Nghiên Cứu Các Kỹ Thuật Tổng Hợp Dendrimers Chủ Đề 1 Kỹ Thuật Tổng Hợp Polymer Ứng Dụng Trong Ngành Dược.pdf

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NHÓM 4 – TỔ 2 – H1K1

2091019 – NGUYỄN ĐĂNG DUY

2091022 – NGUYỄN THỊ HƯƠNG GIANG 2091026 – BÙI ĐỨC HẢI

2091038 – TRẦN HOÀNG LÂN

2091049 – NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG 2091050 – HOÀNG NAM PHƯƠNG 2091054 – NGUYỄN ANH THƯ 2091060 – CHU THỊ TRANG

ThS Bùi Thị Thanh Hà

HÀ NỘI – 2022

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên chúng em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đến thầy cô

giáo Bộ môn Hóa hữu cơ - Khoa Công nghệ Hóa dược - Trường Đại học Dược Hà Nội đã đưa ra đề tài, hướng dẫn và hỗ trợ chúng em về phương pháp phát triển

và hoàn thiện tiểu luận

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Trần Anh,

TS Ngô Xuân Hoàng, Ths Bùi Thị Thanh Hà đã giảng dạy, chỉ bảo trong

suốt quá trình học tập môn “Hóa học các hợp chất cao phân tử” để chúng em có đầy đủ kiến thức nền tảng và bản lĩnh để hoàn thành bài tiểu luận

Do kiến thức, kinh nghiệm vẫn còn hạn chế, bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những lời góp ý, nhận xét từ các thầy cô để bài tiểu luận của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 13 tháng 11 năm 2022

Trang Chu Thị Trang

1.1 Giới thiệu về polymer đuôi gai (Dendritic) và Dendrimer 1

1.2 Đại cương về Dendrimer 3

1.2.3.1.1 Hydrophilic Dendrimers (Dendrimers ưa nước) 5

1.2.3.1.2 Biodegradable Dendrimers (Dendrimers phân huỷ sinh học) 6

1.2.3.1.3 Amino Acid-Based Dendrimers 6

1.2.3.1.4 Glycodendrimers 7

1.2.3.1.5 Hydrophobic Dendrimers (Dendrimers kỵ nước) 8

1.2.3.1.6 Asymmetric Dendrimers (Dendrimers có các nhánh không đối xứng) 8

1.2.3.2 Phân loại Dendrimer dựa trên cấu trúc 9

1.2.3.2.1 Simple Dendrimers (Dendrimers đơn giản) 9

1.2.3.2.2 Crystalline Dendrimers (Dendrimers tinh thể) 9

1.2.3.2.3 Chiral Dendrimers (Dendrimers có trung tâm bất đối) 10

1.2.3.2.4 Micellar Dendrimers (Dendrimers có cấu trúc

Micelle) 10

1.2.3.2.5 Hybrid Dendrimers (Dendrimers hỗn hợp) 11

1.2.3.2.6 Amphiphilic Dendrimers (Dendrimers lưỡng tính) 11

1.2.3.3 Các cách phân loại Dendrimer khác 13

1.2.3.3.1 Phân loại Dendrimer dựa trên phân tử tạo nhánh 13

1.2.3.3.2 Phân loại Dendrimer dựa trên loại kết nối 13

1.2.3.3.3 Phân loại Dendrimer dựa trên thành phần tâm 13

1.2.3.3.4 Phân loại Dendrimer dựa trên mô hình tạo nhánh 14

1.2.5.1.5 Dendrimer trong việc chữa trị ung thư 17

1.2.5.1.6 Dendrimer trong dẫn truyền gen 17

1.2.5.2 Các Dendrimer có tiềm năng trở thành tá dược và

việc sử dụng chúng trong ngành Dược 17

1.2.5.3 Một số bằng sáng chế tiêu biểu của Dendrimer trong hệ phân phối thuốc 19

1.2.6 Vài nét về kỹ thuật tổng hợp Dendrimer 21

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TỔNG HỢP DENDRIMER 23

2.1 Con đường cổ điển 23

2.1.1 Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ (Divergent) 23

2.1.2 Kỹ thuật tổng hợp hội tụ (convergent) 30

2.1.3.2 Khác nhau 35

2.1.4 Sự phát triển của con đường cổ điển thông qua chiến lược hóa học nhấp chuật “Click” 35

2.1.4.1 Tổng quan về chiến lược hóa học “Click” 36

2.1.4.2 Kỹ thuật phân kỳ kết hợp chiến lược hóa học Click 36

2.1.4.3 Kỹ thuật hội tụ kết hợp chiến lược hóa học Click 39

2.1.4.4 Ưu điểm 42

2.2 Phương pháp tiếp cận tăng tốc 42

2.2.4 Hội tụ 2 giai đoạn hoặc PP siêu điểm (Double-Stage Convergent Method hoặc Hypercore Approach) 43

2.2.3.3 Ưu điểm - nhược điểm 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Họ của dendrimer cùng tên các nhà sáng lập 2 Bảng 2: Một số tính chất chung của Dendrimer 15 Bảng 3: Các Dendrimers có tiềm năng trở thành tá dược và việc sử

dụng chúng trong ngành Dược 18 Bảng 4: Một số bằng sáng chế tiểu biểu của Dendrimer trong hệ thống

phân phối thuốc 21 Bảng 5: Các điểm khác nhau giữa cách tiếp cận phân kỳ và hội tụ 35 Bảng 6: Bảng tóm tắt những điểm chính của các kỹ thuật tổng hợp

dendrimer 62

Hình 5: Cấu trúc của Dendrimer 5

Hình 6: Dendrimers ưa nước 6

Hình 7: Dendrimer phân hủy sinh học 6

Hình 8: Amino Acid-Based Dendrimers 7

Hình 20: Dendrimer cầu nối N 13

Hình 19: Dendrimer cầu nối aryl 13

Hình 21: Dendrimer tâm BDA 14

Hình 22: Dendrimer tâm NH3 14

Hình 23: Mô hình tạo nhánh 1 → 3 14

Hình 24: Mô hình tạo nhánh 1 → 2 14

Hình 25: Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ 24

Hình 26: Các giai đoạn trong kỹ thuật tổng hợp phân kỳ 24

Hình 27:Quá trình tổng hợp của cách tiếp cận phân kỳ 25

Hình 28: Quá trình tổng hợp PAMAM 27

Hình 29: Cơ chế phản ứng minh họa cho thiếu đơn vị lặp lại, vòng

tuần hoàn nội phân tử và giữa các phân tử 28

Hình 30: Cơ chế phản ứng minh họa cho thủy phân ester và phản ứng Michael Retro 29

