Tại sao 1 nguyên tử Nitơ duy nhất có thể cách mạng hóa toàn bộ nền dược phẩm trên thế giới?

Nitơ là nguyên tố hóa học có ký hiệu N, đứng thứ 7 trong bảng tuần hoàn và cũng giữ vị trí thứ 7 trong số các nguyên tố phổ biến nhất, không chỉ trên Trái Đất mà còn trong cả vũ trụ.

Gần 80% không khí xung quanh mà bạn đang hít thở vào phổi là Nitơ, ở dạng phân tử. Mỗi phân tử Nitơ được tạo thành từ 2 nguyên tử N liên kết cộng hóa trị với nhau. Nó thường được gọi là khí trơ, thậm chí khí chết chóc vì N ₂ không hỗ trợ sự sống. Bạn có thể bị ngạt thở nếu hít phải quá nhiều Nitơ.

Trớ trêu thay, các nguyên tử Nitơ riêng lẻ thì không trơ như vậy.

Nitơ đóng vai trò rất quan trọng trong các hợp chất, từ amoniac, phân bón, thuốc nổ, và thậm chí chất độc xyanua sẽ không thể hoạt động nếu thiếu Nitơ.

DNA, axit amin, protein trong cơ thể bạn cũng chứa đầy Nitơ. Khoảng 3% trọng lượng cơ thể bạn chính là trọng lượng của Nitơ, nguyên tố phổ biến thứ 4 trong cơ thể người.

Vậy nên, một người trưởng thành trung bình nặng 60 kg thì có tới 7.74×10^25 (Bảy tỷ bảy trăm bốn mươi nghìn tỷ tỷ) nguyên tử Nitơ trong cơ thể.

Cứ 10 loại thuốc trên thị trường thì có 8 loại phải có Nitơ

Vai trò của Nitơ trong thuốc và dược phẩm hóa ra cũng không ngoại lệ. Có tới 85% thuốc trên thị trường chứa Nitơ. Các nguyên tử này thường xuất hiện bên trong hợp chất dị vòng heterocyclic, thứ làm nên tính chất và đem lại dược tính cho các loại thuốc.

"Khi bạn nhìn vào 200 loại thuốc có thương hiệu hàng đầu hiện nay, có tới 75-80% chứa heterocyclic Nitơ", tiến sĩ Indrajeet Sharma, một phó giáo sư đến từ Đại học Oklahoma, Hoa Kỳ cho biết.

Và trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Science, tiến sĩ Sharma và các đồng nghiệp của mình đã tìm ra một phương pháp hiệu quả, giá rẻ và dễ thực hiện để tích hợp các nguyên tử Nitơ đơn lẻ vào từng phân tử thuốc.

Điều này được đánh giá là một bước đột phá có thể cách mạng hóa toàn bộ nền dược phẩm toàn cầu. Nhưng tại sao lại vậy?

Đó là bởi hiện nay, các quy trình thêm Nitơ vào dược phẩm trong sản xuất thuốc thường rất phức tạp và tốn kém, chủ yếu là do yêu cầu kỹ thuật cao và nguồn nguyên liệu đắt đỏ.

Thêm Nitơ vào một loại thuốc thường đòi hỏi 5 đến 20 bước phản ứng hóa học, tùy thuộc vào cấu trúc của dược phẩm. Mỗi bước phản ứng có hiệu suất trung bình chỉ đạt 70–90%, làm giảm đáng kể lượng sản phẩm cuối cùng.

Thêm vào đó, việc thêm Nitơ vào thuốc thường đòi hỏi sử dụng đến hợp chất xúc tác như palladium, rhodium hoặc iridium, chúng đều là các nguyên liệu kim loại quý với giá thành rất đắt đỏ. Mỗi cân xúc tác có thể có giá thành trung bình từ 2.000 đến 15.000 USD.

Ngoài ra, nguồn Nitơ nguyên tử chính thường được khai thác là nitrene yêu cầu môi trường phản ứng cực kỳ kiểm soát, với nhiệt độ dao động từ -78°C đến 150°C, đòi hỏi thiết bị làm lạnh hoặc gia nhiệt chuyên dụng.

Chưa dừng lại ở đó, sau khi sản xuất ra được thuốc chứa Nitơ, các sản phẩm phụ của phản ứng thường cũng rất độc hại. Nó yêu cầu các công ty dược tốn thêm từ 10.000 đến 50.000 USD/năm chỉ để trung hòa các phụ phẩm mà Nitơ tạo ra.

