Thuốc chống đông máu kháng vitamin K ra đời như thế nào?

Nhà thuốc Lưu Văn Hoàng – chủ đề: Thuốc chống đông máu kháng vitamin K ra đời như thế nào?

Nguồn: Nguồn: Nguồn: Bộ môn dược liệu – Đại học Y Dược TP HCM

Lịch sử hình thành thuốc chống đông máu kháng vitamin K

Thuốc chống đông máu đã có một quá trình dài phát triển phức tạp, được thừa hưởng các thành tựu từ sinh hóa, hóa hợp chất tự nhiên, công nghệ sinh học, giúp phòng ngừa và điều trị một số bệnh lý cho con người chúng ta, bên cạnh một vài công dụng khác. Diễn trình lịch sử đó đã để lại những câu chuyện thú vị, những bài học bổ ích, giúp chúng ta hiểu hơn về hoạt động nghiên cứu khoa học từ trước đến nay. Dưới đây là một câu chuyện như vậy.

Vào đầu những năm 1920, một căn bệnh gia súc xuất hiện ở miền Bắc Hoa Kỳ và Canada mà trước đó chưa từng ghi nhận. Gia súc bị xuất huyết theo sau vài triệu chứng nhỏ hoặc đôi khi tự phát mà chẳng có dấu hiệu nào. Ví dụ, 21 trong số 22 con bò chết sau khi lấy sừng và 12 trong số 25 con bò đực chết sau khi triệt sản. Tất cả những con vật này đã chảy máu đến chết. Tình hình này khá tồi tệ trong bối cảnh Đại suy thoái đang diễn ra, nông dân không đủ khả năng để lãng phí cỏ khô.

Năm 1921, Frank Schofield, một nhà nghiên cứu bệnh học thú y ở Canada, đã xác định nguyên nhân do gia súc đã ăn đồ ủ chua từ cỏ ba lá ngọt (Melilotus officinalis và có thể một số loài cùng chi). Ông thấy rằng chỉ có cỏ khô được làm từ cỏ ba lá ngọt trồng ở các bang phía bắc Hoa Kỳ và ở Canada đã tạo ra căn bệnh này. Schofield tách thân cây cỏ ba lá bị hỏng ra khỏi, và cho một chú thỏ khác ăn chúng. Con thỏ đã ăn phải thân cây tươi vẫn còn khoẻ, nhưng con thỏ đã ăn phải các thân cây bị hỏng chết vì bệnh huyết thanh. Một thí nghiệm trùng lặp với một mẫu cỏ khác cho kết quả tương tự. Năm 1929, bác sĩ thú y ở Bắc Dakota, L. M. Roderick đã chứng minh rằng tình trạng này là do thiếu prothrombin hoạt động. Nhận dạng chất chống đông trong cỏ ba lá ngọt bị hỏng vẫn là một bí ẩn cho đến năm 1940.

Melilotus officinalis là một loại thực vật hàng năm hoặc 2 năm thuộc họ Đậu (Fabaceae). Melilotus cấu thành từ 2 phần Meli nghĩa là mật, lotus tức là hoa sen, officinalis: có tác dụng dược lý. Cần phân biệt chi Melilotus được nhắc đến trong bài này với chi Trifolium (cũng có nghĩa là 3 lá). Các lá mọc xen kẽ trên thân và có ba lá chét. Hoa màu vàng nở vào mùa xuân và mùa hè tạo quả, trong quả thường chứa một hạt. Hạt giống có thể tồn tại đến 30 năm. Loài thực vật này vốn có nguồn gốc từ Á Âu và được mang sang Bắc Mỹ để làm thức ăn cho gia súc. Mùa vụ mang lại hương vị tốt nhất của cỏ ba lá ngọt là xuân đến đầu hè. Do đặc tính chịu hạn và chịu lạnh tốt, lại có khả năng cố định đạm mà thường được sử dụng để cải tạo đất. Cỏ ba lá ngọt là nguồn cung cấp mật hoa chính cho ong mật tại Hoa Kỳ.

Năm 1933, sau khi một người nông dân mang một con bò chết và một lon sữa đầy máu không đông đến một trạm khuyến nông của trường, Karl Paul Link và phòng thí nghiệm của ông cùng các nhà hóa học làm việc tại Đại học Wisconsin đã đề ra cách phân lập và nghiên cứu chất gây xuất huyết từ cỏ ba lá khô. Phải mất năm năm để sinh viên của Link là Harold A. Campbell thu được 6 mg chất chống đông kết tinh. Kế tiếp, một sinh viên khác của Link, Mark A. Stahmann tiếp quản dự án và bắt đầu việc chiết xuất quy mô lớn, phân lập 1,8 g chất chống đông kết tinh trong vòng 4 tháng. Khối lượng này đủ cho Stahmann và Charles F. Huebner kiểm tra kết quả của họ và mô tả chi tiết toàn bộ hợp chất. Thông qua các thí nghiệm thoái giáng, họ đã xác định chất chống đông là 3,3′-methylenebis-(4-hydroxycoumarin), sau này được gọi là dicoumarol. Họ đã xác nhận kết quả bằng cách tổng hợp dicoumarol và chứng minh vào năm 1940 rằng sản phẩm tổng hợp giống hệt với hợp chất của tự nhiên.

