Nghiên cứu khả năng chống bệnh thoái hóa thần kinh của crocetin và safranal trong nhụy hoa nghệ tây bằng phương pháp hóa tính toán

Nhận thức được tầm quan trọng của các công cụ tính toán, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy tính để đánh giá tiềm năng điều trị của các hợp chất mới, thuốc đa mục tiêu điều trị các bệnh t

LÊ ĐỨC LỘC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG BỆNH THOÁI HÓA THẦN KINH CỦA CROCETIN VÀ SAFRANAL TRONG NHỤY HOA NGHỆ TÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LÊ ĐỨC LỘC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG BỆNH THOÁI HÓA THẦN KINH CỦA CROCETIN VÀ SAFRANAL TRONG NHỤY HOA NGHỆ TÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 8440114

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MINH THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2024

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TRANG THÔNG TIN iii

MỤC LỤC iv

CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 3

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Mục tiêu nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

Chương 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về nghệ tây 5

1.1.1 Giới thiệu về nghệ tây [23] 5

1.1.2 Các hợp chất có trong nhụy hoa nghệ tây 8

1.1.3 Tình hình nghiên cứu về hoạt tính sinh học của nhụy hoa nghệ tây 9

1.2 Tổng quan về bệnh Alzheimer 12

1.2.1 Giới thiệu 12

1.2.2 Các enzyme đích Acetylcholinesterase và Butyrylcholinesterase liên quan đến bệnh Alzheimer 13

1.3 Tổng quan về bệnh Parkinson 14

1.3.1 Giới thiệu 14

1.3.2 Enzyme đích Monoamine oxidase B (MAO-B) liên quan đến bệnh Paskinson 15 1.4 Tổng quan về phương pháp in silico 16

1.4.1 Giới thiệu 16

1.4.2 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT 16

1.4.3 Phương pháp bán thực nghiệm (semi-empirical methods) 17

1.4.4 Phương pháp docking phân tử 18

1.5 Tổng quan về cơ chế hoạt động của các hợp chất chống oxy hóa 19

1.5.1 Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen (Formal Hydrogen Transfer-FHT) 19

1.5.2 Cơ chế chuyển một electron chuyển proton 20

1.5.3 Cơ chế chuyển proton mất electron 20

1.5.4 Cơ chế hình thành sản phẩm cộng gốc tự do 20

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Phương pháp tính toán hóa lượng tử 21

2.1.1 Tính toán năng lượng tự do Gibbs liên quan đến các cơ chế chống oxy hóa 21

2.1.2 Tính toán hằng số tốc độ phản ứng 21

2.2 Phương pháp mô phỏng docking phân tử 23

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Cấu trúc tối ưu và dạng bền của crocetin và safaranal 26

3.2 Nghiên cứu hoạt tính chống oxy hóa 27

3.2.1 Đánh giá dựa trên cơ chế trực tiếp về khả năng phản ứng với gốc tự do peroxyl 27

3.2.2 Đánh giá dựa trên cơ chế gián tiếp về khả năng tạo phức với kim loại Cu 35

3.3 Phân tích khả năng ức chế enzyme AchE và BChE liên quan đến bệnh Alzheimer 38

3.4 Phân tích khả năng ức chế enzyme MAO-B liên quan đến bệnh Parkinson 41

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AchE Acetylcholinesterase

BchE Butyrylcholinesterase

ROS Reactive oxygen species Các gốc tự do chứa oxy

DFT Density Functional Theory Phương pháp lý thuyết phiếm hàm

mật độ FHT Formal Hydrogen Transfer Chuyển nguyên tử hydrogen

SET−PT Single Electron Transfer-Proton

Transfer

Chuyển một electron chuyển proton

SPLET Sequential Proton Loss Electron

Transfer

Chuyển proton mất electron

RAF Radical Adduct Formation Hình thành sản phẩm cộng gốc tự

do SMD Solvation Model Density Mật độ mô hình solvat hóa

TST Transition State Theory Lý thuyết trạng thái chuyển tiếp

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

3.1

Giá trị ΔrG o (kcal/mol) của phản ứng giữa các hợp chất nghiên

cứu và HOO• trong pha khí (G) và dung môi pentyl ethanoate

solvent (P)

28

3.2

Các giá trị ∆G≠ (kcal/mol), kEck, kapp, koverall (M-1 s-1) và tỷ lệ

phần trăm đóng góp (Γ,%) của phản ứng giữa hợp chất nghiên

cứu với gốc tự do HOO• theo cơ chế RAF và FHT trong pha

khí và dung môi pentyl ethanoate

29

3.3 Phần trăm các dạng tồn tại của crocetin trong môi trường

3.4 Các giá trị ΔrG

0 (kcal/mol) của phản ứng crocetin với gốc tự

3.5 Giá trị ∆G≠ (kcal/mol), kapp (M−1 s−1) và Γ (%) của phản ứng

giữa crocetin và hydroperoxyl trong môi trường nước 343.6 Các giá trị ∆fG

0 và Kf cho các vị trí tạo phức khác nhau của

3.7 Điểm số docking của các hợp chất nghiên cứu với các enzyme

3.8 Điểm số docking của các hợp chất nghiên cứu với các enzyme

(a) Nhụy hoa nghệ tây và kiểu dáng sau khi sấy khô (b) Ảnh

chụp từ kính hiển vi điện tử quét của sợi nhụy nghệ tây, nơi

quan sát thấy các hạt phấn hoa

7

1.3 Các hợp chất nghiên cứu trong nhụy hoa nghệ tây 83.1 Cấu trúc tối ưu của trans-crocetin (a) và safranal (b) 263.2

Cấu trúc hình học tối ưu của các trạng thái chuyển tiếp cho con

đường phản ứng thuận lợi nhất của hợp chất nghiên cứu được

tính toán ở mức M05-2X/6-31+G(d,p) trong môi trường không

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các bệnh thoái hóa thần kinh (ND), bao gồm bệnh Alzheimer (AD) và bệnh Parkinson (PD), ngày càng trở nên phổ biến hơn và được công nhận là một vấn đề trong xã hội hiện đại Trong đó, các gốc tự do chứa oxygen (Reactive Oxygen Species-ROS) bao gồm HO•, O2•−, HOO• là nguyên nhân gây nên các ảnh hưởng có hại trong các hệ thống cơ thể con người [1, 2] Các chất chống oxy hoá tự nhiên đóng một vai trò rất quan trọng trong việc giảm tác động của các chất oxy hóa trong môi trường cũng như trong cơ thể con người [3-6] Sự mất cân bằng giữa chất oxy hóa và chất chống oxy hóa ở não người là một trong những nguyên nhân gây nên bệnh thoái hóa thần kinh [7-10]

Đối với bệnh Alzheimer, theo phát đồ điều trị được áp dụng phổ biến nhất hiện nay, thuốc kháng acetylcholinesterase (AChE) và butyrylcholinesterase (BChE) đóng vai trò chủ lực, bên cạnh các thuốc chống oxy hóa, các thuốc kháng viêm và thuốc bảo

vệ thần kinh [11, 12] Đến nay chưa có thuốc nào sở hữu đồng thời nhiều tác động dược lý vừa kháng AChE và BChE, vừa chống oxy hóa… Do vậy, tìm kiếm phân tử thể hiện đa tác động dược lý, trong đó có tác động chủ lực kháng AChE, BChE và chống oxy hóa là một ý tưởng mới cần nghiên cứu

Đối với bệnh Paskinson, việc phát triển thuốc ức chế enzyme Monoamine oxidase B (MAO-B) là đích đến quan trọng trong điều trị Parkinson, điều đó đã được

chứng minh trong nhiều thử nghiệm in vitro và in vivo [13, 14].Ức chế MAO-B dẫn đến tăng cường hoạt động dopaminergic ở thể vân bằng cách ức chế sự phân hủy dopamine [15] Ức chế MAO-B cũng làm giảm sự tạo ra các gốc tự do phát sinh từ quá trình oxy hóa dopamine và ức chế sự biến đổi MPTP thành MPP+ Đối với bệnh nhân Paskinson, thuốc ức chế MAO-B có thể bảo vệ tế bào thần kinh bằng cách ức chế các quá trình độc hại này

