Gelatin đã được nghiên cứu rộng rãi như là một chất vận chuyển thuốc cho nhiều nhóm thuốc do tính chất của nó là một vật liệu sinh học tự nhiên và lịch sử sử dụng an toàn trong một loạt các ứng dụng y tế và dược phẩm Tính chất gelatin có thể được điều chỉnh để tối đa hóa hiệu quả nạp thuốc Điểm đẳng điện gelatin có thể được điều chỉnh theo tính chất
tĩnh điện của phân tử thuốc được chọn bằng cách sử dụng phương pháp xử lý bằng kiềm hoặc acid Hơn nữa, bản chất ưa nước của gelatin tạo điều kiện cho sự xâm nhập của chất lỏng cơ thể vào các hạt và do đó làm tăng sự giải phóng qua trung gian khuếch tán của các phân tử hoạt tính sinh học Là chất mang thuốc, gelatin đã được chứng minh có hoạt tính sinh học vượt trội
Gelatin là một thành phần thực phẩm dạng mờ đục, không màu, khơng hương vị, giịn ở dạng rắn và có độ nhớt cao khi ẩm Gelatin có nguồn gốc từ collagen lấy từ các bộ phận cơ thể động vật, nên còn được gọi là collagen thủy phân, collagen hydrolyzate, gelatin hydrolyzate, gelatin thủy phân và collagen peptide [37]
Gelatin được cơng bố là một vật liệu có tính độc hại rất thấp chỉ khi ở hàm lượng rất cao mới có độc tính với cơ thể người
Các vi hạt gelatin có thể đóng vai trị là phương tiện để khuếch đại tế bào và cung cấp các phân tử hoạt tính sinh học lớn, trong khi đó các hạt nano gelatin có sự hấp thu nội bào cao hơn và phù hợp hơn cho việc truyền tĩnh mạch hoặc đưa thuốc vào não Sợi gelatin chứa tỷ lệ diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, trong khi đó gelatin hydrogel có thể bẫy các phân tử trong khoảng trống giữa các liên kết polymer, cho phép thuốc khuếch tán vào dòng máu
Một lĩnh vực khác đang được quan tâm phát triển là sự kết hợp giữa gelatin dựa trên mơ sinh học với sự giải phóng thuốc có kiểm sốt để kiểm sốt cơn đau và chữa lành vết
thương
Các hệ thống dựa trên gelatin thể hiện khả năng hấp thụ nước cao do có nhiều phần ưa nước trên bề mặt vật liệu
Thành phần hóa học cơ bản của gelatin bao gồm: 85–90% protein, 0,5–2% muối khoáng, 8–13% nước
Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 20 amino acid khác nhau liên kết với nhau theo một trật tự xác định, tuần hồn, tạo nên chuỗi polypeptide có khoảng 1000 acid amin hình thành nên cấu trúc bậc 1 Các chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất và độ dài của chuỗi sẽ ảnh hưởng đến tính mềm dẻo của gelatin Mỗi chuỗi có một đầu là nhóm amino, cịn một đầu là nhóm carboxyl
Về mặt cấu trúc, các phân tử collagen và gelatin chứa các chuỗi lặp lại của bộ ba Gly- X-Y, trong đó X và Y chủ yếu là các axit amin proline (Pro), hydroxyproline (Hypro) và Gly là thành phần chiếm ưu thế, là acid amin nhỏ nhất [37]
Gelatin có nhiều nhóm glycine, proline và 4-hydroxyproline và có thứ tự sắp xếp là– Ala Gly Pro Arg Gly Glu Hyp Gly Pro
Hình 1 7 Cấu trúc cơ bản của Gelatin
1 4 Thuốc trị bệnh ung thư (hóa trị)
