Đặc tính xúc tác của vật liệu ghép hematin

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Đặc tính xúc tác của vật liệu ghép hematin" tập trung nghiên cứu tìm hiểu về các ứng dụng của vật liệu ghép hematin trong các ứng dụng y sinh. Nghiên cứu tổng hợp và sử dụng hệ liên hợp dendrimer PAMAM-hematin như là chất xúc tác thay thế enzyme HRP trong quá trình tạo hidrogel ứng dụng trong y sinh. Hệ chất xúc tác tạo thành khắc phục được các nhược điểm vốn có của hematin. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đặc tính xúc tác của vật liệu ghép hematin

ĐẶC TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU GHÉP HEMATIN Nguyễn Thị Bích Trâm 1, * 1 Viện Phát tiển Ứng dụng – Đại học Thủ Dầu Một *tramntb@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Ứng dụng của hematin trong y sinh gần đây đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Hematin được coi là chất xúc tác thay thế đầy hứa hẹn cho horseradish peroxidase (HRP), một peroxidase chứa Heme, có vai trò xúc tác quá trình oxy hóa các hợp chất phenolic, endiolic và sulfonat dưới sự có mặt của hydrogen peroxide (H2O2). Tuy nhiên, ở nồng độ H2O2 cao, phân tử sắt ở trung tâm vòng porphyrin sẽ chuyển thành peroxyl sắt (III), gây bất hoạt enzyme. Bên cạnh sự tương đồng trong cấu trúc, cơ chế xúc tác của hematin/ H2O2 với các hợp chất phenol cũng gần giống với HRP, hematin lại bền hơn HRP trong dung môi hữu cơ, trong điều kiện pH kiềm cũng như ở nồng độ H2O2 cao. Hạn chế lớn của hematin là chỉ hoạt động hiệu quả ở pH lớn hơn 7.4, hòa tan kém và không bền ở pH acid hoặc trung tính. Để tăng cường khả năng hòa tan của hematin, nhiều nghiên cứu gần đây đã tiến hành biến tính chúng với các polymer tan tốt như chitosan, gelatine, dendrimer PAMAM, ... mở ra nhiều triển vọng cho loại vậy liệu này. Từ khóa: HRP, Hematin, chitosan, gelatine, dendrimer PAMAM, ... ABSTRACT The application of hematin in biomedicine has recently attracted the attention of scientists around the world. Hematin is considered a promising substitute for horseradish peroxidase (HRP). It is a Heme-containing peroxidase that catalyzes the oxidation of phenolic, enediol, and sulfonate compounds in the presence of hydrogen peroxide (H2O2). However, at high concentrations of H2O2, the iron molecule in the center of the porphyrin ring converts to iron (III) peroxyl, which inactivates the enzyme. Besides the similarity in structure, the catalytic mechanism of hematin/H2O2 with phenolic compounds is also similar to HRP. Hematin is more stable than HRP in an organic solvent, under alkaline pH conditions or at H2O2 high concentrations. The major limitation of hematin is that it is only active at pH greater than 7.4, poorly soluble, and unstable at acidic or neutral pH. Enhancement of the solubility of hematin, many recent studies have been conducted to modify them with high soluble polymers such as chitosan, gelatine, dendrimer PAMAM, Etc, opening up many prospects for this material. 66
