Nhu cầu về các hợp chất điều trị ung thư từ tự nhiên luôn là tâm điểm của ngành công nghiệp dược phẩm hiện đại. Trong số đó, camptothecin là một alkaloid quan trọng bậc nhất, đóng vai trò làm tiền chất bán tổng hợp nên các thuốc hóa trị [1]. Cây hỷ thụ (tên khoa học: Camptotheca acuminata) từ lâu đã là nguồn khai thác thương mại chính, nhưng việc phụ thuộc vào loài thân gỗ này đang bộc lộ nhiều hạn chế về tính bền vững [4, 5].
Chính vì vậy, chi xà căn đậu (danh pháp khoa học: Ophiorrhiza) nổi lên như một ứng viên tiềm năng để thay thế nhờ tốc độ sinh trưởng nhanh của loài thân thảo [2]. Việc phân tích hiệu suất chiết tách, đặc điểm sinh khối và tiềm năng công nghệ sinh học giữa mô xà căn đậu và gỗ cây hỷ thụ sẽ giúp làm rõ khả năng cung ứng camptothecin phục vụ y học.
Nguồn gốc và giá trị y học của camptothecin
Camptothecin là một monoterpenoid indole alkaloid sở hữu hoạt tính chống khối u vượt trội [3]. Hợp chất này thể hiện hoạt tính chống ung thư đáng chú ý nhờ cơ chế ức chế chọn lọc enzym topoisomerase I [4]. Từ khung phân tử tự nhiên của camptothecin, các nhà khoa học đã phát triển thành công hai dẫn xuất bán tổng hợp quen thuộc trong các phác đồ điều trị ung thư là topotecan và irinotecan [4].
Nguồn dược chất thô trong tự nhiên lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1996 từ vỏ cây hỷ thụ (Camptotheca acuminata) thuộc họ Nyssaceae [2]. Kể từ mốc lịch sử đó, nhu cầu thị trường đối với camptothecin không ngừng gia tăng nhanh chóng [1]. Do quy trình tổng hợp hóa học toàn phần để tạo ra camptothecin không mang lại hiệu quả về mặt chi phí kinh tế, ngành dược hiện vẫn phải phụ thuộc vào việc chiết xuất tự nhiên từ các loài thực vật như Camptotheca acuminata và Nothapodytes foetida [1].
Hiệu suất tích tụ camptothecin ở các mô của cây hỷ thụ
Cây hỷ thụ (Camptotheca acuminata) phân bố hoạt chất camptothecin không đồng đều giữa các bộ phận thân, lá, rễ và hoa. Một nghiên cứu công bố năm 1994 đã khảo sát các vị trí tích tụ của hoạt chất này trong cây [5]. Kết quả ghi nhận hàm lượng camptothecin tích tụ cao nhất ở lá non, đạt xấp xỉ 0,4% trọng lượng khô (DW) [5]. Mức tích tụ này cao gấp 1,5 lần so với hạt và gấp 2,5 lần so với vỏ cây – hai bộ phận từng được sử dụng phổ biến nhất để chiết tách thương mại [5]. Tuy nhiên, khi lá già đi, nồng độ và hàm lượng tuyệt đối của camptothecin lại sụt giảm rất nhanh chóng [5].
Đến năm 2010, một công trình phân tích chi tiết hàm lượng camptothecin và dẫn xuất 10-hydroxycamptothecin trên các mô của cây hỷ thụ bao gồm rễ, thân, lá, nụ hoa non, hoa đang nở, hoa tàn và hạt [3]. Kết quả cho thấy các nụ hoa non chứa nồng độ alkaloid cao nhất, đạt 2,46 mg/g trọng lượng khô đối với camptothecin và 1,41 mg/g trọng lượng khô đối với 10-hydroxycamptothecin [3]. Dù vậy, việc thu hoạch nụ hoa non phụ thuộc chặt chẽ vào mùa vụ sinh trưởng hàng năm của loài cây thân gỗ này.
Mô sẹo (callus) của cây hỷ thụ cũng được nghiên cứu nuôi cấy để tạo dược chất, tuy nhiên nồng độ hoạt chất ban đầu ở mô nuôi cấy thường thấp hơn các bộ phận tự nhiên [3]. Tốc độ tăng trưởng sinh khối tế bào hỷ thụ trong môi trường nuôi cấy không tương quan thuận với lượng tích lũy alkaloid [3]. Dưới tác động kích thích của tia tử ngoại UV-B, nồng độ camptothecin trong tế bào hỷ thụ có thể tăng vọt gấp 11 lần, còn xử lý bằng axit salicylic giúp tăng nồng độ 10-hydroxycamptothecin gấp 25 lần [3].
