Untitled 46 Khoa học và đời sống Số 12 năm 2020 hạn chế của thuốc được tổng hợp bằng phương pháp hóa học Cơ thể người và tất cả các sinh vật là một hệ thống sống, được cấu tạo và hoạt động trong một h[.]
Khoa học đời sống TriểN VọNg TổNg HợP THuốC BằNg PHươNg PHáP XúC TáC eNzyM SiNH HọC Nguyễn Trung Hiếu Khoa công nghệ sinh học, trường Đại học nguyễn tất thành Các phân tử thuốc tổng hợp có cấu trúc không gian chiều, nhiên với thuốc tổng hợp hóa học đồng phân chúng có tác dụng mong muốn cải thiện bệnh, đồng phân lại tạp chất thường gây tác dụng phụ độc tính không mong muốn Để giải vấn đề này, nhà khoa học đưa phương pháp xúc tác enzym sinh học cho phép tạo sản phẩm thuốc tạp chất giảm đáng kể đồng phân quang học không mong muốn hạn chế thuốc tổng hợp phương pháp hóa học Cơ thể người tất sinh vật hệ thống sống, cấu tạo hoạt động hệ thống khơng gian chiều Sự chuyển hóa phân tử sinh học enzym thể tương tác phân tử lên tế bào, quan hệ quan theo nguyên tắc tương thích cấu trúc khơng gian, có nghĩa phải theo chế giống “ổ khóa chìa khóa” Các chất muốn tác động lên phân tử sinh học vị trí đích tác động (thụ thể - receptor) phải tương thích cấu trúc khơng gian với thụ thể mà tác động Các phân tử thuốc tổng hợp có cấu trúc khơng gian chiều (các cấu trúc có đồng phân cấu tạo, cấu dạng, hình học quang học), thường đồng phân chúng có cấu trúc tương thích thực với vị trí đích tác động mong muốn (vị trí mà tác động vào có điều chỉnh để cải thiện bệnh), đồng phân lại tạp chất thường khơng tương thích gây tác dụng phụ độc tính khơng mong muốn Điển thuốc kháng viêm naproxen phổ biến điều trị viêm Thuốc tổng hợp hóa học nên sản phẩm tạo thành gồm đồng phân quang học R S (thường gọi hỗn hợp racemic chứa 50% đồng phân S 50% đồng phân R), đồng phân S - naproxen có hoạt tính kháng viêm cao gấp 28 lần so với đồng phân R - naproxen [1-3] Tương tự, thuốc salbutamol (hay albuterol) 46 Số 12 năm 2020 thường dùng điều trị bệnh hen suyễn phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) tổng hợp phương pháp nên thành phần có đồng phân S - albuterol R - albuterol Đồng phân R - albuterol chất chủ vận thụ thể β2adrenergic nên làm giảm co thắt trơn phế quản tốt cho bệnh hen suyễn bệnh phổi tắc nghẽn; đó, đồng phân S - albuterol lại khóa đường trao đổi chất, tích tụ nhiều gây viêm phổi, làm bệnh trầm trọng Hoặc thuốc Thalidomide (một biệt dược sản xuất Đức, tiếng thị trường đưa vào sử dụng năm 1957) mệnh danh “thần dược” cho phụ nữ mang thai để điều trị triệu chứng chóng mặt, ngủ, buồn nôn giai đoạn ốm nghén Tuy nhiên, kể từ năm 1961, Thalidomide bị cấm sản xuất lưu hành sau hàng nghìn bà mẹ sử dụng loại thuốc sinh đứa trẻ bị dị tật, gọi “hội chứng chim cánh cụt” Thuốc tổng hợp tạo đồng phân quang học, gồm: R - thalidomide gây cảm giác thoải mái, không buồn nôn, ăn ngon, ngủ ngon; khi, đồng phân S - thalidomide lại gây tác hại nghiêm trọng, đứa bé sinh có tượng chi khơng phát triển [4] (hình 1) Điều cần quan tâm thuốc tổng hợp hóa học phải qua nhiều giai đoạn trung gian, trình tổng hợp cần sử dụng chất xúc tác, chất bảo vệ nhóm chức, sản phẩm tạo thường chứa nhiều tạp chất không mong muốn; tổng hợp thuốc mà cấu trúc có nhiều carbon bất đối số đồng phân quang học tạo Khoa học đời sống antarctica) acyl hóa có tính chọn lọc nhóm chức cao, chủ yếu gắn lên nhóm 5’-OH cấu trúc, sản phẩm phụ khác tạo khơng đáng kể (dưới 1%) (hình 2) Hình Những đứa trẻ sinh từ người mẹ dùng thuốc Thalidomide thành khó kiểm sốt nhiều (số đồng phân quang học tạo thành nhiều 2n, với n số cacbon bất đối cấu trúc) việc tách chiết thu hoạt chất tinh khiết quang học lại khó khăn Nếu q trình chiết xuất để loại bỏ tạp