Alloxan là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Alloxan

Alloxan là hợp chất hữu cơ oxy hóa mạnh, công thức phân tử C4H2N2O4 và khối lượng phân tử 142,07 g/mol. Hợp chất này được mô tả lần đầu bởi von Liebig vào năm 1838, xuất hiện dưới dạng bột tinh thể màu vàng nhạt. Alloxan thường được sử dụng trong nghiên cứu đái tháo đường do khả năng chọn lọc tổn thương tế bào β tại tuyến tụy.

Về mặt hóa lý, Alloxan là chất tinh thể dễ tan trong nước và ethanol, không tan trong dung môi hữu cơ không phân cực. Trong điều kiện môi trường axit nhẹ, Alloxan tồn tại chủ yếu ở dạng proton hóa, tăng tính phản ứng với các chất khử nội bào.

Với vai trò chất oxy hóa, Alloxan tương tác mạnh với các chất mang điện tử, sinh ra các gốc tự do (ROS) có hại. Đặc tính này giúp Alloxan trở thành công cụ nghiên cứu hữu ích nhưng cũng đòi hỏi xử lý an toàn trong phòng thí nghiệm.

• Mã CAS: 60-02-0
• Phân loại: Chất oxy hóa mạnh
• Sử dụng chính: Mô hình đái tháo đường ở động vật
• Tham khảo: PubChem Compound 6614

Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý–hóa học

Cấu trúc phân tử của Alloxan bao gồm vòng pyrimidine có hai nhóm cacbonyl và hai nhóm imino xen kẽ, tạo nên tính oxy hóa mạnh. Các liên kết C=O có tính phân cực cao, dễ nhận điện tử từ chất khử nội bào.

Điểm nóng chảy của Alloxan dao động trong khoảng 203–205 °C kèm phân hủy, cho thấy cấu trúc không bền nhiệt. Độ tan trong nước khoảng 20 g/100 mL ở 25 °C, trong khi tan tốt hơn trong ethanol, rất ít tan trong axeton hoặc cloroform.

Trong dung dịch nước, Alloxan dễ dàng khử thành dialuric acid, thiết lập chu trình oxi hóa–khử liên tục giải phóng gốc tự do. Tốc độ khử phụ thuộc pH: tối ưu ở pH ~4–5, giảm nhanh khi pH tăng trên 7.

Nguyên lý gây độc tế bào β tụy

Alloxan xâm nhập vào tế bào β tụy thông qua kênh GLUT2 do cấu trúc tương tự glucose. Sau khi vào nội bào, Alloxan khử thành dialuric acid và sau đó tái oxy hóa, tạo ra các ROS như superoxide (O₂⁻), hydrogen peroxide (H₂O₂) và hydroxyl radical (·OH).

Chu trình redox Alloxan/dialuric acid được mô tả bởi phương trình:

$\mathrm{Alloxan + 2\,e^- + 2\,H^+ \rightleftharpoons Dialuric\ Acid}$

• Superoxide (O₂⁻) → H₂O₂ qua superoxide dismutase
• H₂O₂ → ·OH qua phản ứng Fenton hoặc Haber–Weiss
• Hydroxyl radical (·OH) gây tổn thương DNA và lipid màng

ROS tích tụ vượt quá khả năng chống oxy hóa nội bào (glutathione, catalase), dẫn đến stress oxy hóa nặng nề, mở kênh calcium và làm mất chức năng ty thể, kết quả là hoại tử tế bào β.

Cơ chế sinh học và tác động lên chức năng tụy

Stress oxy hóa do ROS kích hoạt kênh calcium nội bào, làm tăng nồng độ Ca²⁺ quá mức. Hiện tượng này góp phần làm vỡ màng ty thể và tiết bất thường cytochrome c vào bào tương, khởi phát cơ chế apoptosis.

Đồng thời, Alloxan ức chế trực tiếp enzym tổng hợp và phóng thích insulin trong tế bào β. Tổn thương DNA do gốc tự do kích hoạt tín hiệu p53, dẫn đến chu trình apoptotic thay vì sửa chữa tế bào.

• Tăng Ca²⁺ nội bào → Mở kênh MPTP, mất ổn định màng ty thể
• Kích hoạt caspase-3 và caspase-9, khởi động apoptosis
• Giảm tổng hợp insulin, suy giảm đáp ứng glucose

Kết quả cuối cùng là mất hơn 70% tế bào β trong vòng 24–48 giờ sau khi tiêm Alloxan, dẫn đến tăng đường huyết liên tục và mô hình đái tháo đường typ 1 ở động vật thí nghiệm.

Ứng dụng trong nghiên cứu đái tháo đường

Alloxan được sử dụng rộng rãi để thiết lập mô hình đái tháo đường typ 1 ở động vật thí nghiệm, chủ yếu ở chuột và chuột cống. Sau khi tiêm Alloxan đường tĩnh mạch hoặc đường bụng, thường gặp tỷ lệ gây mất chức năng tế bào β từ 60–80% trong vòng 48 giờ. Mô hình này mô phỏng sự giảm insulin máu cấp tính, dễ quan sát quá trình tăng đường huyết và biến đổi chuyển hóa.

So với streptozotocin, Alloxan gây tổn thương tế bào β nhanh hơn, dẫn đến đái tháo đường cấp tính. Điều này cho phép nghiên cứu hiệu quả bảo vệ tế bào β hoặc khả năng phục hồi chức năng tuyến tụy sau điều trị. Các nghiên cứu sử dụng Alloxan thường kết hợp đo nồng độ glucose máu, insulin huyết tương và quan sát mô học tụy bằng nhuộm H&E.

