5 aminolevulinic acid là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa 5-aminolevulinic acid (5-ALA)

5-Aminolevulinic acid (5-ALA) là một amino acid không thuộc nhóm protein, đóng vai trò tiền chất thiết yếu trong con đường sinh tổng hợp heme và các porphyrin. Hợp chất này được cơ thể tổng hợp từ glycine và succinyl-CoA qua phản ứng enzym ALA synthase, sau đó chuyển tiếp thành porphobilinogen và các chất trung gian porphyrin trước khi tạo thành heme.

Trong y học, 5-ALA được sử dụng như một tác nhân nhạy sáng trong liệu pháp quang động (photodynamic therapy – PDT) và chẩn đoán hình ảnh ung thư, nhờ khả năng đặc hiệu tích lũy protoporphyrin IX (PpIX) trong tế bào ác tính. Khi chiếu ánh sáng ở bước sóng thích hợp, PpIX hấp thụ năng lượng và tạo ra các gốc oxy tự do (ROS), gây tổn thương tế bào đích.

Công thức phân tử của 5-ALA là C₅H₉NO₃; tên IUPAC: 5-amino-4-oxopentanoic acid. Hợp chất tồn tại ở dạng zwitterion trong dung dịch sinh lý, với pKa của nhóm carboxyl khoảng 3,5 và pKa của nhóm amino khoảng 9,5. Được bào chế dưới dạng bột tinh thể màu trắng, dễ tan trong dung môi phân cực như nước hoặc ethanol.

Cấu trúc hóa học và đặc tính vật lý

Cấu trúc của 5-ALA gồm một nhóm amino (-NH₂) ở vị trí số 5 và một nhóm oxo (=O) ở vị trí số 4 trên chuỗi pentanoic. Sự tồn tại đồng thời nhóm acid và amino khiến phân tử có khả năng tạo liên kết hydro đa dạng và tồn tại ở dạng nội ion (zwitterion) trong khoảng pH sinh lý.

• Điểm nóng chảy: 189–193 °C, phân tử ổn định ở nhiệt độ phòng.
• Độ hòa tan: tan tốt trong nước (>50 g/L ở 25 °C), tan vừa phải trong ethanol và methanol.
• Phổ hồng ngoại (IR): đỉnh hấp thụ nhóm C=O ở 1.700 cm⁻¹, nhóm NH₂ tại 3.300–3.400 cm⁻¹.

Sự phân bố điện tích trong phân tử 5-ALA và khả năng tạo nội ion giúp nó dễ dàng khuếch tán vào tế bào và tích lũy trong ty thể – nơi diễn ra bước đầu tiên của con đường tổng hợp heme. Độ ổn định của 5-ALA trong môi trường axit nhẹ đến trung tính cho phép bào chế dưới dạng viên nang hoặc dung dịch đậm đặc để sử dụng lâm sàng.

Con đường tổng hợp sinh học

Tổng hợp nội sinh 5-ALA bắt đầu ở ty thể của tế bào gan và các mô tạo huyết bằng enzym ALA synthase (ALAS). Phản ứng khởi đầu kết hợp glycine và succinyl-CoA:

$\mathrm{Glycine} + \mathrm{Succinyl\mbox{-}CoA} \xrightarrow{\text{ALA synthase}} \mathrm{5\mbox{-}ALA} + \mathrm{CoA} + \mathrm{CO_2}$

Enzym ALAS là bước điều hòa chủ yếu của con đường heme, chịu ảnh hưởng phản hồi âm bởi nồng độ heme nội bào. Khi heme dư thừa, ALAS bị ức chế, hạn chế tổng hợp 5-ALA; ngược lại, thiếu heme thúc đẩy hoạt tính enzym và tăng cường sản xuất 5-ALA.

Sau khi được tạo ra, 5-ALA trong chất nền ty thể được vận chuyển vào chất nền cytosol, nơi ALA dehydratase (ALAD) giữ vai trò chuyển đổi hai phân tử 5-ALA thành porphobilinogen (PBG). Chuỗi các phản ứng enzyme tiếp theo sẽ tạo ra uroporphyrinogen III, coproporphyrinogen III, protoporphyrinogen IX và cuối cùng là protoporphyrin IX trước khi gắn ion Fe²⁺ để hình thành heme.

