Nội dung

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Sirolimus Hợp cHất tự nHiên làm cHậm lão Hóa 1. Sirolimus Sirolimus là hợp chất tự nhiên do vi khuẩn Streptomyces hygroscopicus thuộc chi Streptomyces trong họ Streptomycetaceae có trong đất sản sinh ra. Streptomyces hygroscopicus là vi khuẩn Gram dương, có hình sợi, sống hiếu khí, thuộc sinh vật nhân sơ (prokaryote) đã được tìm thấy lần đầu tiên (năm 1970) trong đất ở Rapa Nui Easter Island (đảo Phục Sinh) ngoài khơi Chile [1][4]. Sirolimus còn gọi là rapamycin, tên gọi này đến từ Rapa Nui, tên bản địa của Easter Island, nơi mà lần đầu tiên Suren Sehgal phát hiện ra hợp chất này được trong các mẫu đất [1]. Đây là chất đặc trưng chủ yếu bởi khả năng ngăn chặn hệ thống miễn dịch, được sử dụng trong việc phòng chống “từ chối” khi phẫu thuật cấy ghép và tác dụng của nó đã được cơ quan quản lý thực phẩm, dược phẩm Mỹ (US Food and Drug Administration-FDA) chấp thuận tháng 9/1999, từ đó được thương mại hóa với tên gọi Rapamune bởi Pfizer (tên trước đây Wyeth đã dùng)[1][4]. Tuy nhiên, gần đây, những kết quả nghiên cứu cho thấy, tác dụng quan trọng nhất của Sirolimus là chống lão hóa, kéo dài tuổi thọ và một số bệnh n Nguyễn Dương Tuệ “tai quái” khác, đặc biệt là hội chứng HGPS (Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome) - bệnh do đột biến di truyền ở người liên quan đến lão hóa và tuổi thọ, vì thế người ta đã gắn cho nó những cái tên như “thuốc trường sinh”, “thuốc tiên”... và thôi thúc các nhà công nghệ sinh học tập trung nghiên cứu để tìm ra các giải pháp nuôi cấy vi khuẩn Streptomyces hygroscopicus sao cho lên men tốt để sản xuất ra nhiều Sirolimus hơn. 2. Tác dụng Điều mà mọi người quan tâm nhiều hơn đối với Sirolimus (rapamycin) là nó có tác dụng làm Khuẩn lạc và tế bào vi khuẩn Streptomy hygroscopicus SỐ 7/2015 Tạp chí KH-CN Nghệ An [26] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI chậm lão hóa, tăng tuổi thọ cho dù ban đầu nó được sử dụng như là một chất kháng nấm. Bởi thế, việc sử dụng kháng nấm đã bị bỏ rơi khi phát hiện ra nó có tác dụng ức chế miễn dịch mạnh và tính chống lại sự tăng lên nhanh số lượng tế bào (antiproliferative) trong ung thư. Những kết quả thu được khi nghiên cứu, thực nghiệm trên động vật đã được chứng minh là có tác dụng kéo dài tuổi thọ của chuột tới 14% và progerin cũng có vai trò trong quá trình ngăn ngừa lão hóa ở người bình thường [3]. Trong bài báo đăng ở Health and medicine (09 Jul 2009), nhà nghiên cứu Daniel Cressey cho rằng đây là một loại thuốc có trong tự nhiên và ngay từ đầu được sử dụng cho người. Kể từ đó, nó cũng dùng cho những bệnh nhân cấy ghép trong phẫu thuật, nhờ đó mà các nhà nghiên cứu Matt Kaeberlein, Brian Kennedy ở trường Đại học Washington, Seattle, đã gọi là “thuốc tiên” của sự sống. Hội chứng HGPS (Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome) là một trong những hội chứng già trước tuổi rất sớm (progeroid), một bệnh di truyền dù hiếm