Keywords: HRP, Hematin, chitosan, gelatine, dendrimer PAMAM, ... I. GIỚI THIỆU Enzyme HRP, một metalloenzyme có trong cây cải ngựa, đóng vai trò xúc tác quan trọng trong các phản ứng sinh hóa trong chẩn đoán lâm sàng (xác định glucose, uric, ...), điều chế polymer hay vật liệu y sinh, khử độc môi trường đất, chế tạo cảm biến sinh học. Enzyme HRP có tâm porphyrin thể hiện hoạt tính xúc tác thông qua quá trình khử peroxide trong sự hiện diện chất nền cho electron (các phenol, aniline) tạo ra gốc tự do trên chất nền để tham gia vào các phản ứng sinh hóa [1-3]. Tuy nhiên, enzyme HRP cũng cho thấy một số khuyết điểm như kém tan trong nước, hoạt tính bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ - nồng độ H2O2 và là một enzyme rất đắt tiền. Nhiều nghiên cứu tăng độ ổn định của HRP hay tổng hợp xúc tác giả sinh học trên cơ sở hematin để thay thế [2, 4, 5]. Carlos Regalado và cộng sự hay nhóm nghiên cứu của Debnath đã đề xuất sử dụng nhiều loại chất hoạt động bề mặt để cải thiện khả năng hòa tan trong nước hoặc phân tán enzyme trong dung môi hữu cơ [3, 6]. Nhóm nghiên cứu của Morawsky cũng giới thiệu phương pháp gây đột biến sinh học của HRP bằng vi sinh vật Saccharomyces cerevisiae và Pichia pastoris, kết quả cho thấy enzyme HRP đột biến bền hơn với H2O2 cũng như ổn định được hoạt tính đến 70oC [7]. Zakharova và cộng sự đã giới thiệu nhiều phương pháp biến tính hóa học vòng porphyrin hoặc phần protein trong enzyme HRP để tăng độ bền và hoạt tính. Tuy nhiên kết quả thu được không được cải thiện đáng kể dù thực hiện nhiều phương pháp biến tính khác nhau [2]. Bên cạnh các giải pháp để nâng hiệu quả ứng dụng của enzyme HRP, hướng nghiên cứu tổng hợp các xúc tác giả sinh học trên cơ sở hematin cũng giành được nhiều sự quan tâm. Hematin, một hydroxyl-ferri-protoporphyrin có cấu trúc khá giống với vòng porphyrin của HRP là dạng oxy hóa của heme tự do và được sử dụng như một chất thay thế hiệu quả về kinh tế cho horseradish peroxidase (HRP) [8]. Mặc dù là nguồn nguyên liệu rẻ tiền tuy nhiên hematin bị hạn chế do độ hòa tan thấp và sự kết tụ ở pH thấp nên không thể sử dụng thay thế enzyme HRP trong xúc tác phản ứng sinh hóa [9, 10]. Do đó, các chiến lược chức năng hóa khác nhau, bao gồm ester hóa hematin với polyethyleneglycol (PEGylatedhematin), methoxy polyethylene glycol amine và thậm chí đưa nó vào các mixen, ... [11, 12] đã được thử nghiệm. Năm 2016, Rafael và cộng sự đã nghiên cứu biến tính hematin trên điện cực carbon và đánh giá biểu hiện điện hóa của bề mặt điện cực biến tính nhằm định hướng ứng dụng thay thế enzyme peroxidase trong chế tạo cảm biến [5, 13]. Cùng thời điểm đó, Kunkun và cộng sự biến tính carbon nano tube với hematin và ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa aniline trong nước thải [14]. Erica Pinchon và cộng sự (2018) cũng biến tính hematin trên điện cực carbon nanotube đa lớp. Điện cực biến tính đã tăng độ chuyển electron cho quá trình oxi hóa cũng như tăng mật độ dòng của điện cực [15]. Các kết quả gần đây của nhóm nghiên cứu Córdoba [16-18] đã trình bày hematin như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho HRP đối với các phản ứng khử màu hoạt động ở nồng độ 67