Ưu thế sinh học của mô xà căn đậu trong sản xuất dược liệu
Chi xà căn đậu (Ophiorrhiza), thuộc họ Cà phê (Rubiaceae), đã được y học dân gian sử dụng với nhiều đặc tính như kháng virus, kháng nấm, kháng sốt rét và chống ung thư [2]. Các phân tích hóa thực vật ghi nhận sự hiện diện của các alkaloid, flavonoid, triterpen và đặc biệt là camptothecin trong các loài thuộc chi này [2]. Nhờ bản chất là thực vật thân thảo và chứa camptothecin, chi xà căn đậu đang trở thành ứng viên sáng giá kế tiếp sau cây hỷ thụ và Nothapodytes nimoonia nhằm hướng tới chuỗi sản xuất dược liệu bền vững [2].
Khác với cây hỷ thụ phải mất nhiều năm phát triển sinh khối gỗ, mô xà căn đậu dễ dàng phát triển trong các hệ thống nuôi cấy mô nhân tạo [2]. Việc nghiên cứu nuôi cấy in vitro, biệt hóa chồi, kích thích rễ bất định và tạo huyền phù tế bào ở xà căn đậu giúp giảm thiểu đáng kể thời gian thu hoạch [2].
Một nghiên cứu vào năm 2011 trên 8 loài xà căn đậu tại Thái Lan đã phát hiện camptothecin và dẫn xuất 9-methoxycamptothecin hiện diện với tỷ lệ khác nhau trong dịch chiết lá và rễ của 5 loài [1]. Khả năng sinh tổng hợp camptothecin ở các loài này phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm di truyền phân loài hơn là môi trường sống địa lý [1]. Việc giải mã trình tự gen lạp thể MATK và gen nhân TOPI đã xác định được nhánh phát sinh loài mang khả năng sản xuất hoạt chất, mở đường cho việc chọn lọc các nguồn gen xà căn đậu năng suất cao [1].
Đột phá từ nuôi cấy huyền phù tế bào xà căn đậu
Nhằm giải quyết bài toán hiệu suất, các nhà khoa học đã tiến hành chọn dòng tế bào và tác động các chất kích thích sinh học trên loài Ophiorrhiza mungos. Một nghiên cứu năm 2017 đã thành công trong việc chọn lọc dòng tế bào OMC3 từ dịch nuôi cấy huyền phù tế bào bằng phương pháp tách cụm tế bào [6]. Dòng tế bào OMC3 này cho sinh khối tươi vượt trội đạt 9,25 ± 1,3 g/bình và hiệu suất chiết tách camptothecin đạt 0,095 ± 0,002 mg/g trọng lượng khô [6]. Mật độ cấy ban đầu tối ưu cho dòng OMC3 được xác định là 14 g/L [6].
Nghiên cứu cũng chứng minh sự tích lũy hoạt chất và tăng trưởng sinh khối đòi hỏi tỷ lệ dinh dưỡng khác nhau. Môi trường chứa 5% sucrose cùng tỷ lệ amoni/nitrat là 40/20 mM kích thích quá trình tạo camptothecin, trong khi nồng độ 3% sucrose, amoni/nitrat ở mức 20/40 mM và 1,25 mM phosphat lại tối ưu hóa việc tạo sinh khối [6]. Khi xử lý các chất kích thích gồm axit jasmonic, chitin và axit salicylic, axit jasmonic cho hiệu quả kích hoạt vượt trội nhất [6].
Đặc biệt, khi bổ sung axit jasmonic ở nồng độ 50 µM vào dòng tế bào OMC3, hiệu suất chiết tách camptothecin đã đạt mức 1,12 ± 0,08 mg/g trọng lượng khô, đi kèm sinh khối tươi đạt 9,52 ± 1,4 g/bình (tương đương 190,4 g/L trọng lượng tươi) [6]. Sự kết hợp giữa chọn dòng tế bào và kích thích bằng axit jasmonic giúp tăng sản lượng camptothecin gấp 18,66 lần, chứng minh tính khả thi khi mở rộng quy mô sản xuất trong các hệ thống nồi phản ứng sinh học [6]. Hoocmon thực vật như axit jasmonic cũng đã được ghi nhận thúc đẩy tích tụ camptothecin ở cả cây hỷ thụ và xà căn đậu [7].
Vi sinh vật nội sinh từ rễ xà căn đậu: Hướng đi mới
Ngoài việc nuôi cấy mô tế bào thực vật, các vi sinh vật nội sinh cư trú bên trong mô xà căn đậu (Ophiorrhiza mungos) cũng đại diện cho một nguồn tài nguyên mới để sản xuất camptothecin [8]. Nghiên cứu năm 2025 đã tiến hành phân lập và sàng lọc 175 chủng vi sinh vật nội sinh từ các bộ phận khác nhau của cây xà căn đậu bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và khẳng định qua LC-MS/MS [8].
Các nhà khoa học đã xác định được 17 chủng có khả năng sinh tổng hợp camptothecin, bao gồm 14 chủng vi khuẩn và 3 chủng nấm, phần lớn đều được phân lập từ mô rễ của cây [8]. Trong số các chủng vi khuẩn, chủng Alcaligenes faecalis phân loài phenolicus S18 cho sản lượng camptothecin cao nhất đạt 1294,52 µg/L, tiếp theo là Bacillus tequilensis đạt 309,02 µg/L [8]. Nhìn chung, hàm lượng camptothecin do các vi khuẩn này sinh ra dao động từ 5,16 đến 1294,52 µg/L, chủ yếu thuộc các chi Bacillus, Acinetobacter, Alcaligenes và Pseudomonas [8].
