Tổng Hợp Ứng dụng của Dendrimer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH CƠNG NGHỆ HỢP CHẤT NANO HỮU CƠ DENDRIMER TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y – DƯỢC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG HỌC VIÊN THỰC HIỆN: Thành phố Hồ Chí Minh – 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ DENDRIMER .1 2.1 Khái niệm cấu tạo 2.2 Phân loại 2.2.1 Theo cấu trúc hình học 2.2.2 Theo nguyên tử tạo nhánh 2.2.3 Theo loại kết nối .3 2.2.4 Theo thành phần tâm 2.2.5 Theo mối nối tạo nhánh 1→2 1→3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DENDRIMER 3.1 Phương pháp “tổng hợp từ ngoài” (divergent) 3.2 Phương pháp “tổng hợp từ vào trong” (convergent) 3.3 Phương pháp “tổng hợp từ vào hai bước” (double – stage convergent) .6 3.4 Phương pháp “tổng hợp tăng lũy thừa hai” (double exponential) 3.5 Phương pháp “tổng hợp trực giao” (orthogonal) 3.6 Phương pháp “tổng hợp với monome siêu nhóm chức” (hypermonomer) ỨNG DỤNG CỦA DENDRIMER .8 4.1 Ứng dụng làm chất mang thuốc .8 Ứng dụng phân phối thuốc tới đích .11 4.2.1 Phân phối thuốc tới đích thụ động 11 4.2.2 Phân phối thuốc tới đích chủ động .12 4.3 Dendrimer ứng dụng làm thuốc 12 4.3.1 Dendrimer làm thuốc kháng virus 12 4.3.2 Dendrimer làm thuốc kháng khuẩn 13 4.3.3 Dendrimer làm chất mang vaccine .13 4.3.4 Dendrimer chữa trị ung thư 14 4.3.5 Dendrimer dẫn truyền gen 14 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 MỞ ĐẦU Hóa học polymer kỹ thuật sản xuất có từ lâu đời tảng sản xuất polymer mạch phân nhánh không phân nhánh, thể vai trò vật liệu quan trọng sản xuất đời sống Phân tử polymer có kích thước lớn, cấu tạo mạch thẳng chứa vài nhánh nhỏ nhánh lớn xếp cách ngẫu nhiên Cùng với phát triển khoa học - kỹ thuật, người không ngừng nghiên cứu để tìm vật liệu nhằm phục vụ cho nhu cầu sống Công nghệ nano đời đáp ứng nhu cầu cấp thiết Trong năm gần đây, nanopolymer tập trung nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực y dược Dendrimer nanopolymer nghiên cứu nhiều cấu trúc hình cầu có nhiều khoảng trống bên ứng dụng làm chất mang thuốc, protein phân phối gen TỔNG QUAN VỀ DENDRIMER 2.1 Khái niệm cấu tạo Khái niệm dendrimer Donald A Tomalia cộng đưa vào năm 1985 Dendrimer bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “Dendron”, có nghĩa nhánh Từ đến có nhiều cơng trình nghiên cứu cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp ứng dụng dendrimer nhiều lĩnh vực khác Hình Cấu trúc phân tử dendrimer Dendrimer nanopolymer có dạng hình cầu, cấu trúc nhánh, có nhiều tính chất ưu việt so với polymer mạch không phân nhánh Cấu tạo phân tử dendrimer gồm ba phần (hình 1.1): - Tâm phân tử (core, nhân, lõi) - Các nhánh bên trong: liên kết nhóm bên ngồi với tâm, nhánh có nhiều khoảng khơng gian trống - Các nhóm bề mặt: nhóm anion, nhóm cation, nhóm trung tính, nhóm ưa nước nhóm kỵ nước 2.2 Phân loại Các dendrimer phân loại theo tiêu chí