chất kiểm nghiệm tạp chất khơng đầy đủ hiệu nguy tiềm ẩn tác dụng phụ khó lường, thuốc cần phải thử nghiệm lâm sàng trước đưa sử dụng Do vậy, thuốc tinh khiết quang học (chỉ chứa đồng phân nhất) có hoạt tính cao an tồn nhiều so với thuốc tổng hợp dạng racemic Khi sử dụng thuốc tinh khiết quang học, liều thuốc sử dụng giảm đến 50% so với liều thuốc thông thường, giảm đáng kể cấu trúc khác khơng mong muốn có thuốc, nhờ làm giảm đáng kể tác dụng phụ, giảm gánh nặng cho gan phải chuyển hóa đào thải chúng khỏi thể Thuốc sử dụng kéo dài cho bệnh mạn tính mà gây độc cho bệnh nhân phương pháp xúc tác enzym sinh học - giải pháp tạo sản phẩm thuốc an toàn hiệu Tổng hợp thuốc phương pháp xúc tác enzym sinh học hay dùng hệ thống enzym thể sinh vật giúp tạo sản phẩm tạp chất giảm đáng kể đồng phân quang học không mong muốn Kết có chất xúc tác enzym sinh học ưu việt Enzym có cấu trúc không gian chiều nên trung tâm hoạt động xúc tác phản ứng có tính chọn lọc cao theo vị trí nhóm chức cấu trúc khơng gian chất Điển hình gắn nhóm acyl lên cấu trúc Nelarabine phương pháp hóa học phản ứng thường ưu tiên acyl hóa nhóm -NH2 sản phẩm chính, sản phẩm phụ nhóm acyl gắn vào nhóm -OH cấu trúc Nhưng acyl hóa lipase (enzym tách từ nấm Candida Hình Acyl hóa lipase Khi thủy phân gốc ester hỗn hợp (R,S)naproxen ethyl ester lipase, enzym thủy phân chọn lọc gốc ester đồng phân S-naproxen ethyl ester mà khơng thủy phân đồng phân cịn lại [2, 3, 5] Hoặc enzyme lipase tách chiết từ Candida cylindracea ester hóa chọn lọc gốc acid đồng phân S-ibupropen hỗn hợp (R,S)-ibuprofen Một số nghiên cứu cho thấy nhiều enzyme lipase từ nhiều chủng vi sinh vật (Aspergillus niger, Candida antarctica) có đặc tính ester hóa chọn lọc đồng phân đối quang (R,S)-ibuprofen (R,S)-ketoprofen [6] Ngồi ra, enzym cịn có nhiều ưu điểm phản ứng nguồn chất đa dạng, giá thành thấp; phản ứng xúc tác diễn dễ dàng hiệu suất cao điều kiện áp suất, nhiệt độ pH bình thường; enzym xúc tác mơi trường khơng phải nước, cố định giá thể xúc tác bình thường có độ bền cao, tái sử dụng nhiều lần cho phản ứng xúc tác chuyển hóa Điển tổng hợp dẫn xuất 5’ - carboxylic acid phương pháp hóa học thường gặp khó khăn gốc acid hình thành ngẫu nhiên vị trí OH 2’, 3’ 5’, để phản ứng tạo dẫn xuất 5’ carboxylic acid cần phải bảo vệ nhóm OH 2’ 3’ cấu trúc trước thực phản ứng Nhưng tổng hợp dẫn xuất nucleoside oxidase (chiết xuất từ Stenotrophomonas maltophilia) cố định giá thể Eupergit - C việc tổng hợp trở nên dễ dàng mà không cần phải bảo vệ gốc OH 2’ 3’ cấu trúc (hình 3) Hình Tổng hợp dẫn xuất 5’ - carboxylic acid nucleoside oxidase 47 Số 12 năm 2020 Khoa học đời sống Enzym lipase vi sinh vật có tác dụng đa dạng, enzym lipase chiết xuất từ Pseudomonas cepacia cố định polypropylen chuyển hóa nguyên liệu lactone dạng racemic thành chất ức chế HMG - CoA reductase giúp hạ cholesterol máu, sản phẩm tạo thành đồng phân S có tác dụng Trên giá thể enzym có độ bền cao tái sử dụng lần Enzym lipase từ Candida rugosa cố định Accurel tổng hợp thuốc ngừa thai tác động kéo dài Ormeloxifene, cho phép tái sử dụng nhiều lần enzym mà hoạt tính enzym khơng thay đổi nhiều, sản phẩm tạo thành chủ yếu đồng phân (-) Ormeloxifene có độ tinh khiết 95% (hiệu suất chuyển đổi 50%) [7] Hoặc quy trình chuyển hóa thuốc kháng virus viêm gan siêu vi B virus HIV (Lamivudine), thuốc thu tinh khiết quang học đến 99,5% Enzym cytidine deaminase chiết từ E coli cố định Eupergit - C, tái sử dụng 15 lần, hiệu suất quy trình 75% Ngồi ra, nhiều thuốc tinh khiết quang học, chế phẩm, vitamin, acid amin nghiên cứu sử dụng thị trường S ibuprofen, thuốc chống trầm cảm paroxetine, kháng HIV