Phương pháp trích ly bằng dung môi siêu tới hạn, trích chiết dược phẩm quý nano paclitaxel từ cây Thông đỏ taxus wallichiana zucc

KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT20 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G 1. Mở đầu Trong quá trình trích ly các dược phẩm quý và lưu tâm đến vấn đề môi trường, CO2 là một dung môi có nhiều ưu điểm. CO2 không độc, không cháy, rẻ tiền và có điều kiện tới hạn thấp. Nhiệt độ tới hạn của CO2 chỉ 31,1 oC vừa tiết kiệm năng lượng lại vừa không làm phân hủy các dược chất[1]. Thêm vào đó, tính khuếch tán cao, tỷ trọng có thể điều chỉnh được và độ nhớt thấp nên CO2 là lưu chất phù hợp được sử dụng cho quá trình tạo hạt. Cây Thông đỏ từ lâu đã được giới khoa học và người dân biết đến là một loại dược liệu quý, dùng để điều trị nhiều bệnh, đặc biệt lá và vỏ cây có thể điều chế các hoạt chất để chữa trị ung thư. Cây Thông đỏ thuộc họ Thanh tùng, là loài cây bụi hay cây thân gỗ nhỏ nhiều cành, phân bố tại hẻm núi các huyện Đức Trọng, Đơn Dương, Lạc Dương và TP. Đà Lạt (Lâm Đồng), ở độ cao từ 1.300 - 1.700m. Phương pháp trích ly bằng dung môi siêu tới hạn, trích chiết dược phẩm quý nano paclitaxel từ cây Thông đỏ taxus wallichiana zucc BÙI THỊ NAM TRÂN, THÂN THỊ PHƯƠNG, NGUYỄN THỊ HẰNG Trường Cao đẳng Sư Phạm Gia Lai Đặc tính của lá Thông đỏ - Trong lá thông đỏ có những khoáng chất như Vitamin C, A, K, Acicd Amino thiết yếu, Carbonhydrate, Phosphorus, Chất sắt, Chất béo, Mangan, Kẽm... - Nó chứa các Acid Amin thiết yếu là thành phần chính của Protein đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành cơ thể con người. - Acidamin có 22 loại mà lá thông đỏ chứa 8 loại thiết yếu trong số đó. Ngày nay, trong hóa trị, hai loại dược phẩm được sử dụng nhiều nhất và có hiệu quả tốt trong việc điều trị ung thư buồng trứng, ung thư vú, ung thư phổi là: Paclitaxel (được phát triển từ phân tử Paclitaxel hoạt hóa của Công ty Bristol Myers Squibb, Mỹ) và Taxotere (được phát triển từ phân tử Docetaxel hoạt hóa của công ty Sanofi - Aventis, Pháp). Cả hai hoạt chất này đều được trích ly từ vỏ và lá cây Thông đỏ (Taxus ssp, Taxus brevifolia). KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 21 S Ố 0 3 N Ă M 2 0 182. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Vào đầu những năm 1960, Viện Ung thư Quốc gia Mỹ (NCI) đã phát triển một chương trình nghiên cứu dịch trích ly từ các nguồn khác nhau trong tự nhiên. Năm 1962, một trong những dịch chiết đã được phát hiện có hoạt tính chống ung thư rõ rệt, có khả năng cô lập những khối u. Tuy nhiên, công trình này đã không được phát triển cho tới khi hai nhà nghiên cứu Wall và Wani của Viện nghiên cứu Triangle, Bắc Carolina, tách ra được một hợp chất có hoạt tính chống ung thư từ cây Thông đỏ Thái Bình Dương Taxus brevifolia. Vào thời điểm này, việc xác định cấu trúc của hợp chất này không phải là công việc đơn giản. Năm 1971, Wall và Wani đã cô lập được dẫn xuất của taxol dưới dạng tinh thể và xác định được cấu trúc dựa vào nhiễu xạ tia X. Đây là loại diterpen phức tạp chứa nhiều oxygen hứa hẹn nhiều về hoạt tính chống ung thư. Hợp chất này được lấy tên thương mại là Taxol. Và cũng năm này, Wall và Wani đã công bố cấu trúc của hợp chất này gọi là Paclitaxel. Ngày nay, trong hóa trị, hai loại dược phẩm được sử dụng nhiều nhất và có hiệu quả tốt trong việc điều trị ung thư buồng trứng, ung thư vú, ung thư phổi là: Paclitaxel (được phát triển từ phân tử Paclitaxel hoạt hóa của Công ty Bristol Myers Squibb, Mỹ) và Taxotere (được phát triển từ phân tử Docetaxel hoạt hóa của