sau: 2.2.1 Theo cấu trúc hình học Theo cấu trúc hình học, dendrimer phân chia thành dạng dendrgraft, dendron, dendrimer Hình Cấu trúc phân tử dendrgraft, dendron dendrimer 2.2.2 Theo nguyên tử tạo nhánh Theo nguyên tử tạo nhánh khác phân chia gọi tên khác nhánh N, nhánh aryl, nhánh C, nhánh Si, nhánh saccharide, nhánh P, … Dendrimer nhánh N Dendrimer nhánh aryl Hình Cấu trúc phân tử dendrimer có ngun tử tạo nhánh khác 2.2.3 Theo loại kết nối Theo loại kết nối (connectivity) phân chia gọi tên theo loại liên kết hóa học vị trí kết nối cầu nối aryl, cầu nối amide, cầu nối este, cầu nối ether, cầu nối N, cầu nối O, cầu nối Si, cầu nối urea, cầu nối alkyl, cầu nối alken, cầu nối alkyn, … Hình Dendrimer cầu nối N dendrimer cầu nối aryl 2.2.4 Theo thành phần tâm Dendrimer phân chia theo thành phần tâm khác nhau: ví dụ tâm NH3, ethylenediamine (EDA), butylenediamine (BDA), aryl, … Do tâm có kích thước khác nên phản ứng tạo dendrimer bị ảnh hưởng không gian khác nhau, tâm có độ phân cực khác nên phần khơng gian bên phân tử dendrimer có độ phân cực khác nhau, ảnh hưởng tới khả nang hóa hoạt chất có độ phân cực khác Hình Dendrimer với tâm NH3 (a) tâm BDA (b) 2.2.5 Theo mối nối tạo nhánh 1→2 1→3 Mơ hình tạo nhánh 1→2: Đó mơ hình từ nhánh hệ trước tạo hai nhánh hệ sau (trong phản ứng divergent) Ví dụ từ nguyên tử X tách thành hai nhánh Y, từ nhánh Y tiếp tục tách thành hai nhánh Z hệ Hình Tổng hợp divergent theo mơ hình tạo nhánh 1→2 Mơ hình tạo nhánh 1→3: Đó mơ hình từ nhánh hệ trước tạo ba nhánh hệ sau Ví dụ từ nguyên tử X tách thành ba nhánh Y, từ nhánh Y tiếp tục tách thành ba nhánh Z hệ Hình Tổng hợp divergent theo mơ hình tạo nhánh 1→3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DENDRIMER 3.1 Phương pháp “tổng hợp từ ngoài” (divergent) Dendrimer xây dựng từ lõi đa chức tâm, monome gắn vào nhân hình thành hệ dendrimer Sau đó, monome khác phản ứng với nhóm bên ngồi hình thành hệ dendrimer Tiếp tục lặp lại quy trình thu dendrimer hệ cao Ưu điểm phương pháp tổng hợp dendrimer hệ cao Tuy nhiên, phương pháp divergent thường có nhiều phản ứng phụ dẫn đến sản phẩm có nhiều khuyết tật nên khó tinh chế sản phẩm cuối Hình Sơ đồ tổng hợp dendrimer phương pháp divergent 3.2 Phương pháp “tổng hợp từ vào trong” (convergent) Phương pháp convergent bắt đầu xây dựng phân tử dendrimer từ nhóm bên ngồi, đến nhánh bên trong, sau lõi phân tử dendrimer hoàn chỉnh Ban đầu, monome phản ứng với tạo thành nhánh sở Sau đó, monome tiếp tục gắn vào nhánh sở để hình thành nhánh lớn Quy trình lặp lại, nhánh đạt kích cỡ mong muốn, chúng gắn với nhân hình thành phân tử dendrimer Ưu điểm phương pháp dễ dàng làm giảm thiểu khuyết tật sản phẩm đến mức tối thiểu Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp convergent đòi hỏi phải xếp tỉ mỉ nhóm ngun tử khơng gian Do đó, số nhóm bên ngồi tăng lên gây cản trở khơng gian cho nhóm Vì phương pháp thích hợp để tổng hợp dendrimer