Tổng cộng, chi phí phát triển một loại thuốc mới, bao gồm các quy trình tổng hợp như trên, có thể lên tới 2,6 tỷ USD, kéo dài từ 10 đến 15 năm. Những con số này cho thấy rõ sự phức tạp và tốn kém trong việc sản xuất thuốc chứa Nitơ.

Cứ mỗi lần thêm một nguyên tử Nitơ vào hợp chất vòng, bạn sẽ ngay lập tức có một loại thuốc mới

Đó là viễn cảnh mà nghiên cứu mới của tiến sĩ Sharma đang mở ra, khi toàn bộ quy trình tổng hợp Nitơ mà các nhà sản xuất thuốc đang sử dụng kể trên có thể được đơn giản hóa thành một bước duy nhất.

Điều này được tiến sĩ Sharma và các đồng nghiệp ở Đại học Oklahoma thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp tinh chỉnh bộ khung hợp chất, lấy cảm hứng từ Sir Derek Barton, người đoạt Giải Nobel Hóa học năm 1969.

Phương pháp này dùng sulfenylnitrene, một loại hóa chất chứa Nitơ tồn tại trong thời gian ngắn thay vì nitrene. Sulfenylnitrene không đòi hỏi chất phụ gia, không cần kim loại hiếm và có thể thêm một nguyên tử Nitơ đơn lẻ vào rất nhiều cấu trúc dược phẩm cần nó hiện nay.

"Chúng tôi khai thác khả năng phản ứng riêng biệt của sulfenylnitrene, chèn một nguyên tử Nitơ đơn lẻ để chuyển đổi các pyrrole, indole và imidazole có sẵn thành các pyrimidine, quinazoline và triazine có tính thách thức tổng hợp tương ứng.

Phương pháp không cần chất phụ gia này có thể chỉnh sửa bộ khung nguyên tửu sử dụng các tiền chất sulfenylnitrene dễ tiếp cận, ổn định trên bàn làm việc trong phạm vi nhiệt độ rộng (−30 đến 150°C).

Phương pháp này tương thích với nhiều nhóm chức năng khác nhau, bao gồm các chức năng nhạy cảm với quá trình oxy hóa như phenol và thioether, và đã được áp dụng cho nhiều sản phẩm tự nhiên, axit amin và dược phẩm", nghiên cứu viết.

"Bằng cách thêm một nguyên tử Nitơ có chọn lọc vào các vòng dị vòng thuốc hiện có này trong các giai đoạn phát triển sau này, chúng ta có thể thay đổi các đặc tính sinh học và dược lý của phân tử mà không làm thay đổi chức năng của nó. Điều này có thể mở ra các vùng không gian hóa học chưa được khám phá trong quá trình khám phá thuốc", tiến sĩ Sharma nhấn mạnh.

Về bản chất, bạn có thể lấy một loại thuốc bất kỳ có trên thị trường, dùng phương pháp của tiến sĩ Sharma, thêm vào đó 1 nguyên tử Nitơ, và bạn sẽ có ngay một loại thuốc mới, với các tính chất hóa học và dược tính mới.

Theo Sharma, quá trình chỉnh sửa bộ khung này cho phép đa dạng hóa thuốc, vì thay vì phát triển thuốc mới từ đầu, các nhà nghiên cứu có thể kết hợp một nguyên tử nitơ duy nhất để tạo ra một bộ thuốc mới.

Nitơ rất quan trọng trong quá trình này vì DNA, RNA, protein và axit amin đều được tạo thành từ nitơ, nghĩa là nghiên cứu của Sharma có tác động sâu rộng đến khả năng điều trị các bệnh như ung thư và rối loạn thần kinh.

"Giá thành của nhiều loại thuốc phụ thuộc vào số bước liên quan đến việc sản xuất chúng và các công ty dược phẩm muốn tìm cách giảm các bước này. Bằng cách thêm một nguyên tử Nitơ vào giai đoạn phát triển cuối, bạn có thể sản xuất thuốc mới rẻ hơn. Giống như cải tạo một tòa nhà thay vì xây mới từ đầu", tiến sĩ Sharma nói.

"Không phải ai cũng có quyền tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe như nhau. Ngay cả ở Hoa Kỳ, chi phí y tế bình quân đầu người đã tăng lên hơn 12.000 USD mỗi năm. Bằng cách giúp sản xuất những loại thuốc này dễ dàng hơn ở quy mô lớn, chúng ta có thể giảm chi phí chăm sóc sức khỏe cho những nhóm dân số dễ bị tổn thương trên toàn thế giới".