Hình 31: Quá trình tổng hợp của cách tiếp cận hội tụ 30

Hình 32: Quá trình kích hoạt dendron focal và kết hợp với AB2 monomers 31

Hình 33: Cơ chế phản ứng thể hiện tính năng hấp dẫn của chiến lược hội tụ 32

Hình 34: Quá trình tổng hợp Dendrimers Poly (aryl ether) 34

Hình 35: Quá trình chuẩn bị Dendrimer thế hệ 1 và 2

Hình 36: Quá trình chuẩn bị Dendrimer thế hệ 3 và thế hệ 4 38

Hình 37: Tổng hợp triazole có chứa dendrimers thế hệ thứ ba (G3.0) và thứ tư (G4.0) 39

Hình 38: Tổng hợp РАМАМ dendrimers có lõi carbazole thông qua việc kết hợp chiến lược hóa học “Click” trong tuyến hội tụ 40

Hình 39: Quy trình tổng hợp РАМАМ dendrimers bao gồm tetra (ethylene oxide) làm lõi thông qua phương pháp hội tụ sử dụng hóa học nhấp chuột 41

Hình 40: Sự tối ưu của cách tiếp cận nhanh so với con đường cổ điển 42

Hình 41: Quá trình tổng hợp của kỹ thuật hội tụ hai giai đoạn 43

Hình 42: Quá trình tổng hợp Dendrimer G7 thông qua kỹ thuật hội tụ 2 giai đoạn 45

Hình 43: Quá trình tổng hợp Dendrimer thế hệ 2 sử dụng monomer AB4 46

Hình 44: Quá trình chuẩn bị thế hệ 5 Dendron poly (aryl ete) 47

Hình 46: Quá trình tổng hợp của chiến lược hóa học Lego 49

Hình 45: Cấu trúc của 2 đơn phân, lõi và cơ chế chung của chiến lược hóa học Lego 49

Hình 47: Tổng quan về kỹ thuật tổng hợp lũy thừa kép 50

Hình 49: Quá trình tổng hợp Dendrimer dựa trên acid propionic

2,2-bis (hydroxymethyl) (2,2-bis-MPA) 53 Hình 50: Phản ứng ba thành phần Passerini (Passerini-3CR) và phản

ứng bốn thành phần Ugi (Ugi-4CR) 54 Hình 51: Quá trình tổng hợp dựa trên cách tiếp cận MCR từ phân tử

lõi acid tetra-cacboxylic trải qua Ugi-4CR 55 Hình 52: Quá trình tạo dendrimer G3, được bổ sung bởi các nhóm

chức đường thông qua phản ứng nhấp chuột CuAAC 56 Hình 53: Quá trình tạo ra các dendron G2 chứa cả nhóm ngoại vi

benzyl và alkyl mạch thẳng 57

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu ở lĩnh vực kỹ thuật y sinh, công nghệ dược phẩm và y học.Nanomedicine là một lĩnh vực của công nghệ nano, có mục đích chính trong điều trị và phòng ngừa bệnh tật Thực tế, trên thị trường dược phẩm thế giới đã xuất hiện nhiều sản phẩm nano sử dụng trong phòng và điều trị các bệnh viêm nhiễm nặng, ung thư và liên quan đến liệu pháp trị liệu gen Các thuốc nano đã chứng minh khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả trị liệu và tăng tính an toàn của sản phẩm so với các dạng bào chế quy ước

Có thể nói Dendrimers là cấu trúc nano đầy hứa hẹn bởi khả năng ứng dụng trong tá dược dược phẩm do các đặc tính cấu trúc và hóa lý đặc biệt như kích thước nano, mức độ phân nhánh cao, tính đa trị, tính tương hợp sinh học, khả năng hòa tan trong nước cao, không có tính sinh miễn dịch, trọng lượng phân tử chính xác và các khoang bên trong có sẵn, máy kéo đuôi gai là phương tiện tuyệt vời để vận chuyển thuốc một cách an toàn và hiệu quả [36] Ngoài ra, Dendrimers còn có khả năng kết hợp với các tá dược cao phân tử khác, chẳng hạn như polyetylen glycol (PEG) [24] Các đặc tính độc đáo đó khiến chúng có thể áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật chẩn đoán và y sinh, bao gồm cả hệ thống phân phối thuốc và gen Điều này đã chứng minh được tầm quan trọng của Dendrimers trong việc cải thiện tính an toàn của thuốc và giảm độc tính liên quan đến thuốc [16] Ngoài ra, Dendrimers cũng có thể có các hoạt động kháng khuẩn và kháng vi-rút [16], [23] Hóa học dendrimer lần đầu tiên được thảo luận vào năm 1978 bởi Fritz Vogtle và được mở rộng sau đó bởi một số nhà nghiên cứu khác [3], [33] Hợp chất này thể hiện các tính năng độc đáo của cả hóa học phân tử và hóa học polyme Kỹ thuật tổng hợp Dendrimers từng bước được kiểm soát dựa trên bản chất phân tử, trong khi thành phần monomer của nó được xác định bởi bản chất cao phân tử [6] Sự tiến hóa về cấu trúc của Dendrimers - từ các phân tử đơn chức, đơn giản đến các hợp chất phức tạp, đa chức năng - gắn bó chặt chẽ với sự cải tiến liên tục trong các kỹ thuật tổng hợp truyền thống, cũng như sự phát triển của các công cụ kỹ thuật tổng hợp mới [20]

