Thiết kế, sàng lọc một số dẫn xuất flavonoid và đánh giá hoạt tính gây độc lên dòng tế bào hela dựa vào các tính toán hóa lượng tử

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận án kết nghiên cứu thực cá nhân hướng dẫn PGS.TS Phạm Văn Tất, trường Đại học Hoa Sen PGS TS Trần Dương, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Huế Luận án thực trường Đại học Khoa Học – Đại học Huế Chưa có kết nghiên cứu tương tự cơng bố hình thức trước thực luận án Một phần kết cơng trình cơng bố trên: Tạp chí Hóa học Ứng dụng, Tạp chí Hóa học, Tạp Chí Khoa học Cơng nghệ trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, Tạp chí Đại học Huế, Tạp chí Computational Chemistry, Cogent Chemistry, Taylor Francis, Tạp chí Organic & Medicinal Chemistry International Journal (OMCIJ), Tạp chí Natural products research Ký tên Bùi Thị Phương Thúy i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Văn Tất, Trường Đại học Hoa Sen; PGS TS Trần Dương, Trường Đại học Sư Phạm Huế giao đề tài, hướng dẫn trực tiếp truyền đạt kinh nghiệm kiến thức quý báu, tận tình dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hoàn thành luận án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TS Trần Thái Hòa, TS Trần Xuân Mậu, TS Nguyễn Thị Ái Nhung - Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa Học Huế Các thầy cô giúp đỡ, động viên dạy nhiều kiến thức quý báu trình em học tập trường Em xin gửi lời cảm ơn Thầy Cơ Khoa Hóa, Thầy Cơ Khoa Sau đại học toàn thể Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa Học Huế cho phép tạo thuận lợi cho em hoàn thành luận án Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Phùng Văn Trung, TS Hồng Thị Kim Dung Viện Hố học – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam TP Hồ Chí Minh giúp đỡ em trình làm luận án Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hùng Huy, Khoa Hoá, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – ĐHQGHN giúp đỡ, tận tình dẫn em trình làm luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ cho tơi hoàn thành luận án Ký tên Bùi Thị Phương Thúy ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANOVA ARE, % Bond Cal SKC COSY d dd DEPT DMSO Exp EtOAc EtOH E-State GI50 pGI50 pGI50,exp pGI50,pr HMBC HSQC HPV IR LV LogP Linear m MM+ MARE, % MSE MS MetOH Nonlinear NMR OD PCA PCR PLS QSPR QSAR QESAR QSDAR QSSR Q R R tr pr R ad Rf SAR s SRB SK SKLM t TCA UV J (Hz) H-NMR 13 C-NMR δ (ppm) QSARMLR (3.16) QSARMLR (3.17) QSARMLR (3.19) v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Năng lượng tối thiểu (kcal/mol) phân tử isoflavone (isofla-30) 63 Bảng 3.2 Tham số moment lưỡng cực (µ) flavonone isoflavone 65 Bảng 3.3 Ảnh hưởng loại biến độc lập đến giá trị R2tr 67 Bảng 3.4 Ảnh hưởng số biến độc lập đến giá trị R2tr, R2pr, SE 67 Bảng 3.5 Ảnh