hệ thấp phần lõi có kích thước lớn Hình Tổng hợp dendrimer phương pháp convergent 3.3 Phương pháp “tổng hợp từ vào hai bước” (double – stage convergent) Phương pháp coi kết hợp hai phương pháp divergent convergent Một dendrimer siêu lõi (hypercore) có nhiều nhóm bề mặt nhóm nối nhánh tổng hợp theo phương pháp divergent Một dendron tổng hợp theo phương pháp convergent có nhóm chức hoạt động Sau đó, dendron dendrimer nối với cho sản phẩm Hình 10 Tổng hợp dendrimer phương pháp double – stage convergent 3.4 Phương pháp “tổng hợp tăng lũy thừa hai” (double exponential) Đây phương pháp phát triển theo hướng divergent với tốc độ phát triển nhanh theo cấp số nhân Từ dendron có hai nhóm nối nhánh nhóm chức bảo vệ, tiến hành hoạt hóa có chọn lọc nhóm theo hai hướng khác (hướng ngoại vi hướng tiêu điểu dendron) Sau hoạt hóa, dendron phản ứng với tạo thành dendron hệ cao Tiếp tục lặp lặp lại trình thu dendron hệ cao có hoạt tính giống dendron ban đầu Hình 11 Tổng hợp dendrimer phương pháp double exponential 3.5 Phương pháp “tổng hợp trực giao” (orthogonal) Phương pháp sử dụng monome có nhánh khác nhau, số khơng có khả nối nhánh điều kiện phản ứng thích hợp nhóm khơng hoạt động hoạt hóa thành nhóm có khả nối nhánh Sản phẩm tạo thành ban đầu khơng có khả nối nhánh điều kiện phản ứng đáp ứng lại hoạt hóa thành có khả nối nhánh Cứ tiếp tục dendrimer tổng hợp nhanh trải qua nhiều giai doạn Tuy nhiên, phương pháp không sử dụng nhiều khó tìm chất phù hợp với điều kiện chặt chẽ Hình 12 Tổng hợp dendrimer phương pháp orthogonal 3.6 Phương pháp “tổng hợp với monome siêu nhóm chức” (hypermonomer) Phương pháp sử dụng monome có số nhóm chức nhiều thơng thường Điều giúp dendrimer tổng hợp có số lượng nhánh nhóm bề mặt tăng nhanh bước cần thiết để tổng hợp dendrimer không thay đổi so với phương pháp thơng thường Hình 13 Tổng hợp dendrimer phương pháp hypermonome ỨNG DỤNG CỦA DENDRIMER 4.1 Ứng dụng làm chất mang thuốc Hóa trị phương pháp điều trị hiệu bệnh ung thư Trong trình hóa trị, hoạt chất phá vỡ tế bào ung thư đồng thời phá vỡ tế bào lành gây tác dụng phụ không mong muốn Đó nhược điểm lớn phương pháp Hiện nay, nhà khoa học giới cố gắng tìm giải pháp với ý tưởng dẫn thuốc tới trực tiếp tế bào ung thư bảo vệ tế bào lành thể nhằm nâng cao hiệu giảm thiểu tác động phụ thuốc Đồ thị hình 14 biểu diễn nồng độ thuốc có máu thơng qua phương pháp sử dụng thuốc khác nhau: Thuốc uống (a); Thuốc tiêm qua tĩnh mạch (b) Thuốc giải phóng chậm từ chất mang (c) [37] Kết nghiên cứu cho thấy: nồng độ thuốc máu phương pháp uống thuốc (a) tăng lên từ từ, có lúc vượt qua ngưỡng cho phép, lại hạ xuống ngưỡng cho phép; nồng độ thuốc tiêm qua đường tĩnh mạch (b) ngưỡng độc, sau giảm nhanh; cịn thuốc giải phóng chậm có nồng độ máu (c) tăng từ từ giới hạn cho phép Đồ thị cho thấy thời gian có hiệu lực thuốc giải phóng chậm dài nhiều so với loại thuốc uống hay tiêm thơng thường Hình 14 Nồng