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều bài báo khoa học xuất sắc, nghiên cứu về các kỹ thuật tổng hợp Dendrimers Tuy nhiên, để giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về các cách tiếp cận Dendrimers cũng như dễ dàng lựa chọn phương pháp phù hợp để thu được sản phẩm chất lượng cao và tối ưu các chức năng của nó trong tá dược, bài tiểu luận này sẽ tổng hợp các kỹ thuật tiêu biểu đồng thời đánh giá, bàn luận về ưu, nhược điểm và quy mô ứng dụng của chúng Ngoài ra bài viết cũng đề cập đến những vấn đề quan trọng về ứng dụng của Dendrimers trong ngành Dược Dữ liệu đánh giá này được thu thập từ nhiều các bài báo, tài liệu nghiên cứu và bằng sáng chế có sẵn về Dendrimers [36].

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về polymer đuôi gai (Dendritic) và Dendrimer

Lịch sử của polyme đuôi gai (Hình 1) bắt đầu từ cuối thế kỷ 19, khi Berzelius chế tạo một loại nhựa siêu phân nhánh bằng acid tartaric và glycerol [9] Sau đó, Flory đã phát triển khái niệm mức độ phân nhánh (Dendrimer Branched) Một trong những polyme đuôi gai điển hình, polyme siêu phân nhánh, được Kim và Webster đặt ra lần đầu tiên [9]

Các polyme đuôi gai là các đại phân tử có nhiều nhánh, được đặc trưng bởi kiến trúc giống như cây, kết hợp nhiều mức phân nhánh [32] Loại vật liệu mới này có sự kết hợp độc đáo của các tính năng bao gồm cấu trúc liên kết hình cầu nhỏ gọn với đường kính từ 1 nm đến hơn 100 nm, sự hiện diện của các lỗ trống bên trong và một số lượng lớn các nhóm chức năng ở ngoại vi Phổ rộng các ứng dụng đang được phát triển cho các đại phân tử này trong các lĩnh vực như vi bao, phân phối thuốc, thu nhận ánh sáng, nhận dạng phân tử và xúc tác là kết quả của những tính năng đáng chú ý này Polyme đuôi gai có thể được chia thành ba nhóm chính: dendrimers (cấu trúc được kiểm soát tốt, bao gồm các sợi lai tuyến tính-đuôi gai), polyme dendrigraft (cấu trúc bán kiểm soát); và polyme siêu phân nhánh (phân nhánh theo thống kê)

Dendrimers lần đầu tiên được phát hiện bởi Donald Tomalia và các đồng nghiệp vào đầu năm 1830 Nó được tổng hợp bằng chuỗi lặp đi lặp lại các bước và ý tưởng này được báo cáo bởi Vogtle (Buhleier và cộng sự, 1978) Tiếp theo là một dự án phát triển dành riêng cho kỹ thuật phân kỳ, đại phân tử tổng hợp của “những chiếc đuôi gai thực sự” bởi Tomalia (Tomalia và cộng sự, 1984 - 1985) Họ là những người đầu tiên đặt ra thuật ngữ “dendrimer” cho các đại phân tử này và mô tả chi tiết sự tổng hợp của dendrimer poly (amidoamine) (PAMAM) Sau đó là phương pháp tổng hợp hội tụ được giới thiệu bởi Frechet (Hawker và Frechet, 1990) [10].

Có thể thấy dendrimers nhận được sự quan tâm to lớn trong sự nghiên cứu

cao phân tử bởi sự phân nhánh cao và có các đặc điểm đặc biệt như các nhóm cuối chức năng khác nhau, tỷ trọng cao hơn và độ nhớt ít hơn so với polymer đơn giản [10].

Các họ dendrimer khác nhau với cách tổng hợp khác nhau nhưng phổ biến là các phản ứng có trình tự lặp đi lặp lại và các bước lọc Sau đây là bảng hệ thống các họ tiêu biểu của dendrimer cùng tên của các nhà khoa học đã tìm ra chúng [7]

dendrimer

1985

sự

1981

Bảng 1: Họ của dendrimer cùng tên các nhà sáng lập

Hình 1: Sơ đồ của đuôi gai

Dendrimer là những polymer phân tử lượng lớn, hình cây siêu phân nhánh có ngăn rỗng ở giữa, được tổng hợp hoá học bằng cách gắn từng bước một các đơn vị monome vào nhân Về cấu tạo không gian, Dendrimer được chia thành 3 vùng: vùng nhân, vùng nhánh và bề mặt

Hình 3: Biểu diễn giản đồ của một dendrimer

Dendrimer này bắt đầu từ lõi ethylene diamine; các nhánh hoặc nhánh được gắn vào bằng cách bổ sung Michael hoàn toàn với metyl acrylat sau đó là phản ứng amin hóa hoàn toàn của metyl este tạo thành bằng cách sử dụng etylen diamin [28]

1.2.2 Đặc điểm cấu trúc

Cấu trúc của các phân tử Dendrimer bắt đầu bằng một nguyên tử trung tâm hoặc một nhóm nguyên tử được gọi là nhân Từ nhân trung tâm, đại phân tử xoè ra nhiều nhánh tạo thành khối hình cầu có kích thước theo ý muốn có ngăn rỗng ở giữa và bề mặt đa chức năng Nhân trung tâm được gọi là thế hệ 0 (G0), các lớp tiếp theo của nhánh sau khi gắn được gọi là G1, G2, G3, … Có thể tổng hợp được các Dendrimer có kích thước khác nhau tùy theo yêu cầu