hưởng số nơ ron ẩn đến giá trị R2tr 68 Bảng 3.6 Ảnh hưởng cấu trúc mạng đến giá trị R2tr R2pr 68 Bảng 3.7 Ảnh hưởng hàm truyền đến giá trị R2tr R2pr 69 Bảng 3.8 Ảnh hưởng moment sai số luyện đến R2tr 69 Bảng 3.9 Các mơ hình tuyến tính QESARMLR (k = - 10) giá trị thống kê 71 Bảng 3.10 Giá trị thống kê mơ hình QESARMLR (với k = - 7) 72 Bảng 3.11 Giá trị thống kê giá trị đóng góp GMPmxi,% nguyên tử mơ hình QESARMLR (với k = – 7) 73 Bảng 3.12 pGI50 nhóm kiểm tra dự đốn từ mơ hình QESARMLR, QESARANN 75 Bảng 3.13 Các mơ hình QSDARMLR giá trị thống kê 76 Bảng 3.14 Giá trị thống kê, hệ số phần trăm đóng góp độ dịch chuyển hóa học τi mơ hình QSDARMLR 77 Bảng 3.15 Hoạt tính pGI50,pr dẫn xuất kiểm tra giá trị ARE,% từ mơ hình QSDARMLR (với k = 7) QSDARANN với kiến trúc I(7)-HL(2)-O(1) 79 Bảng 3.16 Mối tương quan hợp chất sử dụng mơ tả điện tích ngun tử 81 Bảng 3.17 Tính chất hóa lý hoạt tính kháng ung thư pGI50 hợp chất nghiên cứu mơ hình QSSRMLR chất dùng để dự đoán 82 Bảng 3.18 Các mô hình QSARMLR (k từ đến 10) với giá trị R2, R2pred MSE 86 Bảng 3.19 Các giá trị thống kê giá trị phần trăm đóng góp MPmxi,% GMPmxi,% tham số mô tả phân tử 2D 3D mơ hình QSARMLR (với k 8, 10) 87 Bảng 3.20 Hoạt tính sinh học pGI50 nhóm kiểm tra từ mơ hình QSARMLR (3.16) QSARANN(1) 90 Bảng 3.21 Các mơ hình QSARMLR (k từ đến 10) với giá trị R2, R2pred MSE 91 Bảng 3.22 Các giá trị thống kê phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% tham số mô tả phân tử 2D, 3D mô hình QSARMLR (với k 5, 6, 7) 92 Bảng 3.23 Hoạt tính sinh học pGI50 nhóm kiểm tra từ mơ hình QSARMLR (3.17), QSARPCR QSARPCA-ANN 95 Bảng 3.24 Các mơ hình QSARMLR với giá trị R2tr , SE R2pr tương ứng 97 Bảng 3.25 Các giá trị thống kê phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% điện tích ngun tử mơ hình QSARMLR 99 Bảng 3.26 Hoạt tính pGI50 nhóm kiểm tra dự đốn từ mơ hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) QSARANN(2) 100 Bảng 3.27 Phần trăm gây độc tế bào GI50 (µg/ml) mẫu khảo sát dịng tế bào Hela nồng độ khác 112 vi Bảng 3.28 Giá trị GI50 (µg/ml) pGI50 mẫu flavonoid khảo sát từ thực nghiệm in vitro 113 Bảng 3.29 Hoạt tính pGI50 flavone isoflavone dự đốn từ mơ hình QESARMLR QESARANN 114 Bảng 3.30 Hoạt tính pGI50 flavone isoflavone thiết kế dự đốn từ mơ hình QSDARMLR (M1) QSDARANN (M2) 116 Bảng 3.31 Tính chất hóa lý giá trị hoạt tính kháng ung thư pGI50 nhóm dẫn xuất flavone isoflavone tương tự nghiên cứu từ mơ hình QSSRMLR 118 Bảng 3.32 Giá trị pGI50,pr từ mơ hình QSSRMLR, QSEARMLR QSDARMLR 119 Bảng 3.33 Nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm dự đốn từ mơ hình QSSRMLR dẫn xuất flavonoid chiết xuất 120 Bảng 3.34 Hoạt tính sinh học pGI50 hai hợp chất phân lập ZZL1, ZZL2 từ mơ hình QSARMLR (3.16) QSARANN(1) 121 Bảng 3.35 Hoạt tính GI50 (µM) 10 hợp