độ thuốc máu tương ứng với phương pháp sử dụng thuốc: a) Thuốc uống; b) Thuốc tiêm qua tĩnh mạch c) Thuốc giải phóng chậm từ chất mang Việc sử dụng phân tử kích thước nano lĩnh vực phân phối thuốc mang lại nhiều lợi so với cơng nghệ hóa trị sử dụng Ngoài tác dụng mang thuốc, phân phối thuốc giải phóng thuốc có kiểm sốt, kết giảm hiệu ứng phụ, giảm độ độc với thể, hệ nang hóa thuốc nano cịn có khả nang hóa thuốc hướng tới đích tế bào bệnh Một phương pháp phân phối thuốc trị bệnh dùng dendrimer với nhóm amino bề mặt kết hợp với thuốc thông qua kết nối bị phân cắt quang Phương pháp có ưu điểm đơn giản kiểm sốt tốc độ phóng thích thuốc Tuy nhiên, việc chế tạo hệ thống dẫn thuốc chữa bệnh phức tạp Với kích thước nano, cấu trúc khơng gian rỗng bên phân tử (là nơi chứa thuốc lý tưởng) với nhóm chức bề mặt kết nối với nhóm chức khác dendrimer chất mang thuốc phù hợp Hình 15 Cơ chế mang thuốc dendrimer Poly(amidoamin) (PAMAM), poly(propylen-imin) (PPI) biến tính dendrimer vịng thơm dạng ete loại dendrimer thơng dụng Hình 16 Dendrimer PAMAM G 4.0 10 Ứng dụng phân phối thuốc tới đích 4.2.1 Phân phối thuốc tới đích thụ động Sự định hướng thụ động (passive targeting) xuất phát từ tượng tăng tính thấm tăng hiệu lưu giữ (Enhanced Permeability and Retention Effect - EPR) đặc trưng mô ung thư Tại hầu hết mơ khoẻ mạnh, kích thước khe hở lớp nội mô thành mạch máu thường nhỏ nm Với khe hẹp lớp nội mô thành mạch máu, phân tử thuốc có khối lượng phân tử nhỏ lọt qua, gây độc cho tế bào lành Tuy nhiên, khe hở nhỏ so với kích thước hầu hết chất mang nano Cịn mơ ung thư, phát triển tế bào ung thư đòi hỏi tăng sinh mạch máu, vi mạch máu hình thành mơ ung thư có kích thước lên đến từ 100 đến 800 nm Do phức hợp chất mang thuốc tồn tuần hoàn máu vượt qua dễ dàng vào mô ung thư Hơn nữa, sau xâm nhập vào, phức hợp tập trung dịch gian bào bao quanh tế bào ung thư Sự phân bố có kết yếu tố: không gian áp suất thẩm thấu lớn khe tế bào ung thư so với mơ bình thường Đặc điểm hình thái tế bào ung thư tạo khoảng không gian tế bào rộng so với mơ bình thường Các phức hợp chất mang-thuốc sau vào khe hở tế bào bị kẹt giữ lại tế bào ung thư phát triển Thêm vào đó, khơng có hệ bạch huyết cần thiết, tốc độ đào thải phức hợp khỏi mơ ung thư hạn chế Hình 17 Mơ hình định hướng thụ động dựa theo chế EPR 11 4.2.2 Phân phối thuốc tới đích chủ động Chất mang thuốc gọi lí tưởng chất mang thuốc “thơng minh” tức mang phân phối thuốc hoạt chất đến nơi cần chữa trị mà không tới tế bào bình thường Dendrimer dẫn truyền phân phối thuốc tới đích chủ động (active targeting) hệ dendrimer mang thuốc với chủ đích vận chuyển thuốc đến nơi cần chữa trị Dendrimer mang phân phối thuốc tới đích thụ động theo chế EPR cho thấy ưu hẳn thuốc khơng có chất mang, nhiên hiệu ứng EPR chưa đủ để bảo đảm hiệu công đặc hiệu vào tế bào ung thư Hiệu ứng EPR giúp cho phức hợp chất mang - thuốc tập trung khe kẽ vùng mô ung thư