 năm nay. Có 2 loại điều trị tia xạ [13, 14]: (i) tia xạ ngoài: nguồn phóng xạ nằm ngoài cơ thể gồm các máy điều trị tia xạ như cobalt, máy gia tốc. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật với các thiết bị máy móc tối tân hiện đại và các kiến thức sâu rộng về vật lý phóng xạ, sinh học phóng xạ đã làm cho phương pháp xạ trị trở nên chính xác hơn, hiệu quả điều trị được tăng lên đáng kể, góp phần chữa khỏi hơn 50% số ca ung thư mới được chuẩn đoán. Nhược điểm: không áp dụng được khi tế bào ung thư đã di căn ra nhiều bộ phận, gây ra một số tác dụng phụ khá nghiêm trọng cho cơ thể và ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe của bệnh nhân 1.1.2.3. Hóa trị Từ khi bắt đầu tiến triển, ung thư đã có thể di căn, do đó các phương pháp điều trị tại chỗ và tại vùng như phẫu thuật và xạ trị thường không mang lại hiệu quả. Hóa trị là phương pháp sử dụng các thuốc điều trị ung thư đặc biệt có thể ngăn chặn được ung thư tiến triển. Các thuốc điều trị ung thư đều là những chất gây độc tế bào, dựa
5 trên sự khác biệt về đặc trưng tăng trưởng, chức năng, khả năng đáp ứng với tế bào khác giữa tế bào ung thư và tế bào lành. Hóa trị ung thư bao gồm các loại sau : hóa trị gây đáp ứng (Induction chemotherapy), hóa trị hỗ trợ (Adjuvant chemotherapy), hóa trị tiền hỗ trợ (Neoadjuvant chemotherapy), hóa trị tại chỗ. Nhược điểm: hóa trị sẽ gây ra nhiều tác dụng phụ cho người bệnh như bị suy tủy, viêm niêm mạc, chán ăn, mệt mỏi, rụng tóc, khó ăn, sức đề kháng kém... 1.1.2.4. Điều trị ung thư hướng đích Phương pháp này sử dụng các biện pháp ngăn chặn sự phát triển và lan rộng của tế bào ung thư bằng cách ức chế các phân tử đặc hiệu liên quan đến quá trình sinh ung thư và sự phát triển của khối u. Do đó các phân tử này được gọi là các phân tử mục tiêu (Molecular targets), các phương pháp điều trị ngăn cản chúng gọi là điều trị hướng phân tử mục tiêu (Molecular targeted therapies). Điều trị ung thư hướng đích được chia làm các loại [15]: a. Thuốc hướng đích phân tử nhỏ [16] Các thuốc này hướng tới các đối tượng kinase, protein điều hòa biểu sinh (epigenetic regulatory proteins), các enzyme sửa chữa tổn thương DNA, và proteasome...Ví dụ: Iressa (ZD1839 hay Gefinitib) được FDA chấp nhận trong điều trị ung thư phổi loại không phải tế bào nhỏ, thuốc này tác động vào khối u mang đột biến của thụ thể phát triển biểu bì (Epidermal Growth Factor Receptor - EGFR), và không có tác động đến khối u không mang đột biến EGFR [17]. Velcade (Bortezomib) điều trị đa u tủy, nó ức chế enzyme proteasome – giúp điều hòa chức năng và sự phát triển tế bào [18]. b. Kháng thể đơn dòng [19] Đây là một hình thức của điều trị bằng miễn dịch, sử dụng các kháng thể đơn dòng được đưa từ bên ngoài vào cơ thể để gắn kết đặc hiệu, duy nhất với các loại tế bào, protein cụ thể, làm gián đoạn tương tác giữa các thụ thể và các ligand theo cơ chế trực tiếp hoặc gián tiếp. Liệu pháp liên hợp thuốc – kháng thể là một phương pháp điều trị được phát triển từ kỹ thuật kháng thể đơn dòng, trong đó thuốc điều trị ung thư phân tử nhỏ được liên kết với một loại kháng thể đơn dòng, giúp thuốc gắn kết vào các tế bào ung thư đã được nhắm mục tiêu, được nhận diện bằng kháng thể đơn dòng. Sau đó thuốc được giải phóng ra và tiêu diệt tế bào ung thư [20]. c. Vaccine điều trị ung thư [21]
6 Phương pháp này nhắm vào việc đáp ứng kháng khối u qua trung gian miễn dịch của cơ thể, được chia làm hai loại: đặc hiệu và không đặc hiệu cho bệnh nhân. Vaccine đặc hiệu cho bệnh nhân được tạo ra từ chính các tế bào khối u của bệnh nhân đó, trong khi vaccine không đặc hiệu tạo ra các phản ứng miễn dịch tổng quát có thể có tác dụng kháng khối u ở một số bệnh nhân khác nhau. d. Liệu pháp gene [22] Phương pháp này hướng tới việc đưa các vật liệu di truyền như DNA hoặc RNA vào tế bào ung thư để tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của chúng. Liệu pháp gene có thể được thực hiện bằng cách thay thế các gene bị đột biến trong khối u bằng gene bình thường để phục hồi chức năng của tế bào. Các phương pháp phẫu thuật, xạ trị, hóa trị, và sử dụng các thuốc phân tử nhỏ là các phương pháp điều trị ung thư phổ biến nhất hiện nay. Các phương pháp nêu trên có thể được sử dụng kết hợp lẫn nhau để tăng khả năng điều trị ung thư cho bệnh nhân khi sử dụng riêng rẽ các phương pháp điều trị mà không mang lại hiệu quả. Tuy nhiên, các phương pháp này thường gây ra những tác dụng phụ như rụng tóc, tiêu chảy, suy giảm hệ miễn dịch cũng như làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống. Do đó, việc tìm ra các tác nhân mới chống ung thư, có tác dụng chuyên biệt hơn, hiệu quả hơn và ít tác dụng phụ hơn luôn là mối quan tâm hàng đầu. 1.2. Giới thiệu về benzimidazole 1.2.1. Đặc điểm chung Benzimidazole là hợp chất hữu cơ dị vòng thơm, được cấu tạo từ vòng benzene và vòng imidazole gắn với nhau tại vị trí 4, 5 của vòng imidazole. Nó là một cấu trúc nổi trội có hoạt tính sinh học đa dạng trong ngành hóa dược [23]. Quy tắc đánh số của vòng benzimidazole như sau: 1 1 H 7 H N 6 8 N 5 2 2 5 N 9 N 4 3 4 3 Vòng imidazole Vòng benzimidazole Nhân benzimidazole xuất hiện trong nhiều hợp chất tự nhiên và các dẫn xuất của chúng được đánh giá có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực y học. Sự có mặt của khung benzimidazole trong các hợp chất sinh học, chẳng hạn như purine - nền của DNA và sự xuất hiện của khung này trong vitamin B12 đã nhận được sự quan tâm