Tổng hợp và khảo sát hoạt tính chống oxy hóa của một số dẫn chất Flavonoid

Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 354 TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA MỘT SỐ DẪN CHẤT FLAVONOID Trần Thành Đạo*, Vũ Thúy Tuyền*, Thái Khắc Minh* TÓM TẮT Mở đầu và mục tiêu: Gốc tự do đã được xem như là nguyên nhân của các bệnh lý thoái hóa như rối loạn chức năng não, ung thư, suy giảm hệ thống miễn dịch. Flavonoid - một nhóm hợp chất lớn thường gặp trong thực vật - có tác dụng sinh học đa dạng như kháng viêm, kháng dị ứng, chống ung thư và làm giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch; những hoạt tính sinh học này chủ yếu liên quan đến khả năng chống gốc tự do của flavonoid. Nghiên cứu này được thực hiện với mục tiêu: tổng hợp các dẫn chất flavonoid, xác định hoạt chất chống oxy hóa và phân tích liên quan cấu trúc và tác dụng chống oxy hóa các chất thử nghiệm. Đối tượng - Phương pháp nghiên cứu: Tổng cộng 213 hợp chất có khả năng trung hòa gốc tự do được chọn lọc qua nhiều bài báo khoa học. Hoạt tính chống oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp đánh bắt gốc tự do DPPH. Kết quả: Từ kết quả thử nghiệm được cho thấy F1 (quercetin), F2 và F3 (luteolin) là 3 chất chống oxy hóa có hoạt tính tốt, có thể so sánh gần tương đương với vitamin C và BHT (butylated hydroxytoluen). Khả năng chống oxy hóa của các chalcon là thấp (F5, F6) hoặc gần như không có hoạt tính. Đối với curcumin (F9), đây là chất có khả năng chống oxy hóa tốt hơn dẫn chất chalcon đã thử nghiệm. Kết luận: Việc ứng dụng mô hình QSAR xây dựng được để dự đoán hoạt tính chống oxy hóa của các dẫn chất giúp tạo nền tảng cho việc sàng lọc, thiết kế, lựa chọn tổng hợp và xác định hoạt tính chống oxy hóa in vitro nhằm tìm ra các chất có hoạt tính chống oxy hóa tốt. Từ khóa: gốc tự do, hoạt tính chống oxy hóa, flavonoid, QSAR ABSTRACT SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF ANTIOXIDANT ACTIVITY OF FLAVONOIDS Tran Thanh Dao, Vu Thuy Tuyen, Thai Khac Minh * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 2- 2019: 354 – 359 Background and objectives: Reactive oxygen species (ROS) have been implicated as a cause of degenerative diseases such as brain dysfunction, cancer, immune system depletion. Flavonoids - a large group of common compounds in plants - have diverse biological effects such as anti-inflammatory, anti-allergy, anti-cancer and reduce the risk of cardiovascular disease. These biological activities are mainly related to the anti free radical potential of flavonoids. This study was performed with the aims as follows: synthesis of flavonoid derivatives, identification of antioxidant activity and analysis of structure-activity relationships. Materials and methods: A total of 213 compounds with ability to neutralize free radicals were collected form literatures. The antioxidant activity was assessed by DPPH radical scavenging. Results: In vitro assays indicated that F1 (quercetin), F2 and F3 (luteolin) are three good antioxidants and comparable to vitamin C and BHT (butylated hydroxytoluene). The antioxidant capacity of the chalcone *Khoa Dược, Đại Học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: PGS. TS. Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 Email: thaikhacminh@ump.edu.vn Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 355 is quite low (F5, F6) or almost inactive. Curcumin (F9) is resulted in a better antioxidant activity than that of tested chalcones. Conclusion: The application of the QSAR models to predict the antioxidant activity of the derivatives provides the basis for screening, design, selective synthesis and in vitro determination of antioxidant activity to identify powerful antioxidant novels. Key words: reactive oxygen species, antioxidant activity, flavonoids, QSAR ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh flavonoid có tác dụng sinh học đa dạng như kháng viêm, kháng dị ứng, chống ung thư và làm giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch; những hoạt tính sinh học này chủ yếu liên quan đến khả năng chống gốc tự do của flavonoid(1-4). Từ đó, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về liên quan cấu trúc và tác dụng chống oxy hóa của flavonoid (SAR), tuy nhiên có rất ít công trình nghiên cứu liên quan cấu trúc và tác dụng chống oxy hóa mang tính chất định lượng (QSAR) và nếu có cũng chỉ xây dựng mô hình QSAR trên một vài nhóm hợp chất của flavonoid như flavon, flavonol hay flavanon với số lượng hợp chất không nhiều(5,8-10,15). Chalcon, một nhóm phụ của flavonoid và là dẫn chất trung gian của quá trình sinh tổng hợp ra các flavonoid khác. Trong thời gian gần đây rất nhiều hợp chất chalcon được báo cáo là có hoạt tính sinh học như tác dụng kháng viêm, kháng khuẩn, kháng nấm, chống tăng sinh tế bào ung thư, chống oxy hóa, trung hòa các gốc tự do(7,15). Tuy nhiên khả năng chống oxy hóa của chalcon còn chưa được nghiên cứu nhiều. Trong nghiên cứu này, mô hình dự đoán hoạt tính chống oxy hóa của dẫn chất flavonoid được xây dựng và ứng dụng trong việc dự đoán và thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa của một số dẫn chất. Kết quả được kiểm tra bằng việc khảo sát hoạt tính chống oxy hóa của một số dẫn chất flavonoid tổng hợp theo phương đánh bắt gốc tự do DPPH (1,1-diphenyl-2- picrylhydrazyl) của 5-7 dẫn chất flavonoid tổng hợp. ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở dữ liệu Qua nhiều bài báo khoa học,chọn lọc được 213 hợp chất có khả năng trung hòa gốc tự do thuộc nhiều khung cấu trúc khác nhau(1-16) Cấu trúc 2D của các chất được vẽ bằng phần mềm ChemBioDraw Ultra 11.0. Hoạt tính trung hòa gốc tự do (IC50) của các hợp chất được đánh giá bằng phương pháp đánh bắt gốc tự do DPPH gồm 123 chất. Các cấu trúc hóa học với hoạt tính đánh bắt gốc tự do DPPH được thu thập từ 9 bài báo. Các nhóm cấu trúc chính và số lượng các chất trong từng nhóm cấu trúc được xác định trong Bảng 1. Giá trị hoạt tính chống oxy hóa IC50 của nhóm chất nghiên cứu nằm trong khoảng 2,95 – 2551,02 μM. Trong cơ sở dữ liệu, chất có hoạt tính chống oxy hóa tốt nhất là JMC-2006-2543- 19 có IC50 = 2,95 μM thuộc cấu trúc hexahydropyridoindol và yếu nhất là BKC- 2006-1537 (6,2',3'-Trimethoxyflavon) với IC50 = 2551,02 μM thuộc nhóm cấu trúc flavon. Giá trị hoạt tính IC50 (μM) đươc đổi sang pIC50 = -logIC50 để sử dụng trong nghiên cứu QSAR. Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 356 Bảng 1: Cơ sở dữ liệu các chất có hoạt tính chống oxy hóa xác định bằng phương pháp DPPH Cấu trúc Tên Số chất Tài liệu tham khảo Cấu trúc Tên Số chất Tài liệu tham khảo Flavon 50 (9,12,14,16) Dẫn xuất của benzensulfonamid 13 (3) Chalcon và dẫn xuất 13 (3) Dẫn xuất của 1,5- benzothiazepin 3 (4) Flavonol 26 (3,6,14,16) Dẫn xuất của hexahydropyridoindol 18 (11) Catechin 2 (14) Phương pháp đánh bắt gốc tự do DPPH Hoạt tính chống oxy hóa của các chất trong thư viện tổng hợp tại Bộ môn Hóa Dược được tiến hành xác định theo phương pháp đánh bắt gốc tự do DPPH(1-3) Phương pháp thử nghiệm được tiến hành như sau : Pha dung dịch DPPH mẹ Cân 13 mg DPPH pha trong 100 mL methanol (nồng độ 330 μM). Từ dung dịch mẹ, pha các dung dịch DPPH nồng độ 33 μM để thử nghiệm bằng cách pha loãng 10 lần (dùng 10 mL dung dịch DPPH mẹ pha thành 100 mL). Pha dung dịch thử Từ các giá trị pIC50 dự đoán từ mô hình, suy ra IC50 của các chất, sau đó lựa chọn các chất có giá trị IC50 dự đoán nhỏ hơn 100 μM để thử nghiệm. Pha 5 mẫu dung dịch thử với bình 1 có nồng độ lớn nhất (gấp 4 lần giá trị IC50 dự đoán) rồi từ bình 1, lần lượt pha loãng 2 lần được các bình 2, 3, 4, 5. Trong đó, bình 3 là bình có nồng độ trùng với giá trị IC50 dự đoán. Thêm 10 mL dung dịch DPPH vào 5 ml dung dịch thử tương ứng của 5 bình, làm tương tự đối với mẫu chuẩn nhưng không sử dụng dung dịch thử. Hỗn hợp được lắc đều và để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 30 phút. Đo quang Dùng dung dịch DPPH nồng độ 33 μM để quét phổ, xác định bước sóng cực đại λmax = 515 nm. Đo độ hấp thu của các mẫu dung dịch thử và chuẩn tại 515 nm. Phần trăm của hoạt tính bắt giữ gốc tự do DPPH được tính bằng công thức sau: . Giá trị IC50 được xác định bằng phép nội suy từ đường biểu diễn phần trăm hoạt tính bắt giữ các gốc tự do và nồng độ của mẫu thử. Nếu phần trăm hoạt tính bắt giữ gốc tự do của bình 5 > 50% thì pha loãng tiếp tục bình 5 và làm tương tự cho đến khi có được 2 bình có phần trăm hoạt tính bắt giữ gốc tự do < 50% (để đảm bảo cho việc vẽ đường biểu diễn và giá trị IC50 được xác định chính xác. Nếu phần trăm hoạt tính bắt giữ gốc tự do của bình 1 < 50% thì tiến hành ngược lại. KẾT QUẢ Mô hình 2D-QSAR Tổng cộng 123 chất được thu thập từ 9 bài báo khoa học được sử dụng để xây dựng mô hình 2D QSAR trên hoạt tính chống oxy hóa bằng thuật toán bình phương tối thiểu từng phần (PLS) trong phần mềm MOE (www.chemcomp.com) và kết quả được trình bày ở Bảng 1. Sau khi lựa chọn từ 184 thông số mô tả được tính toán từ MOE được 4 thông số để xây dựng mô hình. Bốn thông số đó là Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 357 b_double [Số liên kết đôi (trừ liên kết đôi trong nhân thơm)]; PEOE_VSA+1 [Diện tích bề mặt van der Waals có điện tích [0,05, 0,10)]; PEOE_VSA_PPOS [Diện tích bề mặt van der Waals phân cực dương, điện tích > 0,2]; SMR_VSA6 [Tổng diện tích bề mặt van der Waals có độ khúc xạ trong vùng (0,485, 0,56]]. Mô hình xây dựng được trên tập huấn luyện gồm 100 chất có sai số nhỏ RMSE = 0,39 và R2 = 0,74; đánh giá chéo bỏ-1-ra LOO cho kết quả tốt với kết quả giá trị Q2 = 0,72 và RMSE = 0,40. Phân tích trên tập kiểm tra gồm 25 dẫn chất cho kết quả R2 = 0,85 và RMSE = 0,35. Đồng thời, phân tích dựa vào khoảng dự đoán đúng 95% của mô hình như trình bày ở Hình 1 cho thấy tất cả các chất của tập ngoại đều nằm trong khoảng dự đoán đúng 95%. Kết quả phân tích và đánh giá cho thấy mô hình có khả năng dự đoán tốt các chất trong cơ sở dữ liệu và có khả năng ứng dụng để dự đoán hoạt tính các chất tương đồng. Bảng 2: Kết quả mô hình QSAR Phương trình QSAR: pIC50 = + 4,10382 – 0,34413* b_double – 