Luận án 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 này là kết quả nghiên cứu thực sự của cá nhân dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn Tất, trường Đại học Hoa Sen và PGS. TS. Trần
Dương, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Huế.
Luận án được thực hiện tại trường Đại học Khoa Học – Đại học Huế. Chưa từng
có kết quả nghiên cứu tương tự được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi
thực hiện luận án. Một phần kết quả của công trình này đã được công bố trên: Tạp
chí Hóa học và Ứng dụng, Tạp chí Hóa học, Tạp Chí Khoa học và Công 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 đã giao đề tài, hướng dẫn trực tiếp và truyền đạt những kinh nghiệm
và kiến thức quý báu, tận tình chỉ dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp
đỡ em hoàn thành luận án này.
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 đã giúp đỡ, động viên và chỉ dạy nhiều kiến thức quý báu trong quá trình
em học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Hóa, các Thầy Cô trong Khoa
Sau đại học và toàn thể Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa Học Huế đã cho phép
và tạo mọi thuận lợi cho em hoàn thành luận án này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phùng Văn Trung, TS. Hoàng Thị Kim Dung
Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam TP. Hồ Chí Minh
đã giúp đỡ em trong quá 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 đã giúp đỡ, tận tình chỉ dẫn em trong quá
trình làm luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cho tôi
hoàn thành luận án này.
Ký tên
Bùi Thị Phương Thúy
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ANOVA
ARE, %
Bond
Cal
Phân tích phương sai
Giá trị tuyệt đối của sai số tương đối
Liên kết
Tính toán (Calculation)
SKC
Sắc kí cột
COSY
d
1H-1H (Correlation Spectroscopy)
Đỉnh đôi (doublet)
dd
Mũi đôi của mũi đôi (duplet of duplet)
Phꢀ DEPT (Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer)
Dimethyl sulfoxide (CH3)2S=O
Thực nghiệm (Experiment)
DEPT
DMSO
Exp
EtOAc
EtOH
E-State
Ethyl acetate (CH3COOC2H5)
Ethanol (C2H5OH)
Trạng thái điện tử (electrotopological state)
Nồng độ thuốc ức chế 50% sự phát triển của tế bào gây ung thư
(50% Growth Inhibition)
GI50
pGI50
pGI50= -log(GI50)
pGI50,exp
pGI50,pr
HMBC
HSQC
Giá trị pGI50 thực nghiệm
Giá trị pGI50 dự đoán
Phꢀ tương tác đa liên kết hai chiều dị hạt nhân (Heteronuclear
Multiple Bond Vorrelation)
Phꢀ tương tác hai chiều trực tiếp dị hạt nhân (heteronuclear single
quantum coherence)
HPV
IR
Vi rút u nhú ở người (Human Papillomavirus)
Phꢀ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy)
iii
LV
Biến ẩn (Latent Variables)
LogP
Linear
m
Giá trị logarit hệ số phân tán
Tuyến tính
Mũi đa (multiplet)
MM+
MARE, %
MSE
MS
Phương pháp cơ học phân tử MM
Giá trị trung bình của ARE, %
Sai số trung bình bình phương (Mean Squared Error)
Phꢀ khối (mass spectrometry)
MetOH
Nonlinear
NMR
OD
methanol (CH3OH)
Phi tuyến tính
Phꢀ cộng hưởng từ hạt nhân
Phương pháp đo mật độ quang (Optical Density)
Phân tích thành phần chính (Principal Components Analysis)
Hồi qui thành phần chính (Principal Components Regression)
Bình phương cực tiểu riêng phần (Partial Least Squares)
Quan hệ định lượng cấu trúc - tính chất
(Quantitative Structure - Property Relationship)
Quan hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính
(Quantitative Structure - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng giữa cấu trúc điện tử và hoạt tính sinh học
(Quantitative Electronic Structure - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng giữa cấu trúc phꢀ NMR và hoạt tính sinh học
(Quantitative Spectrum Data - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng cấu trúc - cấu trúc
(Quantitative Structure - Structure Relationship)
Hệ số tương quan đánh giá chéo (Cross-validation correlation
coefficient)
PCA
PCR
PLS
QSPR
QSAR
QESAR
QSDAR
QSSR
Q2
R2
Hệ số tương quan R2 luyện
tr
R2
Hệ số tương quan R2 dự đoán
pr
iv
R2
R2
ad
hiệu chỉnh
Rf
Hệ số lưu giữ (Retention Factor)
SAR
s
Quan hệ cấu trúc hoạt tính (Structure - Activity Relationship)
Đỉnh đơn (singlet)
SRB
SK
Sulforhodamine B
Sắc ký
SKLM
t
Sắc ký lớp mỏng
Mũi ba (triplet)
TCA
UV
Trichloroacetic acid
Phꢀ UV (Ultraviolet Spectroscopy)
Hằng số ghép (Hz) (Coupling constant Hz)
Phꢀ cộng hưởng từ hạt nhân proton (Hydrogen Nuclear Magnetic
Resonance)
J (Hz)
1H-NMR
13C-NMR
Phꢀ cộng hưởng từ hạt nhân cacbon 13 (Carbon Nuclear Magnetic
Resonance)
Độ dịch chuyển hóa học (chemical shift) tính bằng ppm
(ppm)
QSARMLR
(3.16)
QSARMLR phương trình 3.16
QSARMLR phương trình 3.17
QSARMLR phương trình 3.19
QSARMLR
(3.17)
QSARMLR
(3.19)
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Năng lượng tối thiểu (kcal/mol) của phân tử isoflavone (isofla-30)................................................. 63
Bảng 3.2 Tham số moment lưỡng cực (µ) của các flavonone và isoflavone ................................................... 65
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của loại biến độc lập đến giá trị R2 ............................................................................... 67
Bảng 3.4 Ảnh hưởng của số biến độc lập đến giá trị R2 , R2 , SE................................................................... 67
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của số nơ ron ẩn đến giá trị R2tr ..................................................................................... 68
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của cấu trúc mạng đến giá trị R2tr và R2pr....................................................................... 68
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của hàm truyền đến giá trị R2tr và R2pr ........................................................................... 69