peroxide cao. Nhóm Ryu đã tổng hợp thành một chất xúc tác sinh học cao phân tử, chitosan ghép hematin (chitosan-g-hem), xúc tác cho việc tạo gel hiệu quả mà không cần sử dụng chất đệm kiềm hoặc enzym. Kết quả tạo gel có những đặc tính vượt trội so với một số phương pháp khác [9]. Trong những năm qua, nhóm nghiên cứu của Trần Ngọc Quyển cũng đã nghiên cứu sử dụng enzyme HRP làm xúc tác cho phản ứng điều chế nhiều loại vật liệu y sinh học tương hợp sinh học-giảm cấp sinh học từ các dẫn xuất phenolic chitosan, gelatin, heparin và dendrimer [19-24]. Gần đây, nhóm đã nghiên cứu tổng hợp và sử dụng hệ liên hợp dendrimer PAMAM-hematin như là chất xúc tác thay thế enzyme HRP trong quá trình tạo hidrogel ứng dụng trong y sinh [21, 25]. Hệ chất xúc tác tạo thành khắc phục được các nhược điểm vốn có của hematin. Trong báo cáo này, chúng tôi tập trung nghiên cứu tìm hiểu về các ứng dụng của vật liệu ghép hematin trong các ứng dụng y sinh. II. HEMATIN – VẬT LIỆU XÚC TÁC MỚI HRP là một loại enzyme quan trọng chứa heme đã được được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ [26] và được sử dụng để oxy hóa trùng hợp các hợp chất thơm như polyphenol dẫn xuất và sự trùng hợp gốc tự do của vinyl monome. Mặc dù cơ chế của phản ứng oxy hóa khử qua trung gian HRP vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn, các gốc b-diketone được tạo ra bởi quá trình oxy hóa b-diketone được xúc tác HRP (β-diketone đại diện là acetylacetone (ACAC) với hydrogen peroxide (H2O2) có thể bắt đầu quá trình trùng hợp gốc của các monome vinyl [27, 28]. Một giả thuyết hợp lý cho cơ chế xúc tác được trình bày trong Hình 1. HRP bị oxy hóa bởi H2O2. Sau đó, nó đi từ trạng thái ban đầu thông qua hai dạng hoạt động xúc tác: HRP (Ei) và HRP (Eii). Mỗi dạng hoạt động này sẽ oxy hóa β -diketone, và sau đó enzym trở lại dạng ban đầu của nó. H2O2 dư thừa gây ra một dạng không hoạt động, HRP (Eiii), tự phát trở lại dạng ban đầu của enzym [29-31]. Do đó, nồng độ H2O2 là yếu tố chính trong việc kiểm soát phản ứng trùng hợp qua trung gian HRP [30, 32]. 68
Hình 1: Đề xuất cơ chế quá trình trùng hợp gốc qua trung gian peroxidase của các monome vinyl sử dụng xúc tác có chứa Heme. [32] Cơ chế xúc tác vòng của Hematin cũng tương tự cơ chế xúc tác của enzyme HRP. Lõi Fe (III) là tác nhân xúc tác chính với sự hiện diện của H2O2. Đầu tiên H2O2 oxi hóa hợp chất Fe(III) thành hợp chất Fe(IV+) là hợp chất có khả năng oxi hóa cao nhất. Sau đó, hợp chất Fe(IV+) nhận e- từ vòng polymer để trở về trạng thái nghỉ ban đầu và bắt đầu 1 chuỗi xúc tác mới. Polymer vòng mất 1e- trở thành R• có khả năng kết hợp với một gốc R• khác tạo thành chuỗi polymer [32, 33]. 69
Hình 2: Cấu trúc tương đồng của Hematin và enzym HRP Những hydrogel chứa phenol liên kết chéo với nhau sử dụng xúc tác enzyme HRP hay hematin đều có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng y sinh khác nhau, bao gồm như chất kết dính để đóng vết thương [9, 22], để phân phối thuốc [34], và để bao bọc tế bào cho các mô kỹ thuật như sụn [35] và mô thần kinh [36]. III. VẬT LIỆU GHÉP HEMATIN ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Hydrogel kết dính chứa dẫn xuất phenol đã được công nhận rộng rãi là có tiềm năng cho các ứng dụng y sinh, nhưng các phương pháp sản xuất thông thường của chúng, sử dụng bazơ mạnh / trung bình, chất đệm kiềm, việc bổ sung các chất oxy hóa hoặc sử dụng các enzym, đòi hỏi các phương pháp thay thế để cải thiện khả năng tương thích sinh học của chúng. Năm 2013, nhóm Ji