Hiện tại, không có phương pháp chữa trị nào cho AD cũng như PD và các loại thuốc được sử dụng trong lâm sàng chỉ nhằm mục đích giảm triệu chứng và không có khả năng ngăn chặn quá trình thoái hóa thần kinh Trong những năm qua, một số ứng

cử viên thuốc đã đạt đến giai đoạn thử nghiệm lâm sàng, nhưng chúng đã bị đình chỉ, chủ yếu là do lợi ích dược lý không đạt yêu cầu

Ở thời điểm hiện tại, dược liệu có nguồn gốc thực vật vẫn là nguồn nguyên liệu

chính trong phát triển các loại thuốc mới trên thế giới Các dược phẩm có nguồn gốc tự nhiên chiếm tới 50% tổng số dược phẩm đang được sử dụng trong lâm sàng, trong đó khoảng 25% tổng số thuốc có nguồn gốc từ thực vật bậc cao Hiện trạng đó đã đặt ra nhu cầu tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguồn gốc thiên nhiên để phát triển một thuốc mới là rất cần thiết Trong đó, Nhụy hoa nghệ tây rất giàu các chất chống oxy hóa, trong đó, đặc biệt là hợp chất crocetin và safranal Những chất chống oxy hóa này giúp chống lại quá trình stress oxy hóa trong cơ thể Vì stress oxy hóa tạo

ra các gốc tự do đóng một vai trò nhất định trong việc hình thành và phát triển của các bệnh tật nên những chất chất oxy hóa có trong nhụy hoa nghệ tây có nhiều tiềm năng trong việc bảo vệ sức khỏe của con người

Chúng ta có thể dự đoán hiệu quả của thuốc ở người, cải thiện các tính năng dược động học, xác định các mục tiêu mới và giảm bớt tác dụng phụ của thuốc bằng các sử

dụng phương pháp "in silico" Đây là phương pháp được tiến hành dưới sự hỗ trợ của

máy tính, giúp giảm chi phí và tăng tốc toàn bộ quy trình thiết kế thuốc [16-18] Nhận thức được tầm quan trọng của các công cụ tính toán, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy tính để đánh giá tiềm năng điều trị của các hợp chất mới, thuốc đa mục tiêu điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh [19-22]

Các tính toán lý thuyết có thể cung cấp các thông tin nền tảng như các thông số cấu trúc, năng lượng và một số tính chất quan trọng khác góp phần định hướng làm thực nghiệm và ngược lại kết quả thực nghiệm sẽ làm sáng tỏ và chứng minh tính đúng đắn của tính toán lý thuyết Do đó, việc bố trí nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu hóa tính toán đan xen nhau một cách hợp lý sẽ giúp giảm thiểu được khối lượng thực nghiệm và kết quả thu được cũng được lý giải một cách logic và khoa học hơn

Các nghiên cứu hiện nay đối với tác dụng của nhụy hoa nghệ tây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thành phần hóa học, cấu trúc các chất có trong nhụy hoa nghệ tây để đánh giá khả năng chống oxy hóa cũng như những ứng dụng khác của nhụy hoa nghệ tây mà chưa tập trung nghiên cứu làm rõ cơ chế hoạt động có thể có, cả nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng đều được đảm bảo để chứng minh tiềm năng hoạt tính sinh học của nó Mặc khác, việc nghiên cứu cận lâm sàng đối với tác dụng của nhụy hoa nghệ tây hiện nay cũng gặp nhiều khó khăn do quá trình nghiên cứu kéo dài và giá thành nguyên liệu đầu vào cho nghiên cứu khá cao Trước những lý do đó, việc nghiên cứu toàn diện về cấu trúc, tính chất nhiệt động học, hoạt tính sinh học của các hợp chất

có trong nhụy hoa nghệ tây bằng phương pháp hóa tính toán là một nghiên cứu cần

thiết nhằm đánh giá khả năng chống oxy hóa nói chung và khả năng chống bệnh thoái hóa thần kinh nói riêng, đồng thời, tiết kiệm được chi phí nghiên cứu

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng chống bệnh thoái hóa thần kinh của

crocetin và safranal trong nhụy hoa nghệ tây bằng phương pháp hóa tính toán”

được đề xuất nghiên cứu là một nhiệm vụ cần thiết Các kết quả nhận được sau nghiên cứu là các thông tin quan trọng có thể định hướng cho việc ứng dụng vào quá trình sản xuất thử các loại thuốc có tiềm năng trong phòng ngừa và ứng dụng điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh

2 Đối tượng nghiên cứu

Các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ nhụy hoa nghệ tây và các enzyme đích liên quan đến các bệnh thoái hóa thần kinh

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Tối ưu hóa cấu trúc và tính toán các thông số nhiệt động học của crocetin và safranal

- Nghiên cứu nhiệt động và động học của phản ứng giữa crocetin và safranal với gốc tự do

- Nghiên cứu mô phỏng docking phân tử quá trình ức chế các enzyme liên quan đến bệnh thoái hóa thần kinh (bệnh Alzheimer và bệnh Parkinson)

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp bán thực nghiệm (PM6)

- Phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT)

- Phương pháp docking phân tử

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung và hình thành lý thuyết ứng dụng hóa học tính toán vào nghiên cứu các hoạt tính sinh học của hợp chất tự nhiên Kết quả nghiên cứu của đề tài không chỉ là tư liệu phục vụ cho giảng dạy mà còn cho phép các sinh viên tham khảo, phát triển các nghiên cứu tiếp theo của mình

Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng hỗ trợ thúc đẩy nhanh quá trình nghiên cứu thực nghiệm định hướng ứng dụng vào sản xuất các loại thuốc có tiềm năng trong phòng ngừa và ứng dụng điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nghệ tây

1.1.1 Giới thiệu về nghệ tây [23]

Nghệ tây (Saffron) được coi là loại gia vị quý giá, nổi tiếng và hấp dẫn Saffron được đánh giá cao không chỉ vì giá cả mà còn vì các thuộc tính của nó; nó là loại gia vị

có khả năng mang lại màu sắc, hương vị và mùi thơm cho thực phẩm Saffron được biết đến là gia vị đắt nhất trong thế giới Giá cao của nghệ tây là do chi phí sản xuất của nó Các phương pháp canh tác cây trồng và quá trình biến đổi sau đó của nó đã không thay đổi trong bốn thế kỷ qua và cần rất nhiều lao động để thu thập nhụy ở gần như mặt đất Tuy nhiên, mặc dù đúng là giá trên mỗi đơn vị trọng lượng của nó là cao nhất trong số các loại gia vị, nhưng nồng độ hoạt chất cao trong nghệ tây khiến việc sử dụng nó như một loại gia vị không đắt đỏ, vì chỉ cần sử dụng một lượng rất nhỏ để làm gia vị cho thức ăn Nhụy hoa nghệ tây cũng có giá trị vì nó được sử dụng làm chất màu dệt và mỹ phẩm cơ thể cũng như làm giảm các triệu chứng của một số bệnh ở người

1.1.1.1 Phân loại thực vật và phân bố địa lí

Nghệ tây (Crocus sativus Linnaeus) thuộc lớp Liliatae (monocotyledons), phân lớp Liliidae, bộ Liliales, họ Iridaceae và chi Crocus Chi Crocus bao gồm khoảng 85

loài phân bố khắp Địa Trung Hải Châu Âu và Tây Á Các loài thực vật thuộc chi này thích nghi tốt với những vùng có mùa đông lạnh và mùa hè khô, ấm Nghệ tây được coi là một loại cây không cần thiết do khả năng thích ứng to lớn của nó Nó chịu đựng được rất nhiều điều kiện phù du sinh thái, cũng như khí hậu Là một loại cây trồng, nghệ tây có thể được tìm thấy ở độ cao từ mực nước biển đến gần 2000 m, mặc dù nó thích nghi hơn với các sườn đồi, cao nguyên và thung lũng núi ở độ cao từ 600 đến

1200 m, được cho là điều kiện ban đầu của nó Loại cây này có thể được trồng ở những vùng khô hạn hoặc bán khô hạn, nơi thiếu nước trầm trọng vào mùa hè Về nhiệt độ, nó có thể chịu được nhiệt độ môi trường khắc nghiệt -15°C hoặc -20°C vào mùa đông và 35-45°C vào mùa hè, điều đó không có nghĩa là nó không nhạy cảm với chúng