Bảng 3.8 Ảnh hưởng của moment và sai số luyện đến R2 .............................................................................. 69
Bảng 3.9 Các mô hình tuyến tính QESARMLR (k = 2 - 10) và giá trị thống kê ................................................ 71
Bảng 3.10 Giá trị thống kê và các mô hình QESARMLR (với k = 5 - 7)........................................................... 72
Bảng 3.11 Giá trị thống kê và giá trị đóng góp GMPmxi,% của nguyên tử trong các mô hình QESARMLR (với
k = 5 – 7).......................................................................................................................................................... 73
Bảng 3.12 pGI50 của nhóm kiểm tra dự đoán từ mô hình QESARMLR, QESARANN ........................................ 75
Bảng 3.13 Các mô hình QSDARMLR và các giá trị thống kê ........................................................................... 76
Bảng 3.14 Giá trị thống kê, các hệ số và phần trăm đóng góp của các độ dịch chuyển hóa học i trong các mô
hình QSDARMLR .............................................................................................................................................. 77
Bảng 3.15 Hoạt tính pGI50,pr của các dẫn xuất kiểm tra và các giá trị ARE,% từ các mô hình QSDARMLR (với
k = 7) và QSDARANN với kiến trúc I(7)-HL(2)-O(1)....................................................................................... 79
Bảng 3.16 Mối tương quan của các hợp chất sử dụng mô tả điện tích nguyên tử............................................ 81
Bảng 3.17 Tính chất hóa lý và hoạt tính kháng ung thư pGI50 của các hợp chất nghiên cứu bằng mô hình
QSSRMLR và các chất dùng để dự đoán ........................................................................................................... 82
Bảng 3.18 Các mô hình QSARMLR (k từ 2 đến 10) với các giá trị R2, R2pred và MSE ...................................... 86
Bảng 3.19 Các giá trị thống kê và giá trị phần trăm đóng góp MPmxi,% và GMPmxi,% đối với các tham số mô
tả phân tử 2D và 3D trong các mô hình QSARMLR (với k là 8, 9 và 10).......................................................... 87
Bảng 3.20 Hoạt tính sinh học pGI50 của nhóm kiểm tra từ các mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN(1) ..... 90
Bảng 3.21 Các mô hình QSARMLR (k từ 2 đến 10) với các giá trị R2, R2pred và MSE ...................................... 91
Bảng 3.22 Các giá trị thống kê và phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% của các tham số mô tả phân tử
2D, 3D trong các mô hình QSARMLR (với k bằng 5, 6, 7) ............................................................................... 92
QSARPCA-ANN ................................................................................................................................................... 95
Bảng 3.24 Các mô hình QSARMLR với các giá trị R2 , SE và R2pr tương ứng.................................................. 97
Bảng 3.25 Các giá trị thống kê và phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% của điện tích nguyên tử trong
các mô hình QSARMLR..................................................................................................................................... 99
Bảng 3.26 Hoạt tính pGI50 trong nhóm kiểm tra dự đoán từ các mô hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) và
QSARANN(2) .................................................................................................................................................... 100
Bảng 3.27 Phần trăm gây độc tế bào GI50 (µg/ml) của các mẫu khảo sát trên dòng tế bào Hela ở các nồng độ
khác nhau....................................................................................................................................................... 112
vi
Bảng 3.28 Giá trị GI50 (µg/ml) và pGI50 của các mẫu flavonoid khảo sát từ thực nghiệm in vitro................ 113
QESARANN..................................................................................................................................................... 114
Bảng 3.30 Hoạt tính pGI50 của flavone và isoflavone mới được thiết kế và dự đoán từ mô hình QSDARMLR
(M1) và QSDARANN (M2) ............................................................................................................................. 116
Bảng 3.31 Tính chất hóa lý và giá trị hoạt tính kháng ung thư pGI50 của nhóm dẫn xuất flavone và isoflavone
tương tự được nghiên cứu từ mô hình QSSRMLR ........................................................................................... 118
Bảng 3.32 Giá trị pGI50,pr từ 3 mô hình QSSRMLR, QSEARMLR và QSDARMLR ............................................ 119
Bảng 3.33 Nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm và dự đoán từ mô hình QSSRMLR của các dẫn xuất flavonoid chiết
xuất. ............................................................................................................................................................... 120
Bảng 3.34 Hoạt tính sinh học pGI50 của hai hợp chất phân lập ZZL1, ZZL2 từ các mô hình QSARMLR (3.16)
và QSARANN(1).............................................................................................................................................. 121
Bảng 3.35 Hoạt tính GI50 (µM) của 10 hợp chất mới nhận được từ mô hình QSARANN(1 ............................. 122
Bảng 3.36 Hoạt tính sinh học pGI50 của nhóm kiểm tra và hai hợp chất phân lập luteolin và daidzin từ các mô
hình QSARMLR (3.18), QSARPCR và QSARPCA-ANN ....................................................................................... 123
Bảng 3.37 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 của 5 hợp chất mới được dự đoán từ mô hình QSARPCA-ANN ) .... 124
Bảng 3.38 Hoạt tính pGI50 trong nhóm kiểm tra dự đoán từ các mô hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) và