công ty Sanofi - Aventis, Pháp). Cả hai hoạt chất này đều được trích ly từ vỏ và lá cây Thông đỏ (Taxus ssp, Taxus brevifolia), mang về những nguồn thu khổng lồ cho các hãng sản xuất. Trong 10 năm qua, Bristol Myers Squibb đã thu được 11 tỷ USD từ việc bán Paclitaxel. Riêng Sanofi Aventis, trong năm 2005 đã thu được 1,7 tỷ USD từ việc bán Taxotere. Vì thế, 10-DAB III và paclitaxel được xem là thành phần khá quan trọng có trong các loài Thông đỏ. Và cũng vì Thông đỏ có giá trị kinh tế cao nên chúng bị khai thác trầm trọng và nguồn dược liệu này đang đứng trước nguy cơ bị đe dọa tuyệt chủng. Một số nước trên thế giới đã rất thành công trong việc sản xuất paclitaxel từ vỏ cây. Công nghệ này đã làm lão hóa nhanh và cạn kiệt nguồn nguyên liệu. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng đã tìm được hợp chất 10 - deacetyl baccatyl III (10-DAB III), đây là tiền chất dùng để tổng hợp paclitaxel có trong cành và lá Thông đỏ với hàm lượng nhiều hơn so với vỏ cây. Theo các nhà khoa học, Thông đỏ không phải là loài cây đặc hữu chỉ có ở Việt Nam mà phân bố rải rác suốt từ châu Mỹ, châu Âu sang châu Á. Tuy nhiên, loài Thông đỏ mọc ở vùng rừng Việt Nam được chứng minh là có giá trị cao hơn Thông đỏ ở các vùng khác vì chỉ số tích lũy hoạt chất cao hơn. Theo các kết quả khảo sát, ở Việt Nam có 2 lại Thông đỏ: Taxus wallichiana (Thông đỏ Hymalaya) ở Lâm Đồng và Taxus chinensis (Thông đỏ Trung Hoa) ở Mai Châu (Hòa Bình) và một số vùng cao khác. Hiện nay, Trung tâm nghiên cứu trồng và chế biến cây thuốc Đà Lạt - Vimedimex đang triển khai trồng Thông đỏ theo các chế độ phân bón khác nhau để tạo nguồn nguyên liệu chiết tách 10- DAB III và paclitaxel theo chương trình của nhà nước. Trung tâm cũng đang thu thập các cá thể Thông đỏ mọc hoang dại trên địa bàn tỉnh Lâm Đồng trong việc chọn lọc dòng có hàm lượng hoạt chất cao. “Nghiên cứu quy trình trồng cây Thông đỏ để làm nguyên liệu sản xuất thuốc chữa bệnh” do ThS. Vương Chí Hùng - Trung tâm Nghiên cứu trồng và chế biến cây thuốc Ðà Lạt (VIMEDIMEX) - thực hiện cùng với nhóm tác giả nhằm thuần hóa cây Thông đỏ (một loại cây rừng) thành cây trồng hướng thâm canh cây nông nghiệp có một ý nghĩa rất lớn. Trên cơ sở nghiên cứu, nhóm tác giả nói trên đã bước đầu đưa ra những Thông số kỹ thuật phù hợp về điều kiện sinh thái, thời vụ, chế độ phân bón... để thâm canh trồng cây Thông đỏ theo phương thức canh tác nông nghiệp tại vùng đất Lâm Ðồng - cái nôi cuối cùng của cây Thông đỏ Việt Nam. Các nhà khoa học đã nghiên cứu được 49 dòng Thông đỏ tự nhiên và qua đó chọn lọc được chín loài Thông đỏ cho hàm lượng hoạt chất 10-DAB III và KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT22 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G taxol cao. Ðây cũng là chín loài được chọn để tạo ra nguồn giống bằng phương pháp vô tính mới. Nhà nghiên cứu Trần Công Luận và cộng sự đã tiến hành xác định được đặc điểm vi học và khảo sát thành phần hóa học của lá Thông đỏ Taxus Wallichiana Zucc như các hợp chất: tinh dầu; chất béo; triterpenoid; alkaloid; proanthocianidin; tannin; saponin; chất khử; acid hữu cơ. 3. Hợp chất paclitaxel Hợp chất Paclitaxel có tên theo UIPAC là4α,5β,7β,10β,13α)-4,10-Bis(acetyloxy)-13- {[(2R,3S)-3-(benzoylamino)-2-hydrox y-3- phenylpropanoyl]oxy}-1,7-dihydroxy-9-oxo- 5,20-epoxytax-11-en-2-yl benzoate, còn tên theo thương mại là Abraxane, Taxol, Onxol, Nov-Onxol. Hình 2: Cấu trúc hóa học của hợp chất Paclitaxel. Paclitaxel là một loại thuốc dùng để điều trị ung thư buồng trứng, vú, phổi, tuyến tụy và những bệnh ung