1.1.1.2 Hình thái thực vật

Nghệ tây (Hình 1.1) là cây lâu năm, thân thảo, cao 10-25 cm, phát triển từ thân

củ Theo quan điểm thực vật học, thân hành là một chồi ngắn, dày, tương tự như củ

hành tây, ngoại trừ việc nó là một cấu trúc rắn chắc, không bao gồm nhiều lớp đồng tâm Nó là một cơ quan trong lòng đất có đường kính 5-7 cm và được bảo vệ bởi lớp

áo lá hình lưới dạng sợi đến từ sự thoái hóa của các cấu trúc lá khác nhau tạo thành mầm mà từ đó nó được hình thành Như đã đề cập trước đây, nghệ tây nhân lên bằng cách sinh sản sinh dưỡng

Hình 1.1 Cấu tạo của cây nghệ tây

Khi thân hành được kích hoạt và chồi bắt đầu nhô ra, ba đến năm cấu trúc có

nguồn gốc từ lá, được gọi là cataphylls, tạo thành một ống có màu trắng và tính nhất

quán của màng (từ 5-20 cm) bao quanh và bảo vệ các cấu trúc lá và hoa khác, phát triển theo chiều dọc và đồng thời trong phần bên trong của chúng Từ 5 đến 11 lá xanh hoặc lá non được tìm thấy trên mỗi mầm và thường được gọi là cỏ lông, cỏ đuôi ngựa hoặc cỏ esparto Chúng rất hẹp, rộng từ 1,5 đến 2,5 mm, màu xanh lục đậm, tuyến tính, có màu trắng Chúng có chiều dài khoảng 50 cm Việc tưới tiêu quá mức và một

số hình thức quản lý nhất định có thể khiến chúng đạt chiều dài 1m Hoa, được gọi là hoa hồng nghệ tây, mọc ra từ nách lá bắc Chúng bao gồm sáu lá đài, ba lá đài bên trong và ba lá đài bên ngoài, hợp nhất thành một ống dài bắt đầu từ đỉnh bầu nhụy, có màu tím với các đường gân sẫm màu hơn Hoa mọc thẳng và đều đặn, tùy thuộc vào lượng nước mà hoa có thể xuất hiện trước hoặc đồng thời với lá xanh Có một đến ba hoa trên mỗi thân và hai hoặc ba cành trên mỗi cây Ba nhị màu vàng mọc ra từ phần trên của ống nói trên

Kiểu hình sợi dài, màu trắng hơi vàng, bắt đầu từ đỉnh bầu nhụy dưới đất, xuyên qua ống bao hoa và kết thúc bằng một đầu nhụy duy nhất gồm ba nhánh hoặc sợi tơ màu đỏ tươi (Hình 1.2a), mỗi sợi dài 25-32 mm, có dạng hình ống (Hình 1.2b) và hơi cuộn lại Chúng dần dần trở nên dày hơn từ phần gốc của chúng, để kết thúc bằng những nhú gai rộng ở dạng kèn hình vỏ sò, nơi thường tìm thấy các hạt phấn hoa Chiều dài của chúng không cân đối so với các cơ quan khác của hoa nên chúng nằm trên các đài hoa hoặc treo bên ngoài bông hoa

Hình 1.2 (a) Nhụy hoa nghệ tây và kiểu dáng sau khi sấy khô (b) Ảnh chụp từ kính

hiển vi điện tử quét của sợi nhụy nghệ tây, nơi quan sát thấy các hạt phấn hoa

Nhụy đỏ chia thành 3 nhánh (2-4 cm)

1.1.2 Các hợp chất có trong nhụy hoa nghệ tây

1.1.2.1 Thành phần hóa học của nhụy hoa nghệ tây [24]

Thành phần hóa học của nhụy hoa nghệ tây đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu trong hai thập kỷ qua Được biết, nhụy của hoa nghệ tây chứa bốn chất chuyển hóa chính; (1) Crocetin, (2) Crocin là hợp chất có màu nghệ tây (carotenoid tan trong nước bất thường do hàm lượng glycosyl cao của chúng); (3) Picrocrocin là chất chính tạo nên vị đắng của nghệ tây; và (4) Safranal là loại dầu dễ bay hơi tạo ra mùi thơm đặc trưng của nghệ tây Crocin và picrocrocin là những hợp chất chính trong nghệ tây Crocin chịu trách nhiệm về màu sắc đặc trưng của nó và picrocrocin là tiền chất của safranal Ngoài Crocin và picrocrocin, anthocyanin, flavonoid, vitamin (riboflavin và thiamine), axit amin, protein, tinh bột, chất khoáng, nướu và các hợp chất hóa học khác đã được tìm thấy trong nghệ tây Hình 1.3 minh họa cấu trúc của các thành phần quan trọng nhất của nghệ tây

(1) Crocetin – C 20 H 24 O 4

O

OH O

HO

Tên IUPAC:

(2E,4E,6E,8E,10E,12E,14E)-2,6,11,15-tetramethylhexadeca-2,4,6,8,10,12,14-heptaenedioic acid (2) Safranal – C 10 H 14 O

O

H

Tên IUPAC: 2,6,6-trimethylcyclohexa-1,3-diene-1-carbaldehyde

Hình 1.3 Các hợp chất nghiên cứu trong nhụy hoa nghệ tây

1.1.2.2 Tiềm năng chống oxy hóa của các hợp chất trong hoa nghệ tây

Các hợp chất chính có trong hoa nghệ tây được xem là chất chống oxy hóa tiềm năng với những lý do sau:

Khả năng nhận electron: có khả năng tương tác với các loại reactive oxygen species (ROS) bằng cách chấp nhận electron từ chúng Điều này giúp giảm khả năng ROS gây tổn thương tế bào, vì khi nhận electron từ ROS, chúng sẽ trở thành các hợp chất ổn định hơn và không gây hại cho tế bào

Hiệu quả trong việc tương tác với ROS: đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc tương tác với nhiều loại ROS, bao gồm hydrogen peroxide (H2O2), superoxide (O2•) và hydroxyl (OH•) Khả năng này giúp ngăn chặn sự tích tụ quá mức của ROS và giảm nguy cơ tổn thương tế bào do chúng gây ra

Khả năng chelate với kim loại nặng: Chúng cũng có khả năng tương tác với các kim loại nặng như thuỷ ngân và chì bằng cách tạo ra các liên kết chelate Điều này làm giảm khả năng các kim loại nặng gây oxy hóa và làm hư hại tế bào

Sự hiện diện của bốn hợp chất này có trong loài hoa nghệ tây và một số loài hoa dòng chủng nghệ khác cho thấy vai trò quan trọng của chúng trong việc bảo vệ tế bào khỏi sự oxy hóa và các tác nhân gây hại khác trong môi trường khắc nghiệt

Dù vậy, vẫn cần nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn về các cơ chế hoạt động và hiệu quả của các hợp chất này trong ngăn chặn sự tổn thương oxy hóa

1.1.3 Tình hình nghiên cứu về hoạt tính sinh học của nhụy hoa nghệ tây

1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

a) Hỗ trợ điều trị một số bệnh lý ung thư

Hoạt chất crocin có trong nghệ tây có khả năng ức chế sự phát triển của các tế bào ung thư đại tràng (không ảnh hưởng đến các tế bào khỏe mạnh) Nó cũng cho thấy tác dụng tương tự với ung thư gan, ung thư tuyến tiền liệt và ung thư da

Đại học khoa học Y & BV SDM – Karnataka Ấn Độ (2015): thực hiện nghiên cứu đánh giá tác dụng của nghệ tây trong điều trị một số bệnh ung thư Saffron rất giàu carotenoids Hai carotenoids tự nhiên chính của nghệ tây, crocin và crocetin, chịu trách nhiệm cho màu sắc của nó Bằng chứng tiền lâm sàng đã chứng minh rằng chế độ ăn uống bổ sung một số carotenoids có tác dụng chống ung thư mạnh Các kết quả và dữ liệu tài liệu chỉ ra rằng nghệ tây có thể được sử dụng như một tác nhân hóa trị ung thư

tiềm năng trong các thử nghiệm lâm sàng [25]

