NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC CHỐNG UNG THƯ THẾ HỆ THỨ BA OXALIPLATIN VỚI GUANINE VÀ GUANOSINE

Trong nghiên cứu này, các phương pháp tính toán hóa lượng tử sẽ được sử dụng nhằm khảo sát sự tương tác giữa các sản phẩm thủy phân của oxaliplatin với phần base trong DNA cụ thể là guan

- -

DƯƠNG QUỐC ĐẠT NGUYỄN CHÍ THÀNH

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC CHỐNG UNG THƯ THẾ HỆ THỨ BA

OXALIPLATIN VỚI GUANINE VÀ GUANOSINE

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CỬ NHÂN HÓA DƯỢC

2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

DƯƠNG QUỐC ĐẠT NGUYỄN CHÍ THÀNH

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC CHỐNG UNG THƯ THẾ HỆ THỨ BA

OXALIPLATIN VỚI GUANINE VÀ GUANOSINE

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CỬ NHÂN HÓA DƯỢC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ts PHẠM VŨ NHẬT

2015

Trong quá trình thực hiện luận văn, chúng em đã học hỏi được nhiều kiến thức, kinh nghiệm và kỹ năng chuyên môn rất bổ ích, thiết thực từ quý thầy cô và bạn bè, những người đã hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho chúng em Chúng em chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Thầy Nguyễn Trọng Tuân và Cô Tôn Nữ Liên Hương là cố vấn học

tập của hai lớp Hóa Dược khóa 38 đã quan tâm giúp đỡ chúng em cũng như quý Thầy Cô Bộ môn Hóa, Khoa Khoa Học Tự Nhiên, Trường Đại Học Cần Thơ đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian vừa qua

Thầy Phạm Vũ Nhật, Bộ môn Hóa học – Khoa Khoa Học Tự Nhiên,

Trường Đại Học Cần Thơ Thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tận tình, truyền đạt kinh nghiệm, đồng thời giúp chúng em biết cách tự học, tự tìm tòi

và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn Thầy tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn Những lời Thầy hướng dẫn, gợi ý khi chúng em thắc mắc hay gặp khó khăn chính là những tia sáng mở đường giúp chúng em hoàn thành luận văn này

Bên cạnh đó cũng xin dành lời cảm ơn chân thành đến các anh chị và các bạn – Những người đã đồng hành, cùng chia sẻ kinh nghiệm và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, chúng con xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình và những người thân yêu luôn là chỗ dựa tinh thần, nguồn động viên, khuyến khích giúp chúng con vượt qua khó khăn trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

ii

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Khoa Khoa Học Tự Nhiên Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: Ts Phạm Vũ Nhật

2 Đề tài: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC

CHỐNG UNG THƯ THẾ HỆ THỨ BA OXALIPLATIN VỚI GUANINE

VÀ GUANOSINE

3 Sinh viên thực hiện: Dương Quốc Đạt MSSV: B1203436

Lớp: Hóa Dược 1 - Khóa: 38 Nguyễn Chí Thành MSSV: B1203619 Lớp: Hóa Dược 2 - Khóa: 38

4 Nội dung nhận xét:

a) Nhận xét về hình thức của LVTN:

b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung

chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

3 Sinh viên thực hiện: Dương Quốc Đạt MSSV: B1203436

Lớp: Hóa Dược 1 - Khóa: 38 Nguyễn Chí Thành MSSV: B1203619 Lớp: Hóa Dược 2 - Khóa: 38

4 Nội dung nhận xét:

a) Nhận xét về hình thức của LVTN:

b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

 Những vấn đề còn hạn chế:

c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

d) Kết luận, đề nghị và điểm:

Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2015

Cán bộ phản biện

iv

TÓM TẮT

Việc nghiên cứu tìm ra các dẫn xuất mới của platinium có hiệu quả hơn trong điều trị ung thư đã nhận được nhiều sự quan tâm trong thời gian gần đây Oxaliplatin được đánh giá là dẫn xuất có hoạt tính kháng u trên các loại ung thư đề kháng với cisplatin thông qua các thử nghiệm in vitro và in vivo Tuy nhiên các nghiên cứu về cơ chế hoạt động của nó vẫn chưa được làm sáng tỏ Trong nghiên cứu này, các phương pháp tính toán hóa lượng tử sẽ được sử dụng nhằm khảo sát sự tương tác giữa các sản phẩm thủy phân của oxaliplatin với phần base trong DNA cụ thể là guanine và guanosine Phiếm hàm B3LYP cùng với các bộ hàm cơ sở thích hợp được sử dụng để khảo sát các tham số nhiệt động, cấu trúc điện tử, đặc điểm liên kết và tính chất quang phổ của các phức này Kết quả tính toán cho thấy các tương tác này bị chi phối bởi các hiệu ứng có đặc trưng tĩnh điện cụ thể ở đây là liên kết hydro Hơn nữa, còn tồn tại một dòng điện tích dịch chuyển từ nguyên tử hydro của các phối tử sang nguyên tử oxy của guanine giúp ổn định các cấu trúc tạo thành

Từ khóa: oxaliplatin, guanine, guanosine, cisplatin, ung thư, tính toán hóa lượng tử, B3LYP…

v

ABSTRACT

Search for new derivatives of platinum being more effective in cancer treatment has received much attention in recent times It is considered that oxaliplatin is an antitumor derivative in cancers, which resist cisplatin, through in vitro and in vivo assays However, studies on its reaction mechanism have not been elucidated In this work, quantum chemical calculations are employed to examine interactions of hydrolysis products of oxaliplatin with the base site of DNA using guanine and guanosine as model reactants Thermodynamic parameters, electronic structures, bonding characteristics and spectroscopic properties of the resulting complexes are investigated using the B3LYP functional along with correlation-consistent basis sets The calculated results show that these interactions are dominated

by electrostatic effects, namely hydrogen bonding In addition, there exists a flow charge from H atoms of ligands to O guanine, which stabilizes the resulting structures

Keywords: oxaliplatin, guanine, guanosine, cisplatin, cancer, quantum chemical calculation, B3LYP…

vi

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất

cứ luận văn cùng cấp nào khác

Cần Thơ, ngày tháng 12 năm 2015

Ts Phạm Vũ Nhật Dương Quốc Đạt Nguyễn Chí Thành

vii

MỤC LỤC

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

LỜI CAM KẾT vi

DANH SÁCH BẢNG ix

DANH SÁCH HÌNH x

DANH SÁCH PHỤ LỤC xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Nước ngoài 1

1.1.2 Trong nước 1

1.2 Lý do chọn đề tài 2

1.3 Mục tiêu 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Ung thư 4

2.1.1 Thực trạng 4

2.1.2 Khái niệm 4

2.1.3 Nguyên nhân 4

2.1.4 Các giai đoạn phát triển 6

2.1.5 Các phương pháp điều trị 8

2.2 Thuốc chống ung thư thế hệ mới oxaliplatin 10

2.3 Guanine và guanosine 11

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

3.1 Phiếm hàm mật độ (density funcional theory-DFT) 13

3.2 Phương pháp Hartree-Fock 13

viii

3.3 Giới thiệu về phần mềm Gaussian 16

3.3.1 Các chức năng tính toán của Gaussian 17

3.3.2 Phương pháp tính toán 17

3.4 Bộ hàm cơ sở 18

3.4.1 Bộ hàm cơ sở tối thiểu (Minimal Basis Set): 2G, STO-3G, STO-6G, 18

3.4.2 Bộ hàm cơ sở hoá trị chia tách (Split-Valence Basis Set): 3-21G, 6-31G, 6-311 G,… 18

3.4.3 Bộ hàm cơ sở phân cực (Polarized Basis Set):31 G (d), 6-31G(d,p), 18

3.4.4 Bộ hàm cơ sở phân cực khuếch tán (Diffuse Basis Set): 6-31+G (d), 6-31++G (d, p), 19

3.4.5 Bộ hàm cơ sở tương thích với sự tương quan electron (Dunning’s Correlation Consistent Basis Set) 19

3.4.6 Bộ hàm cơ sở Double zeta (Double Zeta Basis Set) 19

3.4.7 Bộ cơ sở phù hợp phân cực (polarize consistent basis set) 19

3.4.8 Bộ hàm cơ sở cho các nguyên tử có hạt nhân lớn 20

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

4.1 Phương pháp tính toán 21

4.2 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)( H2O)]+ với guanine 21