Đối với các chủng nấm nội sinh, chủng Aspergillus sp. cho sản lượng camptothecin đạt 22,07 µg/L, trong khi các chủng S109 và S42 đạt lần lượt 18,98 và 13,26 µg/L [8]. Đây là công trình đầu tiên công bố việc chiết tách camptothecin từ A. faecalis và Aspergillus sp. phân lập từ xà căn đậu, tạo tiền đề cho giải pháp lên men công nghiệp chi phí thấp mà không cần khai thác nguồn thực vật tự nhiên [8].
Cơ chế phiên mã điều hòa sản sinh hoạt chất
Hiểu rõ bản chất di truyền giúp can thiệp nâng cao hiệu suất chiết tách hoạt chất ở loài xà căn đậu. Loài Ophiorrhiza pumila hiện được xem là đối tượng mô hình lý tưởng để nghiên cứu sinh tổng hợp camptothecin [4]. Các yếu tố phiên mã WRKY đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết quá trình này.
Một công trình khoa học năm 2021 công bố yếu tố phiên mã OpWRKY2 có vai trò điều hòa dương tính trực tiếp lên sự biểu hiện của gen OpTDC, từ đó thúc đẩy sinh tổng hợp camptothecin [7]. Ngược lại, yếu tố phiên mã OpWRKY1 lại đóng vai trò ức chế con đường tạo hoạt chất bằng cách liên kết với promoter của OpCPR [7]. Ngoài ra, yếu tố phiên mã OpERF2 điều hòa tích cực nhánh sinh tổng hợp iridoid, trong khi OpMYB1 làm giảm hàm lượng camptothecin và ức chế biểu hiện của OpTDC [7].
Đến năm 2022, nghiên cứu tiếp tục xác định 46 gen OpWRKY phân bố trên 11 nhiễm sắc thể của Ophiorrhiza pumila [4]. Trong đó, biểu hiện quá mức gen OpWRKY6 làm giảm đáng kể sự tích tụ camptothecin so với đối chứng [4]. Ngược lại, các dòng bị bất hoạt (knockout) gen OpWRKY6 lại gia tăng nồng độ camptothecin [4]. Các phân tích hóa sinh chứng minh OpWRKY6 đóng vai trò điều hòa tiêu cực trên cả hai con đường iridoid và shikimate thông qua việc ức chế trực tiếp các gen OpGES, Op10HGO, Op7DLH và OpTDC [4].
So sánh tổng thể và triển vọng công nghiệp dược
Khi đặt lên bàn cân thương mại, gỗ và vỏ cây hỷ thụ truyền thống có nhược điểm lớn là thời gian sinh trưởng kéo dài qua nhiều năm, gây tàn phá tài nguyên rừng khi bóc vỏ hay chặt hạ [4, 7]. Mặc dù lá non cây hỷ thụ chứa tới 0,4% DW camptothecin và nụ hoa non đạt 2,46 mg/g DW [6, 7], nguồn nguyên liệu này lại biến động mạnh theo tính mùa vụ [5].
Ngược lại, mô xà căn đậu thể hiện ưu thế vượt trội ở khả năng ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật liên tục [1, 4]. Hiệu suất dòng tế bào OMC3 của O. mungos sau khi tối ưu hóa đạt 1,12 mg/g DW camptothecin trong thời gian ngắn và đạt mật độ sinh khối 190,4 g/L dịch nuôi cấy tươi [6]. Nguồn vi sinh vật nội sinh từ rễ xà căn đậu với khả năng sản xuất tới 1294,52 µg/L camptothecin cũng mang lại một phương án sản xuất hoàn toàn khép kín bằng công nghệ lên men vi sinh [8].
Thận trọng và áp dụng thực tế
Dù camptothecin cùng các dẫn xuất như topotecan và irinotecan là những dược chất chống khối u đã được phê chuẩn trong điều trị [4], người bệnh và độc giả tuyệt đối không được tự ý thu hái, sắc uống hoặc tự sử dụng các bộ phận của cây hỷ thụ hay xà căn đậu. Hoạt chất tự nhiên trong các loài này có độc tính tế bào cao, chỉ phát huy hiệu quả khi được tinh chế, kiểm định liều lượng chuẩn xác và có sự chỉ định, giám sát chuyên môn từ các bác sĩ ung bướu.
Tóm lại, cây hỷ thụ vẫn là nguồn chiết xuất lịch sử, nhưng mô xà căn đậu và hệ vi sinh vật nội sinh của loài này đang mở ra bước ngoặt mới về hiệu suất sản xuất. Việc ứng dụng công nghệ sinh học và nuôi cấy tế bào xà căn đậu hứa hẹn cung cấp nguồn nguyên liệu camptothecin bền vững, đáp ứng nhu cầu bào chế thuốc ung thư của nhân loại trong tương lai [1, 2, 4].