Điều trị ung thư thực hiệu thuốc chống ung thư xâm nhập vào bên tế bào phát huy tác dụng Nếu chất mang xâm nhập vào tế bào, cuối thuốc chống ung thư bị giải phóng bên ngồi tế bào lại hệ tuần hồn phân bố đến vùng mơ khác thể cuối đào thải khỏi thể Để khắc phục hạn chế này, bề mặt chất mang gắn thêm phần tử định hướng Các phần tử định hướng kháng thể, peptide, aptamer, ligand carbohydrate đặc hiệu với kháng nguyên thụ thể bề mặt tế bào ung thư So sánh chất mang có phần tử định hướng chất mang thông thường, số dược động học khơng có khác biệt, song hiệu điều trị đặc biệt tăng lên 4.3 Dendrimer ứng dụng làm thuốc 4.3.1 Dendrimer làm thuốc kháng virus Dendrimer có kích thước nhỏ hầu hết loại virus nên chế tạo để can thiệp vào trình tạo kết nối virus tế bào chủ nhằm ức chế nhiễm trùng giai đoạn virus xâm nhập tế bào, trước có tác động lên nhiễm trùng Dendrimer cịn chế tạo để kết nối với thụ thể đặc trưng bề mặt tế bào chủ nối với phận bề mặt virus thông qua lực tương tác tĩnh điện 12 Hiện nay, có nhiều nghiên cứu cho thấy loại dendrimer anionic có khả chống lại số loại virus virus cúm HA, virus HSV, virus Ebola, virus HIV, … 4.3.2 Dendrimer làm thuốc kháng khuẩn Thuốc kháng sinh đóng góp nhiều vào việc chữa bệnh cho người Tuy nhiên, với phát triển biến đổi nhanh chóng vi khuẩn; kèm theo sử dụng thuốc không hợp lý – lạm dụng thuốc kháng sinh người bệnh dẫn đến xuất nhiều loại vi khuẩn kháng thuốc Do đó, nhà khoa học giới nỗ lực để tìm nhiều loại thuốc kháng sinh mới, dendrimer ứng cử viên sáng giá cho nhu cầu cấp thiết Dendrimer kháng khuẩn thường chứa nhóm chức amine hay tetraalkyl ammonium bề mặt Dendrimer gắn vào phá hủy màng anionic vi khuẩn, gây nên tượng dung giải vi khuẩn (bacterial lysis) Các loại dendrimer có khả diệt hiệu vi khuẩn gam âm gam dương Dendrimer polylysin có nhóm bề mặt mannosyl chứng minh có khả ức chế kết dính vi khuẩn E coli loại I tua viền với tế bào máu ngựa Qua cho thấy loại thuốc kháng khuẩn chế tạo từ dendrimer có triển vọng Ngoài ra, dendrimer mang số kim loại q vàng, bạc, plantin, … chúng có khả diệt khuẩn tốt 4.3.3 Dendrimer làm chất mang vaccine Thực tế cho thấy việc phòng ngừa đường rẻ tiền hiệu q trình chống chữa viêm nhiễm Ngồi ra, vaccine sử dụng liệu pháp chữa bện ung thư tạo khả tự phản ứng để kiểm sốt q trình nội sinh, miễn dịch không mong muốn phản ứng viêm nhiễm Trước đây, protein dùng làm chất mang vaccine hiệu Tuy nhiên, cấu trúc kích thước protein chưa thể xác định xác nhiều yếu tố khác dẫn đến protein chất mang đủ tiêu chuẩn để sử dụng y – dược Trái ngược với protein dendrimer lại có kích thước cấu trúc xác định, có tính đa hóa trị nên phù hợp để làm chất mang vaccine 13 4.3.4 Dendrimer chữa trị ung thư Ung thư bệnh phổ biến giới Con người cố gắng tìm loại thuốc nhằm chữa trị bệnh Một loại thuốc phức chất kim loại plantin Cùng với phát triển khoa học y học nói chung cơng nghệ nano hóa học nói riêng, nhà