Summary
Papain is an endogeneous protease, obtained from papaya latex. Owing to the protein hydrolysis, papain is widely used in food, medical, pharmacological and cosmetic industries. Papain is used in dental as caries removal agent, teeth writening effect. On the other hand, papain could be use as wound debridment. The combination of papain and other biomaterial such as alginate and chitin to produce biomembrane would improve would healing effect. Moreover, with unique structure, papain has been use as a model for drug design.
Key words: papain, wound healing, caries removal agent, papain-biomembrane
Tóm tắt
Papain là một enzyme protease nội phân tử được thu nhận từ nhựa cây đu đủ. Nhờ tác dụng thủy phân nhiều loại protein, mà enzym này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, y, dược, mỹ phẩm. Papain được ứng dụng trong nha khoa để loại bỏ các phần răng bị sâu, làm trắng răng. Ngoài ra, nhờ khả năng thủy phân protein mà papain được sử dụng để loại bỏ các mô hoại tử ở các vết thương ngoài da. Việc kết hợp giữa papain và các màng sinh học sẽ giúp tăng hiệu quả hỗ trợ điều trị tổn thương da. Với cấu trúc đặc trưng của mình, papain được sử dụng như một mô hình để thiết kế và phát triển một số loại thuốc.
Từ khóa: papain, lành vết thương, loại bỏ răng sâu, màng sinh học papain
1. Đặt vấn đề
Papain (EC 3.4.22.2) là một enzyme thủy phân protein cystein nội phân tử được thu nhận tử nhựa quả đu đủ (Carica papaya L). Đu đủ càng xanh thì lượng enzyme thu được càng nhiều. Papain liên quan đến nhiều quá trình sinh học xảy ra trong cơ thể sinh vật với hoạt tính thủy phân protein, peptide mạch ngắn, este amino acid. Enzyme này ưu tiên thủy phân các liên kết peptide của các amino acid có tính bazơ như arginine, lysine và phenylananine.1
Papain được ứng dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm là tác nhân mềm thịt trong chế biến đồ hộp, làm tăng hiệu xuất quá trình lọc bia, kết tụ sữa trong quá trình làm phomat, sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng từ protein thủy phân, giảm các tác nhân gây dị ứng trong những sản phẩm chế biến từ ngũ cốc.2 Ngoài ra enzyme papain còn được ứng dụng trong y dược mỹ phẩm nhờ tác dụng thủy phân không chọn lọc các protein và khả năng kháng viêm của enzyme này.1 Trong bài tổng quan này, chúng tôi sẽ tổng hợp các thông tin liên quan đến tính chất, cơ chế hoạt động, và đặc biệt tập trung phân tích các tác dụng y, dược, mỹ phẩm của enzyme papain làm cơ sở để phát triển các sản phẩm mới từ enzyme này.
2. Đặc điểm và tính chất của enzyme papain
Papain là một polypeptide chuỗi đơn có ba cầu nối disulfide và một nhóm sulfhydryl đóng vai trò quan trọng trong hoạt tính của enzyme này. Papain tồn tại dưới dạng tiền chất không hoạt động prepropapain. Để chuyển sang trạng thái hoạt động, cần một số phản ứng phân cắt hóa học như bước đầu phân cắt vùng 18 amino acids sau đó là vùng 114 glycosylate aminoacid. Vùng này đóng vai trò là vùng ức chế nội phân tử. Tiền chất của papain là một protein gồm 345 amino acid. Trung tâm hoạt động của enzyme bao gồm amino acid cysteine và histidine bên cạnh là 4 vòng xoắn alpha và một đoạn cấu trúc beta.3