• Phương pháp tiêm: 120–150 mg/kg chuột, 50–70 mg/kg chuột cống
• Thời gian quan sát: 24–72 giờ sau tiêm
• Chỉ số sinh hóa: glucose máu, HbA1c, nồng độ insulin

Alloxan cũng được dùng để đánh giá dược tính của các hợp chất có khả năng bảo vệ hoặc tái sinh tế bào β, như flavonoid, polyphenol và các peptide có hoạt tính sinh học. Kết quả thu được giúp phát triển liệu pháp điều trị tiềm năng cho bệnh nhân đái tháo đường typ 1.

Tổng hợp và phương pháp điều chế

Phương pháp điều chế Alloxan phổ biến nhất là oxi hóa barbituric acid (2,4,6-trioxohexahydropyrimidine) bằng brom hoặc các tác nhân oxy hóa mạnh. Phản ứng thường được thực hiện trong dung dịch nước axit pH 4–5 để tối ưu hiệu suất và hạn chế tạo sản phẩm phụ.

Phương trình phản ứng tổng quát:

$\mathrm{C_4H_4N_2O_3 + Br_2 + H_2O \rightarrow C_4H_2N_2O_4 + 2\,HBr}$

• Chất khởi đầu: barbituric acid, tinh khiết ≥99%
• Chất oxy hóa: Br₂/H₂O (tỷ lệ mol 1:1) hoặc KMnO₄ dư nhẹ
• Điều kiện: 0–5 °C, pH 4–5, khuấy 1–2 giờ

Sau phản ứng, hỗn hợp được trung hòa bằng dung dịch NaHCO₃, lắng kết tinh Alloxan ở 0–4 °C. Tinh thể thu được sau đó rửa bằng ethanol lạnh và sấy khô ở 40 °C trong chân không. Tỷ lệ thu hồi thường đạt 70–85%.

Phương pháp phân tích và định lượng

Định lượng Alloxan trong dung dịch hoặc sinh phẩm thí nghiệm thường sử dụng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp detector UV. Điều kiện sắc ký điển hình dùng cột C18, pha động methanol–nước (20:80), detector bước sóng 240 nm.

Bên cạnh HPLC, phương pháp phổ UV-Vis cho phép xác định nhanh Alloxan nhờ đỉnh hấp thụ chính ở 230–250 nm. Tuy nhiên, phổ UV-Vis không phân biệt được dialuric acid và các chất tương tự, nên thường kết hợp với sắc ký để tăng độ chính xác.

Phương pháp điện hóa dựa trên tín hiệu dòng điện thu được khi Alloxan/dialuric acid thực hiện chu trình oxi hóa–khử, thường dùng để theo dõi động học phản ứng trong tế bào hoặc mô hình sinh học.

Độc tính và an toàn sinh học

Alloxan có độ độc cấp và mãn tính cao; LD50 ở chuột cống khoảng 42 mg/kg khi tiêm tĩnh mạch. Tiếp xúc qua da hoặc hít phải bụi Alloxan có thể gây kích ứng da, gây bỏng hóa học và tổn thương phổi.

• Phân loại GHS: H300 (có thể gây tử vong nếu nuốt phải), H310 (gây chết người khi tiếp xúc da), H330 (hít phải gây chết người).
• Biện pháp phòng hộ: Sử dụng tủ hút, đeo găng tay nitrile, kính bảo hộ, khẩu trang P3.
• Quy trình xử lý: Trung hòa Alloxan thải bỏ với chất khử (ví dụ Na₂S₂O₃), thu gom chất thải theo quy định hóa chất nguy hại.

Trong nghiên cứu, cần theo dõi chặt chẽ chỉ số sức khỏe của động vật, giảm liều tối thiểu để đạt mô hình mà không gây tử vong quá mức. Mỗi thí nghiệm nên có nhóm đối chứng và theo dõi dài hạn các chỉ số miễn dịch, viêm, xơ hóa tụy.

Dược động học và chuyển hóa

Alloxan hấp thu nhanh khi tiêm hoặc uống, phân bố ưu tiên ở tụy, gan và thận. Thời gian bán hủy huyết tương (t1/2) khoảng 30–45 phút. Trong tế bào, Alloxan nhanh chóng khử thành dialuric acid rồi tái oxy hóa, chu trình redox sinh ROS liên tục.

Chất chuyển hóa chính là dialuric acid và các sản phẩm oxy hóa tiếp theo (oxaluric acid). Các chất này thải trừ chủ yếu qua nước tiểu, với khoảng 70% liều ban đầu được phát hiện trong nước tiểu 24 giờ đầu tiên.

• Hấp thu: gần như 100% khi tiêm tĩnh mạch, 60–80% khi uống
• Phân bố: V=0.5–0.7 L/kg, ưu tiên tụy
• Chuyển hóa: Alloxan ⇄ Dialuric acid ⇨ Oxaluric acid
• Thải trừ: Qua nước tiểu, chủ yếu dưới dạng chất khử

Tài liệu tham khảo

1. PubChem, “Alloxan,” https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/6614.
2. NCBI Bookshelf, “Alloxan-Induced Diabetes,” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK558954/.
3. Lenzen M., “The Mechanisms of Alloxan- and Streptozotocin-Induced Diabetes,” Diabetologia, vol. 51, no. 2, pp. 216–226, 2008.
4. Fotis R. et al., “Analytical Methods for Determination of Alloxan and Dialuric Acid,” Journal of Chromatography B, vol. 877, no. 14, pp. 1441–1447, 2009.
5. IARC, “IARC Monographs Volume 73: Some Chemicals that Cause Tumours of the Kidney or Urinary Bladder in Rodents,” 1999.