Hóa trị là một phương pháp sử dụng một hoặc nhiều loại thuốc chống ung thư (gây độc tế bào) để làm hư hỏng các tế bào ung thư, vì vậy các khối u khơng thể phát triển và tăng sinh Hóa trị có hiệu quả cao nhất trên các tế bào đang tích cực phát triển và phân chia Bởi vì hầu hết các tế bào ung thư có xu hướng phát triển và phân chia nhanh nên chúng rất nhạy với những tác động của tác nhân hóa trị[38]
Tất cả các tế bào đều trải qua chu trình tế bào Đây là quá trình mà các tế bào phân chia để tạo ra nhiều tế bào hơn Các loại thuốc hóa trị làm gián đoạn chu trình tế bào ung thư và làm chậm hoặc ngưng quá trình sao chép các tế bào Một số loại thuốc hóa trị chỉ ảnh hưởng đến một số giai đoạn nhất định của chu trình tế bào ung thư, các loại thuốc còn lại thường ảnh hưởng đến tất cả các giai đoạn trong chu trình tế bào, bất kể là tế bào đang phân chia hay không phân chia
1 4 1 Thuốc 5-Fluorouracil (5-FU)
1 4 1 1 Giới thiệu
5-FU được tìm thấy vào năm 1950, sử dụng rộng rãi trong điều trị ung thư như ung thư ruột, ung thư vú, ung thư hệ tiêu hóa Trong đó 5-FU thường được sử dụng để điều trị ung thư đường ruột [39]
Nhóm nghiên cứu chọn 5-FU vì đây là loại thuốc thơng dụng đặc trị cho ung thư tiêu hóa, ung thư đại tràng là loại ung thư phổ biến hiện nay
Hình 1 8 Cơng thức của Fluorouracil (5-FU) 1 4 1 2 Cơ chế của 5-FU
5-FU là một chất tương tự uracil với một nguyên tử flo tại vị trí C5 Khi vào cơ thể người bệnh, 5-FU chuyển hóa thành fluorodeoxyuridine monophosphate (FdUMP) là chất ức chế Thymidylate synthetase (TS) gây thiếu thymine dẫn đến mất cân bằng các loại nucleotide cho quá trình tổng hợp DNA 5-FU cũng có thể chuyển hóa thành
fluorodeoxyuridine triphosphate (FdUTP) cạnh tranh làm đứt gãy DNA Tương tự,
fluorouridine triphosphate (FUTP) hình thành từ 5-FU làm đứt gãy RNA Hậu quả đều làm protein p53 được kích hoạt mạnh, đưa tế bào vào chương trình tự chết (apoptosis) [39, 40]
Hình 1 9 Cơng thức hóa học của Fluorouracil (5-FU) và cơ chế tiêu diệt tế bào ung thư của 5-FU[40]
1 4 2 Thuốc Doxorubicin (DOX)
1 4 2 1 Giới thiệu
Doxorubicin là một kháng sinh nhóm anthracyclin gây độc tế bào được phân lập từ môi trường nuôi cấy Streptomyces peucetius var , caeciu Hiện nay được dùng phổ biến trong hóa trị liệu ung thư, có cơng thức cấu tạo như hình bên dưới [41]
Hình 1 10 Cơng thức cấu tạo của doxorubicin[41]
Tên khoa học: (7S,9S)-7-[(2R,4S,5S,6S)-4-Amino-5-hydroxy-6-methyloxan-2-yl]oxy-6,9,11 -trihydroxy-9-(2-hydroxyacetyl)-4-methoxy-8,10-dihydro-7H-tetracene-5,12-dione
Sau khi tiêm tĩnh mạch, Doxorubicin nhanh chóng thải trừ khỏi máu và phân bố vào mô bao gồm phổi, gan, tim, lá lách và thận Doxorubicin bị chuyển hóa một phần tại gan tạo thành các dẫn chất chuyển hóa, bao gồm cả doxorubicinol là một chất giảm hoạt tính Khoảng 40 – 50% lượng doxorubicin bắt đầu được thải trừ qua mật trong vòng 7 ngày; chỉ khoảng 5% được thải trừ qua nước tiểu trong vòng 5 ngày [42]
Doxorubicin là loại thuốc khá phổ biến ở Việt Nam hiện dùng điều trị nhiều loại ung thư như ung thư vú, buồng trứng, dạ dày…