4.3 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)(H2O)]+ với guanosine 25

4.4 Sự thay đổi các tham số hình học và tần số dao động 28

4.5 Phân tích NBO 32

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35

5.1 Kết luận 35

5.2 Kiến nghị 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

PHỤ LỤC 39

ix

DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1 Năng lượng tương đối giữa các cấu trúc (RE), năng lượng trao đổi

phối tử (ET) và độ dài liên kết hydro cũng như độ dài liên kết giữa Pt với

Bảng 4.4 Năng lượng nhiễu loạn bậc hai E(2) và điện tích NBO của các

nguyên tử tham gia vào liên kết H tính tại mức lý thuyết (PP) 32

B3LYP/cc-pVTZ-x

DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Công thức cấu tạo của oxaliplatin 11 Hình 2.2 Cấu trúc của guanine và guanosine cũng như các vị trí có thể hình

thành liên kết với oxaliplatin của guanine 12

Hình 3.1 Biểu tượng của chương trình Gaussian 17 Hình 4.1a Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)G]+ được tối ưu tại B3LYP/ cc-

pVTZ-(PP) Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng tương đối giữa các đồng phân (kcal/mol) 22

Hình 4.1b Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)G]+ được tối ưu tại B3LYP/

cc-pVTZ-(PP) Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng tương đối giữa các đồng phân (kcal/mol) 23

Hình 4.1c Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)G]+ được tối ưu tại B3LYP/

cc-pVTZ-(PP) Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng tương đối giữa các đồng phân (kcal/mol) 24

Hình 4.2a Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)Go]+ được tối ưu tại (PP) Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng tương đối giữa các đồng phân (kcal/mol) 26

B3LYP/cc-pVTZ-Hình 4.2b Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)Go]+ được tối ưu tại (PP) Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng tương đối giữa các đồng phân (kcal/mol) 27

B3LYP/cc-pVTZ-Hình 4.3 Phổ IR của [Pt(dach)(ox)Aq]+ (trên) và của [Pt(dach)(ox)G]+ dạng bền nhất (dưới) tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ/cc-pVTZ-PP 30

Hình 4.4 Phổ IR của [Pt(dach)(ox)Aq]+ (trên) và của [Pt(dach)(ox)Go]+ dạng bền nhất (dưới) tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ/cc-pVTZ-PP 31

Hình 4.5 Điện tích NBO của nguyên tử H1 và O5 trong PtGN7 khi có liên kết

hydro 33

Hình 4.6 Điện tích NBO của nguyên tử H1 và O5 trong PtGN7 khi chưa tạo

liên kết hydro 33

xi

DANH SÁCH PHỤ LỤC

PHỤ LỤC A: INPUT FILE CHO TỐI ƯU HÓA HÌNH HỌC 39

A.1 PtGN1 39

A.2 Oxaliplatin-aqua 43

A.3 Guanine 48

A.4 Aqua 49

PHỤC LỤC B: INPUT FILE PHÂN TÍCH NBO 50

B.1 PtGN7-NBO 50

B.2 Oxaliplatin-aqua 54

B.3 Guanine 59

PHỤ LỤC C: TỌA ĐỘ CỦA CÁC CẤU TRÚC TỐI ƯU 60

C.1 PtGN1 60

C.2 PtGN3 61

C.3 PtGN7 63

C.4 PtGN9 65

C.5 PtGO 66

C.6 PtGoN1 68

C.7 PtGoN3 70

C.8 PtGoN7 72

C.9 PtGoO 75

C.10 Oxaliplatin-aqua 77

C.11 Guanine 78

C.12 Guanosine 79

C.13 Aqua 80

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AO Atom Orbital

AIM Atoms in Molecules

BCG Bacillus Calmette Guerin

dach diaminocyclohexane

DNA Deoxyribo Nucleic Acid

DFT Density Funcional Theory

ELF Electron Localized Function

NBO Natural Bond Orbital

NMR Nuclear Magnetic Resonance

ox oxalate

RNA Ribonucleic Acid

SCF Self Consitent Field

WHO World Health Oragnization

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 1 NGUYỄN CHÍ THÀNH

CHƯƠNG 1 - LỜI MỞ ĐẦU - 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Nước ngoài [1-5]

Cisplatin (cis-[Pt(Cl)2(NH3)2] hay cis-DDP), là một loại thuốc chống ung

thư được sử dụng rộng rãi và được xác nhận là đặc biệt hiệu quả trong điều trị ung thư phổi, tinh hoàn và buồng trứng cũng như các khối u ở đầu và cổ Nhưng nó cũng gây ra một số phản ứng phụ rất nghiêm trọng lên thận, tai và

hệ thần kinh Do đó, việc nghiên cứu các dẫn xuất có khả năng thay thế cisplatin nhưng ít độc, ít tác dụng phụ và dễ sử dụng hơn đang là lĩnh vực thu hút nhiều nhóm nghiên cứu về hoá học, dược học, sinh – y học

Tuy nhiên, đây là nhiệm vụ rất khó khăn, không những do sự đa dạng về thành phần, cấu trúc và tính chất của những phối tử thay thế, mà còn do thiếu những thông tin định lượng ở cấp độ nguyên tử về các yếu tố kiểm soát sự tương tác Pt-DNA Thực tế, hàng ngàn hợp chất của Pt đã được tổng hợp trong những thập kỷ gần đây, nhưng chỉ một vài chất như oxaliplatin, carboplatin và nedaplatin là được thử nghiệm lâm sàng và đi vào thương mại hóa Trong bối cảnh đó, một sự hiểu biết hoàn chỉnh về bản chất của sự tương tác giữa Pt và các thành phần tạo nên DNA là rất hữu ích cho quá trình thiết kế các hợp chất tương tự cisplatin

Oxaliplatin là một thuốc thuộc nhóm các hợp chất platinium mới, trong

đó nguyên tử Pt tạo phức với 1,2-diaminocyclohexane ("dach") và nhóm oxalate Oxaliplatin có phổ tác dụng rộng trong in vitro gây ra độc tế bào và in

vivo có hoạt tính kháng u trên nhiều loại u bao gồm u đại ­ trực tràng Có hiện

tượng cộng lực về hoạt tính độc tế bào giữa oxaliplatin với 5­fluorouracil

trong cả in vitro và in vivo Oxaliplatin cũng có hoạt tính trong in vitro và in

vivo trên các loại ung thư đề kháng với cisplatin Các nghiên cứu về cơ chế

hoạt động của oxaliplatin ­ mặc dù chưa hoàn toàn sáng tỏ ­ cho thấy hoạt tính mạnh của nó là kết quả của sự chuyển hóa sinh học do tương tác với DNA tạo

ra cả hai loại liên kết giữa và trong các sợi chéo nhau gây ra hiện tượng phá vỡ

sự tổng hợp của DNA dẫn đến kết quả kháng u và độc tế bào

1.1.2 Trong nước

Trong những năm gần đây, vấn đề này cũng đã nhận được sự quan tâm nhất định tại Việt Nam Các phức chất của Pt(II) với những phối tử khác nhau