QSARANN (2).................................................................................................................................................. 125
Bảng 3.39 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 của 5 hợp chất mới thiết kế bằng cách gắn nhóm thế vào vị trí C6,
C3’ của quercetin, dự đoán từ mô 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 ................................................7
Hình 1.2 Giản đồ Venn mối liên quan định lượng cấu trúc và tác dụng [93]....................................................7
Hình 1.3 Mô hình hồi quy tuyến tính với (p = 2) [51, 66] .............................................................................. 15
Hình 1.4 Hồi quy đa biến thường với p = 2, N = 3 [51, 66] ............................................................................ 18
Hình 1.5 Ý nghĩa của hệ số hồi quy [51, 66]................................................................................................... 19
Hình 1.6 Giải thích F-test [51, 66] .................................................................................................................. 20
Hình 1.7 Hồi quy thành phần chính với p = 2, N = 3 [52, 107] ...................................................................... 24
Hình 1.8 Thành phần chính với p = 2 [51, 106].............................................................................................. 27
Hình 1.9 Hồi quy PLS với p = 2, N = 3 [51, 106]........................................................................................... 30
Hình 1.10 Sơ đồ giải thuật di truyền [10]........................................................................................................ 34
Hình 1.11 Chọn lựa thế hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp bánh xe lăn [76] .................................................. 36
Hình 1.12 Chọn lựa thế hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp xếp hạng tuyến tính [76] ..................................... 36
Hình 1.13 Toán 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 của mạng nơ ron [16]............................................................................................... 43
Hình 1.19 Mô hình tính toán một nơ ron [69, 77]............................................................................................ 44
Hình 1.20 Cấu khung flavonoid và quy ước đánh số [74]............................................................................... 47
Hình 1.21 Một số dẫn xuất flavonoid [20, 74]................................................................................................. 47
Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu tꢀng quát .............................................................................................................. 51
Hình 2.2. Nguyên liệu sử dụng phân lập flavonoid [2] ................................................................................... 54
Hình 2.3 Xây dựng các mô hình hồi quy đa biến............................................................................................. 56
Hình 2.4 Quy trình phân lập các dẫn xuất flavonoid [3, 59] ........................................................................... 57
Hình 3.1 Sự giảm năng lượng phân tử theo mức gradient ............................................................................... 64
Hình 3.2 Ảnh hưởng của k đến R2 và SE.......................................................................................................... 67
Hình 3.3 Giá trị đóng góp trung bình toàn cục GMPmxi .................................................................................. 72
Hình 3.4 Mối tương quan giữa các hợp chất: a) sử dụng điện tích; b) sử dụng tính chất hóa lý ..................... 81
Hình 3.5 Quan hệ giữa tính chất hóa lý dự đoán và dữ liệu thực nghiệm........................................................ 85
Hình 3.6 a) Hồi quy tuyến tính đa biến và b) giá trị pGI50 và pGI50,pred của flavonoid trong nhóm kiểm tra ... 88
Hình 3.7 Tính chất của các thành phần chính và tương quan giữa 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 của GML1, C21H20O9......................................................................................... 106
Hình 3.12 Cấu trúc phân tử của daidzin dưới dạng elipxoit với xác xuất 50%.............................................. 107
viii
Hình 3.13 Cấu trúc phân tử của ZZL1, C16H12O6 .......................................................................................... 108
Hình 3.14 Cấu trúc phân tử của ZZL1 dưới dạng elipxoit với xác xuất 50% ................................................ 109
Hình 3.15 Cấu trúc phân tử của ZZL2 (C25H24O12) ....................................................................................... 110
Hình 3.16 Hoạt tính pGI50,pr dự đoán từ mô hình tuyến tính QESARMLR của các flavone, isoflavone mới và
chất mẫu......................................................................................................................................................... 113
Hình 3.17 Cấu trúc dược chất trong cây nghể (Polygonum hydropiper) [2] ................................................. 117
Hình 3.18 Cấu trúc dược chất trong cây hoàng cầm (Scutellaria baicalensis) [2] ......................................... 117
Hình 3.19 Các giá trị pGI50 của hợp chất mới với hợp chất mẫu a) ZZL1, b) ZZL2 ..................................... 122
Hình 3.20 So sánh giữa các giá trị pGI50 của năm flavonoid mới với chất mẫu a) POL1; b) GML1 ............ 123
Hình 3.21 So sánh giữa các giá trị pGI50 của năm flavonoid mới với chất mẫu a) AIL1; b) CSL1.............. 126
ix
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... viii