Vai trò sinh lý và sinh hóa

5-ALA là nền tảng cho toàn bộ hệ thống heme – thành phần không thể thiếu của hemoglobin, myoglobin, cytochrome P450, cytochromes trong chuỗi hô hấp và nitric oxide synthase. Heme liên kết với protein tạo thành các phức hợp có chức năng vận chuyển oxy, truyền điện tử hoặc xúc tác phản ứng oxy hóa khử.

• Hemoglobin & Myoglobin: vận chuyển và dự trữ oxy trong máu và cơ bắp.
• Cytochrome P450: xúc tác chuyển hóa thuốc và chất độc trong gan.
• Các cytochromes hô hấp: chuyển electron trong chuỗi vận chuyển điện tử, tạo ATP.

Trong điều kiện sinh lý, sự sản xuất heme từ 5-ALA phải cân bằng giữa nhu cầu vận chuyển oxy và nguy cơ tích tụ porphyrin gây độc. Rối loạn enzym (ví dụ thiếu hụt ALAD hoặc porphyria) dẫn đến tích lũy 5-ALA và các porphyrin trung gian, gây tổn thương thần kinh và da khi tiếp xúc ánh sáng.

Ứng dụng 5-ALA như chất đánh dấu sinh học dựa trên khả năng tạo PpIX phát huỳnh quang mạnh, giúp mô bệnh lập thể hóa hình ảnh và định vị khối u trong phẫu thuật thần kinh và ung thư tiết niệu. Tính chọn lọc cao và an toàn khi sử dụng đúng liều lâm sàng đã khiến 5-ALA trở thành công cụ chẩn đoán – điều trị quang động quan trọng.

Ứng dụng trong y học: chẩn đoán và liệu pháp quang động (PDT)

5-ALA khi được đưa vào cơ thể qua đường uống hoặc tiêm truyền sẽ nhanh chóng vận chuyển đến các tế bào và chuyển hóa thành protoporphyrin IX (PpIX), chất có khả năng phát huỳnh quang mạnh dưới ánh sáng bước sóng ~405 nm. Phương pháp chẩn đoán hình ảnh fluorescence-guided surgery (FGS) tận dụng tính đặc hiệu này để định vị chính xác ranh giới khối u trong phẫu thuật ung thư não và ung thư bàng quang (PubMed).

Trong liệu pháp quang động (PDT), PpIX tích lũy chọn lọc ở tế bào ác tính và khi chiếu ánh sáng đỏ ~635 nm, PpIX kích hoạt tạo ra các gốc oxy singlet (¹O₂) và các reactive oxygen species (ROS). ROS gây tổn thương màng ty thể, màng nhân và DNA của tế bào ung thư, dẫn đến apoptosis và necrosis có kiểm soát (NCBI PMC6130729).

• Chẩn đoán: FGS với 5-ALA giúp hiển thị vùng tổn thương ung thư trung bình lớn hơn 20% so với phẫu thuật kinh điển.
• Điều trị: PDT với 5-ALA được EMA và FDA chấp thuận cho ung thư bàng quang không xâm lấn và một số dạng khối u bề mặt da.
• Kết hợp liệu pháp: có thể kết hợp với hóa trị, xạ trị để tăng hiệu quả điều trị và giảm tái phát.

Cơ chế hoạt động trong liệu pháp quang động

PpIX hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái nền singlet (S₀) lên trạng thái kích thích singlet (S₁), sau đó chuyển sang trạng thái triplet (T₁) qua quá trình intersystem crossing. Từ trạng thái T₁, PpIX trao năng lượng cho oxy phân tử (³O₂) tạo singlet oxygen (¹O₂):

$\mathrm{PpIX}(^3\!T_1) + ^3\!O_2 \rightarrow \mathrm{PpIX}(^1\!O_2) + ^1\!O_2$

Singlet oxygen và các ROS khác như superoxide (O₂⁻) và hydroxyl radical (·OH) tấn công thành tế bào ung thư thông qua:

1. Oxy hóa lipid màng (lipid peroxidation), làm mất tính thấm và rò rỉ nội bào.
2. Phá vỡ cấu trúc protein màng và enzyme, làm rối loạn chức năng ty thể.
3. Gây đứt gãy DNA chuỗi đôi, kích hoạt đường dẫn apoptosis thông qua caspase và cytochrome c.

Độ chọn lọc của PDT dựa trên sự tích lũy PpIX cao hơn gấp 10–15 lần trong mô ung thư so với mô lành, đồng thời ánh sáng chiếu chủ động chỉ tác động vùng điều trị, giảm thiểu tổn thương toàn thân.