chất nhận từ mơ hình QSARANN(1 122 Bảng 3.36 Hoạt tính sinh học pGI50 nhóm kiểm tra hai hợp chất phân lập luteolin daidzin từ mô hình QSARMLR (3.18), QSARPCR QSARPCA-ANN 123 Bảng 3.37 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 hợp chất dự đốn từ mơ hình QSARPCA-ANN ) 124 Bảng 3.38 Hoạt tính pGI50 nhóm kiểm tra dự đốn từ mơ hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) QSARANN (2) 125 Bảng 3.39 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 hợp chất thiết kế cách gắn nhóm vào vị trí C6, C3’ quercetin, dự đốn từ mơ hình QSARANN(2) 125 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mối liên quan định lượng cấu trúc, tính chất, độ phản ứng, hoạt tính Hình 1.2 Giản đồ Venn mối liên quan định lượng cấu trúc tác dụng [93] Hình 1.3 Mơ hình hồi quy tuyến tính với (p = 2) [51, 66] 15 Hình 1.4 Hồi quy đa biến thường với p = 2, N = [51, 66] 18 Hình 1.5 Ý nghĩa hệ số hồi quy [51, 66] 19 Hình 1.6 Giải thích F-test [51, 66] 20 Hình 1.7 Hồi quy thành phần với p = 2, N = [52, 107] 24 Hình 1.8 Thành phần với p = [51, 106] 27 Hình 1.9 Hồi quy PLS với p = 2, N = [51, 106] 30 Hình 1.10 Sơ đồ giải thuật di truyền [10] 34 Hình 1.11 Chọn lựa hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp bánh xe lăn [76] 36 Hình 1.12 Chọn lựa hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp xếp hạng tuyến tính [76] 36 Hình 1.13 Tốn tử chéo đơn điểm [76] 37 Hình 1.14 Toán tử chéo hai điểm [76] 37 Hình 1.15 Hệ thống thần kinh sinh học tự nhiên 40 Hình 1.16 Hoạt động mạng thần kinh nhân tạo [50] 41 Hình 1.17 Cấu trúc mạng nơ ron [101] 42 Hình 1.18 Quá trình học mạng nơ ron [16] 43 Hình 1.19 Mơ hình tính tốn nơ ron [69, 77] 44 Hình 1.20 Cấu khung flavonoid quy ước đánh số [74] 47 Hình 1.21 Một số dẫn xuất flavonoid [20, 74] 47 Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 51 Hình 2.2 Nguyên liệu sử dụng phân lập flavonoid [2] 54 Hình 2.3 Xây dựng mơ hình hồi quy đa biến 56 Hình 2.4 Quy trình phân lập dẫn xuất flavonoid [3, 59] 57 Hình 3.1 Sự giảm lượng phân tử theo mức gradient 64 Hình 3.2 Ảnh hưởng k đến R2 SE 67 Hình 3.3 Giá trị đóng góp trung bình tồn cục GMPmxi 72 Hình 3.4 Mối tương quan hợp chất: a) sử dụng điện tích; b) sử dụng tính chất hóa lý 81 Hình 3.5 Quan hệ tính chất hóa lý dự đốn liệu thực nghiệm 85 Hình 3.6 a) Hồi quy tuyến tính đa biến b) giá trị pGI50 pGI50,pred flavonoid nhóm kiểm tra 88 Hình 3.7 Tính chất thành phần tương quan giá trị pGI50 94 Hình 3.8 Cấu trúc phân tử CSL1, C12H20O11 102 Hình 3.9 Cấu trúc phân tử AIL1, C15H10O7 103 Hình 3.10 Cấu trúc POL1, C15H10O6 104 Hình 3.11 Cấu trúc phân tử GML1, C21H20O9 106 Hình 3.12 Cấu trúc phân tử daidzin dạng elipxoit với xác xuất 50% 107 viii Hình 3.13 Cấu trúc phân tử ZZL1, C16H12O6 108 Hình 3.14 Cấu trúc phân tử ZZL1 dạng elipxoit với xác xuất 