Con đường sinh tổng hợp chất chống ung thư vinblastine từ cây dừa cạn

Nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Science ngày 3/5/2018, mở ra tương lai sản xuất dược chất quý này trên quy mô lớn bằng công nghệ sinh học.

Cây dừa cạn (tên khoa học là Catharanthus roseus, tên tiếng Anh là “Madagascar periwinkle”) có nguồn gốc từ châu Phi, nay phổ biến ở khắp thế giới trong đó có Việt Nam. Đây là loài thực vật nhỏ thuộc họ Apocynaceae, có hoa trắng hoặc hồng khá đẹp, thường được trồng làm cảnh (hình 1). Từ lâu, cây dừa cạn là vị thuốc dân gian được người dân các nước châu Phi và châu Á dùng để chữa trị nhiều loại bệnh tật trong đó có tiểu đường. Thậm chí đến đầu thế kỷ XX, khi tác dụng chữa tiểu đường rất tốt của insulin đã được biết đến thì nhiều người vẫn hy vọng có thể nghiên cứu cây dừa cạn để tìm ra thuốc chữa tiểu đường bổ sung cho insulin.

Dược tính chữa ung thư của cây dừa cạn được phát hiện khá tình cờ. Trong thập niên 1950, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tây Ontario (UWO, Canada) và Công ty Eli Lilly (Mỹ) bắt tay vào thử nghiệm khả năng chữa tiểu đường của nước chiết cây dừa cạn trên chuột. Họ phát hiện ra rằng dừa cạn tuy không có hiệu quả làm giảm đường rõ rệt nhưng lại làm giảm mạnh số lượng bạch cầu trong máu. Từ những kết quả ban đầu này, TS. Robert Noble tại Đại học Tây Ontario cho rằng cây dừa cạn có những chất có tiềm năng chữa ung thư, đặc biệt là bệnh máu trắng mà biểu hiện đặc trưng là số lượng bạch cầu rất cao. Đại học Tây Ontario và Công ty Eli Lilly đã hợp tác xác định và thương mại hóa thành công hai hợp chất chống ung thư có cấu trúc gần giống nhau là vinblastine và vincristine từ cây dừa cạn (hình 2). Hai hợp chất này sau đó được Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) duyệt cho sử dụng để điều trị nhiều loại ung thư như ung thư bạch cầu nguyên bào tủy cấp tính (vincristine), hay ung thư tinh hoàn, ung thư buồng trứng, và ung thư phổi (vinblastine)².

Vinblastine và dẫn xuất của nó là vincristine có cấu trúc lập thể rất phức tạp (hình) với phân tử lượng khá lớn (hơn 800 Da), bao gồm cả gốc alkaloid (cấu trúc vòng có nitrogen) và gốc terpenoid (cấu trúc bội số của các đơn phân tương đương isoprene). Việc tổng hợp hoàn toàn các hợp chất này bằng hóa học là bất khả thi. Người ta phải phân lập từ khoảng 500 kg lá khô của cây dừa cạn mới thu được 1 g vinblastine hoặc tiền chất vindoline và catharanthine của nó³. Do đó, giá thành của hai loại thuốc này là khá cao, và câu hỏi bằng cách nào cây dừa cạn có thể tạo ra vinblastine đã trở thành một đề tài nghiên cứu quan trọng trong suốt 60 năm qua.

Tiền chất terpenoid ban đầu trải qua 31 phản ứng hóa học, trong đó có kết hợp với tryptophan (một loại acid amine), trong cây dừa cạn mới hình thành nên vinblastine (hình 2).

Nhóm nghiên cứu của TS. O’Connor đã nghiên cứu sinh tổng hợp vinblastine và vincristine ở cây dừa cạn từ hơn 10 năm nay, kể từ khi bà còn làm việc tại Học viện công nghệ Massachusetts (Mỹ). Bằng nhiều kỹ thuật sinh học phân tử, hóa tổng hợp, phân tích tập hợp bộ gene (genomics), tập hợp bộ RNA thông tin (transcriptomics), tập hợp bộ protein (proteomics) trong đó có các enzyme, và tập hợp bộ các hợp chất biến dưỡng (metabolomics), nhóm của bà đã xác định được nhiều enzyme tham gia vào sinh tổng hợp các hợp chất này.

Không chỉ nhóm của TS. O’Connor, những người nghiên cứu sinh hóa các hợp chất tự nhiên nói chung có thể khoanh vùng và xác định những gene nào chịu trách nhiệm cho những bước sinh tổng hợp nào bằng cách liên hệ sự biến đổi mức biểu hiện gene với nồng độ các hợp chất tự nhiên tại những thời điểm và vị trí khác nhau trong thực vật ^4,5. Chức năng của các gene này (và các enzyme do chúng mã hóa) sẽ được chứng minh bằng thử nghiệm hoạt tính trong ống nghiệm (in vitro) kết hợp với trong tế bào (in vivo). Ngoài ra, chức năng của chúng cũng có thể được xác định ngay trong cây (in planta) bằng cách can thiệp gây ức chế hay tăng mức độ biểu hiện gene rồi quan sát sự tăng giảm tương ứng trong hàm lượng các hợp chất có liên quan.

Nguyên tắc thì đơn giản như vậy nhưng công việc trong thực tế gặp rất nhiều thử thách. Cây dừa cạn có khoảng 30.000 gene, nhưng con đường sinh tổng hợp vinblastine chỉ có 31 bước. Việc biểu hiện gene thực vật ở các loại tế bào khác nhau (để thử nghiệm hoạt tính) cũng cần rất nhiều công sức tối ưu hóa và không phải lúc nào cũng thành công. Với các nhà nghiên cứu, thách thức lớn nhất mà cũng là thú vị nhất có lẽ là quan sát biến đổi hóa học của các hợp chất trung gian mà suy luận ra loại phản ứng để từ đó tìm ra loại enzyme tương ứng.