gặp, đặc trưng bởi sự xuất hiện sự lão hóa nhanh ở trẻ em do rối loạn di truyền trong đó có các triệu chứng giống như các biểu hiện của quá trình lão hóa, được thấy ở tuổi còn nhỏ, có thể gây tử vong [5]. Rối loạn này tuy có tỷ lệ mắc thấp, (1/8.000.000 ca sinh sống) nhưng khá nguy hiểm [6][7]. Hội chứng Progeria được mô tả lần đầu tiên vào năm 1886 bởi Jonathan Hutchinson [6] và năm 1897 bởi Hastings Gilford [7]. Sau đó được đặt tên là hội chứng Progeria Hutchinson-Gilford. Ở những bệnh nhân HGPS, nhân tế bào có hình thái bất thường đáng kể chứ không phải là hình dạng giống như chúng ta thường thấy ở những người khỏe mạnh. Trong những năm cuối thế kỷ 20, nghiên cứu về Progeria mang lại rất ít thông tin. Đến năm 2003, nguyên nhân của Progeria được phát hiện là một đột biến điểm ở codon 608 (G608G) của gen LMNA. Gen LMNA là gen mã hóa một protein gọi là prelamin A. Prelamin A có một nhóm farnesyl gắn vào nó tạo ra protein bất thường được gọi là progerin và nó vĩnh viễn gắn liền với màng nhân tế bào. Việc progerin tích tụ trong tế bào được neo vào màng nhân tế bào thành một khối làm cho hình thái cấu trúc nhân trở nên bất thường [3]. Các nhà khoa học nhận thấy, hội chứng đội biến gen HGPS đã khiến cho loại protein đột biến progerin này được tăng lên về số lượng trong tế bào khiến chúng bị lỗi và lão hóa nhanh hơn bình thường. Từ lâu nay, trẻ em bị progeria rất khó chữa khỏi, bệnh thường phát triển các triệu chứng đầu tiên trong thời gian vài tháng đầu đời. Các triệu chứng sớm nhất có thể bao gồm xơ cứng bì một nơi nào đó và trở nên rõ ràng hơn khi trẻ được 18-24 tháng tuổi. Ở những bệnh nhân này, sự tăng trưởng cơ thể bị hạn chế, rụng tóc và có một khuôn mặt đặc biệt: mặt nhỏ với một hàm lõm nông và một cái mũi bị chèn ép. Sau đó, tiến triển bệnh làm cho da nhăn nheo, xơ vữa động mạch, suy thận, giảm thị lực và có vấn đề về tim mạch. Trẻ bị HGPS còn bị xơ cứng bì, xơ cứng và thắt chặt của da trên thân thể, tứ chi. SỐ 7/2015 Tạp chí KH-CN Nghệ An [27] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Người được chẩn đoán mắc chứng rối loạn này thường có các cơ quan nhỏ, yếu ớt giống như những người cao tuổi. Da mặt thường bị nhăn, với một cái đầu lớn hơn trong mối tương quan với các cơ quan, một khuôn mặt hẹp và một mũi nhỏ, đáng chú ý đôi mắt khác người bình thường, tĩnh mạch da đầu nổi bật (dễ thấy rõ ràng hơn bởi rụng tóc). Cơ xương khớp thoái hóa gây mất mỡ cơ thể và cơ bắp, khớp cứng, trật khớp hông và các triệu chứng khác vốn hầu như vắng bóng ở những người chưa vào độ tuổi già. Cô bé Hayley Okines, sống tại Sussex (Anh), là một trường hợp điển hình của hội chứng đột biến gen HGPS. Hayley vừa tròn 13 tuổi vào tháng 1/2011, nhưng khuôn mặt của cô bé chẳng khác một cụ già. Các bác sĩ cho biết, hội chứng HGPS khiến bé Hayley già nhanh hơn 8 lần so với một người bình thường. Hoặc 2 cậu bé ở Mỹ đã trở thành những ông già dù mới 8 tuổi. Nhiều nghiên cứu những năm qua về tác dụng của