Đại học L’Aquila – Ý (2019): Trong tất cả các bài báo được xuất bản cho đến nay, có bằng chứng cho thấy nghệ tây và các carotenoid của nó có hoạt tính ngăn ngừa ung thư thông qua hoạt động chống oxy hóa, quá trình chết của tế bào ung thư, ức chế

sự tăng sinh tế bào, tăng cường sự khác biệt của tế bào, điều chỉnh sự tiến triển của chu

kỳ tế bào và tăng trưởng tế bào, điều chế chuyển hóa khối u, kích thích giao tiếp giữa

tế bào với tế bào và điều hòa miễn dịch [26]

Đại học Khoa học Y tế Jahrom, Iran (2020): Saffron có tác dụng ngăn ngừa và thải độc có chọn lọc trên các tế bào ung thư và không có tác dụng phụ đối với các tế bào bình thường và ngăn ngừa sự hình thành khối u Saffron dường như làm giảm tác dụng độc hại của thuốc chống ung thư [27]

b) Cải thiện tầm nhìn, thị lực

Hoa nhuệ tây (Saffron) được coi như một số chất bổ sung cho thị lực và một số nghiên cứu nhỏ cho thấy nó có thể có lợi trong giai đoạn đầu của bệnh thoái hóa điểm vàng do tuổi tác Nó giúp ngăn ngừa mất thị lực và thoái hóa võng mạc Hoạt chất Safranal trong saffron giúp bảo tồn hình thái tế bào cảm quang, phản ứng thị giác và mạng lưới mao mạch

Đại học khoa học Y tế Tehran (2016): Trong y học hiện đại, nghệ tây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau do tác dụng chống oxy hóa của nó Nghiên cứu này đã đánh giá chức năng võng mạc sau khi điều trị bằng bổ sung nghệ tây trong thời gian theo dõi 6 tháng Bổ sung hàng ngày với 30 mg saffron trong 6 tháng có thể giúp cải thiện đáng kể chức năng võng mạc ở bệnh nhân AD [28]

c) Tăng cường sức khỏe não bộ ở bệnh nhân Alzheimer

Nghiên cứu sơ bộ cho thấy nghệ tây có thể ức chế sự tập hợp và lắng đọng của các mảng beta-amyloid trong não người và do đó, có thể hữu ích trong bệnh Alzheimer Các chất chống oxy hóa trong nghệ tây có thể đóng một vai trò trong việc bảo vệ cơ thể khỏi các rối loạn ảnh hưởng đến hệ thần kinh

Các nghiên cứu đã lưu ý rằng các hợp chất trong nghệ tây, chẳng hạn như crocin,

có tác dụng giảm viêm và tổn thương oxy hóa trong não, có thể dẫn đến các tác dụng

có lợi

Một nghiên cứu trên tạp chí chất chống oxy hóa lưu ý rằng nghệ tây về mặt lý thuyết có thể giúp chữa các triệu chứng của bệnh Alzheimer do cả đặc tính tăng cường

trí nhớ và tác dụng chống oxy hóa và chống viêm của nó

Theo Nghiên cứu của Sahar Golpour- Hamedani (Trung tâm nghiên cứu bệnh gan và đường tiêu hóa, Đại học Khoa học Y tế Guilan, Rasht, Iran) và các cộng sự

bằng phương pháp in vitro và nghiên cứu thực nghiệm trên chuột, các hợp chất có

trong nghệ tây có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa và stress oxy hóa, đồng thời giảm lắng đọng amyloid-β (Aβ) là cơ chế quan trọng nhất trong sự tiến triển của các bệnh thoái hóa thần kinh Tuy nhiên, tác giả cũng đã đề xuất cần có các thử nghiệm với thiết kế thích ứng và cung cấp kết quả độc quyền để xác nhận tác dụng của nghệ tây và các hợp chất của nó nhằm giúp quyết định hiệu quả của việc bổ sung nghệ tây trong các bệnh thoái hóa thần kinh [143]

Đại học Quốc gia và Kapodistrian Athens, Athens, Hy Lạp: Rối loạn liên quan đến trí nhớ là một vấn đề sức khỏe cộng đồng phổ biến Suy giảm trí nhớ thường xuyên là triệu chứng phổ biến trong các bệnh thoái hóa (như bệnh Alzheimer và bệnh Parkinson), chấn thương não và tâm thần phân liệt Bằng chứng tích lũy chỉ ra rằng saffron và crocin thành phần chính của nó có liên quan đáng kể đến nhận thức Sự tác động tới nhận thức của saffron không khác biệt nhiều so với Donepezil, memantine [29]

d) Lợi ích của saffron với hệ tiêu hóa

Saffron đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tiêu hóa và điều trị rối loạn tiêu hóa thông qua các tác dụng chống oxy hóa và nhặt rác triệt để, và các đặc tính chống viêm Nó cũng cho thấy tiềm năng trong điều trị loét dạ dày và viêm loét đại tràng

Fatemeh Anaeigoudari và cộng sự (2023) đã nghiên cứu thành phần và đánh giá tác dụng chữa bệnh của nghệ tây và đưa ra một số kết luận [30]:

Viêm loét dạ dày: Nghiên cứu này đã cung cấp bằng chứng cho thấy tác dụng của nghệ tây trong điều trị loét dạ dày so với omeprazole là khả quan Có đặc tính chống oxy hóa, nghệ tây có thể được coi là một tác nhân ngăn ngừa tổn thương niêm mạc dạ dày thông qua việc làm giàu hàm lượng glutathione cũng như giảm quá trình peroxy hóa lipid Nghệ tây có thể ức chế các vết loét do căng thẳng và loét do histamine gây

ra

Ung thư dạ dày: các hoạt động chống oxy hóa, chống tăng sinh và apoptotic là những tác dụng chính của crocetin chống lại ung thư dạ dày

Các tổn thương gan: C sativus có tiềm năng điều trị cao đối với các bệnh rối loạn gan Việc sử dụng saffron có tác động đến sự tổng hợp các protein huyết thanh như albumin thông qua việc thay đổi tình trạng chức năng tế bào gan

Chống oxy hóa, chống tăng sinh, chống ung thư, chống nhiễm độc gen, chống viêm, gây apoptogen, chemoprotective, gây độc tế bào, chống tiểu đường, chống tăng lipid máu và tác dụng thư giãn là một số cơ chế tác dụng của saffron trong điều trị rối loạn tiêu hóa

e) Tác dụng của saffron với hệ tim mạch và hội chứng rối loạn chuyển hóa

Saffron đã được báo cáo là giúp giảm cholesterol và giữ cho mức cholesterol ở ngưỡng cho phép Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra rằng nghệ tây có tác dụng giảm cholesterol tới 50% Saffron có đặc tính chống oxy hóa do đó nó rất hữu ích trong việc duy trì độ bền vững của các động mạch và mạch máu

Crocin có tác dụng chống xơ vữa động mạch thông qua việc giảm mức độ LDL, đóng vai trò quan trọng trong việc bắt đầu và tiến triển của xơ vữa động mạch Các nhà nghiên cứu kết luận rằng nghệ tây với nhiều công dụng trong y học có thể là ứng cử viên tiềm năng trong quá trình sản xuất thuốc mới để điều trị bệnh tim mạch Saffron là một phụ gia thực phẩm được sử dụng rộng rãi để tạo màu sắc và mùi

Ox-vị và đã được sử dụng rộng rãi trong y học cổ truyền cũng như y học hiện đại để điều trị một số bệnh bao gồm cả bệnh tim mạch Hầu hết các đặc tính độc đáo của loại cây này là do sự hiện diện của hai thành phần chính, bao gồm Safranal và Crocetin Người

ta đã chứng minh rằng nghệ tây có một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hội chứng chuyển hóa vì các hoạt tính kỳ diệu của nó bao gồm các đặc tính chống tiểu đường, chống béo phì, hạ huyết áp và giảm natri huyết

1.1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cho đến nay, theo sự hiểu biết tốt nhất của chúng tôi chỉ có nhóm tác giả Chu Đức Hà, Lê Tiến Dũng và Lê Bá Ngọc đã giới thiệu về thành phần hóa và giới thiệu tiềm năng của loài hoa nghệ tây [31]