Cơ chế hoạt động của enzyme papain được thực hiện nhờ cystein-25 tại trung tâm hoạt động tấn công nhóm carbonyl trong khung peptide giải phóng nhóm amino. Quá trình này xảy ra suốt chiều dài của phân tử protein làm phân tử protein bị phá hủy. Có chế cắt đứt liên kết peptide của papain liên quan đến quá trình khử proton của cystein-25 bằng histidine-159. Asparagine-175 giúp định hướng vòng imidazole của histidine-159 giúp quá trình khử proton xảy ra.1
3 Một số ứng dụng của papain trong y, dược, mỹ phẩm
3.1. Ứng dụng papain trong nha khoa
Papain hoạt động như một tác nhân loại trừ các mảng bám trên răng mà không gây tác động có hại đến các mô mềm khác nhở tính đặc hiệu của enzyme này. Papain chỉ tác động lên các mô thiếu α1-antitripsine là enzyme ức chế các protease giúp kìm hãm quá trình phân hủy các mô tế bào khỏe mạnh.4 Cơ chế của việc loại bỏ cao mảng bám trên răng dựa trên tác dụng cắt đứt các polypeptide hoặc thủy phân đặc hiệu các mối nối giữa collagen và ngà răng.5 Papain cũng được sử dụng như là liệu pháp sinh học trong quá trình nhổ răng. Tác dụng trong nha khoa của papain còn được thể hiện ở khả năng loại bỏ các phần răng bị sâu mà không ảnh hưởng đến độ bền liên kết của phần răng giả được cấy ghép.6 Hỗn hợp papain và xanh methylene được chứng minh có khả năng loại bỏ các hoại tử do răng sâu gây ra và diệt vi khuẩn gây sâu răng mà không làm ảnh hưởng đến các cấu trúc khác của răng và mô xung quanh.7 Việc sử dụng papain được xem là phương pháp loại bỏ răng sâu không xâm lấn giúp giảm bớt các tác động gây đau, viêm và nhiễm khuẩn trong quá trình xử lý sâu răng.8 Ngoài ra papain còn được sử dụng như một tác nhân tẩy màu, giúp làm trắng da nhờ khả năng phân hủy các protein trong tuyến nước bọt, loại protein này thường bám trên bề mặt răng tạo ra một lớp màng gây ra hiện tượng răng sẫm màu.9 Papain được bổ sung vào kem đánh răng giúp làm trắng răng sau 3 tuần sử dụng.10
3..2. Ứng dụng papain trong điều trị các tổn thương ngoài da
Papain được sử dụng như một liệu pháp sinh học để loại bỏ các mô hoại tử đối với các bệnh nhân bị tổn thương ngoài ra, đặc biệt là các bệnh nhân bỏng.11 Mặc dù enzyme papain có thể gây ra một số tác dụng phụ như gây sốt khi xử lý các hoại tử sâu do bỏng nặng, kết quả đánh giá độc tính của papain trên da cho thấy enzyme này an toàn cho các tế bào da12. Do đó có thể sử dụng enzyme papain ở giai đoạn đầu trong quá trình xử lý các vết hoại tự sâu hoặc sử dụng đối với những vết thương có diện tích và độ sâu vừa phải.13 Để nâng cao hiệu quả quá trình loại bỏ các mô hoại tử do các vết thương gây ra, có thể kết hợp enzyme papain với colagellase. Do papain chỉ phân hủy các enzyme có cystein trong khi collagen có thể phân hủy các mô sợi có chứa sợi collagen.14 Để giảm thiểu những tác động bất lợi của papain trong việc hỗ trợ làm lành các tổn thương ngoài da, người ta sử dụng các polymer sinh học như alginate kết hợp với papain để chế tạo miếng dán hỗ trợ điều trị tổn thương da. Dựa vào tác dụng dưỡng ẩm của polymer sinh học và tác dụng loại bỏ các tế bào hoại tử của papain. Đồng thời khi papain được gắn vào các polymer, tác dụng của papain lên vết thương có thể dễ dàng được điều chỉnh và kiểm soát để đạt được hiệu quả tốt nhất.15 Kỹ thuật cố định enzyme trong màng sinh học được xem là một biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thiểu tác dụng phụ do enzyme gây ra đối với da. Chitin 0.5% được dùng để cố định papain để tạo ra màng sinh học có khả năng giữ ẩm cho da, diệt khuẩn và có tác dụng phân hủy các mô hoại tử ngoài da và được sử dụng như một liệu pháp hỗ trợ điều trị tổn thương ngoài da.16 Việc kết hợp giữa polyvynyl alcohol với calcium alginate và papain đã tạo nên miếng dán an toàn, bền, khả năng giữ ẩm và hiệu quả hỗ trợ làm lành vết thương ngoài ra.17