Với sự nhẫn nại và kiến thức sinh học lẫn hóa học kết hợp, nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới, trong đó có nhóm của TS. O’Connor, đã xác định được phần lớn các bước sinh tổng hợp vinblastine. Công bố trên Science vừa qua do TS. Lorenzo Caputi thuộc nhóm của TS. O’Connor đứng tên đầu chính là công trình xác định các bước quan trọng còn lại, tạo ra hai tiền chất quan trọng của vinblastine là tabersonine và catharanthine (hình 2). Vị trí xảy ra các phản ứng hóa học này trong cây dừa cạn cũng được nhóm nghiên cứu của TS. Vincent Courdavault tại Đại học Tours (Pháp) phối hợp xác định trong bài báo này¹.

Thúc đẩy ứng dụng vinblastine

Cũng như các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học khác, việc xác định được toàn bộ con đường sinh tổng hợp vinblastine sẽ mở ra tương lai ứng dụng hợp chất này vào sản xuất dược phẩm trên quy mô lớn.

Nhiều dược phẩm hữu ích đã ra đời như thế, ví dụ nổi bật nhất có lẽ là artemisinin (thanh hao tố), hợp chất chữa sốt rét từ cây thanh hao hoa vàng (Artemisia annua) đem lại giải Nobel Sinh y cho bà Đồ U U năm 2015. Từ việc xác định được các enzyme tham gia sinh tổng hợp artemisinin, các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley (Mỹ) đã tạo ra chủng nấm men sản xuất tiền chất của artemisinin với số lượng lớn, trong thời gian ngắn, dưới điều kiện hoàn toàn kiểm soát được thay vì chỉ dựa vào chiết xuất từ cây thuốc⁶. Tương lai của việc sản xuất vinblastine bằng công nghệ sinh học có thể còn có ý nghĩa to lớn hơn (và đương nhiên đi kèm với nhiều thách thức hơn) do cấu trúc của vinblastine (C46H58N4O9) phức tạp hơn artemisinin (C15H22O5) rất nhiều.

TS. Sarah O’Connor dự đoán, chủng nấm men tạo ra vinblastine hay ít nhất là các tiền chất vindoline và catharanthine sẽ được cho ra đời chỉ trong một vài năm tới. Không chỉ những sản phẩm giống hệt như tự nhiên, các gene tham gia vào sinh tổng hợp vinblastine còn có thể được sử dụng để tạo ra những hợp chất gần giống nhưng có hoạt tính còn mạnh hơn, ví dụ như có gắn thêm các nhóm halogen. Không chỉ dẫn đến vinblastine, những chất trung gian trong con đường sinh tổng hợp này còn là tiền chất cho nhiều hợp chất quan trọng như ibogaine (điều trị dứt cơn nghiện thuốc như heroin) ở cây Tabernanthe iboga, hay vincamine (thuốc làm giãn mạch máu) ở cây Vinca minor (dừa cạn nhỏ).

Nghiên cứu sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học cũng sẽ góp phần trả lời những câu hỏi khoa học cơ bản về vai trò (như trong phòng vệ) của những hợp chất này đối với bản thân thực vật. Cách thức tự nhiên tạo ra những hợp chất phức tạp như vinblastine cũng là những hình mẫu để những người nghiên cứu hóa học tổng hợp tham khảo.

Việt Nam cũng là một trong số những nước sử dụng thảo dược phổ biến và có nguồn cây thuốc rất dồi dào trong tự nhiên. Bài học từ nghiên cứu cây dừa cạn (và trước đó là nghiên cứu cây thanh hao hoa vàng, thuốc phiện và nhiều cây thuốc khác trên khắp thế giới) trong hơn nửa thế kỷ qua cho thấy thảo dược cần được nghiên cứu bài bản. Những nghiên cứu này bao gồm xác định dược tính chính xác (không chỉ dựa hoàn toàn vào cách dùng truyền thống), từ đó xác định rõ hợp chất giúp cây có dược tính và con đường sinh tổng hợp các hợp chất đó. Với sự phát triển ngày càng nhanh của những công nghệ hỗ trợ như giải trình tự bộ gene, ứng dụng sinh tin học trong phân tích các bộ dữ liệu “omics” khổng lồ (genomics, transcriptomics, metabolomics, v.v…), cùng các phương tiện phân tích hóa học với mức độ nhạy và tự động ngày càng cao, lĩnh vực nghiên cứu sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên hiện đang phát triển nhanh và cạnh tranh hơn bao giờ hết.

--------

* TS. Nguyễn Trịnh Đôn, nghiên cứu viên thuộc nhóm của TS. Sarah E. O’Connor tại Trung tâm John Innes.

** Sarah E. O’Connor là trưởng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm John Innes, đồng thời là giáo sư danh dự của Đại học Đông Anglia (UEA) ở thành phố Norwich, Anh. Trước khi đến Anh, bà là phó giáo sư tại Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ.

1. Công bố mới nhất từ nhóm nghiên cứu của TS. Sarah E. O’Connor hoàn tất quá trình xác định các bước sinh tổng hợp vinblastine: “Những enzyme còn chưa xác định trong sinh tổng hợp thuốc chống ung thư vinblastine ở cây dừa cạn”, tạp chí ‘Science’, công bố bản trực tuyến ngày 3 tháng 5 năm 2018. http://science.sciencemag.org/content/early/2018/05/02/science.aat4100