1.2 Tổng quan về bệnh Alzheimer

1.2.1 Giới thiệu

Bệnh Alzheimer là bệnh phổ biến ở người cao tuổi Sự oxy hóa có liên quan đến

sự hình thành và tiến triển của AD [7, 32] Khi con người già đi, hệ thống phòng thủ

chống oxy hóa của họ dần dần suy giảm Theo nghiên cứu gần đây, sự tổn thương do quá trình oxy hóa xảy ra trước khi phát triển các mảng lão hóa và rối loạn sợi thần kinh trong não, đây là hai triệu chứng lâm sàng bổ sung của AD [33-35] Hơn nữa, các

mô não của bệnh nhân Alzheimer có lượng ion kim loại như đồng, kẽm và sắt cao bất thường, cao hơn từ ba đến sáu lần so với mức tìm thấy trong não người khỏe mạnh [36, 37] Sự mất cân bằng nội môi của các ion kim loại này cực kỳ quan trọng vì việc tạo ra các phức kim loại-amyloid có hại giúp tăng cường tổng hợp các protein beta amyloid [38] Ngoài ra, do đặc tính oxy hóa khử của các ion kim loại có liên quan và

sự hiện diện của các phân tử oxygen trong mô não, các hoạt động này cũng dẫn đến việc tạo ra các loại oxygen phản ứng (ROS) thông qua các quá trình giống như phản ứng Fenton, làm tăng quá trình oxy hóa Sự tổn thương do các ROS gây ra có thể được ngăn chặn bằng cách tăng số lượng các phân tử chống oxy hóa được tìm thấy trong não [9, 39]

Về thuốc điều trị, chỉ có một số loại thuốc đã được cấp phép để điều trị các triệu chứng của bệnh và nâng cao chất lượng cuộc sống của bệnh nhân Alzheimer [40] Nhưng tác động lâm sàng của chúng bị hạn chế do tính chọn lọc thấp, khả dụng sinh học thấp và tác dụng phụ không mong muốn Do những yếu tố này, điều cần thiết là hiểu các cơ chế liên quan đến sự hình thành AD để nghiên cứu tạo ra các loại thuốc mới, hiệu quả hơn và phù hợp Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra AD, một cách tiếp cận mới để thiết kế các tác nhân điều trị căn bệnh này là phát triển các loại thuốc

đa mục tiêu để điều trị hiệu quả hơn [41, 42]

1.2.2 Các enzyme đích Acetylcholinesterase và Butyrylcholinesterase liên quan đến bệnh Alzheimer

Giả thuyết cholinergic là cách phổ biến nhất để giải thích AD xảy ra như thế nào

và là nguyên nhân trực tiếp gây ra sự suy giảm nhận thức [43, 44] Ngoài ra, người ta cũng phát hiện thấy rằng các enzyme cholinesterase (ChE) như acetylcholinesterase (AChE) và butyrylcholinesterase (BChE) có thể gây ra các mảng protein amyloid và việc sử dụng các chất ức chế có thể làm giảm các mảng này Trong não của người khỏe mạnh, AChE chịu trách nhiệm cho 80% hoạt động của ChE, trong khi BChE chịu trách nhiệm cho 20% còn lại [45] Tuy nhiên, khi AD tiến triển, nồng độ AChE trong não giảm xuống 55-67% so với mức bình thường trong khi nồng độ BChE tăng lên 120%

so với mức bình thường, chứng tỏ rằng BChE rất quan trọng đối với quá trình thủy phân acetylcholine ở giai đoạn cuối của AD [46, 47] Sự thay đổi tỷ lệ BChE:AChE từ

0,6 lên cao nhất là 1,1 có thể gây ra sự thiếu hụt cholinergic ở những khu vực này, dẫn đến các vấn đề về hành vi và nhận thức [48, 49] Ngoài ra, các chất ức chế BChE có tính chọn lọc cao có thể giúp ngăn ngừa một số tác dụng phụ cholinergic điển hình liên quan đến ức chế AChE [50] Do đó, ức chế hoạt động BChE có thể tỏ ra thuận lợi trong phương pháp điều trị AD [51, 52] Vì thế, các nhà phát triển thuốc đang quan tâm đến việc tìm ra cả chất ức chế AChE và BChE

Do đó cả 2 enzyme này đều là các đích điều trị cho tăng cường sự thiếu hụt cholinergic gây ra suy giảm trí nhớ, rối loạn trong hành vi của bệnh Alzheimer [52] Thực nghiệm cho thấy khi sử dụng hoạt chất ức chế enzym BuChE cùng với các chất

ức chế AChE làm tăng hiệu quả điều trị bệnh Alzheimer [53-55]

1.3 Tổng quan về bệnh Parkinson

1.3.1 Giới thiệu

Bệnh Parkinson (PD) là bệnh rối loạn thoái hóa thần kinh phổ biển thứ 2 sau Alzheimer gây ra tình trạng rối loạn vận động và không vận động ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt hàng ngày, làm giảm chất lượng cuộc sống, thậm chí gây tử vong đối với người bệnh PD là một bệnh thoái hóa thần kinh phức tạp do mất các tế bào thần kinh dopamine và hình thành bất thường các thể Lewy chứa α- synuclein trong chất nền [56] Rối loạn vận động não, mất ổn định tư thế, rối loạn vận động mặt, cứng cơ và run

là đặc trưng nổi bật của PD Bên cạnh đó, rối loạn giấc ngủ, suy giảm nhận thức, trầm cảm, thay đổi tâm trạng, rối loạn tâm thần và sa sút trí tuệ được coi là những biến chứng không vận động [57] Bệnh thường khởi phát trung bình từ 65 đến 70 tuổi, tỉ lệ mắc tăng theo tuổi, chiếm 1-3% ở dân số trên 65 tuổi và nam giới có tỉ lệ mắc bệnh cao hơn nữ giới [58]

Nguyên nhân gây bệnh Parkinson đến nay vẫn chưa thật sự được xác định rõ ràng Nhưng 3 yếu tố có thể kể đến là di truyền (đột biến gen mã hóa β-glucocer ebrosidase), môi trường sống (thuốc trừ sâu, kim loại, lối sống) và các tương tác trong não bộ Hiện nay, căn bệnh vẫn chưa có phương pháp nào chữa khỏi được mà chỉ điều trị triệu chứng và bảo vệ thần kinh Mục tiêu điều trị bệnh là cải thiện các rối loạn bệnh lý làm cản trở sinh hoạt hàng ngày, giữ cho bệnh nhân duy trì được hoạt động càng lâu càng tốt, hạn chế tối đa các biến chứng bệnh Bệnh luôn tiến triển và không

có cách nào có thể ngăn chặn hoặc trì hoãn tình trạng bệnh nên cần được điều trị càng sớm càng tốt

Thuốc Lovodopa (L-dopa) là thuốc điều trị triệu chứng hiệu quả nhất, được chỉ định dùng tại một số giai đoạn của bệnh ở hầu hết mọi bệnh nhân [59] Đây là tiền chất của dopamine, được sử dụng làm liệu pháp thay thế dopamine trong điều trị các triệu chứng vận động PD Nó có khả năng xuyên qua hàng rào máu não, sau khi xâm nhập vào não, L-dopa được chuyển hóa bằng enzym thành dopamine thông qua phản ứng khử carboxyl Dopamine này thay thế cho vị trí của dopamine tự nhiên bị thiếu hụt trong não Mặc dù L-dopa giúp làm giảm các triệu chứng, song việc sử dụng lâu dài có thể gây ra các tác dụng phụ như rối loạn vận động, hạ huyết áp, buồn nôn và nôn [60] Ngoài ra, các chất chủ vận dopamine hoặc chất ức chế enzym, bao gồm chất ức chế catechol-O-methyl-transferase (COMT) và chất ức chế monoamine oxidase B (MAO-B), thường được sử dụng như chất bổ trợ cho L-dopa để làm giảm các biến chứng vận động Các chất ức chế COMT thường được sử dụng, chẳng hạn như entacapone và opicapone, ức chế sự phân hủy L-dopa ở ngoại vi trong khi chất ức chế MAO-B thâm nhập vào hàng rào máu não, ức chế hoạt động MAO trung tâm trong thần kinh trung ương và do đó làm giảm sự thoái hóa dopamine [61] Tuy nhiên, những loại thuốc này chủ yếu để thay thế nồng độ dopamine trong não và chỉ giải quyết các triệu chứng vận động chứ không giải quyết các triệu chứng phi vận động Do đó, cần phải phát triển các liệu pháp hiệu quả giải quyết đồng thời các triệu chứng vận động và các triệu chứng không vận động trong điều trị nội khoa PD