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 2 NGUYỄN CHÍ THÀNH

cũng đã được khảo sát bởi một số nhóm nghiên cứu tại các trường Đại học, Viện nghiên cứu trong nước, nhưng chủ yếu là những quan sát thực nghiệm

Vì vậy, cho đến thời điểm này rất ít thông tin về cấu trúc, các tính chất điện tử, cũng như bản chất của sự tương tác giữa chúng với các phân tử sinh học được công bố

1.2 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, nhờ những thành tựu vượt bậc của khoa học máy tính và công nghệ thông tin, các mô hình tính toán đã trở thành trụ cột (cách thức) thứ ba của khoa học, bổ sung cho các phương pháp lý thuyết truyền thống và các phép đo thực nghiệm Vào thời điểm này, các phép tính hóa học lượng tử đã đạt độ chính xác ±1,0 kcal/mol cho những phân tử nhỏ hoặc trung bình và

±2,0 kcal/mol cho những phân tử lớn, so với “độ chính xác hóa học” (±2,0 kcal/mol) của đo đạc thực nghiệm

Những tính toán hóa học có thể được sử dụng để hoàn chỉnh, hướng dẫn

và thậm chí thay thế thực nghiệm Những khảo sát lý thuyết cho phép xác định trước tính chất của một chất hoàn toàn mới với độ chính xác không thua kém thực nghiệm Nhờ đó, khả năng sáng tạo của các nhà hóa học được nhân lên rất nhiều Những kết quả tính toán cho phép tiên đoán những hiện tượng mới,

gợi ý những hợp chất mới, phản ứng mới cho người làm thực nghiệm

Rất nhiều dẫn xuất có khả năng thay thế cis-DDP, nên việc khảo sát các

tính chất hóa lý của chúng là rất khó khăn và đôi khi không thể đo mà chỉ có thể tính Trong bối cảnh đó, việc áp dụng các mô hình tính toán trong lĩnh vực này sẽ giúp rút ngắn thời gian và tiền bạc cho việc thử nghiệm và mang những

ý tưởng mới từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế Hơn nữa, những thông tin từ sự khảo sát lý thuyết giúp ta có một cái nhìn sâu hơn về bản chất của sự tương tác giữa các hợp chất Pt(II) với các protein

Từ những lý do trên, đề tài “NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA THUỐC CHỐNG UNG THƯ THẾ HỆ THỨ BA OXALIPLATIN VỚI GUANINE VÀ GUANOSINE” được thực hiện nhằm

xác định bản chất của sự tương tác như điểm liên kết, năng lượng liên kết và

cơ chế liên kết Do đó cần phải:

- Xác định vị trí hình thành liên kết giữa oxaliplatin với guanine và guanosine

- Đánh giá độ bền của liên kết hydro bằng NBO

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 3 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Trên cơ sở đó đánh giá khả năng phản ứng, mức độ chọn lọc của cisplatin so với một dẫn xuất chứa O tiêu biểu của nó đó là oxaliplatin Đây là những thông tin rất cần thiết cho những nghiên cứu về mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính của cisplatin cũng như của các dẫn xuất của nó

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 4 NGUYỄN CHÍ THÀNH

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN - 2.1 Ung thư

2.1.1 Thực trạng [6]

Theo ước tính của Tổ chức Y tế Thế giới, hàng năm trên thế giới có khoảng 9 triệu người mắc ung thư và 5 triệu người chết vì bệnh này Ở vùng châu Á Thái Bình Dương, ung thư là một trong ba nguyên nhân chính gây tử vong ở người Tỷ lệ chết do ung thư lên tới 100/100.000 dân ở Úc, Trung Quốc, Tân Tây Lan và Singapore Chỉ tính riêng ở Trung Quốc, mỗi năm ung thư đã cướp đi sinh mạng của 1,3 triệu người

Ở Việt Nam, theo ước tính mỗi năm có khoảng từ 100.000 đến 150.000 bệnh nhân ung thư mới và từ 50.000 đến 70.000 người chết vì căn bệnh này Tình hình mắc và tử vong do ung thư có xu hướng ngày càng tăng và rất đáng báo động

2.1.3 Nguyên nhân [7]

Ung thư xảy ra khi có sự thay đổi trong các gen chịu trách nhiệm cho sự tăng trưởng và sửa chữa các tế bào Những thay đổi này là kết quả của sự tương tác giữa các yếu tố di truyền và các tác nhân bên ngoài mà có thể được phân loại như sau:

2.1.3.1 Tác nhân vật lí

Bức xạ ion hóa: nguồn tiếp xúc tia phóng xạ chủ yếu là tự nhiên từ các tia vũ trụ, đất hoặc các vật liệu xây dựng Nguồn tiếp xúc phóng xạ nhân tạo chủ yếu là trong chẩn đoán y khoa (tia X-quang,…)

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 5 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Bức xạ cực tím: tia cực tím có trong ánh sáng mặt trời Là tác nhân chủ yếu gây ung thư da Trong tương lai, số người mắc ung thư da do tia cực tím được dự đoán sẽ tăng cao do những thay đổi xảy ra ở tầng ozon của bầu khí quyển đã ảnh hưởng cả về cường độ lẫn biên độ tiếp xúc với tia cực tím

2.1.3.2 Tác nhân hóa học

Thuốc lá: là nguyên nhân chính gây ung thư phế quản và một số ung thư vùng mũi họng Thuốc lá ngoài chứa nicotin còn chứa rất nhiều hydrocarbon thơm đa vòng là các chất độc với cơ thể, trong đó chất 3,4-Benzopyren là chất gây ung thư trên thực nghiệm Nguy cơ không chỉ xuất hiện ở những người hút thuốc, những bằng chứng gần đây cho thấy khả năng mắc ung thư phổi gia tăng ở những người không hút thuốc nhưng lại thường xuyên tiếp xúc với khói thuốc từ người khác

Các chất gây ô nhiễm thực phẩm: cá ướp muối, các loại mắm có chứa rất nhiều muối nitrat và nitrit, đặc biệt là nitrosamin làm tăng nguy cơ ung thư

thực quản và dạ dày Nấm mốc Aspergillus flavus thường có ở gạo và lạc tiết

ra aflatoxin gây ung thư gan nguyên phát Ngoài ra, các thực phẩm bị ô nhiễm bởi thuốc trừ sâu cũng tiềm ẩn một mối nguy lớn

Yếu tố nghề nghiệp: môi trường làm việc tiếp xúc với các hóa chất độc hại cũng làm tăng nguy cơ mắc ung thư Các chất được xem là nguyên nhân gây ung thư có thể kể đến hắc ín và các dẫn xuất của nó có trong dầu mỏ, khí thải động cơ diesel, beryllium, tinh thể silica, cadmium, benzen, đặc biệt là amian đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy số lượng công nhân mắc ung thư phổi do hít amian thậm chí trong thời gian không dài

2.1.3.3 Tác nhân sinh học

Tác nhân sinh học gây ung thư chủ yếu là virus, một số trường hợp có vai trò của kí sinh trùng và vi khuẩn

Virus viêm gan B: Đây là loại virus có thể gây ung thư gan nguyên phát,

thường gặp ở châu Phi và châu Á, trong đó có Việt Nam Khi xâm nhập cơ thể người, virus này gây viêm gan cấp, có khi chỉ thoáng qua Sau đó một số người bệnh chuyển thành viêm gan mạn tính không triệu chứng trong nhiều năm Tổn thương này qua thời gian dài sẽ dẫn đến hai biến chứng là xơ gan toàn bộ và ung thư tế bào gan Việc khẳng định virus viêm gan B gây ung thư

là quan trọng giúp chúng ta có một phương pháp phòng bệnh tốt bằng cách tiêm chủng chống viêm gan B