Nhìn chung Dendrimers được xây dựng từ một nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) đa hoá trị, ví dụ như nitơ Bởi một loạt của các phản ứng hóa học, các nguyên tố khác như carbon được gắn vào nitơ tạo ra một cấu trúc phân nhánh hình cầu Khi quá trình này lặp lại, các lớp liên tiếp được thêm vào và hình cầu có thể được mở rộng đến kích thước cần thiết

Như vậy, Dendrimer có cấu tạo gồm 3 phần chính, cụ thể là:

Hình 4: Các thế hệ Dendrimers

• Tâm phân tử (lõi, nhân)

• Các nhánh bên trong liên kết các nhóm bên ngoài với tâm, giữa các nhánh có nhiều không gian trống, hình thành nhiều lớp hình tròn đồng tâm gọi là các thế hệ

• Các nhóm bề mặt: có thể là các nhóm anion, các nhóm cation, các nhóm ưa nước, các nhóm kỵ nước

1.2.3 Phân loại

Dendrimer có thể được phân loại dựa trên nhiều cách khác nhau

1.2.3.1 Phân loại Dendrimer dựa trên các tính chất vật lý và hoá học 1.2.3.1.1.Hydrophilic Dendrimers (Dendrimers ưa nước)

Đặc trưng là các dendrimers PAMAM được tổng hợp từ phản ứng cộng Michael diễn ra giữa lõi alkyl diamine (ethylenediamine) sử dụng các monome của metyl acrylate, kết quả là tạo ra chất trung gian phân nhánh Các monomer mới được hình thành này tiếp tục được chuyển đổi thành các phân tử thế hệ nhỏ như phân tử nhóm bề mặt −OH và −NH được hình thành khi phản ứng với etanolamin và etylenglycol dư, tương ứng Chất trung gian này giải phóng các dendrimer anion nhỏ nhất có bốn nhóm −COOH khi thủy phân metyl este Hiện tượng này là do yếu tố hơi nước, là kết quả của việc quá đông các nhánh phân nhánh Phương pháp này được đặt ra như một hiệu ứng đóng gói dày đặc Chúng được coi là chất mang phù hợp để phân phối các phân tử thuốc do khả năng hòa tan trong nước cao hơn, nhiều nhóm bề mặt và cấu trúc độc đáo [19]

Hình 5: Cấu trúc của Dendrimer

Hình 6: Dendrimers ưa nước

1.2.3.1.2.Biodegradable Dendrimers (Dendrimers phân huỷ sinh học)

Sự xuất hiện của các dendrime phân hủy sinh học là để tạo ra các polyme có trọng lượng phân tử lớn mong muốn có thể đạt được sự lắng đọng cao trong mô và cho phép loại bỏ nhanh các mảnh của nó qua nước tiểu để tránh độc tính không đặc hiệu [12]

Hình 7: Dendrimer phân hủy sinh học

1.2.3.1.3.Amino Acid-Based Dendrimers

Các dendrimers acid amin (AA) được hình thành bằng cách tích hợp các khối có các đặc tính khác nhau như tính đối xứng, tính kỵ nước, có khả năng nhận biết sinh học và đặc tính quang học Thành phần bên trong cụ thể có nguồn gốc từ các khối xây dựng AA cung cấp các vị trí chọn lọc lập thể, nơi các phân tử khách có thể được gắn vào một cách bất bình thường Những dendrimers này cũng có thể được sử dụng làm protein bắt chước, gen và phân phối thuốc mục tiêu do cấu trúc gấp khúc độc đáo của các đơn vị phân nhánh Các họ đuôi gai này thường được tổng hợp từ AA hoặc ghép peptit và hiển thị trên bề mặt đuôi gai truyền thống hoặc gắn AA hoặc peptide vào peptide hoặc lõi hữu cơ

1.2.3.1.4 Glycodendrimers

Nguồn gốc của các dendrimers glycol dựa trên thực tế là carbohydrate tương tác với các thụ thể khác nhau được hiển thị trên bề mặt tế bào, từ đó kiểm soát một số quá trình bình thường và bất thường Kết luận từ các nghiên cứu khác nhau rằng carbohydrate được sử dụng như chất mang trong dendrimers [30] Glycodendrimers đã được báo cáo là sử dụng như một chất mang trong liệu pháp

điều trị ung thư, như một tác nhân di căn và như một chất kích thích miễn dịch

Hình 8: Amino Acid-Based Dendrimers

1.2.3.1.5.Hydrophobic Dendrimers (Dendrimers kỵ nước)

Các đơn vị cấu tạo của dendrimers được gắn kết cộng hóa trị với nhau và chống lại sự phá vỡ trong pha dung dịch loãng Các dendrimers có khoảng trống bên trong kỵ nước và bề mặt ưa nước giống như micelle đơn phân tử đã được báo cáo, và khả năng hòa tan của các đầu dò kỵ nước, thuốc nhuộm và chất đánh dấu huỳnh quang đã được nghiên cứu thành công Cyclophanes hoặc dendrophanes là các dendrimers được báo cáo là bao bọc các chất béo và thơm

1.2.3.1.6.Asymmetric Dendrimers (Dendrimers có các nhánh không đối xứng)

Hình 9: Glycodendrimers (Nanjwade và cộng sự, 2009)

Hình10: Dendrimer kỵ nước

Gillies và Fréchet đã tổng hợp các tua cuốn không đối xứng được công nhận nhiều nhất được gọi là tua cuốn polyester dendrimer có thể cung cấp một cấu hình dược động học tốt hơn Chúng thường được tổng hợp bằng cách ghép nối các dendron của nhiều thế hệ khác nhau thành một phân tử lõi tuyến tính Cấu trúc cuối cùng tạo thành một kiến trúc đuôi gai trực giao không đồng nhất Trọng lượng phân tử, cấu trúc và số lượng nhóm chức có thể được điều chỉnh trong loại dendrimers này Lee và các đồng nghiệp đã sử dụng hóa học nhấp chuột để tổng

hợp một dendrimer không đối xứng G3 [30]