rapamycin cho thấy loại “thần dược” này có khả năng kéo dài tuổi thọ khoảng hơn 10 năm. Khi điều trị bằng rapamycin, protein đột biến progerin sẽ bị đẩy ra khỏi các tế bào trong cơ thể và giúp những tế bào này trở lại trạng thái bình thường khỏe mạnh. Ngoài ra, chất rapamycin cũng có tác dụng giúp các tế bào sống lâu hơn bình thường. Theo các nhà khoa học người Mỹ, các tế bào của những trẻ em mắc hội chứng già trước tuổi đã có thể sống lâu hơn sau khi được điều trị bằng loại thuốc “trường thọ” rapamycin. Tiến sĩ Francis Collins, một trong những nhà khoa học xuất sắc và cũng là thành viên nhóm nghiên cứu, hy vọng phát hiện của họ sẽ giúp tìm ra một phương pháp điều trị mới đối với hội chứng HGPS - một hội chứng đột biến Cô bé Hayley Okines SỐ 7/2015 gen đẩy nhanh quá trình lão hóa và khiến bệnh nhân có thể chết khi còn ít tuổi[6][7]. Bởi thế, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm về progeria vì qua đó có thể tiết lộ những manh mối về quá trình lão hóa bình thường [5][6]. Phương thức tác dụng của Sirolimus là ức chế IL-2 và các cytokine. Cytokine là glycoprotein có khối lượng phân tử thấp, thường từ 8-30 kDa, trung bình khoảng 25 kDa, rất quan trọng trong tín hiệu tế bào. Cytokine được sản xuất bởi một phạm vi rộng của các tế bào, kể cả tế bào miễn dịch như đại thực bào, tế bào lympho B, lympho T và tế bào mast, cũng như các tế bào nội mô, nguyên bào sợi và nhiều tế bào mô đệm; một cytokine nhất định có thể được sản xuất bởi nhiều hơn một loại tế bào. Các glycoprotein này hoạt động trong vai trò là các chất trung gian điều hòa giữa các tế bào trong cơ thể. Có thể nói rằng cytokine là một ngôn ngữ chung của các tế bào trong cơ thể nhằm trao đổi thông tin giữa chúng với nhau do những glycoprotein này cũng làm trung gian điều hòa trực tiếp sự tương tác giữa các tế bào và kiểm soát các quá trình xảy ra trong khoang ngoại bào. Rất nhiều yếu tố phát triển và cytokine hoạt động như những yếu tố giúp tế bào sống sót bằng cách ngăn ngừa hiện tượng chết tế bào. Hợp chất này phát huy tác dụng thông qua các thụ thể đặc hiệu và có thể có các hình thức tác động như: cận tiết (paracrine), tự tiết (autocrine), nội tiết (endocrine) và xúc tiết (juxtacrine) đặc biệt nó ảnh hưởng đến hoạt động và kích thích các tế bào khác bởi cơ chế truyền tín hiệu phụ thuộc, thông qua tác động trên mTOR (mammalian target of rapamycin) là một protein kinase serine/threonine có tác dụng theo chiều hướng tăng trưởng tế bào, tăng sinh tế bào, có trong con người được mã hóa bởi gen mTOR [4]. Các mTOR làm rối loạn điều hòa trong các bệnh nhân, chẳng hạn như bệnh tiểu đường, béo phì, trầm cảm và một số bệnh ung thư [2]. Với rapamycin thì hợp chất này sẽ ức chế mTOR bằng cách liên kết với các thụ thể của nó [6], nhờ đó mà ức chế các quá trình sinh trưởng, sinh sản tế bào diễn ra và kết quả là kéo dài sự sống và do vậy mà nó còn có tác dụng trong điều trị ung thư [6]. Tạp chí KH-CN Nghệ An [28] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Theo Viviana Perez, một trợ lý giáo sư tại Khoa Sinh hóa và Lý sinh học tại OSU College of Science, một bước tiến quan trọng khi nghiên cứu rapamycin là chúng ta tìm thấy lợi ích rõ ràng của hợp chất này là nó không làm tăng sức đề kháng insulin nên có thể đáp ứng không chỉ để tăng tuổi thọ mà để giải quyết một số bệnh liên quan đến tuổi và cải thiện sức khỏe nói chung. Nhờ đó, họ có thể tìm thấy cách mà để mọi người không chỉ sống lâu hơn, mà còn để sống tốt hơn với một chất lượng cuộc sống cao hơn. 3. Sản xuất Sirolimus trong công nghệ sinh học Sirolimus (hay Rapamycin) là một hợp chất tự nhiên nên khó có thể sản xuất theo con đường hóa học mà phải bằng con đường sinh học. Khi phân lập được vi khuẩn Streptomyces hygroscopicus, bằng con đường công nghệ sinh học sẽ cho nhiều lợi thế hơn như về môi trường nuôi cấy, thiết bị nuôi cấy, phương pháp nuôi cấy và các chỉ tiêu theo dõi. Công trình nghiên cứu để nuôi Streptomyces hygroscopicus MTCC4003 cùng các giải pháp để tăng trưởng tế bào nhằm sản xuất rapamycin tối đa đã được thực thi theo phương pháp lên men chìm trong các bioreactor, lắc ở 300 rpm và sục khí. Trong môi trường nuôi cấy, Fructose được sử dụng làm nguồn carbon duy nhất. Đây là hydratcarbon phổ biến và dễ kiếm. Bằng các mô hình toán học đáng tin cậy và tối ưu hóa các thông số của quá trình lên men nên hàm lượng rapamycin thu được trong sản xuất là khá cao, đáp ứng được nhu cầu của y học. Với việc chú trọng đến hàng triệu dân số đang già đi, Novartis - công ty dược phẩm khổng lồ của Thụy Sĩ đã bước đầu xác định rapamycin là loại thuốc đầu tiên chống lão hóa được đưa ra thị trường [1]. Mặt khác, trong thập niên vừa qua, sử dụng rapamycin cho thấy đây là loại thuốc không chỉ kéo dài cuộc sống mà còn ngăn chặn một số tác động do tuổi tác thông thường, ngăn ngừa sự tấn công của ung thư, bệnh tim và Alzheimer./. Tài liệu tham khảo 1. Biotech, October 2014, Volume 4, Issue 5-Kinetics of rapamycin production by Streptomyces hygroscopicus MTCC 4003. 2. Beevers CS, Li F, Liu L, Huang S (2006). "Curcumin inhibits the mammalian target of rapamycin-mediated signaling pathways in cancer cells". Int J Cancer119 (4). 3. De Sandre-Giovannoli, A.; Bernard, R.; Cau, P.; Navarro, C.; Amiel, J.; Boccaccio, I.; Lyonnet, S.; Stewart, CL. et al. (Jun 2003). "Lamin a truncation in Hutchinson-Gilford progeria".Science 300 (5628). 4. Huang S, Bjornsti MA, Houghton PJ (2003). "Rapamycins: mechanism of action and cellular resistance". Cancer Biol Ther 2 (3). 5. Lu MK, Gong XG, Guan KL. mTOR in podocyte function: is rapamycin good for diabetic nephropathy? Cell Cycle. 2011; 10: 3415-3416. 6. Korf B (2008). "Hutchinson-Gilford progeria syndrome, aging, and the nuclear la mina". N. Engl. J. Med. 358 (6). 7. Merideth MA, Gordon LB, Clauss S et al. (2008). "Phenotype and course of Hutchinson-Gilford progeria syndrome". N. Engl. J. Med. 358 (6). SỐ 7/2015 Tạp chí KH-CN Nghệ An [29]