1.3.2 Enzyme đích Monoamine oxidase B (MAO-B) liên quan đến bệnh Paskinson

Monoamine oxidase (MAO) là một protein phân bố trên màng ngoài của ti thể

Nó xúc tác quá trình khử oxy hóa của chất dẫn truyền thần kinh tyramine và monoamine như dopamine, phenethylamine, 5-hydroxytryptamine và norepinephrine

Có hai dạng đồng phân bao gồm MAO-A và MAO-B MAO- B chủ yếu phân bố trong tiểu cầu và tế bào thần kinh đệm, chiếm 80% tổng hoạt động MAO trong não MAO-B chuyển hóa dopamine được giải phóng đến khe tiếp hợp và được các tế bào thần kinh đệm tiếp nhận Số lượng tế bào thần kinh đệm được chứng minh là tăng theo tuổi và trong các bệnh thoái hóa thần kinh [62] Trong não người, MAO-B phân hủy cả dopamine nội sinh và ngoại sinh thành hydrogen peroxide do đó nó liên quan tới những tổn thương trong PD Đặc biệt, MAO-B là enzym chuyển đổi 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6- tetrahydropyridine (MPTP) thành chất có hoạt tính gây độc thần kinh, ion 1- metyl-4-phenylpyridinium (MPP+), có thể gây ra PD thứ phát [63]

Rối loạn chức năng ti thể xảy ra trong PD đặc trưng bởi sự giảm hoạt động của

phức hợp I ty thể và tăng sản xuất oxy phản ứng Các nghiên cứu in vitro đã chỉ ra

rằng chất ức chế MAO-B có thể cải thiện chức năng của ti thể não bằng cách ức chế hoạt động của nitric oxide synthase và giảm sản xuất hydrogen peroxide [64] Ngoài

ra, các chất ức chế MAO-B có thể điều chỉnh sự thay đổi tính thấm màng trong ti thể

do độc tố thần kinh và stress oxy hóa gây ra, đồng thời ức chế dòng chảy canxi trong ti

thể Các nghiên cứu in vitro đã chỉ ra rằng các chất ức chế MAO-B có thể trì hoãn giai

đoạn bắt đầu sự kết hợp α-synuclein, và điều này có thể dẫn đến giảm tốc độ tiến triển của bệnh [65] Dựa trên nhiều cơ chế dược lý ở trên, các chất ức chế MAO-B đã chứng minh được hiệu quả cao trong điều trị PD giai đoạn đầu và giai đoạn muộn

1.4 Tổng quan về phương pháp in silico

1.4.1 Giới thiệu

In silico là các phương pháp trợ giúp bởi máy tính được ứng dụng vào nhiều

khâu của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ khâu tìm kiếm các hợp chất hóa học có tác dụng sinh học, tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất này nhằm tăng hoạt tính sinh học, giảm độc tính, tăng các tính chất dược động học của thuốc, đến các khâu nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng Tên gọi này nhằm phân biệt với các phương

pháp in vivo, in situ và in vitro

So với các phương pháp thực nghiệm truyền thống các phương pháp in silico có

ưu thế giúp thiết kế những phân tử thuốc mới vượt trội hơn, giải thích bản chất phân tử của các tương tác thuốc, điều mà không một thí nghiệm nào có khả năng làm được Ngoài ra chúng cho phép dự đoán hoạt tính sinh học sử dụng các mô hình toán học, nghiên cứu dự đoán cơ chế tác dụng, cơ chế gây độc của các hợp chất Hiện đây là một trong những công cụ hữu ích nhất trong thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc bởi độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí, thời gian và rủi ro thấp

1.4.2 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) là lí thuyết cơ học lượng tử dựa trên mật độ electron ρ(r) = │Ψ(r)│2 thay vì hàm sóng Ψ(r) để tính năng lượng E của hệ [66]

Trong lí thuyết này, mật độ electron chỉ phụ thuộc vào ba biến tọa độ không gian

mà không phụ thuộc vào số electron trong hệ

Nhìn chung, kết quả tính toán theo phương pháp DFT chính xác nhất là đối với những phép tính hiệu chỉnh gradient hoặc phép tính lai (hybrid)

Các hàm hiệu chỉnh gradient: Hàm hiệu chỉnh gradient bao gồm giá trị của cả

mật độ spin electron và gradient Hàm trao đổi hiệu chỉnh gradient phổ biến là hàm do Becke đề xuất vào năm 1988, hàm tương quan hiệu chỉnh gradient được sử dụng rộng rãi là hàm LYP của Lee – Yang – Parr Sự kết hợp của 2 dạng này tạo nên phương pháp B-LYP Perdew cũng đề nghị một số hàm tương quan hiệu chỉnh quan trọng như Perdew 86 và Perdew-Wang 91 [66, 67]

Các hàm lai: Hàm lai được định nghĩa là hàm trao đổi, là sự kết hợp tuyến tính

của phép tính Hartree – Fock, phép tính cục bộ và phép tính trao đổi hiệu chỉnh gradient Hàm trao đổi này sau đó kết hợp với hàm cục bộ và/hoặc hàm tương quan hiệu chỉnh gradient Những hàm lai được biết nhiều nhất là B3LYP, M05-2X, M06-2X [66, 67]

Hiện nay, phương pháp M05-2X là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho các phép tính phân tử vì cho kết quả tính toán về nhiệt động và động học khá chính xác trên một phạm vi rộng các hợp chất, đặc biệt là đối với các phân tử hữu cơ Trong đề tài này, phương pháp M05-2X đã được sử dụng và thu được kết quả tốt trong nghiên cứu cấu trúc và thuộc tính electron của các chất hữu cơ

1.4.3 Phương pháp bán thực nghiệm (semi-empirical methods)

Phương pháp này sử dụng một số tham số thực nghiệm để giản lược các phép giải gần đúng của phương trình Schrödinger Do vậy, các phương pháp này cần ít thời gian tính toán hơn và có thể áp dụng cho các phân tử lớn hay rất lớn Có nhiều phương pháp bán thực nghiệm, chẳng hạn như AM1, PM3, PM6 được sử dụng trong bộ phần mềm Gaussian [67] Mỗi phương pháp sử dụng một bộ tham số khác nhau Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp PM6

Đặc điểm của phương pháp bán thực nghiệm:

- Dùng cho các hệ phân tử lớn, là các hệ không thể dùng các phương pháp với yêu cầu khắt khe về cấu hình máy tính và cần nhiều thời gian để tính toán

- Dùng cho các phân tử ở trạng thái cơ bản, là các phân tử mà dựa vào đó các phương pháp bán thực nghiệm đã được tham số hóa

- Dùng để tính sơ bộ đối với các hệ phân tử lớn Thí dụ, có thể tối ưu hóa bằng phương pháp bán thực nghiệm trên một hệ phân tử lớn để có được cấu trúc dùng làm cấu trúc bắt đầu cho phép tính năng lượng điểm đơn bằng phương pháp HF hay DFT

- Để nhận được những thông tin định tính về một phân tử như các orbital, điện

tích, tần số dao động

- Trong nhiều trường hợp, các phương pháp bán thực nghiệm có thể dùng rất thành công trong việc dự đoán năng lượng ion hóa, năng lượng cấu dạng, hiệu ứng nhóm thế… một cách định tính hay định lượng Tuy nhiên, cần thận trọng trong các công việc này

1.4.4 Phương pháp docking phân tử

1.4.4.1 Giới thiệu chung

Phương pháp docking phân tử là một phương pháp dự đoán định hướng ưu tiên của một phân tử vào phân tử thứ hai khi chúng được liên kết với nhau để tạo thành một phức hợp ổn định Các định hướng ưu tiên lần lượt có thể sử dụng để dự đoán độ mạnh liên kết giữa hai phân tử dựa trên điểm số docking cũng như vị trí gắn kết [68] Đồng thời, docking cũng được sử dụng để thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động, nghiên cứu khả năng gắn kết một hay nhiều phân tử hợp chất (ligand) vào mô hình điểm gắn kết (binding site - active site) của protein, enzyme, DNA, trong không gian

ba chiều [68]