Hyun Ryu và cộng sự đã báo cáo một chất xúc tác sinh học cao phân tử, enzym-mimetic, chitosan ghép hematin (chitosan-g-hem), dẫn đến việc tạo gel hiệu quả mà không cần sử dụng chất đệm kiềm hoặc enzym. Hơn nữa, quá trình gel hóa xảy ra trong điều kiện sinh lý nhẹ. Chitosan-g-hem chất xúc tác sinh học có đặc tính xúc tác tuyệt vời, tạo thành hydrogel chitosan- catechol nhanh chóng (trong vòng 5 phút). In vivo, phép đo lực kết dính chứng minh rằng hydrogel được tạo thành bởi hoạt động chitosan-g-hem cho thấy sự gia tăng lực bám dính (33,6 ± 5,9 kPa) so với cùng một hydrogel được tạo thành bởi quá trình oxy hóa catechol do pH (20,6 ± 5,5 kPa) trong mô dưới da chuột. Sử dụng chitosan-g-hem, quá trình gel hóa diễn ra hiệu quả ở 70
điều kiện sinh lý ngay cả khi không sử dụng enzyme HRP. Chất xúc tác sinh học chitosan-g-hem cho thấy khả năng hòa tan và hoạt tính được tăng cường so với hematin không biến tính. Các hydrogel chứa catechol được điều chế bởi chitosan-g-hem thể hiện khả năng kết dính mô được tăng cường so với các hydrogel được tạo thành bằng các phương pháp bắt đầu bằng pH thông thường [9]. Với kì vọng phát triển hematin thành enzyme HRP tối giản, Nhóm nghiên cứu Trần Ngọc Quyển đã biến tính thành công vật liệu ghép dendrimer G2.0-Hematin, dendrimer G3.0-Hematin [21, 25] nhằm tăng cường hoạt tính của Hematin trong nước. Sau khi biến tính, các vật liệu ghép này có độ ổn định và khả năng hòa tan tuyệt vời trong mọi điều kiện pH (acid, trung tính và bazơ), mở ra tiềm năng to lớn trong ứng dụng thực tế. Ngoài ra, các dendrimer PAMAM- He/H2O2 này xúc tác tốt phản ứng oxy hóa của guaiacol và pyrogallol, chứng tỏ chúng có hoạt tính peroxidase tương tự HRP tự nhiên. Điều khác biệt là các vật liệu ghép này thể hiện hoạt lực tốt và ổn định cao trong các điều kiện khắc nghiệt (nồng độ H2O2). Kết quả nghiên cuả nhóm cho thấy G2.0-He ổn định hơn so với enzyme peroxidase của cây cải ngựa (HRP) ở nồng độ H2O2 cao. Khả năng bắt chước HRP của G2.0-He cũng được xác nhận khi sử dụng làm xúc tác cho phản ứng điều chế gelatin-catechol hydrogel trong điều kiện nhẹ. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng những hydrogel này hoạt động với tương hợp tế bào trong một nghiên cứu in vitro và có thể được sử dụng như một giá đỡ tiềm năng cho sự kết dính và tăng sinh của các tế bào nguyên bào sợi [21]. Bên cạnh đó, vật liệu ghép G3.0-He cũng thể hiện khả năng xúc tác như một enzyme HRP trong quá trình hydrogel hóa các dẫn xuất phenolic của gelatin (Gel-Tyr). G3.0-He và Gel-Tyr hydrogel tổng hợp bởi G3.0-He đều không có bất kỳ độc tính nào lên tế bào nguyên bào sợi người. Hơn nữa, tế bào có khả năng kết dính và lan rộng trên bề mặt của Gel-Tyr hydrogel tổng hợp với xúc tác G3.0-He, chứng tỏ hydrogel này an toàn [25]. Dựa trên những kết quả này cho thấy các vật liệu ghép dendrimer PAMAM-He có thể dẫn đầu trong hướng khai thác chất xúc tác nano phục vụ lĩnh vực sinh hóa và y sinh. IV. KẾT LUẬN Như đã được đề cập nhiều lần trong báo cáo này, hematin có những đặc điểm đặc biệt quan trọng trong phân tử mà làm cho chúng trở thành một hợp chất thú vị. Cấu trúc hematin tương đồng với enzym HRP nên cũng có khả năng xúc tác phản ứng vòng với sự hiện diện của H2O2. Bên cạnh đó, hematin có chứa nhóm acid (-COOH) trong phân tử cho phép biến tính với một số tác nhân khác để cải tiến những nhược điểm vốn có của nó. Chính những biến đổi đó làm cho hematin trở thành chất xúc tác hấp dẫn trong các ứng dụng y sinh. References: 1. Kohri, M., Development of HRP-mediated enzymatic polymerization under heterogeneous conditions for the preparation of functional particles. Polymer journal, 2014. 