Nghiên cứu chế tạo thuốc cúm Zanamivir từ axit sialic

Bệnh cúm là một bệnh truyền nhiễm ở người, động vật có vú và các loài chim, gây ra bởi vi rút cúm tuýp A, B và C, là các vi rút có cấu trúc RNA thuộc họ Orthomyxoviridae. Ở những trường hợp nặng, bệnh cúm gây ra viêm phổi, suy hô hấp và có thể dẫn tới tử vong, đặc biệt  nguy hiểm đối với trẻ em, phụ nữ có thai, người già và người có bệnh kinh niên. Để đối phó với dịch cúm, các nhà nghiên cứu chủ yếu phát triển các vắc xin đặc hiệu và dự trữ các thuốc chống vi rút, gồm các thuốc ức chế enzym neuraminidase (oseltamivir và zanamivir) và các thuốc ức chế kênh ion M2 (amantadine và rimantadine) của vi rút cúm. Trong đó, cùng với tiêm phòng vắc xin, oseltamivir và zanamivir là các thuốc chống vi rút được WHO khuyến cáo nên ưu tiên sử dụng.

Năm 2005, trước nhu cầu khẩn cấp về thuốc cho phòng ngừa đại dịch cúm, Viện Hóa học (Viện KHCNVN) đã được Chính phủ cho phép, nghiên cứu tổng hợp thành công hoạt chất oseltamivir từ nguồn nguyên liệu hồi trong nước. Kết quả là, thu được hiệu suất bằng 70% so với hiệu suất công bố của thế giới, sản phẩm đạt tiêu chuẩn làm thuốc. Tiếp tục hướng nghiên cứu này, các nhà khoa học Viện Hóa học đã khảo sát khả năng tổng hợp ở Việt Nam thuốc chống cúm Zanamivir từ axit sialic.

Zanamivir và axit sialic (Axit N-axetylneuraminic)

Cùng với oseltamivir, hiện nay Zanamivir là thuốc duy nhất có tác dụng phòng và chống dịch cúm do các vi rút H5N1 và H1N1 gây ra ở người. Nước ta đã có sự chuẩn bị về thuốc oseltamivir (Tamiflu), nhưng zanamivir còn chưa có. Zanamivir là thuốc cúm đầu tiên thuộc dòng NI được phát minh và thương mại hoá, trước cả oseltamivir. Tên khoa học của Zanamivir là axit 5-acetamido-4-guanidino-6-(1,2,3-trihydroxy-propyl)-5,6-dihydro-4H-pyran-2-carboxylic. Việc phát minh ra Zanamivir mở đường cho các nghiên cứu tìm thuốc mới có cùng tác dụng ức chế enzym neuraminidase nhằm phòng ngừa và chữa trị bệnh cúm.

Axit sialic là nguyên liệu đầu để tổng hợp Zanamivir. Tên axit sialic (Neu5Ac2en) dùng chung để chỉ các dẫn xuất thế ở vị trí O- và N- của axit neuraminic, dùng riêng để chỉ axit N-axetylneuraminic. Axit sialic thuộc nhóm các carbohydrat và có mặt rộng khắp trong các tế bào động vật, trong các vi sinh vật, đặc biệt trong các glycoprotein và gangliosid. Axit sialic thương mại được chiết xuất từ nước ót (whey) của các quá trình chế biến phomat và sữa, cũng như từ lòng đỏ trứng, có giá bán khá cao (khoảng 5.000 USD/kg).

Quá trình tổng hợp Zanamivir trên thế giới

Năm 1994, Zanamivir lần đầu tiên được tổng hợp và công bố bởi Von Itzstein và các nhà khoa học tại khoa Hóa dược, Đaị học tổng hợp Monash ( Australia ). Sau đó, Chandler và các cộng sự của công ty Glaxo (GSK, Anh) tiếp thu kết quả, cải tiến các bước phản ứng và công bố năm 1995. Theo công bố, phương pháp này cho hiệu suất tổng thể 8,3%.

Cho tới hiện nay, bài báo của Chandler là công bố duy nhất về phương pháp tổng hợp Zanamivir mà sản phẩm thu được ở lượng lớn hơn miligam, đồng thời cũng cung cấp các chi tiết về điều kiện phản ứng và tính chất hóa lý của các chất.