MỤC LỤC..................................................................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1.1. BỆNH UNG THƯ CỔ TỬ CUNG........................................................................................... 4
1.1.1. Các nguyên nhân gây ung thư ......................................................................................... 4
1.1.2. Điều trị............................................................................................................................. 5
1.1.3. Phòng ngừa...................................................................................................................... 6
1.2. LIÊN HỆ GIꢀA CꢁU TRꢂC Vꢃ HOẠT TÍNH ....................................................................... 6
1.3. TÍNH TOÁN THÔNG TIN CꢁU TRꢂC .................................................................................. 9
1.3.1. Cơ học phân tử ................................................................................................................ 9
1.3.2. Cơ học lượng tử............................................................................................................... 9
1.3.3. Phương pháp bán thực nghiệm...................................................................................... 11
1.4. CÁC MÔ HꢄNH TOÁN HꢅC................................................................................................ 12
1.4.1. Hồi quy đa biến ............................................................................................................. 12
1.4.2. Hồi quy thành phần chính.............................................................................................. 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 mô hình........................................................................................... 45
1.4.7. Tính toán đóng góp của các tham số ............................................................................. 46
1.5. HỢP CHꢁT 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 trong tự nhiên .................................................................................. 48
1.5.4. Hoạt tính sinh học của flavonoid................................................................................... 48
1.6. PHÂN LẬP Vꢃ XÁC ĐỊNH CꢁU TRꢂC 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 của flavonoid tự nhiên................................................................ 50
2.1. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU ......................................................................................................... 51
2.2. CƠ SỞ Dꢀ LIỆU, NGUYÊN LIỆU Vꢃ PHƯƠNG PHÁP.................................................... 52
2.2.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin phân tử ..................................................................... 52
2.2.2. Nguyên liệu và phương pháp......................................................................................... 52
2.2.2.1. Phần mềm ứng dụng ............................................................................................................. 52
2.2.2.2. Hóa chất, thiết bị................................................................................................................... 52
2.2.2.3. Nguyên liệu .......................................................................................................................... 53
2.3. NGHIÊN CỨU Lꢆ THUYꢇT................................................................................................. 54
2.3.1. Phương pháp tính toán thông tin cấu trúc...................................................................... 54
2.3.1.1. Cơ học phân tử...................................................................................................................... 54
2.3.1.2. Hóa lượng tử......................................................................................................................... 54
2.3.1.3. Các tham số cấu trúc............................................................................................................. 55
2.3.2. Xây dựng các mô hình QSAR....................................................................................... 55
2.4. SꢃNG LꢅC, PHÂN LẬP FLAVONOID TỰ NHIÊN............................................................. 56
2.4.1. Phân lập các hợp chất flavonoid.................................................................................... 56
2.4.2. Xác định cấu trúc hóa học các hợp chất flavonoid........................................................ 58
2.4.2.1. Phương pháp phꢀ cộng hưởng từ hạt nhân ........................................................................... 58
2.4.2.2. Đo nhiễu xạ tia X đơn tinh thể.............................................................................................. 59
2.4.3. Kỹ thuật thử hoạt tính in vitro....................................................................................... 59
2.4.3.1. Nguyên tắc phương pháp Sulforhodamine B........................................................................ 59
2.4.3.2. Nuôi cấy tế bào..................................................................................................................... 60
2.4.3.3. Nhuộm SRB.......................................................................................................................... 61
2.4.3.4. Xử lý kết quả ........................................................................................................................ 61
2.4.3.5. Xác định GI50........................................................................................................................ 61
2.5. THIꢇT Kꢇ VÀ DỰ BÁO HOẠT TÍNH CỦA FLAVONOID.................................................. 62
xi
