Tại sao một nguyên tử Nitơ duy nhất có thể thay đổi hoàn toàn ngành dược phẩm toàn cầu?

Có thể bạn chưa biết: Trong số 10 loại thuốc đang lưu hành trên thị trường, có đến 8 loại cần đến sự có mặt của Nitơ.

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

Khoảng 80% không khí xung quanh bạn là Nitơ, tồn tại dưới dạng phân tử. Mỗi phân tử Nitơ được tạo thành từ hai nguyên tử N liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nitơ thường được gọi là khí trơ hoặc khí chết vì N₂ không hỗ trợ sự sống. Nếu hít phải quá nhiều Nitơ, bạn có thể bị ngạt thở.

Thật thú vị, các nguyên tử Nitơ đơn lẻ lại không 'trơ' như vậy.

Nitơ đóng vai trò quan trọng trong nhiều hợp chất như amoniac, phân bón, thuốc nổ, và thậm chí là chất độc xyanua. Những chất này sẽ không thể hoạt động nếu thiếu Nitơ.

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

Một người trưởng thành với trọng lượng trung bình 60 kg sẽ có khoảng 7.74×10^25 (bảy tỷ bảy trăm bốn mươi nghìn tỷ tỷ) nguyên tử Nitơ trong cơ thể.

Trong số 10 loại thuốc hiện có trên thị trường, 8 loại đều chứa Nitơ

Vai trò của Nitơ trong các loại thuốc và dược phẩm là không thể thiếu. Khoảng 85% thuốc trên thị trường đều có chứa Nitơ, và các nguyên tử này thường xuất hiện trong các hợp chất dị vòng heterocyclic, chính là yếu tố quyết định tính chất cũng như dược tính của thuốc.

"Khi nghiên cứu 200 loại thuốc hàng đầu hiện nay, chúng tôi nhận thấy có đến 75-80% trong số đó chứa Nitơ dạng heterocyclic", tiến sĩ Indrajeet Sharma, phó giáo sư tại Đại học Oklahoma, Hoa Kỳ, cho biết.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Science, tiến sĩ Sharma và các cộng sự đã phát triển một phương pháp hiệu quả, chi phí thấp và dễ thực hiện để tích hợp các nguyên tử Nitơ vào từng phân tử thuốc.

Đây được xem là một bước đột phá có thể thay đổi toàn bộ ngành công nghiệp dược phẩm trên toàn cầu. Vậy điều này có ý nghĩa gì?

Vấn đề nằm ở chỗ hiện nay, quy trình thêm Nitơ vào dược phẩm thường rất phức tạp và tốn kém, nguyên nhân chủ yếu là 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.

Tiến sĩ Sharma cùng các cộng sự tại Đại học Oklahoma đã thực hiện phương pháp này bằng cách tinh chỉnh bộ khung hợp chất, lấy cảm hứng từ Sir Derek Barton, người đoạt Giải Nobel Hóa học năm 1969.

Phương pháp này sử dụng sulfenylnitrene, một hợp chất chứa Nitơ có thời gian tồn tại ngắn thay vì nitrene. Sulfenylnitrene không cần chất phụ gia, không yêu cầu kim loại hiếm và có khả năng thêm một nguyên tử Nitơ vào hàng loạt cấu trúc dược phẩm hiện nay.

"Chúng tôi tận dụng khả năng phản ứng đặc biệt của sulfenylnitrene, cấy một nguyên tử Nitơ vào để biến các pyrrole, indole và imidazole thành pyrimidine, quinazoline và triazine, các hợp chất vốn khó tổng hợp.

Phương pháp này không yêu cầu phụ gia và có thể điều chỉnh bộ khung nguyên tử thông qua các tiền chất sulfenylnitrene dễ tìm, ổn định ở nhiệt độ từ −30 đến 150°C.

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

"Bằng cách thêm một nguyên tử Nitơ vào các vòng dị vòng của thuốc trong các giai đoạn phát triển tiếp theo, chúng ta có thể thay đổi các tính chất sinh học và dược lý của phân tử mà không làm thay đổi chức năng của nó. Điều này có thể mở ra các hướng nghiên cứu chưa được khai phá trong việc tìm kiếm thuốc", tiến sĩ Sharma nhấn mạnh.

Về cơ bản, bạn có thể chọn bất kỳ loại thuốc nào có sẵn trên thị trường, áp dụng phương pháp của tiến sĩ Sharma, thêm một nguyên tử Nitơ vào, và ngay lập tức bạn sẽ có một loại thuốc mới với tính chất và tác dụng dược lý khác biệt.

Theo tiến sĩ Sharma, quá trình chỉnh sửa cấu trúc này giúp làm phong phú thêm danh mục thuốc, vì thay vì phát triển thuốc mới từ đầu, các nhà khoa học có thể chỉ cần thêm một nguyên tử Nitơ để tạo ra một loại thuốc mới.

Nitơ đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, bởi vì DNA, RNA, protein và axit amin đều chứa Nitơ, điều này có nghĩa là nghiên cứu của tiến sĩ Sharma có ảnh hưởng sâu rộng đến khả năng điều trị các bệnh như ung thư và các rối loạn thần kinh.

"Chi phí của nhiều loại thuốc phụ thuộc vào số lượng các bước trong quy trình sản xuất. Các công ty dược phẩm luôn muốn giảm thiểu số bước này. Bằng cách thêm một nguyên tử Nitơ vào giai đoạn cuối cùng, bạn có thể sản xuất thuốc mới với chi phí thấp hơn. Giống như việc cải tạo một tòa nhà thay vì phải xây dựng lại từ đầu", tiến sĩ Sharma chia sẻ.

"Không phải ai cũng có cơ hội tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe như nhau. Ngay cả ở Hoa Kỳ, chi phí chăm sóc sức khỏe bình quân đầu người đã vượt qua 12.000 USD mỗi năm. Bằng cách giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất thuốc ở quy mô lớn, chúng ta có thể giảm chi phí y tế cho các nhóm dân cư dễ bị tổn thương trên toàn cầu", tiến sĩ Sharma nhấn mạnh.