carbovir, vitamin B3 áp dụng phương pháp chuyển hóa enzym sinh học dùng hệ thống enzym vi sinh vật để chuyển hóa tổng hợp Ngày nay, xu hướng phát triển công nghệ xanh bền vững tạo sức ép cho ngành công nghiệp để tạo giải pháp sản phẩm an toàn hiệu cho nhu cầu xã hội Điều thúc đẩy ngành hóa học đại phải tạo nguồn nguyên liệu an tồn hơn; việc sử dụng phương pháp xúc tác sinh học xu hướng cho nhiều hoạt động nghiên cứu sản xuất Công nghiệp dược phẩm bị thúc đẩy nhu cầu ngày tăng cho loại thuốc an toàn hơn, loại thuốc cho hiệu điều trị Với phát triển ngoạn mục sinh học phân tử, công nghệ protein, tin sinh học, công nghệ sinh học biến đổi lớn trình tổng hợp hóa học ngành dược phẩm Người ta khám phá tìm kiếm nhiều nguồn enzym từ tự nhiên, tối ưu hóa enzym có, cải tiến cấu trúc để làm tăng tính ổn định tính chọn lọc enzym, cải tiến tạo enzym có tính hồn tồn phù hợp với kiểu phản ứng xúc tác thông số quy mô vận hành công nghiệp 48 Số 12 năm 2020 Đồng thời, chiến lược tìm kiếm phương pháp nguồn nguyên liệu để làm tăng hiệu cố định enzym, tăng độ ổn định hiệu suất chuyển hóa enzym vật thể mang cải thiện nhiều nhược điểm có phương pháp cố định enzym như: tăng tính ổn định, tăng số lần tái sử dụng enzym, trì hoạt tính enzym làm giảm cản trở không gian enzym chất Các kết cho thấy triển vọng lớn phương pháp xúc tác enzym sinh học, hay dùng hệ thống enzym thể sinh vật để sản xuất nguyên liệu làm thuốc, giúp tạo viên thuốc an toàn hiệu tốt cho người sử dụng Tuy nhiên, phương pháp xúc tác enzym cố định gặp phải số hạn chế enzyme sử dụng cần có độ tinh khiết cao; số enzym cố định liên kết giá thể lên acid amin enzym làm biến đổi cấu trúc trung tâm hoạt động enzym; liên kết enzyme lên chất mang làm cản trở tiếp xúc enzym chất, dẫn đến làm giảm hoạt tính enzym cố định so với enzyme tự ? tài liỆu thaM Khảo [1] Walter F Kean, et al (1989), “Effect of R and S enantiomers of naproxen on aggregation and thromboxane production in human platelets”, Journal of Pharmaceutical Sciences, 78, pp.324-327 [2] Saeedeh L Gilani, et al (2018), “Enantioselective synthesis of (S)-naproxen using immobilized lipase on chitosan beads”, Chirality, 29, pp.304-314 [3] J Xin, et al (2000), “Improvement of the enantioselectivity of lipasecatalyzed naproxen ester hydrolysis in organic solvent”, Enzyme and Microbial Technology, 26, pp.137-141 [4] Irene M Ghobrial, S Vincent Rajkumar (2003), “Management of Thalidomide Toxicity”, Journal of Supportive Oncology, 1, pp.194-205 [5] Lucia Steenkamp, Dean Brady (2003), “Screening of commercial enzymes for the enantioselective hydrolysis of R,S-naproxen ester”, Enzyme and Microbial Technology, 32, pp.472-477 [6] Patrícia O Carvalho, et al (2006), “Enzymatic resolution of (R,S)-ibuprofen and (R,S)-ketoprofen by microbial lipases from native and commercial sources”, Brazilian Journal of Microbiology, 37, pp.329-337 [7] Søren V Lehmann, et al (2000), “Enzymatic resolution to (−)-ormeloxifene intermediates from their racemates using immobilized Candida rugosa lipase”, Chirality, 12, pp.568-573 ... thể Thuốc sử dụng kéo dài cho bệnh mạn tính mà gây độc cho bệnh nhân phương pháp xúc tác enzym sinh học - giải pháp tạo sản phẩm thuốc an toàn hiệu Tổng hợp thuốc phương pháp xúc tác enzym sinh. .. lần tái sử dụng enzym, trì hoạt tính enzym làm giảm cản trở không gian enzym chất Các kết cho thấy triển vọng lớn phương pháp xúc tác enzym sinh học, hay dùng hệ thống enzym thể sinh vật để sản... thuốc chống trầm cảm paroxetine, kháng HIV carbovir, vitamin B3 áp dụng phương pháp chuyển hóa enzym sinh học dùng hệ thống enzym vi sinh vật để chuyển hóa tổng hợp Ngày nay, xu hướng phát triển