Dicoumarol

Dicoumarol là một dẫn xuất dimer hóa của hợp chất tự nhiên coumarin (không nên nhầm lẫn với Coumadin, tên thương mại của warfarin). Coumarin được phân lập vào năm 1820 ở Munich bởi A. Vogel từ đậu Tonka (Dipteryx odorata), người ban đầu nhầm lẫn hợp chất này với acid benzoic. Trong cùng năm, Nicholas Jean Baptiste Gaston Guibourt đến từ Pháp cũng độc lập tìm ra hợp chất này nhưng chứng minh nó không phải acid benzoic và sau đó đặt tên là coumarine, lấy từ coumarou, một cách phiên âm tiếng Pháp tên gọi đậu Tonka của người Ấn Độ. Sau đó, coumarin được tìm thấy trong nhiều loại thực vật như cỏ ngọt (Hierochloe odorata), woodruff (Galium odoratum, Rubiaceae), cỏ vanilla (Anthoxanthum odoratum), các loài Quế, hàm lượng thấp hơn trong cam thảo, oải hương và một số loại quả. Trên thực tế, coumarin tạo nên tên gọi chung “sweet clover” (hương thơm ngọt ngào) cho một số loài dựa trên mùi ngọt ngào nên đã được sử dụng trong nước hoa từ năm 1882, chứ không phải vị đắng của chính nó. Vị đắng này khiến cho các vật nuôi cần thời gian để làm quen. Hàm lượng coumarin trong dược liệu khô Melilotus officinalis không dưới 0,3%, một con số không phải là ít. Coumarin được lấy tên chung cho nhóm hợp chất tự nhiên có khung cấu trúc này.

Tuy nhiên, coumarin không ảnh hưởng đến sự đông máu hoặc tác dụng giống warfarin. Trước tiên, nó phải được chuyển hóa bằng các loại nấm khác nhau thành các hợp chất như 4-hydroxycoumarin, sau đó tiếp tục (với sự hiện diện của formaldehyd tự nhiên) tạo thành dicoumarol, để có tính chất chống đông. Sự tấn công của nấm gây hại trên cỏ khô đã giải thích sự hiện diện của chất chống đông chỉ có trong cỏ ủ chua thối rữa. Do đó, dicoumarol được xem như một sản phẩm lên men. Các nghiên cứu cho thấy các dẫn xuất coumarin không có nhóm OH trên vị trí số 4 sẽ không có đặc tính kháng đông.

Thuốc đầu tiên trong lớp được thương mại hóa và sản xuất rộng rãi là dicoumarol, được cấp bằng sáng chế năm 1941 và sau đó được sử dụng làm dược phẩm. Karl Link tiếp tục nghiên cứu phát triển thuốc chống đông máu dựa trên coumarin để sử dụng làm chất độc cho động vật gặm nhấm, dẫn đến sự ra đời của warfarin vào năm 1948. Tên gọi “warfarin” bắt nguồn từ từ viết tắt WARF, đối với Quỹ nghiên cứu Alumni Wisconsin; kết thúc -arin chỉ ra mối liên hệ với coumarin. Warfarin lần đầu tiên được đăng ký để sử dụng như một loại thuốc trừ chuột ở Hoa Kỳ vào năm 1948, và đã được phổ biến ngay lập tức. Mặc dù warfarin đã được phát triển bởi Link, Tổ chức nghiên cứu cựu sinh viên Wisconsin đã hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu và đã được chỉ định bằng sáng chế.

Dicoumarol, warfarin cùng một số hợp chất sau đó thuộc vào nhóm dẫn xuất 4-hydroxycoumarin có tác dụng kháng Vitamin K.

Giới thiệu vitamin K

Nếu như câu chuyện về nhóm hợp chất dicoumarol bắt đầu với đàn gia súc bất hạnh tại Bắc Mỹ, thì câu chuyện về vitamin K lại bắt nguồn với…gia cầm tại Châu Âu.

Điều gì đã xảy ra với đàn gia cầm?