3.1. NGHIÊN CỨU Lꢆ THUYꢇT................................................................................................. 63
3.1.1. Tính toán thông tin cấu trúc........................................................................................... 63
3.1.1.1. Khảo sát phương pháp cơ học phân tử.................................................................................. 63
3.1.1.2. Khảo sát phương pháp hóa lượng tử..................................................................................... 64
3.1.2. Tham số cấu trúc và tính chất phân tử........................................................................... 65
3.1.2.1. Điện tích .............................................................................................................................. 65
3.1.2.2. Phꢀ 13C-NMR, 15O-NMR và độ dịch chuyển hóa học.......................................................... 66
3.1.2.3. Tham số hóa lý ..................................................................................................................... 66
3.1.2.4. Tham số hình học 2D, 3D..................................................................................................... 66
3.2. XÂY DỰNG MÔ HꢄNH QSAR .............................................................................................. 66
3.2.1. Khảo sát các biến số mô hình........................................................................................ 66
3.2.2. Xây dựng các mô hình QESAR..................................................................................... 70
3.2.2.1. Mô hình tuyến tính QESARMLR............................................................................................ 70
3.2.2.2. Mô hình mạng thần kinh QESARANN ................................................................................... 74
3.2.2.3. Kiểm tra khả năng dự đoán................................................................................................... 75
3.2.3. Xây dựng các mô hình QSDAR .................................................................................... 75
3.2.3.1. Mô hình tuyến tính QSDARMLR ........................................................................................... 75
3.2.3.2. Mô hình mạng thần kinh QSDARANN................................................................................... 78
3.2.3.3. Kiểm tra khả năng dự đoán................................................................................................... 78
3.2.4. Xây dựng mô hình QSSRMLR ........................................................................................ 79
3.2.4.1. Nguyên tắc xây dựng............................................................................................................ 79
3.2.4.2. Tính toán các tham số hóa lý ................................................................................................ 80
3.2.4.3. Xây dựng mô hình ................................................................................................................ 80
3.2.4.4. Kiểm tra khả năng dự đoán................................................................................................... 84
3.2.5. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN(1)..................................................... 85
3.2.5.1. Dữ liệu.................................................................................................................................. 85
3.2.5.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.16) .................................................................................... 85
3.2.5.3. Xây dựng mô hình QSARANN(1) ............................................................................................ 89
3.2.5.4. Khả năng dự đoán của mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN(1)........................................ 90
3.2.6.1. Dữ liệu.................................................................................................................................. 91
3.2.6.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR (3.18)......................................................... 91
3.2.6.3. Xây dựng mô hình QSARPCA-ANN ......................................................................................... 94
3.2.6.4. Khả năng dự đoán của các mô hình...................................................................................... 95
xii
3.2.7.1. Dữ liệu.................................................................................................................................. 96
3.2.7.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.19) và QSARPLS (3.20) ..................................................... 96
3.2.7.3. Xây dựng mô hình QSARANN(2) ............................................................................................ 99
3.2.7.4. Dự đoán hoạt tính sinh học của các hợp chất mới .............................................................. 100
3.3. SꢃNG LꢅC, PHÂN LẬP FLAVONOID TỰ NHIÊN........................................................... 101
3.3.1. Phân lập cynaroside từ actiso ...................................................................................... 101
3.3.2. Phân lập quercetin từ xa kê ......................................................................................... 102
3.3.3. Phân lập luteolin từ tía tô............................................................................................. 103
3.3.4. Phân lập daidzin từ đậu nành....................................................................................... 105
3.3.4.1. Xác định cấu trúc daidzin bằng phương pháp NMR........................................................... 105
3.3.4.2. Xác định cấu trúc phân tử daidzin bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X ........................... 106