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 6 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Virus Epstein-Barr: lần đầu tiên có mặt ở bệnh ung thư hàm dưới của trẻ

em vùng Uganda Sau này người ta còn phân lập được virus này ở ung thư vòm mũi họng, loại ung thư khá phổ biến ở vùng ven Thái Bình Dương Nhiều bệnh nhân ung thư vòm có kháng thể chống kháng nguyên của virus này Tuy vậy, vai trò gây bệnh trực tiếp của virus chưa được khẳng định chắc chắn vì tỷ

lệ nhiễm virus Epstein-Barr trong cộng đồng khá cao trong khi chỉ một số bị

ung thư vòm

Virus HPV: virus gây u nhú, thường truyền qua đường sinh dục Loại này

được coi là có liên quan đến các ung thư vùng âm hộ, âm đạo và cổ tử cung

Helicobacter Pylori: ngoài gây viêm loét dạ dày tá tràng mạn tính còn

được cho là nguyên nhân dẫn đến ung thư dạ dày Có thể được điều trị bằng kháng sinh

Sán Schistosoma: là tác nhân kí sinh trùng, được coi là nguyên nhân gây

ung thư bàng quang và một số ít trường hợp ung thư niệu quản Hay gặp ở châu Phi và vùng Trung Đông

2.1.4 Các giai đoạn phát triển [6]

2.1.4.1 Giai đoạn khởi phát

Bắt đầu từ tế bào gốc do tiếp xúc với các tác nhân gây đột biến, làm thay đổi không hồi phục tế bào

Quá trình diễn ra nhanh và hoàn tất trong một vài giây và không đảo ngược được Tuy nhiên người ta chưa xác định được ngưỡng gây khởi phát Trong cuộc đời một con người thì có nhiều tế bào trong cơ thể có thể trải qua quá trình khởi phát, nhưng không phải tất cả các tế bào đều phát sinh bệnh Đa số các tế bào khởi phát hoặc là không tiến triển, hoặc là chết đi, hoặc

là bị cơ chế miễn dịch vô hiệu hóa

2.1.4.2 Giai đoạn tăng trưởng, thúc đẩy, chuyển biến

Đây là các giai đoạn sau giai đoạn khởi phát, bao gồm sự chọn lọc dòng

tế bào, sự thay đổi thể hiện ở gen, sự tăng sinh của tế bào khởi phát Sự tăng sinh của tế bào ung thư còn ở mức độ nhỏ, cư trú ở một mô nhỏ nào đó

2.1.4.3 Giai đoạn lan tràn

Tiếp theo các giai đoạn trên, ung thư có thể chuyển sang giai đoạn lan tràn Giai đoạn này có thể ngắn vài tháng và cũng có thể kéo dài vài năm Ở

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 7 NGUYỄN CHÍ THÀNH

giai đoạn này, khối u bành trướng, gia tăng có thể từ 100 đến 1 triệu tế bào Tuy nhiên, vẫn còn quá nhỏ để phát hiện bằng phương pháp phân tích được

2.1.4.4 Giai đoạn tiến triển – xâm lấn – di căn

a Giai đoạn tiến triển

Đặc trưng của giai đoạn này là sự tăng lên của kích thước khối u Ở người bình thường số lượng tế bào được tạo ra bằng số tế bào chết và luôn giữ

ở mức hằng định (khoảng 1.012 triệu tế bào chết mỗi ngày cần được thay thế) Khi bị ung thư, tế bào sinh sản vô hạn độ làm phá vỡ mức hằng định Trong giai đoạn tiến triển, chia ra hai giai đoạn nhỏ

Giai đoạn tiền lâm sàng: đây là giai đoạn đầu, có thể rất ngắn vài tháng như u lympho Burkit, cũng có thể kéo dài nhiều năm như ung thư trực tràng, ung thư phổi, bàng quang, giai đoạn này có thể kéo dài 15-20 năm, có khi 40,

50 năm, chiếm 75% thời gian phát triển của bệnh Tuy chưa có biểu hiện lâm sàng nhưng cũng có thể phát hiện dựa vào các xét nghiệm cận lâm sàng

Giai đoạn lâm sàng: trên lâm sàng chỉ phát hiện khối u có kích thước trên

1 cm3 (khoảng 1 tỷ tế bào), cần phải có 30 lần nhân đôi

b Giai đoạn xâm lấn

Tổ chức ung thư xâm lấn nhờ các đặc tính: tính di động của tế bào ung thư, khả năng tiêu đạm ở các mô kế cận, mất sự ức chế tiếp xúc của tế bào

c Giai đoạn di căn theo các đường

Bạch mạch: gặp nhiều trong ung thư biểu mô Đầu tiên có thể lan tràn theo đường bạch mạch tại chỗ và đôi khi làm tắc, rồi lan đến bạch mạch vùng

Di căn thường từ gần đến xa, qua các trạm hạch, có khi nhảy cóc

Di căn theo đường kề cận: các tế bào ung thư đi theo các mạch máu và thần kinh, theo lối ít bị cản trở như ung thư dạ dày lan qua các lớp thanh mạc vào ổ bụng, đến buồng trứng…

Theo đường máu: gặp nhiều trong ung thư liên kết Khi đi theo đường máu, tế bào kết thúc ở mao mạch và tăng trưởng ở đó

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 8 NGUYỄN CHÍ THÀNH

2.1.5 Các phương pháp điều trị [8]

2.1.5.1 Phẫu trị

Từ lâu phẫu trị ung thư đã được xem là phương pháp điều trị ung thư mang lại kết quả tốt nhất Phẫu trị hay phẫu thuật ung thư là một thủ thuật để sửa chữa hoặc loại bỏ một phần của cơ thể giúp chuẩn đoán hoặc điều trị ung thư, là nền tảng của điều trị ung thư Phẫu trị có thể dùng điều trị riêng lẻ hoặc

có thể hỗ trợ các phương pháp điều trị khác, chẳng hạn như xạ trị, hóa trị, liệu pháp hormone và liệu pháp sinh học

Theo truyền thống, mục đích chính của phẫu thuật ung thư là để chữa trị ung thư bằng cách loại bỏ tất cả tế bào ung thư khỏi cơ thể Bác sĩ phẫu thuật thường thực hiện điều này bằng cách cắt và loại bỏ các bệnh ung thư cùng với một số mô lành xung quanh để đảm bảo rằng các tế bào ung thư đều đã được loại bỏ Ngoài ra, bác sĩ phẫu thuật cũng có thể loại bỏ một số hạch bạch huyết trong khu vực để xác định xem ung thư đã lan rộng chưa Điều này giúp đánh giá cơ hội chữa khỏi bệnh cũng như nhu cầu để điều trị thêm

Các phương pháp phẫu trị ung thư:

- Phẫu thuật lạnh: sử dụng vật liệu rất lạnh như phun nitơ lỏng hoặc thăm

dò lạnh để đóng băng và phá hủy các tế bào ung thư hoặc tế bào có thể trở thành ung thư

- Electrosurgerys: bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao để giết chết tế bào ung thư

- Phẫu thuật bằng tia laser: sử dụng chùm ánh sáng cường độ cao để thu hẹp hoặc làm bay hơi các tế bào ung thư

- Phẫu thuật nội soi: ưu điểm là các vết mổ nhỏ hơn giúp phục hồi nhanh hơn và làm giảm nguy cơ của biến chứng