1.2.3.2 Phân loại Dendrimer dựa trên cấu trúc

Hình dạng, cấu trúc, sự phân nhánh, độ hòa tan, độ liền mạch và sự gắn kết của các loại dendrimer được thảo luận dưới đây [19]:

1.2.3.2.1.Simple Dendrimers (Dendrimers đơn giản)

Các loại dendrimers này bao gồm các đơn vị monome đơn giản dựa trên sự thay thế đối xứng của este axit tricarboxylic benzen Chúng có 4, 10, 22 và 46 vòng benzen liên kết đối xứng và đường kính phân tử là 45 Å [1], [29]

1.2.3.2.2.Crystalline Dendrimers (Dendrimers tinh thể)

Hình 11: Dendrimer có các nhánh không đối xứng

Các loại dendrimers này được hình thành bởi các monome mesogenic được tạo ra bởi chức năng hóa carbosylane [5]

1.2.3.2.3.Chiral Dendrimers (Dendrimers có trung tâm bất đối)

Những loại dendrimers này là những dendrimers polypropylene siêu phân nhánh, có khả năng hòa tan trong nước, thơm hoàn toàn tạo ra một cụm chuỗi polyme thơm có khả năng tạo ra một milieu giống như một số cấu trúc micellar dẫn đến tạo phức với các phân tử hữu cơ nhỏ trong nước [11], [13]

1.2.3.2.4.Micellar Dendrimers (Dendrimers có cấu trúc Micelle)

Những loại dendrimers này là những dendrimers polypropylene siêu phân nhánh, có khả năng hòa tan trong nước, thơm hoàn toàn tạo ra một cụm chuỗi

Hình 12: Dendrimer tinh thể

Hình 13: Chiral Dendrimer

polyme thơm có khả năng tạo ra một môi trường giống như một số cấu trúc micellar dẫn đến tạo phức với các phân tử hữu cơ nhỏ trong nước [11], [13]

1.2.3.2.5 Hybrid Dendrimers (Dendrimers hỗn hợp)

Các dendrimers này được hình thành do sự thay đổi chức năng của các amin ngoại vi của polyetylenimine thế hệ 0, dẫn đến việc hình thành các cấu trúc có tổ chức dạng hình khối và cột đa dạng về cấu trúc được biến đổi đáng kể để tạo ra các cấu trúc đuôi gai, ví dụ, polyme mạch thẳng của đuôi gai lai [13]

1.2.3.2.6.Amphiphilic Dendrimers (Dendrimers lưỡng tính)

Các dendrime lưỡng tính chủ yếu được điều chế bằng cách phân tách hai bên của chuỗi với một phần có chức năng rút điện tử và phần còn lại cho điện tử, ví dụ, siêu hoàn hảo, hydra amphiphiles và bola amphiphiles [25], [13]

Hình 14: Polyme mạch thẳng của đuôi gai lai

Hình 15: Amphiphilic Dendrimer

Metallodendrimers được hình thành bằng một phương pháp hình thành phức tạp diễn ra ở bề mặt ngoại vi hoặc bên trong phân tử Các dendrime được hình thành bằng phương pháp này được phát hiện có cả tính chất điện hóa và phát quang, ví dụ như ruthenium bipyridine [1]

1.2.3.2.8 Tectodendrimers

Stratus® CS Acute Care ™ và Starburst® là những thiết bị kiểm soát công nghệ có bán trên thị trường Chúng chứa dendrimer trong lõi và đóng nhiều vai trò khác nhau, từ xác định tế bào bị bệnh đến chẩn đoán tình trạng nhiễm trùng [1]

Hình 16: Metallodendrimers

1.2.3.3 Các cách phân loại Dendrimer khác

1.2.3.3.1.Phân loại Dendrimer dựa trên phân tử tạo nhánh

Các Dendrimer được phân chia theo các nhánh: Dendrimers nhánh N, Dendrimers nhánh Aryl, Dendrimers nhánh C, Dendrimers nhánh Si, Dendrimers nhánh Saccharide, Dendrimers nhánh P,

1.2.3.3.2.Phân loại Dendrimer dựa trên loại kết nối

Các Dendrimer được phân chia theo các loại liên kết hoá học ở vị trí kết nối: Dendrimers cầu nối N, Dendrimers cầu nối O, Dendrimers cầu nối Aryl, Dendrimers cầu nối Ester, …

Hình 18:Dendrimer nhánh N Hình 17: Dendrimer nhánh Aryl

Hình 20: Dendrimer cầu nối aryl Hình 19: Dendrimer cầu nối N

Các Dendrimer được phân chia theo thành phần tâm của chúng: Dendrimers tâm NH3, Dendrimers tâm Ethylenediamine, Dendrimers tâm Butylenediamine, Dendrimers tâm Aryl,

1.2.3.3.4.Phân loại Dendrimer dựa trên mô hình tạo nhánh

Theo cách phân loại này thì có Dendrimer theo nối tạo nhánh 1→2 và Dendrimer tạo nhánh 1→3

Mô hình tạo nhánh 1 → 2 Mô hình tạo nhánh 1 → 3

1.2.4 Tính chất chung

Các Dendrimer mạch thẳng được tổng hợp theo quá trình trùng hợp cổ điển thường có những tính chất ngẫu nhiên và kích thước khác nhau Tuy nhiên, kích thước và khối lượng phân tử của chúng có thể được kiểm soát bằng cách điều khiển phản ứng tổng hợp amid để tạo nên cấu trúc cho những phân tử này Kết quả là chúng được phát hiện có những tính chất vật lý và hoá học được nâng cao so với những Dendrimer mạch thẳng ban đầu [35]