3.3.5. Phân lập kaempferol-3-O-methylether từ gừng gió..................................................... 107
3.3.5.1. Xác định cấu trúc kaempferol-3-O-methylether bằng phương pháp NMR ........................ 107
3.3.7. Thử hoạt tính sinh học in vitro của các hợp chất flavonoid tự nhiên .......................... 111
3.4. THIꢇT Kꢇ VÀ DỰ BÁO HOẠT TÍNH CÁC FLAVONOID ................................................ 113
3.4.3. Mô hình QSSRMLR....................................................................................................... 116
3.4.4. Mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN (1) ................................................................ 121
3.4.5. Mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR và QSARPCA-ANN............................................... 123
3.4.6. Mô hình QSARMLR (3.19 ), QSARPLS (3.20) và QSARANN(2) ...................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................127
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ...............................................................................129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................131
PHỤ LỤC...............................................................................................................144
xiii
MỞ ĐẦU
Các phương pháp phòng và trị bệnh ung thư hiện nay như phẫu thuật, xạ trị,
hóa trị. Tuy nhiên các phương pháp này vẫn có những tác dụng phụ nhất định đối
với bệnh nhân. Nhu cầu về dược chất kháng ung thư có khả năng phòng và trị bệnh
học đã và đang quan tâm nghiên cứu, tìm kiếm các loại dược chất mới. Trong đó
nhóm flavone, isoflavone nói riêng là nhóm dược chất có nhiều trong thực vật với
nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam đã cung cấp một cơ sở dữ liệu
quý giá về nguồn dược chất trong tự nhiên, nhưng các nghiên cứu thực nghiệm
thuần túy còn nhiều hạn chế để tạo ra hợp chất có hoạt tính kháng ung thư hiệu quả,
trong nước nói riêng về nhóm flavone và isoflavone có hoạt tính kháng ung thư cꢀ
nhằm thiết kế các dẫn xuất flavone, isoflavone mới có hoạt tính được cải thiện; các
nghiên cứu lý thuyết là rất cần thiết để thúc đẩy và làm tiền đề cho các nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các thông tin mô tả cấu trúc điện
tích nguyên tử, độ dịch chuyển hóa học, tính chất hóa lý, tham số 2D và 3D của
phân tử kết hợp các kỹ thuật phân tích hồi quy, mạng nơ ron, phân tích thành phần
chính, giải thuật di truyền, bình phương cực tiểu riêng phần để xây dựng các mối
và tối ưu hóa bằng các phương pháp cơ học phân tử MM+. Các tham số mô tả phân
tử 2D, 3D được sử dụng để xây dựng các mô hình đa biến như hồi quy tuyến tính đa
biến (MLR), phân tích thành phần chính (PCR), bình phương cực tiểu riêng phần
nhằm xác định những yếu tố tham số mô tả phân tử ảnh hưởng đến tác dụng kháng
ung thư cꢀ tử cung từ đó xác định hướng thiết kế phân tử mang lại hoạt tính cao hơn
1
từ gừng gió, đậu nành, tía tô, xa kê, actiso, một vài kỹ thuật phân tích hóa lý cũng
được sử dụng để xác định cấu trúc phân tử các dẫn xuất flavonoid. Các phân tử
flavonoid đã phân lập sẽ được dự báo hoạt tính, và sử dụng làm chất mẫu để thiết kế
hợp chất mới có hoạt tính cao hơn. Từ các cơ sở trên, chúng tôi nghiên cứu đề tài
“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”.
Mục tiêu của luận án
Tính toán, sàng lọc các tham số mô tả phân tử gồm: tham số điện tích, độ
dịch chuyển hóa học, tính chất hóa lý, tham số 2D, 3D của các dẫn xuất flavonoid.
Xây dựng các mô hình quan hệ cấu trúc – hoạt tính có khả năng dự đoán hoạt tính
kháng ung thư của các dẫn xuất flavone và isoflavone có cấu trúc tương tự.
Sàng lọc, phân lập, xác định cấu trúc và thử nghiệm in vitro hoạt tính kháng
ung thư 6 hợp chất flavonoid từ actiso, xa kê, đậu nành, tía tô, gừng gió.
Thiết kế, sàng lọc các dẫn xuất flavone và isoflavone và đánh giá hoạt tính
kháng ung thư cꢀ tử cung cũng như các tính chất hóa lý của các dẫn xuất flavonoid
mới thiết kế từ flavonoid mẫu.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Nghiên cứu này đã sử dụng các tính toán lý thuyết và xây dựng các mối quan
hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính (QSAR). Các flavone và isoflavone được xây
dựng và tối ưu hóa bằng các phương pháp cơ học phân tử MM+. Điện tích nguyên
tử, độ dịch chuyển hóa học, các tính chất hóa lý và các tham số mô tả phân tử 2D,
3D từ các phương pháp lý thuyết được sử dụng để xây dựng các mô hình đa biến
như hồi quy tuyến tính đa biến (MLR), hồi quy thành phần chính (PCR), hồi quy
bình phương cực tiểu riêng phần (PLS) và mạng nơ ron nhân tạo (ANN). Các kỹ
thuật thực nghiệm chụp cộng hưởng từ hạt nhân, phꢀ khối lượng và kỹ thuật đo
nhiễu xạ tia X đơn tinh thể cũng được sử dụng để xác định cấu trúc phân tử các dẫn
xuất flavonoid chiết xuất.
Các mô hình QSAR được xây dựng nhằm xác định được những vị trí nguyên
tử ảnh hưởng đến tác dụng kháng ung thư cꢀ tử cung từ đó xác định vị trí tác dụng
mạnh để xem xét gắn nhóm thế nhằm tạo ra hợp chất mới và chọn lựa được những
2
hợp chất có hoạt tính cao. Ngoài ra với kỹ thuật QSAR có thể xây dựng các mô hình
khác nhau để dự đoán các tính chất hóa lý khác của các hợp chất. Từ công trình này,
có thể ứng dụng phương pháp, kết quả nghiên cứu trong các nghiên cứu thực
nghiệm, lý thuyết với sự hỗ trợ của công nghệ máy tính nhằm giảm thiểu đáng kể
chi phí cho các nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra
hướng nghiên cứu mới, phù hợp với định hướng nghiên cứu trên thế giới và Việt
Nam. Đây là cơ sở khoa học để áp dụng trong thiết kế, sàng lọc các hợp chất hữu cơ
có cấu trúc tương tự, đồng thời dự đoán hoạt tính sinh học và các tính chất hóa lý
của hợp chất làm tiền đề cho các quá trình thực nghiệm một cách hiệu quả.