Ngoài ra, docking phân tử còn là một phương pháp in silico có khả năng mô

hình hóa, nhằm dự đoán vị trí và cấu hình thuận lợi mà một phân tử cơ chất có thể gắn kết lên trên một phân tử protein Phân tử cơ chất được cho dịch chuyển trong không gian bao quanh phân tử protein để tìm ra vị trí mà tại đó năng lượng gắn kết là âm nhất bằng cách sử dụng các hàm đánh giá và phương pháp tìm kiếm cực trị toàn cục [69, 70]

Docking có vai trò quan trọng trong việc dự đoán ái lực và hoạt tính của các dược chất đối với protein, từ đó dự đoán khả năng hoạt hóa hoặc ức chế một protein chức năng Bên cạnh đó, docking cũng giúp dự đoán tâm hoạt động và vị trí, cấu hình thuận lợi của cơ chất tham gia phản ứng khi xem xét cơ chế xúc tác của enzyme (cũng

là một loại protein chức năng) [71]

Docking trở thành bài toán tối ưu, tìm vị trí và cấu hình phù hợp nhất của một

cơ chất gắn kết lên protein Về mặt nhiệt động học, mục tiêu của docking là tìm ra cấu hình mà năng lượng tự do của toàn hệ thống thấp nhất Để tìm cấu hình phù hợp nhất cần phải liên hệ không gian cấu hình với các giá trị số đánh giá được khả năng gắn kết của cơ chất lên protein rồi mới áp dụng được các thuật toán tìm kiếm [71]

Khi phân tử cơ chất gắn kết lên trên một phân tử protein, hai điểm cần chú ý đó

là sự phù hợp về hình dạng, kích thước, và năng lượng tương tác giữa cơ chất với protein Sự phù hợp về hình dạng, kích thước tương tự như cơ chế ổ khóa-chìa khóa [72] Tuy nhiên trong thực tế, cả cơ chất và protein đều có thể thay đổi hình dạng [72, 73], đặc biệt protein là một phân tử lớn và có cấu trúc mềm dẻo nên dễ dàng chuyển đổi hình dạng của nó một cách linh hoạt để phù hợp cho sự gắn kết với cơ chất Do protein thường có kích thước lớn và mềm dẻo nên rất khó khảo sát hết tất cả các khả năng có thể Vì thế trong phương pháp docking, phân tử protein thường được đưa vào dưới dạng cứng nhắc trong khi cơ chất có thể chuyển động tương đối so với protein và thay đổi hình dạng một cách linh hoạt Bên cạnh đó, các tương tác giữa cơ chất và phân tử protein cũng phải được xem xét nhằm đánh giá phức hợp ligand-enzyme Cụ thể, giữa cơ chất và enzyme có những tương tác với nhau như: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, và trong nhiều trường hợp còn có tương tác hóa học

1.4.4.2 Ứng dụng của docking phân tử

Docking phân tử có vai trò quan trọng trong việc dự đoán ái lực và hoạt tính của các dược chất đối với phân tử protein, từ đó có thể dự đoán được khả năng hoạt hóa cũng như ức chế của các dược chất này trên một protein chức năng Bên cạnh đó, mô hình này cũng giúp dự đoán được vùng hoạt tính/hoạt động của protein, vị trí và cấu hình thuận lợi của cơ chất khi thể hiện tương tác với phân tử protein Chính vì những

lý do trên, docking phân tử đã và đang trở thành một trong những phương pháp được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong việc thiết kế thuốc nhằm giảm thiểu chi phí thực nghiệm Ngoài ra, phương pháp docking cũng giúp hiểu biết sâu hơn về các quy trình sinh hóa cơ bản giữa phân tử dược chất và phân tử protein

1.5 Tổng quan về cơ chế hoạt động của các hợp chất chống oxy hóa

1.5.1 Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen (Formal Hydrogen Transfer-FHT)

Trong cơ chế này, chất chống oxy hóa, được ký hiệu là ArOH, sẽ khống chế các gốc tự do (ví dụ: gốc peroxyl ROO•) bằng cách chuyển một nguyên tử hydrogen của nhóm OH trong ArOH sang gốc tự do ROO•:

ROO

Gốc phenoxyl (ArO•) tạo thành có thể được ổn định nhờ vào sự chuyển một nguyên tử hydrogen ở xa hơn để tạo thành quinone hoặc phản ứng với gốc tự do khác bao gồm cả các gốc phenoxyl khác Với sự phát triển liên tục như vậy sẽ tạo ra một chuỗi các phản ứng

1.5.2 Cơ chế chuyển một electron chuyển proton

Cơ chế chuyển một electron chuyển proton (Single Electron Transfer-Proton Transfer − SET−PT) gồm hai quá trình: Trong quá trình thứ nhất, một electron từ chất chống oxy hóa chuyển sang gốc tự do và quá trình thứ hai là chuyển một proton

ROO

1.5.3 Cơ chế chuyển proton mất electron

Theo cơ chế chuyển proton mất electron (Sequential Proton Loss Electron Transfer − SPLET) [74-76] thì một proton bị mất và tiếp theo đó là sự chuyển electron

Cơ chế này được xét trong điều kiện pH cụ thể

ArOH + ROO• [ROOArOH]•

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp tính toán hóa lượng tử

2.1.1 Tính toán năng lượng tự do Gibbs liên quan đến các cơ chế chống oxy hóa

Dựa trên 3 cơ chế chính được dùng để đánh giá khả năng chống oxy hóa: Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen (FHT), cơ chế chuyển electron-chuyển proton (SET-PT)

và cơ chế hình thành sản phẩm cộng (RAF)

Năng lượng tự do Gibbs (∆Go) cho phản ứng XH + HOO• theo các cơ chế chuyển hydro (FHT), cơ chế chuyển electron (SET) và cơ chế hình thành sản phẩm cộng (RAF) được tính theo các biểu thức (2.1-2.3):

đến khả năng bắt gốc tự do của chất chống oxy hóa Dựa trên phương pháp thử nghiệm dựa trên cơ học lượng tử đối với hoạt động bắt gốc tự do tổng thể (QuantumMechanics-basedtestforOverall Free radicalscavenging Activity - QM-ORSA) [80], kỹ thuật tính toán động học đã được thực hiện theo lý thuyết trạng thái chuyển tiếp (Transition State theory -TST) và điều kiện chuẩn (1M, 298.15 K) [81, 82]

Hằng số tốc độ (k) được tính bằng cách sử dụng lý thuyết trạng thái chuyển tiếp

(TST) (ở 298,15 K, trạng thái tiêu chuẩn 1M) theo phương trình (2.4) [83-87]:

𝑘𝑘 = 𝜎𝜎𝜎𝜎𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇

ℎ 𝑒𝑒−(Δ𝐺𝐺≠)/𝑅𝑅𝑇𝑇 (2.4) Trong đó:

σ là số đối xứng của phản ứng [88, 89],

κ chứa các hiệu chỉnh đường hầm được tính toán bằng hàng rào Eckart [90],

k B là hằng số Boltzmann,

h là hằng số Planck,

∆G≠ là năng lượng kích hoạt tự do Gibbs

Lý thuyết Marcus được sử dụng để ước tính các rào cản phản ứng của các phản ứng SET [91-94] Năng lượng tự do của phản ứng ∆G≠ cho con đường SET được tính toán theo phương trình (2.5, 2.6)

∆GSET≠ = λ4�1 +∆𝐺𝐺𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆0

λ ≈ ∆ESET − ∆GSET0 (2.6)

Trong đó ∆GSET là năng lượng Gibbs của phản ứng, ∆ESET là chênh lệch năng lượng không đoạn nhiệt giữa chất phản ứng và sản phẩm đối với SET [95, 96]

Đối với các hằng số tốc độ gần với giới hạn khuếch tán, một hiệu chỉnh được áp

dụng để mang lại kết quả chính xác hơn [97] Hằng số tốc độ biểu kiến (kapp) được tính theo lý thuyết Collins–Kimball trong dung môi ở 298,15K [98]; hằng số tốc độ

Smoluchowski ở trạng thái ổn định (kD) đối với phản ứng khuếch tán lưỡng phân tử được tính toán theo phương trình (2.7, 2.8) [97, 99]

kapp= kTST kD

2.2 Phương pháp mô phỏng docking phân tử

Quy trình tiến hành kỹ thuật docking phân tử gồm 5 bước như sau [112-115]:

Bước 1: Lựa chọn và chuẩn bị cấu trúc mục tiêu tác động

Cấu trúc của phân tử protein mục tiêu được tải xuống từ PDB http: //www.rcsb.org Vùng tác động của protein được xác định dựa trên vị trí ligand (bán kính 4,5 Å) và sự hiện diện các amino acid quan trọng Các phân tử nước được loại bỏ

và cấu dạng các amino acid được kiểm tra trước khi tái lập vùng tác động của enzyme

Bước 2: Chuẩn bị cấu trúc phân tử hợp chất (ligand)

Các hợp chất hữu cơ nghiên cứu (cấu trúc 3D) được tối thiểu hóa năng lượng bằng phần mềm Gaussian 16 sử dụng phương pháp PM6

Bước 3: Mô phỏng lắp ghép lại (Re-docking)

Docking lại cấu trúc ligand đồng kết tinh trong protein: việc docking lại phân tử ligand đồng kết tinh trong cấu trúc tinh thể phối tử nhằm mục đích đánh giá tính phù hợp của các thông số docking Đánh giá giá trị RMSD (Root-Mean-Square Deviation) Đây là thông số cho biết mức độ sai lệch của các cấu dạng ligand trên sau docking so với cấu dạng có sẵn trong cấu trúc tinh thể và so sánh các tương tác ligand có trong cấu trúc tinh thể và tương tác tạo ra sau khi docking Kết quả docking thực sự đáng tin

cậy khi giá trị RMSD < 1.5 Å và các tương tác giữa các ligand với enzyme ban đầu khác nhau không đáng kể

Bước 4: Docking phân tử vào mục tiêu tác động

Docking ligand trong cơ sở dữ liệu đã chuẩn bị: Tiến hành quy trình docking bằng phần mềm MOE 2015.10 với các tùy chọn: phương pháp đặt các mảnh ligand vào túi gắn kết là phép tam giác phân (triangle matching); số kết quả tối đa cho mỗi bước lặp là 1000, số kết quả tối đa cho mỗi sự phân mảnh ligand là 200, giữ lại 5 cấu dạng tốt nhất của mỗi phân tử hợp chất trong phức hợp gắn kết, để tiếp tục phân tích tương tác Cấu dạng tốt nhất là cấu dạng có điểm số docking thấp nhất (Score – kcal.mol-1) Điểm số này là tổng năng lượng tiêu thụ cho sự hình thành các tương tác gắn kết giữa phân tử hợp chất với mục tiêu tác động

Bước 5: Phân tích kết quả docking

Đánh giá điểm số docking: Phân tích tương tác giữa phân tử hợp chất với mục tiêu tác động và biểu diễn tương tác trên mặt phẳng 2D, 3D bằng phần mềm Discovery Studio 2020 (các liên kết hydrogen, tương tác π-π, tương tác ion, tương tác cation-π) Các tương tác bề mặt Van der Waals được phát hiện bởi sự tiếp xúc các bề mặt thân trước, kỵ nước giữa phân tử hợp chất và điểm gắn kết

Các phần mềm và công cụ sử dụng trong nghiên cứu

1 ChemBioDraw Ultra 2019 Xây dựng cấu trúc 2D của các hợp

chất nghiên cứu

của các hợp chất hóa học (tối thiểu hóa năng lượng, tạo cấu dạng)

- Chuẩn bị và tối ưu hóa cấu trúc protein cho docking phân tử

- Docking phân tử

3 Discovery Studio 2020 - Phân tích mô hình tương tác giữa

phối tử và enzym từ kết quả docking phân tử

Stt Phần mềm/công cụ online Áp dụng

thông số nhiệt động học

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Cấu trúc tối ưu và dạng bền của crocetin và safaranal

Crocetin là một axit dicarboxylic apocarotenoid tự nhiên được tìm thấy trong hoa nghệ tây Crocetin có cấu trúc gồm 2 nhóm acid, 4 nhóm metyl và 7 liên kết đôi liên hợp, bao gồm dạng cis và dạng trans [116] Với sự hiện diện của một chuỗi dài liên kết đôi carbon-carbon liên hợp, crocetin rất nhạy cảm với nhiệt, ánh sáng và độ

pH Crocetin có khả năng hòa tan kém trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ, ngoại trừ pyridine và dimethyl sulfoxide [117] Crocetin cũng giống như các dẫn xuất

Carotenoids (β-Carotene, Lycopene, Torulene…), dạng trans ổn định hơn dạng cis, do

đó trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ chọn đồng phân trans-Crocetin để nghiên cứu,

cấu trúc tối ưu trình bày Hình 3.1a được tính toán ở mức lý thuyết 31+G(d,p) Ngoài ra, hợp chất safranal chỉ có 1 cấu dạng nên cấu trúc tối ưu của safranal được tính toán ở mức lý thuyết M05-2X/6-31+G(d,p) cũng được biểu diễn trong Hình 3.1b

M05-2X/6-(a)

(b) Hình 3.1 Cấu trúc tối ưu của trans-crocetin (a) và safranal (b)

3.2 Nghiên cứu hoạt tính chống oxy hóa

3.2.1 Đánh giá dựa trên cơ chế trực tiếp về khả năng phản ứng với gốc tự do peroxyl

3.2.1.1 Xét trong pha khí và môi trường giả lipid (pentyl ethanoate)

Gốc tự do peroxyl (ROO•) là một trong các tác nhân chính gây ra sự oxy hóa trong cơ thể sinh vật sống [118] Các hợp chất chống oxy hóa là các chất có khả năng

vô hiệu hóa khả năng phản ứng của các gốc peroxyl, do đó ngăn chặn tác hại của chúng gây ra [119, 120] Các gốc tự do ROO• được lựa chọn trong nghiên cứu đánh giá

về khả năng bắt bắt gốc tự do của chất chống oxy hóa vì khả năng phản ứng của chúng dao động từ thấp đến trung bình [118, 121] Do đó, gốc hydroperoxyl (HOO•), thành viên nhỏ nhất trong họ peroxyl, được chọn là loại oxy phản ứng trong đề tài để nghiên cứu hoạt động chống oxy hóa của các hợp chất nghiên cứu được thể hiện thông qua quá trình bắt gốc tự do

Để hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa các đặc điểm cấu trúc của hợp chất nghiên cứu và hoạt động chống gốc tự do của nó, chúng tôi tập trung vào ba cơ chế FHT, SET

và RAF đã được chứng minh là đóng vai trò quan trọng bởi nhóm nghiên cứu chúng tôi [122, 123] và các nhóm nghiên cứu khác [124, 125]

Để đánh giá phản ứng giữa gốc HOO• và hợp chất nghiên cứu có khả năng xảy

ra theo quan điểm nhiệt động hay không thì năng lượng tự do Gibbs (ΔrG0) theo cơ chế FHT, SET và RAF được tính toán Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.1

Do các loại ion không ổn định trong pha khí và môi trường lipid (tương ứng với dung môi pentylethanoate) nên chỉ có dạng trung tính xảy ra theo cơ chế FHT, SET và RAF mới được nghiên cứu Bảng 3.1 cho thấy các giá trị ΔrG0 được tính toán tương ứng cho tất cả các con đường phản ứng trong pha khí và dung môi không phân cực

Trong cả pha khí và dung môi không phân cực, hợp chất crocetin hầu như không phản ứng với gốc tự do HOO• theo cơ chế FHT và SET bởi vì các giá trị ΔrG0

tương ứng với các cơ chế này đều có giá trị dương Ngược lại, tất cả con đường phản ứng theo cơ chế RAF ở các vị trí từ C2 đến C8 đều có giá trị ΔrG0 âm nên các quá trình này đều tự diễn biến theo quan điểm nhiệt động học Trong đó, phản ứng cộng gốc tự

do HOO• ở vị trí C2 của hợp chất crocetin là có giá trị ΔrG0 âm nhất lần lượt là -22,1

và -18,4 kcal/mol tương ứng trong pha khí và dung môi pentylethanoate Điều đó chứng tỏ các phản ứng này xảy ra theo cơ chế RAF là thuận lợi về mặt nhiệt động