50% 109 Hình 3.15 Cấu trúc phân tử ZZL2 (C25H24O12) 110 Hình 3.16 Hoạt tính pGI50,pr dự đốn từ mơ hình tuyến tính QESARMLR flavone, isoflavone chất mẫu 113 Hình 3.17 Cấu trúc dược chất nghể (Polygonum hydropiper) [2] 117 Hình 3.18 Cấu trúc dược chất hoàng cầm (Scutellaria baicalensis) [2] 117 Hình 3.19 Các giá trị pGI50 hợp chất với hợp chất mẫu a) ZZL1, b) ZZL2 122 Hình 3.20 So sánh giá trị pGI50 năm flavonoid với chất mẫu a) POL1; b) GML1 123 Hình 3.21 So sánh giá trị pGI50 năm flavonoid với chất mẫu a) AIL1; b) CSL1 .126 ix MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỤC LỤC x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 BỆNH UNG THƯ CỔ TỬ CUNG 1.1.1 Các nguyên nhân gây ung thư 1.1.2 Điều trị 1.1.3 Phòng ngừa 1.2 LIÊN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH 1.3 TÍNH TỐN THÔNG TIN CẤU TRÚC 1.3.1 Cơ học phân tử 1.3.2 Cơ học lượng tử 1.3.3 Phương pháp bán thực nghiệm 11 1.4 CÁC MƠ HÌNH TỐN HỌC 12 1.4.1 Hồi quy đa biến 12 1.4.2 Hồi quy thành phần 22 1.4.3 Bình phương tối thiểu riêng phần 25 1.4.4 Giải thuật di truyền 31 1.4.5 Mạng thần kinh nhân tạo (ANN) 39 1.4.5.1 Khái niệm 39 1.4.5.2 Cấu trúc mạng 40 1.4.6 Thống kê đánh giá mơ hình 45 1.4.7 Tính tốn đóng góp tham số 46 1.5 HỢP CHẤT FLAVONOID 46 1.5.1 Giới thiệu chung 46 1.5.2 Phân loại dẫn xuất flavonoid 47 x thường cao phân tử lớn cho biết độ phân nhánh phân tử Đặc biệt, W thường lớn cho phân tử mở phân nhánh nhỏ cho phân tử phân nhánh W tương quan với tham số hình dạng ovality volume phân tử số trường hợp, sử dụng thay cho hai mô tả phân tử W tham số đơn 13) X1: số liên kết thứ tính tất liên kết đơn (cạnh) nguyên tử phân tử khơng có hydro Nó tham số mơ tả hữu ích mơ hình QSAR/QSPR X1 tổng tất liên kết từ nguyên tử i đến nguyên tử j tín theo cơng thức sau: X1 = ∑(δ i ×δ j )0.5 δi = ϭ - h: tổng liên kết xung quanh nguyên tử i; ϭ số electron nguyên tử i orbital ϭ h số hydro liên kết với nguyên tử i 14) X1 χ tính tốn Kier & Hall 15) X3: số liên kết thứ 16) Ovality: số hình học oval phân tử Ovality = Với O là tham số mơ tả kích thước dựa tính chất thể tích cố định, hình cầu với bề mặt nhỏ nhất; SA bề mặt phân tử; SA bề mặt phân tử cực tiểu; VVDW thể tích an der Waals; R bán kính nguyên tử 17) Sdssc: số số E-State nhóm (=C10 ppm 228 Phổ 13 C-NMR Mẫu khảo sát đo phổ 13 C-NMR cần hịa tan dung mơi deuterium hóa (0,6 ml) có thêm chất nội chuẩn TMS (tetrametilsilan) (1µL) Có nhiều loại 13 dung mơi để hịa tan hợp chất đo phổ C-NMR Lượng mẫu sử dụng máy 200MHz khoảng 30 mg, máy có tần số 500 MHz cần khoảng 5-10 mg, mẫu sau đo thu hồi Các tín hiệu phổ Cách giải phổ Phổ 13 C-NMR khoảng thang đo rộng từ - 240 ppm 13 C-NMR: 13 - Phổ C-NMR kết hợp với phổ NMR-DEPT 135 NMR-DEPT 90: 13 C-NMR cho biết tổng số cacbon phân tử - Phổ NMR-DEPT 135 NMR-DEPT 90 cho biết