46(7): p. 373. 2. Zakharova, G., I. Uporov, and V. Tishkov, Horseradish peroxidase: modulation of properties by chemical modification of protein and heme. Biochemistry (Moscow), 2011. 76(13): p. 1391-1401. 71
3. Regalado, C., B.E. García-Almendárez, and M.A. Duarte-Vázquez, Biotechnological applications of peroxidases. Phytochemistry Reviews, 2004. 3(1-2): p. 243-256. 4. Akkara, J.A., et al., Hematin-catalyzed polymerization of phenol compounds. Macromolecules, 2000. 33(7): p. 2377-2382. 5. Buoro, R.M., et al., Insights toward the electrochemical behavior of hematin using a hematin modified glassy carbon electrode. Journal of The Electrochemical Society, 2016. 163(10): p. G178-G185. 6. Debnath, S., D. Das, and P.K. Das, Unsaturation at the surfactant head: Influence on the activity of lipase and horseradish peroxidase in reverse micelles. Biochemical and biophysical research communications, 2007. 356(1): p. 163-168. 7. Morawski, B., et al., Functional expression of horseradish peroxidase in Saccharomyces cerevisiae and Pichia pastoris. Protein engineering, 2000. 13(5): p. 377-384. 8. de Villiers, K.A., et al., Speciation and structure of ferriprotoporphyrin IX in aqueous solution: spectroscopic and diffusion measurements demonstrate dimerization, but not μ- oxo dimer formation. 2007. 12(1): p. 101-117. 9. Ryu, J.H., et al., Chitosan-g-hematin: Enzyme-mimicking polymeric catalyst for adhesive hydrogels. 2014. 10(1): p. 224-233. 10. Herraiz, T., et al., Antimalarial Quinoline Drugs inhibit β-Hematin and increase free Hemin catalyzing peroxidative Reactions and inhibition of cysteine proteases. Scientific reports, 2019. 9(1): p. 1-16. 11. Nagarajan, S., et al., A stable biomimetic redox catalyst obtained by the enzyme catalyzed amidation of iron porphyrin. 2009. 11(3): p. 334-338. 12. Nagarajan, S., et al., Biocatalytic modification of naturally occurring iron porphyrin. 2008. 45(11): p. 951-956. 13. Buoro, R.M., et al., Biomimetic behavior and nanomolar detection of hydrogen peroxide on an electrochemically pre-treated hematin modified glassy carbon electrode. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017. 250: p. 169-178. 14. Zheng, K., et al., Specifically Grafting Hematin on MPTS-Coated Carbon Nanotubes for Catalyzing the Oxidation of Aniline. Catalysts, 2016. 6(8): p. 123. 15. Pinchon, E., et al., Enhancement of Electrochemical Performance of Bilirubin Oxidase Modified Gas Diffusion Biocathode by Porphyrin Precursor. Advances in Physical Chemistry, 2018. 2018. 16. Córdoba, A., et al., Evaluation of hematin-catalyzed Orange II degradation as a potential alternative to horseradish peroxidase. 2012. 73: p. 60-72. 17. Córdoba, A., I. Magario, and M.L.J.J.o.M.C.A.C. Ferreira, Experimental design and MM2–PM6 molecular modelling of hematin as a peroxidase-like catalyst in Alizarin Red S degradation. 2012. 355: p. 44-60. 18. Pirillo, S., et al., Eriochrome Blue Black R and Fluorescein degradation by hydrogen peroxide oxidation with horseradish peroxidase and hematin as biocatalysts. 2010. 66(1- 2): p. 63-71. 72