thư khác. [3] Paclitaxel và docetaxel đại diện cho họ gia đình thuốc taxane. Cơ chế hoạt động của Paclitaxel liên quan đến việc can thiệp với sự cố thông thường của vi ống trong phân chia tế bào. Tác dụng phụ thường gặp bao gồm: rụng tóc, đau cơ và khớp và tiêu chảy, .... [6] Đó là kết quả của một nguy cơ nhiễm trùng nghiêm trọng. Sử dụng loại thuốc này trong khi mang thai thường dẫn đến các vấn đề ở trẻ sơ sinh... Paclitaxel được phát hiện bắt đầu vào năm 1962 [3] như là một kết quả của một chương trình tầm soát ung thư quốc gia Hoa Kỳ tài trợ; được phân lập từ vỏ cây của Thủy tùng Thái Bình Dương, brevifolia Taxus, đúng như tên gọi của nó “taxol”. Phát triển thương mại bởi Bristol-Myers Squibb, tên chung đã thay đổi để “paclitaxel” với tên thương mại trở thành Taxol. Các thương hiệu khác bao gồm Abraxane. Các bác sĩ đôi khi sử dụng chữ viết tắt “PTX” cho paclitaxel, mà không được khuyến khích, bởi vì nó không phải là một định danh duy nhất.[10] Paclitaxel là tên gọi được Tổ chức Y tế thế giới công nhận trong Danh sách thuốc thiết yếu, thuốc quan trọng nhất cần thiết trong một hệ thống y tế cơ bản. 4. Lưu chất siêu tới hạn (supercritical fluid) Lưu chất siêu tới hạn nói chung được định nghĩa là một trạng thái vật lý của một chất nào đó ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn. Lưu chất siêu tới hạn có các thông số vật lý nằm trong khoảng biến thiên giữa lưu chất ở trạng thái khí và trạng thái lỏng [4]. Do mang cả tính chất của chất khí (dễ khuếch tán vào chất khác) và tính chất của chất lỏng (hòa tan chất) nên lưu chất siêu tới hạn có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Đặc điểm của một số chất lỏng được sử dụng làm dung môi siêu tới hạn thể hiện ở bảng sau Bảng 1. Một số chất lỏng siêu tới hạn thông dụng Dung môi Nhiệt độ tới hạn (oC) Áp suất tới hạn (bar) Nước 374 218 EtOH 241 61 MeOH 240 80 Aceton 235 46 NH3 132 115 CO2 thường được sử dụng làm lưu chất siêu tới hạn do các ưu điểm nổi trội của nó so với các chất khác, đặc biệt là trong công nghiệp dược phẩm. KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 23 S Ố 0 3 N Ă M 2 0 18Điểm tới hạn thấp (TC = 31,1 0C, PC = 73,8 bar) vì thế ít tốn năng lượng hơn để đưa CO2 tới vùng siêu tới hạn. Hình 3: Giản đồ pha thể hiện điểm tới hạn của CO2[9]. 5. Phương pháp kỹ thuật trích ly siêu tới hạn Trong nhiều thập kỷ qua, kỹ thuật lỏng siêu tới hạn đã được sử dụng rất nhiều chủ yếu trong việc nghiên cứu về dược phẩm, thực phẩm. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, việc trích chiết các hợp chất là rất quan trọng nhưng một yêu cầu đặt ra là phải loại bỏ hoàn toàn lượng dung môi sử dụng[8]. Chất lỏng siêu tới hạn (SCFs) nói chung có thể được định nghĩa là trạng thái vật lý của một chất nào đó thể hiện cả tính chất của chất lỏng và chất khí. Không giống như chất khí, SCFs có tính chất của một dung môi mạnh và nó còn thể hiện khả năng khuếch tán tốt hơn dung môi thông thường. SCFs được nghiên cứu từ thế kỷ thứ 19 khi Hannay phát hiện ra điểm tới hạn của phân tử (Critical point). Họ cũng quan sát thấy ảnh hưởng của áp suất lên độ tan của KI trong Ethanol. Sự tiến bộ của kỹ thuật SCFs phát triển chậm hơn mãi đến những năm 1970 và 1980 một số quy trình mới được thương mại hóa và nghiên cứu tăng cường. Theo tính chất nhiệt động lực học, định nghĩa SCFs như là chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất cao hơn giá trị tới hạn [9]. Giản đồ pha trạng thái siêu tới hạn của một chất. Điểm ba là nơi mà ba trạng thái rắn, lỏng và khí giao nhau. Các đường cong là nơi hai