1 4 2 2 Cơ chế tác dụng
Doxorubicin gắn vào DNA làm ức chế các enzym cần thiết để sao chép và phiên mã DNA, đặc biệt Doxorubicin gây gián đoạn mạnh chu kỳ phát triển tế bào ở giai đoạn phân bào S và giai đoạn gián phân, nhưng thuốc cũng tác dụng trên các giai đoạn khác của chu kỳ phát triển tế bào
1 4 2 3 Chỉ định
Chỉ định chính: Doxorubicin được dùng phổ biến trong điều trị nhiều loại ung thư, bao gồm ung thư vú, u xương ác tính (sarcom xương) và u xương Ewing, u mơ mềm, u khí phế quản, u lympho ác tính cả hai dạng Hodgkin và khơng Hodgkin, ung thư biểu mô tuyến giáp (carcinoma tuyến giáp) Ung thư đường tiết niệu và sinh dục: ung thư tử cung, ung thư bàng quang, ung thư tinh hoàn Khối u đặc ở trẻ em: Sarcom cơ vân, u nguyên bào thần kinh, u Wilm, bệnh leucemi cấp…
Chỉ định tương đối: ung thư tuyến tiền liệt, cổ tử cung, âm đạo, dạ dày Có tác dụng tốt trên một số ung thư hiếm gặp như đa u tủy xương, u màng hoạt dịch, u nguyên bào võng mạc
1 4 3 Tác dụng phụ [43]
Thuốc hóa trị tiêu diệt tế bào ung thư, nhưng cũng gây hại cho các tế bào khỏe mạnh Các tế bào khỏe mạnh bị hư hại là nguyên nhân gây ra tác dụng phụ
Các tế bào và mơ bên trong cơ thể có khả năng chịu đựng được hóa trị liệu là khác nhau Thuốc thường ảnh hưởng lớn nhất lên các tế bào phát triển nhanh, chẳng hạn tế bào tủy xương, tế bào trong miệng, tế bào trong đường tiêu hóa, tế bào nang và tóc
Các tác dụng phụ thường gặp là:
Ức chế tủy xương: đây là tác dụng phụ thường gặp và nghiêm trọng nhất của hóa trị Chúng làm giảm lượng tế bào máu sinh ra do tủy xương
Viêm miệng, viêm niêm mạc miệng hoặc viêm màng nhầy Buồn nơn ói mửa rụng tóc
Chán ăn, mệt mỏi
Táo bón, hoặc tiêu chảy mất nước
Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu chọn doxorubicin và 5-Fluorouracil vì tính cần thiết của 2 loại thuốc này trong nhiều phác đồ điều trị ung thư tại Việt Nam
1 5 Ứng dụng công nghệ nano làm chất dẫn truyền thuốc chống ung thư
Trong y khoa hiện đại, các nhà khoa học ln tìm kiếm các vật liệu dẫn truyền thuốc mới nhằm cải thiện khả năng phân phối thuốc đồng thời tăng tác dụng của thuốc và tăng hiệu quả chữa bệnh Chất nano dẫn truyền thuốc phải được tổng hợp dựa trên 3 tiêu chí sau:
Giảm độ chuyển hóa của thuốc
Giảm độ độc của cả hệ thống và dẫn truyền thuốc đúng mục tiêu
Trong vài thập kỹ qua, nghiên cứu trong lĩnh vực nano dẫn truyền thuốc đang được chú ý Hệ thống hạt nano dẫn truyền thuốc được biến tính nhằm cải thiện các tính chất dược động lực học và dược tính của các loại phân tử thuốc[2]
Theo hệ thống phân phối thuốc, các hạt nano có thể ngậm thuốc hay phân tử sinh học thành những cấu trúc bên trong của chúng hoặc hấp phụ thuốc hoặc phân tử sinh học lên các bề mặt bên ngoài của chúng [44]
Kích thước hạt và đặc điểm bề mặt có thể được thao tác dễ dàng để đạt được cả hai mục tiêu thụ động và chủ động của thuốc sau khi đưa thuốc vào cơ thể
1 5 1 Cơ chế mang thuốc hướng đích thụ động:
Khi thuốc được đưa vào cơ thể, hệ dẫn thuốc nano sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua mạch máu để đi đến mục tiêu là tế bào bệnh Kích cỡ hạt nano là yếu tố quan trọng cho việc mang thuốc, kích cỡ này phải trong phạm vi từ 10 đến 200 nm Nếu nhỏ hơn 10 nm thì hạt có thể sẽ bị thải ra theo đường bài tiết hoặc chui vào các khe hở lớp nội mô thành mạch máu tế bào bình thường Nếu lớn hơn 200 nm, hạt sẽ không khuyếch tán được qua thành mạch máu và sẽ bị đào thải ra ngoài theo cơ chế miễn dịch Vậy cơ chế này vận dụng sự khác biệt giữa vùng mô thường và mô ung thư nghĩa là nhờ hiện tượng tăng tính thấm và tăng hiệu quả lưu giữ (Enhanced permeability and Retention Effect – EPR) [45]
1 5 2 Cơ chế mang thuốc hướng đích chủ động:
Giữa tế bào ung thư và tế bào lành có 3 yếu tố khác nhau cơ bản: tế bào ung thư có độ pH thấp (pH khoảng 4-5), có nhiệt độ cao (38-40oC) và trên bề mặt có nhiều loại vitamin (nhiều nhất là nhóm B9), trong khi đó tế bào thường có pH (7,2-7,4) và nhiệt độ (36-37oC) Vậy để tạo hạt nano mang thuốc chủ động ta nên biến tính hạt tạo thành các nhóm chức năng đặc biệt hướng đến tế bào ung thư Chẳng hạn như tế bào ung thư có ái lực với acid folic nên thường gắn acid folic làm tác nhân hướng đích chủ động [45]
Vị trí dẫn truyền thuốc vào mục tiêu cụ thể có thể đạt được bằng cách gắn các phối tử mục tiêu lên bề mặt hạt nano mang thuốc hoặc sử dụng các chất có từ tính
Ưu điểm của phân phối thuốc qua trung gian cấu trúc nano bao gồm khả năng để cung cấp các phân tử thuốc trực tiếp vào các tế bào và khả năng nhắm mục tiêu các khối u trong mô khỏe mạnh
1 5 3 Những nghiên cứu của vật liệu nano silica trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc
Vật liệu nano silica xốp thể hiện những đặc điểm riêng biệt khiến chúng trở thành vật mang nano lý tưởng để lưu trữ, bảo vệ và vận chuyển thuốc đến vị trí mục tiêu Một thách thức quan trọng khác là tránh tình trạng giải phóng thuốc q sớm trước khi đạt mục tiêu là tế bào ung thư Theo cách này, các lỗ của vật liệu nano silica xốp có thể được giới hạn bằng cách sử dụng những chất giữ thuốc lại
Một trong những lợi thế của nano silica xốp là có thể dễ dàng biến tính để giữ thuốc trong lỗ xốp và mang thuốc đến đúng tế bào ung thư, giải phóng đúng vị trí và kiểm sốt liều lượng một cách tinh tế dựa trên cơ chế giải phóng nhạy pH[47] Các tác nhân
hydrazine, chitosan, gelatin là nh ữ ng ch ấ t có kh ả năng năng tạ o liên k ế t hydrazon, imine v ớ i thu ốc và rấ t nh ạ y pH nh ả thu ốc đúng mục tiêu
Các hạt nano silica đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống phân phối và dẫn truyền thuốc hướng đích Kể từ năm 2001, Vallet-Regí và các cơng s ự c ủa ơng [48] lần đầu tiên đã chế tạ o ra v ậ t li ệ u MSNs (nano silica x ố p còn g ọ i là PNS-porous nano silicas) đa chức năng để điề u tr ị các b ệnh lý đa dạ ng Theo kh ả o sát c ủa Vallet-Regí, người tiên phong nghiên c ứ u vậ t liệ u nano silica x ốp ứ ng dụ ng trong y sinh, cho bi ế t v ậ t liệ u nano silica x ốp đã cho ra đời nh ữ ng thành tự u nghiên c ứ u khoa h ọc trong lĩnh vự c d ẫ n