19. Nguyen, D.H., N.Q. Tran, and C.K.J.J.o.B.S. Nguyen, Polymer Edition, Tetronic-grafted chitosan hydrogel as an injectable and biocompatible scaffold for biomedical applications. 2013. 24(14): p. 1636-1648. 20. Nguyen, T.P., et al., Enzyme-mediated in situ preparation of biocompatible hydrogel composites from chitosan derivative and biphasic calcium phosphate nanoparticles for bone regeneration. 2014. 5(1): p. 015012. 21. Ton, T.P., et al., Preparation and Characterization of Polyamidoamine G2. 0-Hematin as a Biocatalyst for Fabricating Catecholic Gelatin Hydrogel. 2021. 2021. 22. Tran, N.Q., et al., In situ forming and rutin-releasing chitosan hydrogels as injectable dressings for dermal wound healing. 2011. 12(8): p. 2872-2880. 23. Tran, N.Q., et al., Supramolecular hydrogels exhibiting fast in situ gel forming and adjustable degradation properties. 2010. 11(3): p. 617-625. 24. Tran, N.Q., et al., RGD-conjugated in situ forming hydrogels as cell-adhesive injectable scaffolds. 2011. 19(3): p. 300. 25. Nguyen, V.T., et al., Cytocompatible dendrimer G3. 0-hematin nanoparticle with high stability and solubility for mimicking horseradish peroxidase activity in in-situ forming hydrogel. 2021. 177: p. 360-369. 26. Veitch, N.C.J.P., Horseradish peroxidase: a modern view of a classic enzyme. 2004. 65(3): p. 249-259. 27. Teixeira, D., et al., β-Diketones as key compounds in free-radical polymerization by enzyme-mediated initiation. 1999. 32(1): p. 70-72. 28. Singh, A. and D.L.J.E.-C.S.o.P. Kaplan, In vitro enzyme-induced vinyl polymerization. 2006: p. 211-224. 29. Singh, A., D. Ma, and D.L.J.B. Kaplan, Enzyme-mediated free radical polymerization of styrene. 2000. 1(4): p. 592-596. 30. Durand, A., et al., Enzyme-mediated initiation of acrylamide polymerization: reaction mechanism. 2000. 41(23): p. 8183-8192. 31. Kalra, B. and R.J.G.c. Gross, HRP-mediated polymerizations of acrylamide and sodium acrylate. 2002. 4(2): p. 174-178. 32. Kohri, M.J.P.j., Development of HRP-mediated enzymatic polymerization under heterogeneous conditions for the preparation of functional particles. 2014. 46(7): p. 373- 380. 33. Roberts, J.J., et al., A comparative study of enzyme initiators for crosslinking phenol- functionalized hydrogels for cell encapsulation. 2016. 20(1): p. 1-12. 34. Kurisawa, M., et al., Injectable enzymatically crosslinked hydrogel system with independent tuning of mechanical strength and gelation rate for drug delivery and tissue engineering. 2010. 20(26): p. 5371-5375. 35. Jin, R., et al., Enzymatically-crosslinked injectable hydrogels based on biomimetic dextran–hyaluronic acid conjugates for cartilage tissue engineering. 2010. 31(11): p. 3103-3113. 73
36. Wang, L.-S., et al., Injectable biodegradable hydrogels with tunable mechanical properties for the stimulation of neurogenesic differentiation of human mesenchymal stem cells in 3D culture. 2010. 31(6): p. 1148-1157. 74