Những đóng góp mới của luận án
Công trình này xác định được cấu trúc và thử hoạt tính pGI50 in vitro đối
với 6 hợp chất flavonoid phân lập từ lá tía tô, lá xa kê, lá actiso, hạt đậu nành và
củ gừng gió. Đã tính toán và sàng lọc các tham số mô tả cấu trúc phân tử như tham
số điện tích, tham số độ dịch chuyển hóa học, tham số 2D, 3D ảnh hưởng chính đến
hoạt tính kháng ung thư của các dẫn xuất flavonoid. Đã xây dựng và đánh giá thành
công khả năng dự báo của các mô hình QSAR. Các mô hình QESAR, QSDAR,
QSSR, QSARNMR, QSARANN, QSARPCA-ANN, QSARPCR, QSARPLS đã dự đoán được
hoạt tính kháng ung thư và tính chất hóa lý của các hợp chất mới được thiết kế từ
các chất mẫu và hợp chất tự nhiên. Hoạt tính kháng ung thư của các hợp chất mới
tốt hơn hoạt tính kháng ung thư của chất mẫu, hợp chất phân lập từ gừng gió, đậu
nành, tía tô, xa kê, actiso. Như vậy, việc tiến hành nghiên cứu xây dựng các mô
hình QSAR trong nghiên cứu này là một định hướng hữu ích trong nghiên cứu tìm
kiếm và tꢀng hợp các flavonoid khác nhau từ tự nhiên.
Cấu trúc của luận án gồm các phần sau
- Mở đầu
- Chương 1: Tꢀng quan tài liệu
- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận và kiến nghị
- Danh mục các công trình liên quan đến luận án
- Tài liệu tham khảo
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. BỆNH UNG THƯ CỔ TỬ CUNG
1.1.1. Các nguyên nhân gây ung thư
Ung thư là một tập hợp các bệnh liên quan đến sự phân chia tế bào một cách
mất kiểm soát, tiếp theo là quá trình các tế bào đó xâm lấn và di căn đến các mô
gây tử vong của bệnh nhân ung thư. Hiện nay có trên 100 bệnh ung thư có loại từ
bắp thịt và xương, có loại từ da hoặc lớp lót của các cơ quan, có loại xuất phát từ
máu. Ở nam giới thường gặp ung thư phꢀi, gan, đại trực tràng, dạ dày, vòm hầu,
ung thư vú, cꢀ tử cung, đại trực tràng, phꢀi, tuyến giáp, buồng trứng, gan, dạ dày,
nhưng đa số là làm cho cơ thể suy kiệt với các bệnh cơ hội. Trong đó, bệnh ung thư
cꢀ tử cung hình thành ở biểu mô cꢀ tử cung (cꢀ tử cung là cơ quan nối giữa âm đạo
Ung thư cꢀ tử cung bắt đầu ở niêm mạc cꢀ tử cung, tại đây các tế bào phát
triển bất bình thường và khó kiểm soát dẫn đến hình thành khối u. Phụ nữ trong độ
tuꢀi từ 30 đến 59 thường dễ mắc bệnh hơn cả. Đây là căn bệnh có thể điều trị và
Triệu chứng biểu hiện bệnh: âm đạo xuất huyết bất thường, có mùi khó chịu,
Điều trị bệnh: tuỳ theo giai đoạn phát triển của bệnh mà được điều trị theo
phác đồ khác nhau: giai đoạn 1 ung thư khu trú tại cꢀ tử cung; giai đoạn 2 ung thư
xâm lấn vùng lân cận; giai đoạn 3 ung thư xâm lấn xa hơn; giai đoạn 3 di căn sang
Giai đoạn 1 và 2: chỉ cần mꢀ và chiếu xạ thì khả năng khỏi bệnh sẽ rất cao, tỉ
lệ khỏi bệnh là 80 – 90%. Giai đoạn 3 và 4 chủ yếu là xạ trị, tỉ lệ khỏi bệnh rất thấp
4
Các yếu tố bên ngoài gây bệnh ung thư bao gồm: các tia X, chất phóng xạ,
tia cực tím, hóa chất gây hư hại cấu trúc gen di truyền. Các sản phẩm công nghiệp
như: amiăng gây ung thư phꢀi; polivinylclorua gây ung thư gan; nitrosamin gây ung
thư bao tử; các phẩm màu trong bánh kẹo, hay một số sản phẩm trong thuốc nhuộm
tóc, các hoá chất kích thích trong chăn nuôi nhiễm estrogen cũng gây ung thư; thuốc
ngừa thai và các chất kích thích nội tiết tố như DES (diethylstilbestrol) có khả năng
nhiễm không khí: các hoá chất gây ô nhiễm không khí như CO2, hidrocacbon,
Các yếu tố do lối sống có thể là nguyên nhân gây bệnh ung thư như các hoá
chất trong thuốc lá gây ung thư phꢀi, rượu gây ung thư thực quản; chế độ ăn gây
ung thư: ăn nhiều mỡ động vật, bơ, ăn nhiều calo, ăn thiếu chất xơ, uống rượu, hay