Phương pháp phân tích và định lượng

Sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS/MS) là tiêu chuẩn vàng để định lượng 5-ALA và PpIX trong huyết tương, nước tiểu và mô sinh thiết với giới hạn phát hiện xuống ngưỡng ngàn phần tỷ (ppb). Phương pháp này sử dụng pha đảo ngược C18 và detector triple quadrupole để phân tích mẫu sinh học sau thủy phân hoặc chuyển hóa nhẹ.

Trong phòng thí nghiệm lâm sàng, fluorescence spectroscopy và confocal microscopy được dùng để đo cường độ huỳnh quang của PpIX tại 635 nm, cho phép đánh giá mức độ tích lũy tại mô và hiệu quả PDT. Sức mạnh của phương pháp fluorescence-guided biopsy giúp tăng độ nhạy chẩn đoán thêm 30% so với sinh thiết truyền thống.

Phương pháp	Ứng dụng	Ưu điểm	Giới hạn
LC-MS/MS	Định lượng 5-ALA/PpIX	Độ chính xác cao, độ nhạy thấp	Đòi hỏi thiết bị đắt tiền
Fluorescence spectroscopy	Đánh giá tích lũy PpIX	Nhanh, không phá hủy mẫu	Ảnh hưởng bởi tự huỳnh quang nền
Confocal microscopy	Hình ảnh hóa mô	Độ phân giải cao	Khó tiếp cận mô sâu

An toàn, dược động học và dược lực học

5-ALA hấp thu nhanh qua niêm mạc ruột, đạt nồng độ đỉnh trong huyết tương sau khoảng 30–60 phút; thời gian bán thải (t½) vào khoảng 1–2 giờ tùy cơ địa. Hầu hết 5-ALA và sản phẩm chuyển hóa được thải trừ qua thận dưới dạng không thay đổi hoặc conjugate.

Tác dụng phụ thường gặp là tăng nhạy cảm ánh sáng, buồn nôn, nhức đầu và chóng mặt. Biện pháp phòng ngừa bao gồm che chắn vùng chiếu ánh sáng, sử dụng kính lọc ánh sáng xanh và hạn chế hoạt động ngoài trời trong vòng 24–48 giờ sau điều trị.

Liều dùng lâm sàng dao động 20–40 mg/kg thể trọng tùy mục đích chẩn đoán hay điều trị, tuân theo hướng dẫn của FDA và EMA để cân bằng hiệu quả – độ an toàn (FDA Drug Label).

Ứng dụng khác trong nông nghiệp và công nghiệp

5-ALA được nghiên cứu như chất điều hòa sinh trưởng thực vật, giúp kích thích tổng hợp chlorophyll và cải thiện hiệu suất quang hợp. Thử nghiệm trên nhiều giống lúa, lạc và rau cho thấy tăng độ che phủ lá, giảm tổn thương do hạn hán và tăng năng suất 10–15% (Front. Plant Sci.).

Trong công nghiệp vật liệu quang điện tử, porphyrin tổng hợp từ 5-ALA được sử dụng làm chất nhạy quang trong pin mặt trời hữu cơ và dye-sensitized solar cells (DSSC). Tính chất hấp thụ rộng và khả năng chuyền electron cao của PpIX giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng.

• Cây trồng: nâng cao khả năng chống chịu stress môi trường và tăng cường quang hợp.
• Vật liệu quang điện: ứng dụng porphyrin làm chất nhuộm trong DSSC.
• Y sinh kỹ thuật: phát triển cảm biến sinh học dựa trên huỳnh quang PpIX để phát hiện kim loại nặng.

Tài liệu tham khảo

1. PubChem. “5-Aminolevulinic Acid.” https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/5-Aminolevulinic-acid
2. European Medicines Agency. “5-ALA in Photodynamic Therapy.” https://www.ema.europa.eu
3. Food and Drug Administration. “Drug Approval Package: Aminolevulinic Acid.” https://www.fda.gov
4. Jori, G., Brown, S.B. “Photosensitized Singlet Oxygen and Its Applications.” Photochem. Photobiol. Sci., 2004.
5. Zhao, W., et al. “5-ALA-Mediated Photodynamic Therapy in Agriculture.” Front. Plant Sci., 2019. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00123