- Robot phẫu thuật: điều khiển các tay robot thông qua một màn hình 3D

để thực hiện các thao tác phẫu thuật Ưu điểm là có thể hoạt động trong các khu vực khó tiếp cận của cơ thể

Giống như với bất kì phương pháp phẫu thuật nào, phẫu thuật ung thư vẫn mang đến nhiều rủi ro Các triệu chứng không mong muốn gồm có: gây đau, chảy máu, nhiễm trùng, mất chức năng cơ quan và làm biến đổi chức năng ruột, bàng quang trong một vài ngày

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 9 NGUYỄN CHÍ THÀNH

2.1.5.2 Xạ trị

Hiện nay có hơn phân nữa số người bệnh ung thư được điều trị tốt nhờ

xạ trị dùng riêng lẻ hoặc phối hợp với các phương pháp khác

Xạ trị là dùng chùm tia phóng xạ để tàn phá các tế bào ung thư Các tia phóng xạ giết chết tế bào bằng cách gây tổn thương các gen nằm trong phân tử DNA của nhân tế bào Khi bị chiếu tia thì vài tế bào chết ngay, nhưng phần lớn chết khi bước vào chu kì sinh sôi

Các kiểu xạ trị:

- Xạ trị ngoài: thường dùng nhất Nguồn tia bên ngoài chiếu xuyên qua

da, người bệnh được đặt nằm hoặc ngồi trong vùng tỏa của chùm tia

- Xạ trị trong: đưa nguồn tia vào các hốc của cơ thể (âm đạo, tử cung)

- Xạ trị mô: đưa tia phóng xạ vào ngay mô ung thư, có thuận lợi là chiếu tia một cách chọn lọc vào mô ung thư đồng thời ít gây tổn hại cho vùng lân cận, nhưng chỉ áp dụng được cho một số ung thư ở vị trí dễ rờ và dễ thấy được

- Xạ trị chuyển hóa: cho các đồng vị phóng xạ vào trong cơ thể theo đường miệng hoặc đường tĩnh mạch Các chất này đến gần và dính vào tế bào ung thư rồi phát tia tàn phá

Xạ trị ít được dùng (vì không hiệu quả) để điều trị ung thư dạ dày, ruột già hoặc tụy tạng Đó là các ung thư kháng tia

và hết hẳn trong vài tuần hoặc vài tháng sau khi dứt xạ trị

- Các biến chứng muộn: trầm trọng hơn, xảy ra vào khoảng một năm sau xạ trị Đó là xạ trị liều quá mạnh gây tổn thương các mô lành Thường gặp

là mô bị chai cứng, các cơ quan rỗng (ruột, thực quản) bị teo siết, các chỗ lở loét gây chảy máu

2.1.5.3 Hóa trị

Khác với phẫu trị và xạ trị vì hóa trị là liệu pháp toàn thân Hóa trị chống ung thư là dùng các thứ thuốc để giết các tế bào ung thư Hiện nay có hàng

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 10 NGUYỄN CHÍ THÀNH

trăm thứ thuốc và nhiều thuốc khác nữa sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai gần Các loại thuốc này rất khác nhau về cấu trúc hóa học, khác nhau về cách dùng để điều trị các dạng ung thư đặc hiệu và các tác dụng phụ

Có ba mục tiêu chính trong hóa trị ung thư: trước nhất là dùng thuốc để điều trị khỏi bệnh, để diệt tận gốc ung thư, để ung thư không tái phát Nếu không đạt được mục tiêu này thì cố gắng kiểm soát căn bệnh (làm ung thư ngừng phát triển và lan tràn) Nếu hai mục tiêu trên không thể đạt được thì hóa trị có thể được sử dụng để làm giảm bớt các triệu chứng hành hạ người bệnh,

có thể giúp người bệnh sống tương đối thoải mái ngay cả khi không thể kéo dài đời sống của họ

Hóa trị có thể được dùng như là liệu pháp hỗ trợ hoặc tân hỗ trợ Sau khi

mổ hoặc xạ trị, người ta có thể dùng thuốc đặc trị ngay nhằm tiêu diệt một số

tế bào ung thư có thể sót lại tại chỗ hoặc bị tung tóe ra xa, vì e rằng các tế bào này về sau có thể tái phát trở lại

Tác dụng phụ của hóa trị: vì bất cứ thuốc chống ung thư nào cũng là chất độc đối với cơ thể nên tất nhiên nó cũng gây nhiều tổn hại lên chính cơ thể người điều trị Các tác dụng phụ thường gặp là mỏi mệt, thiếu máu, rụng tóc, nôn mửa, tiêu chảy, táo bón, hư móng, xấu da, khô lở miệng, họng, nhiễm trùng hay chảy máu

2.1.5.4 Liệu pháp nhắm trúng đích

Các xáo trộn trong tế bào ở cấp độ phân tử (các protein) và ở các gen (đột biến) trong nhân tế bào chính là mấu chốt Vì mỗi gen cầm trịch cho một protein nên các gen hư hỏng sẽ cho các protein hư hỏng; như vậy có khi một protein được chế tạo quá yêu cầu, có khi một protein nào khác quá ít hoặc một protein lầm lạc không làm đúng chức năng Thế hệ thuốc mới nhắm vào các protein bệnh hoạn này để trói tay chúng lại, để bẻ gãy chúng bằng rất nhiều cách Giống như mũi tên bắn trúng hồng tâm, liệu pháp mới dùng các thuốc sinh học nhắm đúng các xáo trộn Từ đó có liệu pháp nhắm đích phân tử hay liệu pháp nhắm trúng đích Đây là phương pháp điều trị có hiệu quả hơn các phương pháp điều trị hiện nay và ít gây độc tế bào hơn

2.2 Thuốc chống ung thư thế hệ mới oxaliplatin [9-11]

Oxaliplatin là thuốc chống tân sinh thuộc nhóm các hợp chất platinium mới, trong đó nguyên tử platinium tạo phức hợp với 1,2-diaminocyclohexane

(dach) và nhóm oxalate (ox), hai tâm carbon bất đối trong phân tử đều có cấu hình là R Oxaliplatin có phổ tác dụng rộng trong in vitro gây ra độc tế bào và

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 11 NGUYỄN CHÍ THÀNH

in vivo có hoạt tính kháng u trên nhiều loại u đặc biệt hiệu quả trong chữa trị u đại - trực tràng

Oxaliplatin được phát hiện vào năm 1976 bởi giáo sư Yoshinori Kidani

từ trường đại học thành phố Nagoya Sau đó, nó đã được xin giấy phép bởi Debiopharm và được phát triển như một liệu pháp chữa trị ung thư đại - trực tràng cao cấp Oxaliplatin đã đạt được sự chấp thuận tại châu Âu vào năm

1996 (lần đầu tiên ở Pháp) và đến năm 2002 thì được sự phê duyệt của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ Năm 2010, việc tranh chấp bằng sáng chế đã làm tạm dừng việc sản xuất oxaliplatin Tuy nhiên chỉ hai năm sau

đã được bắt đầu sản xuất lại

Oxaliplatin có tên biệt dược là Eloxatin Được chỉ định trong điều trị carcinom kết trực tràng có di căn ở bệnh nhân đã điều trị trước đây với các dẫn chất fluoropirimidine trong đơn trị liệu hoặc dùng phối hợp với leucovorin hoặc levamisol Chống chỉ định với phụ nữ có thai, nuôi con bú, các bệnh nhân suy tủy, bệnh thần kinh ngoại biên, suy thận nặng Tác dụng phụ: rối loạn tiêu hóa (nôn, buồn nôn, tiêu chảy), loạn tạo máu (thiếu máu, giảm bạch cầu, tiểu cầu), bệnh thần kinh cảm giác ngoại vi, loạn cảm giác vùng hầu - họng, phản ứng dị ứng, độc tính ở thận và tai Tương kị: không tiêm cùng với dung dịch kiềm (vì gây hóa giảng hoạt chất), dung dịch có chlorid, trometamol (có phản ứng kiềm), dụng cụ chứa nhôm [10]