Việc đưa nanomedicine vào lĩnh vực này được kỳ vọng sẽ thay đổi tương lai gần của ngành dược phẩm và công nghệ sinh học Công cụ công nghệ nano mới này sẽ khắc phục được những hạn chế lớn của y học thơng thường như độ hịa tan và độ ổn định thấp, thiếu tính đặc hiệu và cấu hình dược động học khơng đầy đủ và tác dụng phụ nghiêm trọng của thuốc [49] Mặc dù trong vài thập kỷ qua, việc đưa vật liệu nano vào y học đã cung cấp hơn 250 sản phẩm đã được phê duyệt hoặc đang trải qua các giai đoạn thử nghiệm lâm sàng khác nhau, ứng dụng lâm sàng cuối cùng của chúng vẫn là một thách thức lớn [50]
Hình 1 12 Thành t ự u nghiên c ứ u khoa h ọc trong lĩnh vự c d ẫn truy ề n thu ốc[47]
1 6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1 6 1 Tổng hợp nanosilica xốp và tạo cầu nối biến tính
1 6 1 1 Tổng hợp vật liệu nano silica xốp bằng phương pháp sol-gel
Nano silica xốp (porous nano silicas) được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel sao cho kích thước hạt đồng đều dưới 100 (nm) Với kích thước này hạt nano sau khi biến tính hồn tồn có khả năng xâm nhập vào các thành mạch máu và màng tế bào để giải phóng
Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tạo ra một số vật liệu có kích thước ở cấp độ nano Quá trình này thường liên quan đến những phân tử alkoxide kim loại mà chúng sẽ bị thủy phân trong điều kiện được kiểm soát
Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (–OR) trong liên kết kim loại – alkoxide bằng nhóm hydroxyl (–OH) để tạo thành liên kết kim loại –hydroxyl
Hình 1 13 Cơ chế phản ứng thủy phân và ngưng tụ
Trong phản ứng thủy phân, các nhóm alkoxide (–OR) trong liên kết kim loại – alkoxide được thay thế bằng nhóm hydroxyl (–OH) của mơi trường để tạo thành liên kết kim loại – hydroxyl Trong khi đó, phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại – oxide – kim loại, đây là cơ sở cấu trúc cho các màng oxide kim loại Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại–oxi–kim loại không ngừng tăng lên đến khi tạo ra một mạng lưới trong khắp dung dịch
Sử dụng chất hoạt động bề mặt Cetyltrimethylamnonium bromide (CTAB) như một tác nhân định hình cấu trúc lỗ xốp cho vật liệu nano, đây cũng có thể xem là khung sườn để TEOS có thể thủy phân và bao lấy tạo điều kiện cho việc hình thành các hạt nano silica xốp sau này, các hạt nano silica xốp được tạo ra với mong muốn có thể mang thuốc được nhiều hơn nhờ vào cấu trúc lỗ xốp của vật liệu [51]
1 6 1 2 Tạo cầu nối biến tính
Như đã trình bày, việc biến tính bề mặt vật liệu nano silica nhằm tăng hoạt tính sinh học, nâng cao hiệu quả mang thuốc, kéo dài thời gian lưu thơng thuốc và giải phóng tại đúng mục tiêu
Để thuận lợi cho việc biến tính, chúng ta thường tạo cầu nối trước khi biến tính Chất làm cầu nối thường có một đầu tạo liên kết hóa học với nhóm OH trên bề mặt nano silicas