Hình 22: Dendrimer tâm NH3

Hình 21: Dendrimer tâm BDA

Hình 24: Mô hình tạo nhánh 1 → 2

Hình 23: Mô hình tạo nhánh 1 → 3

Những tính chất khác của Dendrimer như độ hoà tan, khả năng phản ứng, hay điểm dịch chuyển lỏng-rắn phụ thuộc vào bản chất của các nhóm bề mặt Độ hoà tan của Dendrimer cũng thay đổi theo sự thay đổi bản chất của những nhóm chức này Những nhóm ưa nước khiến phân tử dễ tan trong dung môi phân cực, và ngược lại, nhóm kỵ nước khiến phân tử tan trong những dung môi không phân cực Mặt khác, số lượng nhánh (thế hệ) càng nhiều, thể tích hình cầu phân tử càng lớn Một số tính chất chung của Dendrimer được thể hiện trong bảng sau đây:

13 Khả năng phân tán Chỉ số phân tán đơn sắc/ phân tán hẹp

Bảng 2: Một số tính chất chung của Dendrimer

1.2.5 Ứng dụng của Dendrimer trong ngành Dược 1.2.5.1 Lĩnh vực ứng dụng trong ngành Dược

Dendrimer có những đặc điểm rất thích hợp để làm chất mang thuốc Dendrimer có kích thước rất nhỏ (nano), có cấu trúc không gian rỗng bên trong phân tử, có các nhóm chức bề mặt có thể kết nối với các nhóm chức khác trong tế bào cơ thể người

Hai Dendrimer được sử dụng làm chất mang thuốc phổ biến nhất hiện nay là PAMAM - Poly(amidoamin) và PPI - Poly(propylene-imin) biến tính

1.2.5.1.2 Ứng dụng phân phối thuốc tới đích

Dendrimer có thể phân phối thuốc tới đích theo 2 hướng là phân phối chủ động và phân phối thụ động

Sự định hướng thụ động xuất phát từ hiện tượng tăng tính thấm và tăng hiệu quả lưu giữ đặc trưng ở các mô ung thư Tại hầu hết các mô khoẻ mạnh, kích thước mạch máu thường nhỏ hơn 2 nm, kích thước này là quá nhỏ so với hầu hết các chất mang nano hiện nay Còn tại các mô ung thư, do sự tăng sinh mạch máu nên kích thước mạch máu từ khoảng 100-800 nm, do đó mà các phân tử nano dễ dàng chui lọt qua Tuy nhiên, các Dendrimer chỉ tập trung ở các khe kẽ của vùng mô ung thư nên chưa đủ khả năng tấn công đặc hiệu vào tế bào ung thư

Ở sự định hướng chủ động, trên bề mặt Dendrimer sẽ được gắn thêm các nhóm định hướng Các nhóm này có thể là peptide, các kháng thể, carbohydrate, đặc hiệu với các kháng nguyên và thụ thể trên bề mặt tế bào ung thư Từ đó, Dendrimer sẽ mang thuốc đến đúng nơi cần chữa trị

1.2.5.1.3 Ứng dụng làm thuốc

Dendrimer có thể được sử dụng làm thuốc kháng virus Do Dendrimer có kích thước nhỏ hơn nhiều các loại virus nên có thể được phát triển để can thiệp vào quá trình kết nối virus và tế bào chủ (nhờ lực tương tác tĩnh điện) nhằm ức chế ở giai đoạn virus xâm nhập tế bào Điều này càng được củng cố khi đã có nhiều nghiên cứu cho thấy các loại Dendrimer anionic có khả năng chống lại một số loại virus như virus cúm HA, virus HSV, virus Ebola, virus HIV, …

Dendrimer cũng có thể được ứng dụng làm thuốc kháng khuẩn Khi đó, các Dendrimer kháng khuẩn thường chứa các nhóm amine hay tetra alkyl ammonium trên bề mặt Các Dendrimer này sẽ gắn và phá huỷ màng anionic của vi khuẩn, gây nên hiện tượng dung giải vi khuẩn (bacterial lysis) Thực tế đã chứng minh,

Dendrimer có khả năng diệt hiệu quả cả vi khuẩn gram âm và gram dương Chưa hết, Dendrimer polylysin có nhóm bề mặt mannosyl được chứng minh có khả năng ức chế sự kết dính của vi khuẩn E Coli với tế bào máu ngựa Đồng thời, các Dendrimer chứa các kim loại hiếm như Au, Ag, Pt… cũng có khả năng diệt khuẩn rất tốt

1.2.5.1.4 Ứng dụng làm chất mang vaccine

Dendrimer, do có kích thước và cấu trúc xác định, nên đang dần thay thế các protein để làm chất mang vaccine

1.2.5.1.5 Dendrimer trong việc chữa trị ung thư

Theo nghiên cứu, khi kết hợp Dendrimer với các phức chất của kim loại Pt đã thu được một số loại thuốc và tiền thuốc kháng ung thư có triển vọng

1.2.5.1.6 Dendrimer trong dẫn truyền gen

Dendrimer với các nhóm amine trên bề mặt có thể vận chuyển DNA tới màng tế bào và có thể hỗ trợ quá trình dịch chuyển bằng các phá vỡ màng tế bào

1.2.5.2 Các Dendrimer có tiềm năng trở thành tá dược và việc sử dụng chúng trong ngành Dược [35]

Poly(propyleneimine) (PPI) dendrimers

Các nhóm đầu cuối với các amin chính và bên trong PPI chứa các amin propylene tris bậc ba

Tăng độ hòa tan của thuốc thông qua các tương tác tĩnh điện

Frechet-type dendrimers Kiến trúc siêu phân nhánh của polybenzyl ether Chứa các nhóm -COOH dưới dạng nhóm thiết bị đầu cuối

Giúp tăng cường độ hòa tan trong môi trường nước và các dung môi phân cực khác

Peptide dendrimers Lõi phân nhánh peptidyl hoặc cộng hóa trị được gắn dưới

Hoạt động như chất hoạt động bề mặt và

dạng các đơn vị chức năng bề mặt

phân phối thuốc và gen

Glycodendrimers Chứa dư lượng saccharide dưới dạng nhóm đầu cuối và lõi với các đơn vị đường