2.3 Guanine và guanosine [9-11]

Guanine là một trong năm loại nucleobase chính có trong các nucleic acid như DNA và RNA, thuộc nhóm base purine, trong cặp base Watson-Crick nó tạo ba liên kết hydro với cytosine Cấu trúc của phân tử guanine gồm

có vòng pyrimidine và vòng imidazol 5 cạnh (Hình 2.2)

Hình 2.1 Công thức cấu tạo

của oxaliplatin

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 12 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Guanosine là nucleoside chứa guanine được đính với một vòng đường

ribose thông qua liên kết β-N9-glycosidic Guanosine có thể bị phosphoryl hóa

thành guanosine monophosphate (GMP), guanosine diphosphate (GDP) và guanosine triphosphate (GTP) Đây là những dạng đóng vai trò quan trọng trong các hóa trình sinh hóa như tổng hợp các acid nucleic và protein, quang tổng hợp, quá trình co cơ và dẫn truyền tính hiệu nội bào

Khi vào trong cơ thể, oxaliplatin sẽ bị solvate hóa tạo nên cation phức

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ Cation này đóng vai trò là tác nhân platinate hóa, có khả năng kết hợp với các nucleotide của DNA thông qua các base purine (cụ thể là guanine và adenine) Các phương trình phản ứng xảy ra khi oxaliplatin tạo liên kết với guanine và guanosine:

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ + G → [Pt(dach)(ox)G]+ + H2O

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ + Go → [Pt(dach)(ox)Go]+ + H2O Các vị trí có thể tạo liên kết với guanine và guanosine được trình bày như Hình 2.2 Thông qua việc liên kết với guanine đã làm biến đổi cấu trúc của DNA, tạo nên các liên kết giữa hai mạch DNA chéo nhau, từ đó ức chế quá trình phiên mã (nhân đôi DNA), đồng thời ức chế sự nhân đôi tế bào Đó chính là hoạt tính kháng ung thư

Hình 2.2 Cấu trúc của guanine (trái) và guanosine (phải) cũng như

các vị trí có thể hình thành liên kết với oxaliplatin của guanine

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 13 NGUYỄN CHÍ THÀNH

CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU -

3.1 Phiếm hàm mật độ (density funcional theory - DFT) [12]

Phiếm hàm mật độ dùng để mô tả các tính chất của hệ nhiều electron được đề cập đến lần đầu trong các công trình của Llewellyn Hilleth Thomas và Enrico Fermi ngay từ khi cơ học lượng tử mới ra đời vào năm 1927 Đến năm

1964, Pierre Hohenberg và Walter Kohn đã đưa ra hai định lý cơ bản là nền tảng của lý thuyết phiếm hàm mật độ Hai định lý này khẳng định năng lượng

ở trạng thái cơ bản là một phiếm hàm của mật độ electron, do đó về nguyên tắc có thể mô tả hầu hết các tính chất vật lý của hệ điện tử qua hàm mật độ Một năm sau đó, W Kohn và Lu Jeu Sham nêu ra quy trình tính toán cho phép xác định một cách gần đúng mật độ electron ở trạng thái cơ bản trong khuôn khổ lý thuyết DFT Không lâu sau đó, DFT trở thành một công cụ tính toán thực thụ

Ở trạng thái cơ bản, năng lượng của nguyên tử là một phiếm hàm theo hàm mật độ điện tử như sau:

Trong đó, ngoài thành phần thế năng, thế năng tương tác đẩy điện tử điện tử, động năng tương tác với hạt nhân, thành phần năng lượng tương quan

-và trao đổi giữa các điện tử 𝐸𝑥𝑐⌈𝜌⌉ đóng vai trò quan trọng -và tính toán được

nó là một trong những thế mạnh của DFT

Từ những năm 1980 đến nay, cùng với sự phát triển tốc độ tính toán của máy tính điện tử, lý thuyết DFT là một trong những phương pháp tính toán đáng tin cậy và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học như: vật lý chất rắn, hóa học lượng tử, vật lý sinh học, khoa học vật liệu đặc biệt

là trong mô phỏng hóa học

3.2 Phương pháp Hartree-Fock [13]

Để giải phương trình Schrödinger trên máy tính người ta thường dùng phương pháp Hartree-Fock Dựa vào phương pháp này, người ta đã xây dựng nên những phương pháp phức tạp hơn có độ chính xác cao hơn, đồng thời phát

r r r d r d T

'

' 0

2 1

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 14 NGUYỄN CHÍ THÀNH

triển các phương pháp gần đúng đơn giản hơn để áp dụng tính toán cho các hệ thống phân tử lớn

Trong phương pháp SCF (phương pháp Trường tự hợp – Self Consistent Field) của Hartree, hàm thử là tích của các hàm sóng một electron Mặc dù trên mỗi orbital không có hơn hai electron, nhưng đó chưa phải là một hàm sóng phản xứng Theo nguyên lý Pauli, hàm sóng (cho dù là gần đúng) của hệ nhiều electron phải bao gồm yếu tố spin và phải phản xứng qua phép hoán vị hai electron bất kì Do đó, Fock (1930) cho rằng thay vì sử dụng các orbital, ta phải sử dụng các spin-orbital và tổ hợp chúng thành những tổ hợp tuyến tính phản xứng Phương pháp SCF mà trong đó hàm thử là sự tổ hợp tuyến tính phản xứng các spin-orbital được gọi là phương pháp Hartree-Fock (HF) SCF Với hệ gồm 2n electron phân bố vào n orbital, hàm sóng HF hay định thức Slater sẽ là:

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 15 NGUYỄN CHÍ THÀNH

𝐾𝑖𝑗 = 〈𝜓𝑖(𝑖) 𝜓𝑗(𝑗)|𝑔̂12| 𝜓𝑖(𝑖) 𝜓𝑗(𝑗)〉

Khi i = j, ta có:

𝐽𝑖𝑖 = 𝐾𝑖𝑖Điều đó cho thấy tích phân Kij chỉ xuất hiện khi hai electron có spin cùng chiều Tổng của các tích phân Coulomb Jij và tích phân trao đổi Kij là năng lượng tương tác giữa các electron

Các orbital 𝜓i được xác định dựa vào điều kiện cực tiểu của EHF và được xem là tối ưu khi EHF hầu như không thay đổi ứng với sự thay đổi nhỏ của 𝜓i Phương trình dùng để xác định các orbital 𝜓I được gọi là phương trình Hartree-Fock Nó có dạng giống như phương trình Schrodinger và được viết như sau:

𝐹̂𝑖𝜓𝑖 = 𝜀𝑖𝜓𝑖 (𝑖 = 1,2, … , 𝑛) Trong đó, εi là năng lượng của orbital 𝜓I; 𝐹̂𝑖 là một toán tử Fock, được xác định bởi:

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 16 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Vì vậy, năng lượng của một electron trên orbital 𝜓I bao gồm động năng

và thế năng của nó tương tác với hạt nhân (Hii); năng lượng tương tác tĩnh điện (Jij) và năng lượng trao đổi (Kij) với các electron trên những orbital khác Theo định lý Koopmans, năng lượng orbital εi xấp xỉ bằng năng lượng ion hóa electron I trên orbital 𝜓i Định lý này xuất phát từ giả thiết rằng sự tách một electron khỏi orbital 𝜓I không ảnh hưởng đến những orbital còn lại Các giá trị năng lượng ion hóa tính theo định lý Koopmans chưa thực sự phù hợp với kết quả thực nghiệm