tổng số Csp , Csp Sau độ dịch chuyển hóa học 13 C tính ppm (so từ TMS): + Đối với C liên kết trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn: R-CH3 có δ = – 30 ppm; R-CH2-R có δ = 15 – 55 ppm; CHR3, CR4 có có δ = 20 – 60 ppm 3 + Đối với Csp liên kết với O có δ = 40 – 80 ppm; Csp liên kết với Cl có δ = 35 – 3 80 ppm; Csp liên kết với Br δ = 25 – 65 ppm; Csp liên kết với N có δ = 30 – 65 ppm + Đối với Csp Csp: nhóm C≡C có δ = 65 – 90 ppm; C≡N có δ = 110 – 140 ppm; >C=C< có δ = 100 – 150 ppm; ->C=C< thơm có δ = 110 – 175 ppm + Đối với C nhóm aldehit xeton, axit có δ = 155 – 220 ppm Phổ hai chiều Phổ HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation) cho biết tương quan tín hiệu proton với tín hiệu cacbon qua liên kết Phở HMBC(Heteronuclear Multiple Quantum Correlation) cho biết tương quan tin hiệu proton với tín hiệu cacbon qua hay liên kết Từ tín hiệu cacbon 13 C trục tung kẻ đường song song với trục hồnh tồn phở đồ, từ tín hiệu 1H trục hoành kẻ đường song song với trục tung Tại vị trí 229 giao hai đường kẻ có tín hiệu giao, nghĩa proton liên kết trực tiếp với cacbon 230 Phụ lục 64 Phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể Phương pháp lâu đời xác tinh thể học tia X nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, chùm tia X bị hồi từ mặt phẳng có khoảng cách đơn tinh thể, tạo mẫu nhiễu xạ gồm điểm gọi nhiễu xạ Mỗi nhiễu xạ tương ứng với tập mặt phẳng có khoảng cách bên tinh thể Mật độ electron bên tinh thể xác định từ vị trí độ sáng nhiễu xạ khác quan sát tinh thể từ từ xoay quanh chùm tia X; mật độ này, với liệu bở sung (về thành phần hóa học), cho phép ta xác định vị trí nguyên tử bên tinh thể Nó xác định lực liên kết hóa học trung bình ngun tử góc chúng khoảng vài ngàn Ångstrưm vài chục độ Kĩ thuật nhiễu xạ tia X đơn tinh thể có bước Bước 1: thu thập tinh thể tốt Tinh thể phải đủ lớn (thường lớn 100 micron chiều), tạp chất có cấu trúc ởn định, khơng bị nứt nẻ Bước 2: đặt tinh thể vào đường chùm tia X cực mạnh, thường có bước sóng đơn (monochromatic X-rays), để tạo mẫu nhiễu sắc Tinh thể từ từ xoay liệu thu thập lại Mỗi ảnh chứa hàng chục ngàn điểm nhiễu xạ với cường độ khác Bước 3: dùng kĩ thuật tính tốn liệu hóa học bở sung để đưa mơ hình xếp nguyên tử bên tinh thể 231 ... 48 1.6 PHÂN LẬP VÀ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC FLAVONOID 50 1.6.1 Phân lập flavonoid 50 1.6.2 Xác định cấu trúc flavonoid 50 1.6.3 Thử hoạt tính in vitro flavonoid tự nhiên... hình QSAR 55 2.4 SÀNG LỌC, PHÂN LẬP FLAVONOID TỰ NHIÊN 56 2.4.1 Phân lập hợp chất flavonoid 56 2.4.2 Xác định cấu trúc hóa học hợp chất flavonoid 58 2.4.2.1... CHẤT FLAVONOID 46 1.5.1 Giới thiệu chung 46 1.5.2 Phân loại dẫn xuất flavonoid 47 x 1.5.3 Phân bố flavonoid tự nhiên 48 1.5.4 Hoạt tính sinh học flavonoid