khoa học tổng hợp số loại thuốc tiền thuốc kháng ung thư có triển vọng kết hợp phức chất kim loại plantin với dendrimer Hình 18 Sơ đồ tổng hợp loại thuốc kháng ung thư từ dendrimer phức chất kim loại plantin 4.3.5 Dendrimer dẫn truyền gen Hiện nay, chữa bệnh liệu pháp gen ý Trong liệu pháp này, tác nhân vận chuyển gen phải thỏa mãn điều kiện sau: - Không tạo miễn dịch - Không độc hại - Có thể phân hủy sinh học có khả tiết - Có thể lưu lâu vịng tuần hồn máu 14 Trước đây, virus sử dụng hiệu cho việc vận chuyển gen Tuy nhiên, theo cơng bố có trường hợp tử vong thử nghiệm lâm sàng Ngồi ra, cịn số vấn đề phức tạp khác khơng dùng với sản phẩm có kích thước lớn độ virus Szoka Baker hai nhà khoa học sử dụng dendrimer làm tác nhân vận chuyển gen Hình 19 Mơ hình dendrimer – gen xâm nhập tế bào Dendrimer với nhóm amine bề mặt vận chuyển DNA tới màng tế bào hỗ trợ trình dịch chuyển cách phá vỡ màng tế bào Hình 20 Sự dịch chuyển DNA hay RNA vào nhân tế bào với trợ giúp dendrimer 15 KẾT LUẬN Trong năm gần đây, khoa học công nghệ nano có bước tiến vững phát triển cách đầy triển vọng Ứng dụng phân tử kích thước nano ngày ứng dụng vào ngành khoa học khác vật lý, hóa học, sinh học y học Vai trị ứng dụng cơng nghệ nano cịn nghiên cứu nhiều Cùng với lyposome, chitosan dendrimer nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Với khả mang thuốc phân phối thuốc tới đích hoạt tính kháng khuẩn, kháng virus, kháng ung thư dendrimer thực ứng cử viên sáng giá cho q trình phịng ngừa chữa trị ung thư bệnh nguy hiểm khác tương lai không xa TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tiếng Việt: Nguyễn Cửu Khoa (2015), Dendrimer: tổng hợp ứng dụng y – dược, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Nguyễn Thị Trâm Châu (2016), “Nghiên cứu biến tính dendrimer polyamidoamine polymer tương hợp sinh học (PEG Pluronic) ứng dụng mang thuốc, Học viện Khoa học Công nghệ  Tiếng Anh: Elham Abbasi, Sedigheh Fekri Aval, Abolfazl Akbarzadeh, Morteza Milani, Hamid Tayefi Nasrabadi, Sang Woo Joo, Younes Hanifehpour, Kazem Nejati-Koshki, Roghiyeh Pashaei-Asl (2014), “Dendrimers: synthesis, applications and properties”, Nanoscale Research Letters Marta Sowinska, Zofia Urbanczyk-Lipkowska (2014), “Advances in the chemistry of dendrimers”, New Journal of Chemistry, 38, 2147 – 2708 16 ... dendrimer tổng hợp có số lượng nhánh nhóm bề mặt tăng nhanh bước cần thiết để tổng hợp dendrimer không thay đổi so với phương pháp thơng thường Hình 13 Tổng hợp dendrimer phương pháp hypermonome ỨNG DỤNG... ? ?tổng hợp tăng lũy thừa hai” (double exponential) 3.5 Phương pháp ? ?tổng hợp trực giao” (orthogonal) 3.6 Phương pháp ? ?tổng hợp với monome siêu nhóm chức” (hypermonomer) ỨNG DỤNG CỦA... cho nhóm Vì phương pháp thích hợp để tổng hợp dendrimer hệ thấp phần lõi có kích thước lớn Hình Tổng hợp dendrimer phương pháp convergent 3.3 Phương pháp ? ?tổng hợp từ vào hai bước” (double –