Yếu tố sinh học gây ung thư thể hiện ở một số ít căn bệnh ung thư ở người
Yếu tố di truyền gây ung thư chiếm tỉ lệ thấp, một số loại như ung thư mắt,
ung thư vú, có khuynh hướng dễ gặp trong cùng một gia đình. Tuy nhiên, yếu tố di
1.1.2. Điều trị
Một số liệu pháp chính trong điều trị ung thư: phẫu trị là dùng lưỡi dao mꢀ
để loại bỏ tận gốc khối u; xạ trị là phương pháp sử dụng dùng tia phóng xạ tàn tiêu
diệt các tế bào ung thư; hoá trị là dùng hoá chất để tiêu diệt tế bào ung thư; liệu
pháp miễn dịch là liệu pháp tăng cường khả năng đề kháng tự nhiên của cơ thể để
Phẫu thuật và xạ trị có ưu điểm là tấn công mạnh các loại ung thư thời kì còn
khu trú, nhưng phương pháp này không hiệu quả khi ung thư di căn trên cơ thể
người bệnh. Đối với phương pháp hoá trị chỉ cho kết quả tạm thời và không hiệu
5
quả. Liệu pháp miễn dịch chưa được nghiên cứu chuyên sâu nên chỉ là phương pháp
1.1.3. Phòng ngừa
Biện pháp phòng ngừa ung thư bao gồm một số biện pháp như: Giảm thiểu
việc tiếp xúc với thuốc lá, rượu, hoá chất công nghiệp; thực hiện các biện pháp bảo
vệ cơ thể chặt chẽ khi tiếp xúc với tia phóng xạ; ngừa ung thư qua việc chọn lựa chế
độ ăn uống an toàn như không nên ăn một số thức ăn được khuyến cáo có thể gây
ung thư, thức ăn có chứa các hóa chất nguy hiểm và các hormon; khám sức khoẻ
định kỳ, tầm soát ung thư sớm đều đặn; tiêm vacxin ngừa ung thư; lối sống lành
1.2. LIÊN HỆ GIỮA CꢀU TRꢁC VÀ HOẠT TÍNH
Liên hệ giữa cấu trúc – hoạt tính là nguyên tắc cơ bản nhất để xây dựng các
mô hình quan hệ cấu trúc – hoạt tính (QSAR) hay mô hình quan hệ cấu trúc – tính
chất (QSPR), mô hình quan hệ cấu trúc - cấu trúc để dự đoán tính chất vì cấu trúc –
tính chất - hoạt tính có mối quan hệ biện chứng với nhau, là các mối liên hệ nhân –
quả có thể được tính toán một cách chính xác và thiết lập theo những mô hình toán
tꢀng hòa các mối quan hệ thể hiện trên Hình 1.1. Trên cơ sở này nhiều kiểu mô
hình được xây dựng với các thông tin về cấu trúc khác nhau. Mô hình tꢀng quát
dạng QSXR: X có thể là A – hoạt tính (Activity); tính chất – P (Property); cấu trúc
Cấu trúc – tính chất không phải lúc nào cũng được phân định rõ ràng, nên
mối liên quan giữa chúng được biểu hiện bằng phần giao trên giản đồ Venn, Hình
liên quan giữa tính chất và tác dụng cũng được diễn tả bằng giản đồ Venn có phần
giao. Cấu trúc – hoạt tính có sự phân định rõ ràng nên mối liên quan giữa cấu trúc
và tác dụng, điều này được mô tả bởi hai vòng tròn không có phần giao nhau mà
tiếp xúc tại một điểm.
6
Hoạt tính
Tính chất
Dữ liệu
cấu trúc
Sàng lọc dữ liệu
QSXR
X=aixi + b0
Mô hình
phân tử
Hình 1.1 Mối liên quan định lượng cấu trúc, tính chất, độ phản ứng, hoạt tính
Tính chất
Cấu trúc
Tác dụng
Theo quan điểm hóa học, một phân tử có tác dụng sinh học mang hai nhóm
chức: nhóm tác dụng (thường có cấu tạo đặc biệt) và nhóm ảnh hưởng (thường là
các nhóm có khả năng thay đꢀi tính chất lý hóa của phân tử như hydroxyl, halogen,
Theo quan điểm sinh hóa, một phân tử có tác dụng sinh học có 2 thành phần
chính: Khung phân tử đặc trưng cho tính chất lý hóa, còn nhóm chức quyết định
Theo quan điểm hiện đại, phân tử hợp chất là một thể thống nhất (gồm các
nguyên tử tạo khung phân tử, nhóm chức...). Tác dụng sinh học không những do
7
Tải về để xem bản đầy đủ
244 trang
05/04/2022
2640
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án 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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_thiet_ke_sang_loc_mot_so_dan_xuat_flavonoid_va_danh.pdf