Gần đây, nhóm nghiên cứu của Yao (Trung Quốc) đã đưa ra một cách tiếp cận mới để tổng hợp ra hợp chất trung gian 5. Các tác giả bắt đầu từ một nguyên liệu khác là D-glucono-δ-lactone, rẻ tiền hơn axit sialic, nhưng con đường tổng hợp tương đối dài và phức tạp (24 bước) và hiệu suất rất thấp (0,2%).

Nghiên cứu tổng hợp Zanamivir từ axit sialic của Viện Hóa học

Tổng hợp methyl N-acetylneuraminate (2) và O-pentaacetoxy  (3) từ axit sialc.

Các nhà khoa học của Viện Hóa học đã sử dụng axit sialic (axit N-acetylneuraminic) 98% của Trung Quốc làm nguyên liệu đầu cho quá trình tổng hợp Zanamivir. Họ quyết định áp dụng phương pháp của Warner, sử dụng nhựa trao đổi ion Dowex-H với vai trò xúc tác, phản ứng thực hiện ở nhiệt độ phòng trong khoảng 10h, kết quả đã nhận được sản phẩm metyl (2) este của axit N-acetylneuraminic với hiệu suất 99%.

Để tổng hợp O-pentaacetoxy (3), các nhà khoa học đã áp dụng một phương pháp axetyl hóa hiệu quả được công bố gần đây, sử dụng xúc tác BF3.OEt2 ở 0 0C, kết quả đã thu được sản phẩm với hiệu suất trên 95%.

Việc sử dụng các xúc tác là nhựa trao đổi ion Dowex-H (cho phản ứng este hóa) và BF3.OEt2 (cho phản ứng axetyl hóa) có ưu điểm hơn so với các phương pháp công bố bởi các nhà khoa học của Glaxo.

Tổng hợp hợp chất trung gian chìa khoá oxazoline (4) từ O-pentaacetoxy (3).

Các nhà khoa học đã tiến hành khảo sát quá trình tổng hợp oxazoline (4) theo quy trình công bố của Chandler . Hợp chất O-pentaacetoxy (3) được tách loại 2 nhóm OAc và tạo vòng oxazoline nhờ tác dụng của axit Lewis mạnh là TMSOTf ở 52 0C trong 2,5 h. Hiệu suất của phản ứng đạt 40%. Thử nghiệm thay thế TMSOTf bằng xúc tác BF3.OEt2 trong dichloromethane ở nhiệt độ phòng trong 1 đêm, hiệu suất phản ứng tạo vòng oxazoline từ penta-acetoxy (5) cũng đạt tương tự như phương pháp dung TMSOTf (42%). Để nâng cao hiệu suất, các nhà khoa học khảo sát phương pháp one-pot, đi trực tiếp từ metyl este (2) tới oxazoline (4), mà không qua O-pentaacetoxy (3), cho hiệu suất cao nhất (73,3%) và có hiệu quả kinh tế nhất.

Tổng hợp Zanamivir từ hợp chất trung gian oxazoline (4).

Các nhà khoa học nghiên cứu thành công các phản ứng đi từ hợp chất trung gian oxazoline (4) tới sản phẩm cuối cùng Zanamivir (9). Sản phẩm zanamivir có các dữ kiện phổ IR và NMR đúng với cấu trúc.

Như vậy, các nhà khoa học Viện Hóa học  đã xây dựng được một quy trình ổn định gồm 7 bước chính, tổng hợp thành công Zanamivir từ axit sialic với hiệu suất tổng thể là 6,6% (hiệu suất công bố của thế giới là 8,3%). Đặc biệt các giai đoạn đầu tiên, từ axit sialic đến oxazolin (4) đã được tối ưu hóa và cho hiệu suất tổng đạt 74%, cao hơn hiệu suất công bố của GSK (61,7%). Tuy nhiên, hiệu suất thu được ở các giai đoạn sau còn thấp. Hiện nay, các nghiên cứu tổng hợp thuốc cúm Zanamivir vẫn tiếp tục được tiến hành.