trạng thái cùng hiện diện. Quan sát dọc theo đường cong khí - lỏng hướng lên cao gặp 1 điểm, nơi đó nồng độ của khí và lỏng bằng nhau. Điểm này được gọi là điểm siêu tới hạn và hợp chất lúc đó gọi là chất lỏng siêu tới hạn. Tại điểm tới hạn, áp suất và nhiệt độ có các giá trị được gọi lần lượt là áp suất tới hạn (Pc) và nhiệt độ tới hạn (Tc ). Hai giá trị này là đặc trưng cho từng chất riêng biệt. Các trạng thái vật lý của một chất tinh khiết được miêu tả trong giản đồ ba chiều áp suất-thể tích-nhiệt độ (PVT), thể hiện như hình sau: Giản đồ P-T-V của SCFs các bề mặt đại diện các trạng thái rắn, lỏng và khí tương ứng với các giá trị khác nhau của nhiệt độ và áp suất. Theo quy tắc pha, cân bằng hai pha (rắn-lỏng, rắn- hơi, lỏng-hơi) của một chất tinh khiết chỉ thể hiện trong phạm vi nhất định. Vì vậy, áp suất cân bằng trong mỗi trường hợp là một hàm theo nhiệt độ. Hình chiếu đường cân bằng rắn-lỏng, rắn-hơi, lỏng-hơi được thể hiện bên trái. - Khả năng hòa tan có thể tăng hay giảm khi nhiệt độ tăng lên ở điều kiện đẳng áp. Trong mọi trường hợp, khả năng hòa tan giảm đột ngột khi lưu chất bị hạ áp suất ở điều kiện đẳng nhiệt dưới áp suất tới hạn của nó. Đây là điều cơ bản của hầu hết các qui trình sử dụng SCF: SCF được sử dụng như những dung môi trong vùng siêu tới hạn để có thể chiết một cách có chọn lọc một số hợp chất trước khi bị hạ áp để thu được hợp chất tinh khiết ở kích thước nano hoặc sub-micro cần chiết. Cần lưu ý rằng, nước hầu như hòa tan rất ít trong SCF. Ví dụ như trong SCF CO2, nước chỉ có thể hòa tan được 1 - 2 g/ kg, nhưng nó đóng vai trò quan trọng như một đồng dung môi cho rất nhiều các chất tan là các phân tử phân cực. Hiện nay, nước được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng, đặc biệt trong quá trình sản xuất các sản phẩm tự nhiên. Tóm lại, bởi vì đặc điểm không có tính phân cực, SCF được sử dụng như một loại dung KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT24 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G môi chống lại các dung môi hữu cơ phân cực (có chứa chất tan), dẫn đến sự suy giảm tính phân cực của chúng, và là nguyên nhân dẫn đến sự lắng của các hợp chất mà trước đó đã được hòa tan trong các dung môi này. Mặt khác, những dung môi siêu tới hạn SCFs có tỉ trọng lớn (0,2 - 0,5g/cm3), tương đối đậm đặc, có khả năng hòa tan các phân tử không bay hơi có kích thước lớn không phân cực, ví dụ như CO2 siêu tới hạn dễ dàng hòa tan n-ankan từ C5 đến C30, di-n-ankyl phthalates với nhóm ankyl từ C4 đến C16 và một số các hợp chất đa vòng khác. Cường độ solvat hóa của SCF có liên quan trực tiếp đến tỉ trọng của lưu chất. Vì thế khả năng hòa tan của chất rắn có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất. Tính chất vật lý: Chất lỏng siêu tới hạn có đặc tính trung gian giữa hai trạng thái khí và lỏng của nó. Bảng 1.2 cho thấy tính chất vật lý của chất ở các trạng thái khác nhau. CO2 được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật siêu tới hạn. Một số ưu điểm nổi bật của CO2 siêu tới hạn (SC-CO2): + Áp suất và nhiệt độ tới hạn thấp (T = 31,10C P = 73,8 at): + Giá tiền rẻ + Bền về hóa học + Không độc, không dễ cháy + Độ nhớt thấp + Khả năng khuếch tán cao + An toàn, độ tinh khiết cao + Ưu điểm nổi bật của CO2 siêu tới hạn là tạo điều kiện cho việc phân riêng sản phẩm thu hồi tái sử dụng xúc tác + Có thể pha thêm MeOH, EtOH để tạo thành dung dịch chiết chất phân cực. Vấn đề chính đối với SC-CO2 chính là khả năng hòa tan kém các chất phân cực, chỉ có thể hòa tan tốt các chất không phân cực và phân cực yếu như: Hidrocacbon, Hidrocacbon halogelnua, chất béo,. 