0,00841* PEOE_VSA+1 + 0,02963* PEOE_VSA_PPOS + 0,01869* SMR_VSA6 Giá trị Tập huấn luyện Đánh giá chéo LOO Tập kiểm tra Số chất (n) 100 100 25 RMSE 0,39 0,40 0,35 R 2 /Q 2 0,74 0,72 0,85 Hình 1: Đường thẳng tương quan giữa hoạt tính chống oxy hóa pIC50 thực nghiệm và dự đoán Hoạt tính chống oxy hóa dự đoán và thực nghiệm của các dẫn chất flavonoid Mô hình QSAR được ứng dụng để dự đoán hoạt tính chống oxy hóa của các dẫn chất flavonoid có tại thư viện chất của Bộ môn Hóa Dược. Các chất được xác định hoạt tính chống oxy hóa in vitro theo phương pháp đánh bắt gốc tự do DPPH và kết quả trình bày ở Bảng 3. Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 358 Bảng 3: Cấu trúc hóa học và hoạt tính chống oxy hóa thực tế - dự đoán từ mô hình QSAR Tên Cấu trúc IC50 dự đoán (µM) IC50 thực nghiệm (µM) Tên Cấu trúc IC50 dự đoán (µM) IC50 thực nghiệm (µM) F1 (Quercetin) OH OOH HO O OH OH 12,57 6,71 F7 191,55 > 500 F2 23,00 14,68 F8 121,34 > 513 F3 (luteolin) 59,23 45,65 F9 (Curcumin) 165,88 175,06 F4 56,13 >500 Vitamin C 7,35 5,86 F5 56,13 470,60 BHT (butylated hydroxytolu en) 58,33 74,58 F6 21,70 418,82 BÀN LUẬN Cấu trúc hóa học, giá trị hoạt tính chống oxy hóa IC50 dự đoán và IC50 thực nghiệm 11 chất thử nghiệm được trình bày ở Bảng 3. Trong các flavonoid (trừ chalcon), chỉ có 3 chất là F1 (quercetin), F2 và F3 (luteolin) có IC50 dự đoán nhỏ hơn 100 μM được lựa chọn và thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa. Kết quả thử nghiệm được cho thấy F1, F2 và F3 là 3 chất chống oxy hóa có hoạt tính tốt, có thể so sánh gần tương đương với vitamin C và BHT (butylated hydroxytoluen). Đối với các chalcon có tại thư viện chất của Bộ môn, kết quả dự đoán từ mô hình cho kết quả IC50 dự đoán là nhỏ hơn 100 μM. Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng chống oxy hóa của nhóm này là thấp (F5, F6). Curcumin (F9) chứng minh là chất có khả năng chống oxy hóa tốt hơn dẫn chất chalcon đã thử nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình QSAR có khả năng dự đoán tốt hoạt tính chống oxy hóa của các chất flavonoid và kết quả của mô hình có thể so sánh được các mô hình đã được công bố(5,7-10) và có nhiều ưu điểm hơn như phổ hoạt tính chống oxy hóa rộng và cơ sở dữ liệu lớn. Mô hình QSAR được sử dụng để dự đoán khả năng chống oxy hóa của các nhóm dẫn chất flavon, flavonol, chalcon Từ đó, lựa chọn những chất có khả năng chống oxy hóa cao và có trong thư viện chất ở Bộ môn Hóa Dược để thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa đồng thời đánh giá lại độ đúng của mô hình. Kết quả thử nghiệm xác định được hai chất F1 (quercetin) và F2 (thuộc nhóm cấu trúc flavonol) có khả năng chống oxy hóa tốt, gần tương đương với vitamin C và quercetin được nghiên cứu nhiều về khả năng chống oxy hóa. KẾT LUẬN Việc ứng dụng mô hình QSAR xây dựng được để dự đoán hoạt tính chống oxy hóa của các dẫn chất giúp tạo nền tảng cho việc sàng lọc, thiết kế, lựa chọn tổng hợp và xác định hoạt tính chống oxy hóa in vitro nhằm tìm ra các chất có hoạt tính chống oxy hóa mạnh. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 359 Trong nghiên cứu này, F1 (quercetin), F2 và F3 (luteolin) được thử nghiệm và có hoạt tính chống oxy hóa tốt, có thể so sánh gần tương đương với vitamin C và BHT. Khả năng chống oxy hóa của các chalcon là thấp (F5, F6) hoặc gần như không có hoạt tính. Đối với curcumin (F9), đây là chất có khả năng chống oxy hóa tốt hơn dẫn chất chalcon đã thử nghiệm. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106-YS.05-2015.31. TAI LIỆU THAM KHẢO 1. Alexiou P, Demopoulos VJ (2010). A diverse series of substituted benzenesulfonamides as aldose reductase inhibitors with antioxidant activity: design, synthesis, and in vitro activity. J Med Chem, 53: pp.7756-7766. 2. Ansari FL, Umbreen S, Hussain L, Makhoor T (2005). Syntheses and Biological activities of chalcone and 1,5- Benzothiazepine derivatives: Promising new free-radical scavengers, and esterase, urease, and alpha-Glucosidase inhibitors. Chem Biodiver, 2: pp.487-496. 3. Belsare DP, Pal SC, Kazi AA, Kankate RS, Vanjari SS (2010). Evaluation of Antioxidant Activity of Chalcones and Flavonoids. Inter J ChemTech Res, 2: pp.1080-1089. 4. Blokhina O, Virolainen E, Fagerstedt KV (2003). Antioxidants, Oxidative Damage and Oxygen Deprivation Stress: a Review. Annals Botany, 91 : pp.179-194. 5. Farkas O, Jakus J, Héberger K (2004). Quantitative Structure–Antioxidant Activity Relationships of Flavonoid Compounds. Molecules, 9: pp.1079-1088. 6. Ishige K., Schubert D, Sagara Y (2001). Flavonoids protect neuronal cells from oxidative stress by three distinct mechanisms. Free Rad Biol Med, 30: pp.433-446. 7. Liao HR, Chang YS, Lin YC, Yang LL, Chou YM, Wang BC (2006). QSAR Analysis of the Lipid Peroxidation Inhibitory Activity with Structure and Energetics of 36 Flavonoids Derivatives. J Chinese Chem Soc, 53 : pp.1251-1261. 8. Lien EJ, Ren S, Bui HH, Wang R (1999). Quantitative structure-activity relationship analysis of phenolic antioxidants. Free Rad Biol Med, 26: pp.285-294. 9. Lucić B, Amić D, Trinajstić N. (2008). Antioxidant QSAR Modeling as Exemplified on Polyphenols. Methods Mol Biol, 477: pp.207-18. 10 10. Maher P (2006). A comparison of the neurotrophic activities of the flavonoid fisetin and some of its derivatives. Free Radic Res, 40: pp.1105-11. 11. Phosrithong N, Samee W, Nunthanavanit P, Ungwitayatorn J (2012). In Vitro Antioxidant Activity Study of Novel Chromone Derivatives. Chem Biol Drug Des, 79: pp.981-9 12. Park Y, Lee YU, Kim H, Lee YS, Yoon YA, Mun BH, Jeong YH, An JH, Shim YH, Lim YH (2006). NMR Data of Flavone Derivatives and Their Anti-oxidative Activities. Bull Korean Chem Soc, 27(10) : pp.1537-1541. 13. Porcal W, Hernández P, González M, Ferreira A, Olea- Azar C, Cerecetto H, Castro A (2008). Heteroarylnitrones as drugs for neurodegenerative diseases: synthesis, neuroprotective properties, and free radical scavenger properties. J Med Chem, 51: pp.6150–6159. 14. Qin CX, Chen X, Hughes RA, Williams SJ, Woodman OL (2008). Understanding the Cardioprotective Effects of Flavonols: Discovery of Relaxant Flavonols without Antioxidant Activity. J Med Chem, 51: pp.1874-1884. 15. Rackova L, Snirc V, Majekova M, Majek P, Stefek M (2006). Free Radical Scavenging and Antioxidant Activities of Substituted Hexahydropyridoindoles. Quantitative Structure-Activity RelationshipS. J Med Chem, 49 : pp.2543- 2548. 16. Rice-Evans CA, Miller NJ, Paganga G (1996). Structure- antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic acid. Free Rad Biol Med, 20 : pp.933-956. Ngày nhận bài báo: 18/10/2018 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 01/11/2018 Ngày bài báo được đăng: 15/03/2019