Các phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và phương pháp Hartree-Fock (HF) đã được xây dựng trong gói chương trình Gaussian dùng cho Hóa học tính toán lượng tử để dự đoán nhiều tính chất của phân tử và các quá trình liên quan đến phân tử như: năng lượng và cấu trúc phân tử, năng lượng liên kết và phản ứng, các tính chất nhiệt hóa, động học của phản ứng,…

3.3 Giới thiệu về phần mềm Gaussian [14]

Gaussian là một chương trình sử dụng trên máy tính dùng cho Hóa học tính toán ra đời đầu tiên vào năm 1970 bởi John Pople (Nobel Hóa học năm

1998 cùng với Sham) và cộng sự của ông tại đại học Carnegie Mellon gọi là Gaussian 70 Chương trình sau đó đã được cập nhật liên tục Tên “Gaussian”

có nguồn gốc từ việc Pople sử dụng các quỹ đạo Gaussian để tăng tốc độ tính toán so với những người sử dụng các quỹ đạo Slater, sự chọn lựa được thực hiện để nâng cao hiệu suất tính toán để không còn hạn chế của phần cứng máy tính hiện tại cho các tính toán Hartree-Fock Phiên bản hiện tại và mới nhất của chương trình là Gaussian 09 Có nguồn gốc dựa vào các chương trình trao đổi hóa học lượng tử, từ đó được cấp phép của Đại học Carnegie Mellon và kể

từ năm 1987 đã được phát triển và cấp phép bởi Gaussian, Inc

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 17 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Hình 3.1 Biểu tượng của chương trình Gaussian

Chương trình Gaussian nhanh chóng trở thành một chương trình tính toán cấu trúc điện tử được biết đến nhiều hơn và được sử dụng rộng rãi hơn Giáo sư Pople và sinh viên của ông có tên trong số những người đã thúc đẩy

sự phát triển của các gói phần mềm, bao gồm nghiên cứu tiên phong trong hóa học lượng tử và các lĩnh vực khác Bộ phần mềm Gaussian tính toán dựa trên nhiều mô hình lý thuyết khác nhau, thường được gọi là mô hình hóa học Mô hình hoá học này được đặc trưng bởi phương pháp lý thuyết và bộ hàm cơ sở

3.3.1 Các chức năng tính toán của Gaussian

Bộ phần mềm Gaussian có khả năng tính toán để dự đoán nhiều tính chất của phân tử và những quá trình liên quan dựa phương thức lượng tử, cụ thể như sau: năng lượng và cấu trúc phân tử; năng lượng và cấu trúc của các trạng thái chuyển tiếp; năng lượng liên kết và phản ứng; vân đạo phân tử; momen lưỡng cực; điện tích và thế tĩnh điện nguyên tử; tần số dao động; phổ IR và Raman; phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR); hệ số phân cực; các tính chất nhiệt hóa; động học phản ứng

Dựa vào phương thức này, có thể khảo sát các hệ ở pha khí, pha lỏng, trong dung môi, ở trạng thái cơ bản hay trạng thái kích thích

3.3.2 Phương pháp tính toán

Dưới đây là một số phương pháp thường được sử dụng:

(1) Phương pháp trường tự hợp Hartree-Fock (HF);

(2) Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT);

(3) Phương pháp lý thuyết nhiễu loạn Moller-Plesset bậc 2 (MP2);

(4) Phương pháp lý thuyết nhiễu loạn Moller-Plesset bậc 4 (MP4);

Tùy thuộc vào hệ khảo sát, mục đích tính toán, yêu cầu về độ chính xác

mà lựa chọn phương pháp nào để sử dụng cho việc tính toán

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 18 NGUYỄN CHÍ THÀNH

3.4 Bộ hàm cơ sở [15]

Bộ hàm cơ sở là sự biểu diễn toán học của các vân đạo phân tử (molecular orbitals) trong một phân tử Một bộ hàm cơ sở có thể được xem như là sự giới hạn từng điện tử vào một vùng không gian riêng biệt Một bộ hàm cơ sở bao gồm nhiều hàm cơ sở, bộ cơ sở càng lớn việc mô tả electron trong hệ càng gần với thực tế, mức độ gần đúng càng cao và ngược lại Các hệ hàm cơ sở sử dụng cho phương pháp tính toán cấu trúc điện tử dựa trên sự kết hợp tuyến tính của các hàm Gaussian để xây dựng các vân đạo phân tử

Bộ phần mềm Gaussian chứa nhiều bộ hàm cơ sở, mà có thể được phân loại theo số và loại của hàm cơ sở (basis function) chứa trong chúng Các bộ hàm cơ sở mặc định một nhóm các hàm cơ sở cho mỗi nguyên tử trong một phân tử để mô tả các vân đạo của nó Các hàm cơ sở này được tạo nên từ sự kết hợp tuyến tính của các hàm Gaussian

3.4.1 Bộ hàm cơ sở tối thiểu (Minimal Basis Set): STO-2G, STO-3G, STO-6G,

Bộ hàm cơ sở tối thiểu chứa một số tối thiểu các hàm cơ sở cần thiết cho mỗi nguyên tử gồm các AO thuộc vỏ trong và vỏ hóa trị

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 19 NGUYỄN CHÍ THÀNH

3.4.4 Bộ hàm cơ sở phân cực khuếch tán (Diffuse Basis Set): 6-31+G (d), 6-31++G (d, p),

Các hàm cơ sở khuếch tán là những hàm s, p có kích thước lớn, mô tả các orbital có không gian lớn hơn Chúng cho phép các vân đạo chiếm một vùng không gian lớn hơn

Các bộ hàm cơ sở với các hàm khuếch tán là rất quan trọng đối với các

hệ mà ở đó các điện tử nằm ở tương đối xa các hạt nhân: các phân tử có cặp điện tử chưa liên kết, các anion và các hệ khác với điện tích đủ âm, hệ trong trạng thái kích thích, hệ với thế oxy hóa thấp,

3.4.5 Bộ hàm cơ sở tương thích với sự tương quan electron

(Dunning’s Correlation Consistent Basis Set)

Các bộ hàm cơ sở này được thiết kế đặc biệt cho các phép tính chính xác cao, sử dụng các phương pháp xử lý tương tác của electron Có tên là bộ cơ sở phù hợp tương quan (cc: correlation consistent), gồm các bộ cơ sở sau:

- Correlation consistent polarize valence double (cc-pVDZ)

- Correlation consistent polarize valence triple (cc-pVTZ)

- Correlation consistent polarize valence quadruple (cc-pVQZ)

- Correlation consistent polarize valence quintuple (cc-pV5Z)

- Correlation consistent polarize valence sixtuple (cc-pV6Z)

- Một hàm khuyếch tán của các loại s, p, d, f,…có thể được thêm vào như aug cc-pVnZ, (n=D, T, Q…) Những bộ cơ sở này cho kết quả tính toán rất tốt và mô tả tốt những hệ tương tác yếu, không cộng hóa trị

Nhìn chung các bộ hàm cơ sở trên được hình thành nhờ việc thêm vào các hàm phân cực nhằm tăng không gian để mô tả tốt hơn vị trí của electron

3.4.6 Bộ hàm cơ sở Double zeta (Double Zeta Basis Set)

Trong bộ hàm cơ sở double zeta, tất cả các hàm cơ sở của bộ cơ sở tối thiểu đều được biểu diễn tách ra thành hai hàm