6. Hướng phát triển trong tương lai Phương pháp SCF, phương pháp trích ly dùng dung môi siêu tới hạn thật sự thu hút vì quy trình đơn giản và tương đối dễ vận hành, không gây ô nhiễm môi trường và các dược phẩm quý sau khi được trích ly vẫn không bị lẫn các dung môi khó đuổi và độc hại mà phương pháp trích ly truyền thống đang gặp phải. Tuy nhiên, phương pháp này có tính ưu việt đối với các dược chất có tính phân cực yếu đến trung bình và tan được trong CO2 siêu tới hạn là tiêu chí cho sự lựa chọn dung môi sạch. Paclitaxel là một dược phẩm vô cùng quý giá. Các nhà khoa học trong nước đang lựa chọn hướng đi mới này cho các dược phẩm quý được trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn. Đồng thời, những dược phẩm quý khác nữa cũng sẽ được nghiên cứu trên các dung môi siêu tới hạn có độ phân cực khác nhau, khác với dung môi CO2./. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Defne Kayrak, Ugur, Akman, Oner Hortacsu, Micronization of Ibuprofen by RESS, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 18 September 2002. 2. Edited by Ya- Ping Sun, Supercritical Fluid technology inmaterials science and engineering, New York, 2002. 3. Jennifer Jung, Michel Perrut, Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 28 December 2000. 4. Jump up^  Heldman, AW; Cheng, L; Jenkins, GM; Heller, PF; Kim, DW; Ware Jr, M; Nater, C; Hruban, RH; et al. (2001). “Paclitaxel stent coating inhibits neointimal hyperplasia at 4 weeks in a porcine model of coronary restenosis”.Circulation 103 (18) 5 . M . M i r z a j a n z a d e h , M . A r d j m a n d , H . Moghadamzadeh, L. Khosravani, F. Saberi, Sh. Saed Lashgari, Determining sublimation pressure of ibuprofen from solubility data in supercritical carbon dioxide, Procedia Engineering, Elsevier, August 2012. 6. Mehdi Ahmadi Sabegh, Feridun Esmaeilzadeh, Solubility of ketoprofen in supercritical carbon dioxide, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 18 August 2012. 7. P. Hirunsit, Z. Huang, T. Srinophakun, M. Charoenchaitrakool, S. Kawi, Pariticle formation of ibuprofen- supercritical CO2 system from rapid expansion of supercritical solution (RESS): A mathematical model, Powder Technology, Elsevier, Accepted 11 March 2005. 8. Pankaj Pathak, Mohammed, Ya-Ping Sun, Formation and stabilization of ibuprofen nanoparticle in supercritical fluid processing, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 26 September 2005. 9. Peter Molnár, Edit Székely, Béla Simándi, Sándor Keszei, Judit Lovász, Elemér Fogassy, Enantioseparation of ibuprofen by supercritical fluid extraction, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 17 October 2005. 10. Ranjit Thakur, Ram B. Gupta, Rapid expansion of supercritical solution with solid cosolvent (RESS-SC) process: Formation of 2-aminobenzoic acid nanoparticle, Supercritical Fluids, Elsevier, Accepted 19 December 2005. KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 25 S Ố 0 3 N Ă M 2 0 18Tính toán năng suất các nhân tố tổng hợp (TFP) và đánh giá vai trò của khoa học công nghệ đối với tăng trưởng TFP của tỉnh Gia Lai giai đoạn 2010-2016 ThS. NGÔ XUÂN HÒA & CỘNG SỰ Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng tỉnh Gia Lai KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT26 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 27 S Ố 0 3 N Ă M 2 0 18 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT28 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 29 S Ố 0 3 N Ă M 2 0 18