Năm 1929, nhà khoa học Đan Mạch Henrik Dam trong khi đang nghiên cứu về vai trò của cholesterol bằng cách cho đàn gà ăn thức ăn thiếu nhóm chất này đã phát hiện ra chúng bị xuất huyết. Vấn đề này không giải quyết được bằng cách bổ sung cholesterol tinh chế. Điều này có nghĩa là gì? Chế độ ăn của đàn gà kia đã thiếu đi một nhân tố quan trọng gây ra hiện tượng xuất huyết.

Nhận diện tác nhân

Hợp chất quan trọng này sau đó được phân lập bởi Edward Adelbert Doisy và được đặt tên là Vitamin K, hẳn là vì tạp chí công bố công trình trên tiếng Đức rồi (Koagulations vitamin). Henrik Dam và Edward Adelbert Doisy đã chia sẻ giải Nobel Y Sinh năm 1943 cho công bố khám phá của họ về vitamin K (K1 và K2) và vai trò của nó trong sự đông máu, xuất bản năm 1939. Adelbert Doisy đã có công phát hiện vitamin K và Dam đã lý giải được quy trình đông máu cần có vitamin K. Ông còn phát hiện ra vitamin K có trong tất cả các loại rau quả và đậu như cà chua, đậu nành, cỏ linh lăng và một số động vật. Năm 1939, Doisy và cộng sự xác định được cấu trúc của vitamin K.

Các loại Vitamin K

Vitamin K1 (phylloquinone) có nhiều trong các loại rau xanh (cải, bông cải,…), dầu thực vật (dầu đậu nành), trái cây (bơ, kiwi, nho,…). Tuy nhiên, chỉ 5-10% lượng vitamin K1 được hấp thu ở đường tiêu hoá từ nguồn thực phẩm. Vitamin K1 giữ vai trò hoạt hoá yếu tố đông máu ở gan.

Vitamin K2 (menaquinone) được tìm thấy trong các thực phẩm có nguồn gốc động vật và các thực phẩm lên men. Vitamin K2 có thể được chia thành nhiều loại phụ khác nhau, tuy nhiên 2 loại vitamin K2 quan trọng nhất thường được nhắc đến là MK-4 và MK-7. Vitamin K1 có thể chuyển hóa thành MK-4 tại tinh hoàn, tuyến tụy và thành động mạch.

Nếu thiếu mất chuỗi isoprenyl trong cấu trúc sẽ tạo thành hợp chất đơn giản Menadione, gọi là Vitamin K3, thường chủ yếu sử dụng cho vật nuôi.

Cơ duyên giữa Vitamin K và warfarin

Sau một tai nạn xảy ra vào năm 1951, khi một quân nhân Hoa Kỳ tự sát bằng nhiều liều warfarin trong thuốc diệt chuột nhưng hồi phục hoàn toàn sau khi đưa đến bệnh viện và được điều trị bằng vitamin K (sau này gọi là thuốc giải độc đặc hiệu-antidote), các nghiên cứu bắt đầu bằng việc sử dụng warfarin như thuốc chống đông máu điều trị.

Theo một câu chuyện được Karl Link kể lại thì Tổng thống Hoa Kỳ Dwight Eisenhower từng được trị liệu bằng warfarin sau khi bị đau tim vào năm 1955. Mãi cho đến 1978 thì hiểu biết về mối liên hệ giữa nhóm 4-hydroxycoumarin và vitamin K mới có tiến triển. Rằng nhóm thuốc này đã ức chế một enzym gọi là vitamin K epoxide reductase.

Warfarin đã làm gì?

Tưởng tượng rằng cơ thể chúng ta luôn có những công tắc sinh học, muốn bật công tắc này thì phải đụng đến các enzym đặc hiệu. Vitamin K epoxide reductase là một enzym kiểu vậy, nó góp phần tham gia vào cái gọi là vòng luẩn quẩn của vitamin K. Nhưng vitamin K không luẩn quẩn vô ích, trong lúc biến hình như vậy (giữa dạng quinol hoạt động và dạng epoxide bất hoạt), nó đồng thời cũng bật tắt nhóm công tắc đông máu – chảy máu trong cơ thể.

Không phải tự dưng mà nhà warfarin bật tắt được cái công tắc vốn dĩ thuộc nhà Vitamin K, đó là do nó chia sẻ một cấu trúc tương đối tương tự. Khái niệm này gọi là chất chủ vận (hay đồng vận) và chất đối vận. Chủ vận thì tác dụng như chủ nhà (trước sao giờ vậy ấy ạ), đối vận tức là gắn vô nhưng đảo ngược quá trình này (thường là khoá nó lại). Warfarin được gọi là 1 chất đối vận của vitamin K.

Một số thuốc khác được phát triển trong nhóm bao gồm acenocoumarol (thời gian bán thải ngắn hơn) và phenprocoumon (dài hơn),…