Tương tự trong bộ hàm cơ sở triple zeta, tất cả các orbital đều được biểu diễn tách ra thành 3 hàm

3.4.7 Bộ cơ sở phù hợp phân cực (polarize consistent basis set)

Bộ cơ sở phù hợp phân cực (pc: polarize consistent) được phát triển tương tự như bộ cơ sở phù hợp tương quan (cc), ngoại trừ chúng chỉ được

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 20 NGUYỄN CHÍ THÀNH

dùng cho phương pháp DFT Từ tên gọi cho thấy bộ cơ sở này chỉ hướng vào việc mô tả sự phân cực của mật độ electron trên phân tử hơn là mô tả năng lượng liên quan Bao gồm: pc-0, pc-1, pc-2, pc-3, pc-4, trong đó n là chỉ số ứng với số hàm phân cực có moment góc cao

3.4.8 Bộ hàm cơ sở cho các nguyên tử có hạt nhân lớn

Trong trường hợp những nguyên tử có hạt nhân rất lớn (những nguyên

tử nằm ở chu kỳ 4 trở đi trong bảng phân loại tuần hoàn), thì các điện tử gần hạt nhân được xét một cách gần đúng qua các thế lõi hiệu dụng (ECP) Trong trường hợp này hệ hàm cơ sở LanL2DZ (cho các nguyên tố H, Li-Ba, La-Bi), LanL2MB (cho các nguyên tố H-Ba, La-Bi) thường được sử dụng nhiều nhất Tất nhiên, bộ hàm cơ sở này cũng có thể sử dụng cho những trường hợp nguyên tử có hạt nhân nhẹ

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 21 NGUYỄN CHÍ THÀNH

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - 4.1 Phương pháp tính toán

Trong nghiên cứu này, tiến hành khảo sát sự tương tác của

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ với guanine và guanosine tại các vị trí phối trí khác nhau

dễ bị tấn công nhất Năng lượng trao đổi phối tử của cation phức trên với guanine và guanosine được tính theo các quá trình:

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ + G → [Pt(dach)(ox)G]+ + H2O

[Pt(dach)(ox)(H2O)]+ + Go → [Pt(dach)(ox)Go]+ + H2O

Biến thế năng lượng càng âm, quá trình càng dễ xảy ra, nhưng tính chọn lọc càng thấp Bên cạnh đó, giá trị này còn có thể được sử dụng để đánh giá độ bền của tương tác Pt-Guanine và Pt-Guanosine

Tất cả các tính toán được thực hiện bằng cách sử dụng gói chương trình Gaussian 09 trong khuôn khổ lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT.Phiếm hàm lai hóa B3LYP cùng với các bộ hàm cơ sở cc-pVTZ và cc-pVDZ-PP được sử dụng để tối ưu hóa hình học cũng như tính toán năng lượng Bộ hàm cơ sở với thế năng hiệu dụng (effective core potential – ECP) cc-pVDZ-PP được áp dụng cho Pt, trong khi đó, bộ cơ cở electron đầy đủ cc-pVTZ được sử dụng cho các nguyên tố phi kim Bộ cơ sở cc-pVDZ-PP đã được kết hợp hiệu ứng tương đối tính (relativistic effects), một tính chất rất quan trọng đối với các kim loại nặng như Pt Tần số dao động điều hòa (harmonic vibrational frequencies) cũng được tính nhằm xác định dạng hình học tối ưu tương ứng với cực tiểu địa phương (local minima) hay trạng thái chuyển tiếp trên bề mặt thế năng (potential energy surface) Điện tích orbital liên kết thuần túy (NBO – natural bond orbital charges) của các nguyên tử được xác định bằng chương trình NBO5.G Sử dụng điện tích NBO để phân tích sự phân bố electron thay

vì sử dụng điện tích Mulliken do điện tích NBO được đánh giá là đáng tin cậy hơn [16]

4.2 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)(H2 O)] + với guanine

Guanine là một loại nucleobase hiện diện trong cả DNA và RNA, thuộc nhóm base purine, cấu trúc gồm có vòng pyrimidine và vòng imidazol 5 cạnh Oxaliplatin có thể hình thành liên kết với phân tử guanine tại các vị trí N1, N3, N7, N9 và O6 Sự hình thành liên kết giữa oxaliplatin với guanine tại những vị trí này lần lượt được kí hiệu là PtGN1, PtGN3, PtGN7, PtGN9 và PtGO Có 5

cấu trúc của phức [Pt(dach)(ox)Aq]+ thu được tại mức lý thuyết

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 22 NGUYỄN CHÍ THÀNH

B3LYP/cc-pVTZ-(PP) Tất cả các cấu trúc đều có liên kết hydro giữa guanine

và các phối tử khác ngoại trừ PtGO

Cấu trúc có năng lượng thấp của [Pt(dach)(ox)Aq]+ là PtGN7 Dạng này

được ổn định nhờ liên kết hydro giữa N-H trên phối tử dach với nguyên tử O

của guanine Trong khi đó, cấu trúc PtGN3 có năng lượng cao nhất nên kém

ổn định nhất Chênh lệch năng lượng của hai dạng này tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) là 20,4 kcal/mol và do đó giá trị này có thể được xem

là năng lượng liên kết hydro trong ion phức [Pt(dach)(ox)G]+ Các cấu trúc PtGN9 và PtGN1 cũng hình thành liên kết hydro nhưng chúng kém bền hơn PtGN7

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 23 NGUYỄN CHÍ THÀNH

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 24 NGUYỄN CHÍ THÀNH

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 25 NGUYỄN CHÍ THÀNH

Bảng 4.1 trình bày một số kết quả thu được cho phức [Pt(dach)(ox)G]+ Năng lượng trao đổi phối tử tính tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) thay đổi từ -275,26 (PtGN7) đến -254,84 (PtGN3) Kết quả cho thấy sự thay thế một phân tử H2O trong [Pt(dach)(ox)G]+ bởi phối tử guanine là quá trình giải phóng năng lượng và tương tác giữa phức Pt(II)-G mang bản chất hóa học

Bảng 4.1 Năng lượng tương đối giữa các cấu trúc (RE), năng lượng trao

đổi phối tử (ET) và độ dài liên kết hydro cũng như độ dài liên kết giữa Pt với

guanine (rPt-G)

Từ kết quả này ta có thể nhận xét rằng cả độ dài liên kết hydro giữa oxaliplatin với guanine và độ dài liên kết Pt-G đều có ảnh hưởng đến độ bền của các cấu trúc Nhìn chung các khoảng cách này càng ngắn thì hệ càng bền Hai cấu trúc bền nhất chính là PtGN7 và PtGN9 đều có 𝑟𝑃𝑡−𝐺 ngắn nhất (lần lượt là 2,05 và 2,04 Å), tuy nhiên PtGN7 bền hơn do có độ dài liên kết hydro ngắn hơn nhiều (1,94 so với 2,37 Å) Điều này có lẽ do trong phân tử PtGN7 liên kết hydro là N-H∙∙∙O nên có H linh động hơn so với H trong C-H∙∙∙O của PtGN9

4.3 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)(H2 O)] + với guanosine

Sự thay thế guanine bởi guanosine cho ta ion phức [Pt(dach)(ox)Go]+ với các cấu trúc được dự đoán như trên Hình 4.2 Tất cả đều được ổn định bởi liên kết hydro

RE (kcal/mol)

ET(kcal/mol)

Độ dài liên kết hydro (Å)

DƯƠNG QUỐC ĐẠT 26 NGUYỄN CHÍ THÀNH