Cung cấp thuốc đặc hiệu tại chỗ cho các cơ quan giàu lectin Hybrid dendrimers Một sự pha trộn của các

polyme tuyến tính và đuôi gai

Hoạt động như một chất hoạt động bề mặt và hệ thống phân phối thuốc

Polyester dendrimers Dendrimers dựa trên polyester

Nhắm mục tiêu thuốc, cải thiện phân phối sinh học và điều chế phát hành thuốc Poly-L-lysine (PLL)

dendrimers

Các đơn vị lõi và phân nhánh dựa trên acid amin lysine

Chất mang gen và tăng khả năng hòa tan của thuốc

Carbosilane dendrimers Dendrimers dựa trên Si, cho phép chức năng hóa và ổn định

Chất tăng cường liệu pháp gen

Bảng 3: Các Dendrimers có tiềm năng trở thành tá

dược và việc sử dụng chúng trong ngành Dược [35]

1.2.5.3 Một số bằng sáng chế tiêu biểu của Dendrimer trong hệ phân phối thuốc

Mặc dù polyme đuôi gai có lịch sử gần ba thập kỷ, số lượng giấy tờ và bằng sáng chế đang tăng lên hàng năm, điều này cho thấy sự tiến bộ không ngừng của các ứng dụng của chúng trong nghiên cứu học thuật và các quy trình công nghiệp, cũng như trong lĩnh vực y sinh Trong (bảng 4) là một số ví dụ gần đây về các bằng sáng chế cho dendrimers làm hệ thống phân phối thuốc được đề cập [36]

Ứng dụng Dược phẩm

xuất bản

Giao gen

MicroRNA-150 (miR-MicroRNA-150)

Một dendrimer PAMAM được thiết kế để phân phối bền vững miR-150 đến các tế bào bạch cầu cấp dòng tủy biểu hiện quá mức FLT3 Các nghiên cứu trên mô hình động vật tiền lâm sàng đã chứng minh hiệu quả điều trị tốt

2019

Phân phối thuốc CNS

PAMAM Protein Prion (PrP)

PrP được liên hợp với các dendrimers PAMAM để điều trị bệnh Alzheimer Phức hợp này sẽ ức chế sự hình thành mảng bám β-amyloid (chúng hoạt động như chất độc thần kinh mạnh in vitro và in vivo trong bệnh Alzheimer)

2019

Phân phối thuốc khối u

PAMAM Disulfiram Disulfiram và indocyanin màu xanh lá cây làm nhạy cảm quang học được gắn vào dendrimer PAMAM-G0 để điều trị chống khối u Điều này đã chuẩn bị một hệ thống phân phối nanodrug có thể đồng thời đóng vai trò của liệu pháp hóa trị và quang động

2018

Nhắm mục tiêu khối u và giải phóng thuốc có kiểm soát

PAMAM Doxorubicin (DOX)

Việc nhắm mục tiêu khối u và giải phóng thuốc có kiểm soát của phức hợp đuôi gai DOX-PEG-PAMAM được kiểm soát bởi độ pH.

2017

Phân phối thuốc theo mục tiêu

PLL Polynucleotide Glycoprotein của virus dại (RVG) được liên hợp với dendrimer PLL để cung cấp hiệu quả và an toàn cung cấp polynucleotide đến các tế bào đích

2012

Hệ thống phân phối thuốc

Dendrimer không đối xứng

Paclitaxel Hệ thống vận chuyển thuốc nanomet dendrimer không đối xứng tải Paclitaxel có chỉ số điều trị chống khối u và an toàn sinh học được

2017

tăng cường so với hệ thống vận chuyển thuốc Paclitaxel tự do trong quá trình điều trị in vivo

Vắc xin Dendrimer được tính phí tích cực

Kháng nguyên Các dendrime polyme phân nhánh (ví dụ, PAMAM và các dendrime khác) được sử dụng làm phương tiện vận chuyển mục tiêu kháng nguyên đến các tế bào cụ thể, dẫn đến một phương pháp dựa trên hạt nano mới để tiêm chủng gen hoặc protein

2018

Chất tăng cường thẩm thấu và phân phối thuốc qua da

Oleodendron thế hệ thứ hai

Diclofenac Dendron gốc axit oleic được sử dụng như một chất tăng cường thâm nhập hóa học tiềm năng trong các loại thuốc thẩm thấu qua da

2013

Bảng 4: Một số bằng sáng chế tiểu biểu của

Dendrimer trong hệ thống phân phối thuốc

1.2.6.Vài nét về kỹ thuật tổng hợp Dendrimer

Dendrimer được tổng hợp trong các điều kiện được kiểm soát tốt để đạt được cấu trúc phân nhánh đơn giản và dạng cây [34] Sự thay đổi chức năng trong mọi phần tử của đuôi gái (đầu mối, các nhánh và nhóm chức năng dẫn đến thay

bằng cách thêm các chất hoạt động có vai trò cụ thể (Mignani, Bryszewska và Klaijnert - Maculewicz et al.2015,14) Có một sự mở rộng ra bên ngoài từ lõi bởi một loạt các phản ứng cộng Michael để tổng hợp các Dendrimers Mỗi bước của phản ứng phải được thực hiệ theo cách này để ngăn chặn các phản ứng phụ (thế hệ theo sau) Những phản ứng phụ này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi chức năng của chúng và cùng với đó là việc tinh chế Dendrimers rất là khó vì sự khác biệt giữa sản phẩm mong muốn và sản phẩm phụ là rất không đáng kể Một số lượng lớn các chiến lược sẵn có trong tài liệu để tổng hợp các Dendrimers Việc lựa chọn phương pháp để tổng hợp Dendrimers chủ yếu phụ thuộc vào chức năng mục tiêu cuối cùng [34] Nó chủ yếu được chia thành ba phương pháp tổng hợp chính:

1 Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ 2 Kỹ thuật tổng hợp hội tụ

3 Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ và hội tụ

Trong chương 2, chúng ta sẽ đi phân tích chi tiết và bàn luận về 3 phương pháp này cùng các cách tiếp cận tăng tốc khác trong tổng hợp Dendrimer Hiện tại, các nhà khoa học vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển thêm các kỹ thuật tổng hợp Dendrimers để có thể thu được sản phẩm chất lượng cao, tối giản các bước phản ứng và thân thiện với môi trường

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TỔNG HỢP DENDRIMER

Tổng hợp dendrimers liên quan đến hóa học phân tử và polyme Chúng liên kết với thế giới hóa học phân tử bằng cách tổng hợp được kiểm soát từng bước của chúng, và chúng liên quan đến thế giới polyme do sử dụng cấu trúc lặp lại, tức là các monome Các cấu trúc hình cầu này được tổng hợp theo tầng bởi một chuỗi các bước phản ứng để phát triển từ thế hệ đầu tiên (G1) đến thế hệ thứ hai (G1 + 1), … [34]

Các dendrimers tổng hợp đầu tiên là PAMAM, được giới thiệu vào năm 1980 Tuy nhiên, nhiều loại dendrimers khác bao gồm poly (propylene imine) (PPI) và poly-L-lysine (PLL), glyco dendrimers, polyester dendrimers và amphiphilic dendrimers, đã được tổng hợp trong những năm sau đó [4].

2.1 Con đường cổ điển

Dendrimers thường được tổng hợp thông qua các phương pháp cho phép kiểm soát cấu trúc ở mọi giai đoạn xây dựng như toàn bộ các thông số thiết kế phân tử quan trọng như kích thước, hình dạng, hóa học bề mặt / nội thất, tính linh hoạt và cấu trúc liên kết Các cấu trúc đuôi gai hầu hết được tổng hợp bằng hai phương pháp khác nhau chính: phân kỳ hoặc hội tụ [8].

2.1.1 Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ (Divergent) 2.1.1.1 Tổng quan

Phương pháp tổng hợp được sử dụng trong tổng hợp dendrimer ban đầu đã ra đời được gọi là cách tiếp cận “phân kỳ” và là phương pháp hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất Tên này xuất phát từ đường vào mà dendrimer phát triển ra ngoài từ lõi, phân kỳ ra ngoài không gian Bắt đầu từ lõi phản ứng, một thế hệ được

phát triển và sau đó làngoại vi của phân tử được kích hoạt để phản ứng với nhiều monome hơn [2].

Phương pháp này đòi hỏi hai bước thiết yếu: (i) ghép các monome, và (ii) hoạt hóa nhóm cuối của monome, để thúc đẩy phản ứng với monome mới Phương pháp tăng trưởng khác nhau bao gồm sự lặp lại của hai bước nói trên, cho đến khi thu được thế hệ đuôi gai mong muốn, như được trình bày trong Hình 26 [2].

Hình 26: Các giai đoạn trong kỹ thuật tổng hợp phân kỳ

Hiện nay đã có các dendrimer được tổng hợp theo phương pháp phân kỳ là PAMAM; PPI; Poly (aryl alkyl ete),

2.1.1.2.Cơ chế

Quá trình tổng hợp dendrimer theo phương pháp phân kỳ tiến hành từng bước bắt đầu từ phân tử lõi đa chức năng, Bn (n >= 2), đến thế hệ dendrimer tiếp theo của nó được tạo thành thông qua sự gắn liền tuần tự của các khối xây dựng được gọi là monome (Hình 27) Các monome được sử dụng thuộc loại ABn (n >= 2), trong đó A và B là hai loại nhóm chức Để dendrimer được phát triển có kiểm

Hình 25: Kỹ thuật tổng hợp phân kỳ

soát, nhóm chức năng A của đơn phân ABn là một nhóm phản ứng, trong khi các nhóm chức năng B bị vô hiệu hóa / bảo vệ Việc gắn các monome vào phân tử cơ chất (lõi hoặc dendrimer đang phát triển) được tiến hành bằng cách hình thành liên kết hóa học giữa nhóm chức A của monome và một trong các nhóm chức B đã hoạt hóa của cơ chất Kích hoạt các chức năng B có thể được tiến hành bằng cách ghép nối của chúng với phân tử thứ hai hoặc loại bỏ các nhóm bảo vệ Các monome được sử dụng phổ biến nhất là monome 3 chức có cấu trúc AB2 Sau khi ghép các monome này vào lõi (thường là di-, tri- hoặc tetra-function), một dendrimer thế hệ thứ nhất thu được Hai bước tiếp theo, dựa vào việc kích hoạt các chức năng B trên dendrimer thế hệ đầu tiên và sự ghép nối của chúng với một bộ monome mới, dẫn đến bước thứ hai thế hệ dendrimer Bằng cách lặp lại hai bước này, dendrimer thế hệ cao hơn mong muốn sẽ đạt được [26]

Điều quan trọng trong phương pháp này là mọi bước của phản ứng phải được hoàn thành đầy đủ trước khi thêm thế hệ mới để tránh các nhánh hình thành thiếu sót [21] Bề mặt của dendrimer có thể dễ dàng được chức năng hóa và sửa đổi ở mỗi bước, thu được tá dược mong muốn ở cuối quá trình tổng hợp Thông thường, cách tiếp cận phân kỳ dẫn đến việc tổng hợp các phân tử dendrimer có tính đối xứng cao [2] Tuy nhiên, gần đây, các nhà nghiên cứu đã đưa ra khả năng tạo ra các đuôi gai có chức năng không đồng nhất bằng phương pháp tăng trưởng khác nhau, dẫn đến các đuôi gai có một số loại nhóm chức liên kết với bề mặt [26].

Hình 27:Quá trình tổng hợp của cách tiếp cận phân kỳ