3.3. Tác dụng kháng viêm của papain
Enzyme papain được sử dụng từ lâu để điều trị các chấn thương do chơi thể thao cũng như các triệu chứng của dị ứng. Nhiều nghiên cứu lâm sàng đã chứng minh vai trò của papain trong điều trị các tổn thương do vận động gây ra nhờ tác dụng kháng viêm của enzyme này. Một số nghiên cứu đã chứng minh tác dụng làm lành vết thương của papain nhanh hơn so với tá dược. Các vận động viên sử dụng viên bổ sung có papain có thể rút ngắn thời gian phục hồi vết thương từ 8.4 ngày xuống 3.9 ngày.18 Papain đã được ứng dụng thành công trong việc chữa trị các biểu hiện dị ứng do hiện tượng không đủ axit dạ dày và hội chứng rò rỉ ruột hoặc hội chứng không dung nạp gluten. Tác dụng giảm đau chống viêm của papain cũng được ghi nhận đối với các bệnh nhân bị viêm xoang dị ứng cấp tính như đau đầu, nhức răng mà không gây ra tác dụng phụ.1
3.4. Ứng dụng papain trong phát triển một số loại thuốc
Papain có nhiều đặc điểm giống với các enzyme protease thủy phân cysteine trong tế bào người và động vật, đặc biệt là các cấu trúc vùng trung tâm hoạt động. Điều này rất có ý nghĩa cho việc thiết kế các loại thuốc.19 Kết quả chụp X-ray papain cho thấy cấu trúc các protease cystein liên kết cộng hóa trị ở trung tâm hoạt động của enzyme.20 Do đó, nó được xem là một mô hình lý tưởng để nghiên cứu cơ chế của một số chất ức chế cathepsin L một chất được sử dụng để phòng chống nhiều loại bệnh nhờ tính chống oxy hóa của nó.20,21 Do hầu hết các amino acid trong phân tử papain được giữ trong cathepsin L, cấu trúc không gian này tạo nên mô hình lý tưởng để thiết kế các enzyme ức chế cathepsin L với hoạt độ và độ đặc hiệu cao.22 Papain cũng được sử dụng như một enzyme thay thế trong thiết kế thuốc nhằm tạo ra sản phẩm có khả năng ức chế cao và chọn lọc với cathepsin K, một protease cysterine mới thuộc nhóm papain được tìm thấy trong tế bào hủy xương.23
4. Kết luận
Papain là enzyme protease thu nhận từ nhựa quả đu đủ. Nhờ khả năng thủy phân nhiều loại protein mà enzyme này được ứng dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm. Ngoài ra, một số kết quả nghiên cứu chỉ ra tác dụng của papain trong y, dược, mỹ phẩm như khả năng phân hủy ngà răng sâu, làm trắng răng, tẩy bỏ các hoại tử ngoài da, tác dụng kháng viêm và ứng dụng làm mô hình phát triển các thuốc mới.
Hiện tại, Viện nghiên cứu và phát triển các sản phẩm thiên nhiên (IRDOP) đang nghiên cứu phát triển các sản phẩm từ enzyme papain.
Tài liệu tham khảo
1. Amri, E. & Mamboya, F. Papain, a plant enzyme of biological importance: A review. Am. J. Biochem. Biotechnol. 8, 99–104 (2012).
2. Fernández-Lucas, J., Castañeda, D. & Hormigo, D. New trends for a classical enzyme: Papain, a biotechnological success story in the food industry. Trends Food Sci. Technol. 68, 91–101 (2017).
3. Biswajit, P., Nasreen, M., Sarker, A. & Radiaf, I. Isolation , Purification and Modification of Papain Enzyme To Ascertain Industrially Valuable Nature. Int. J. Bio-Technology Res. 3, 11–22 (2013).
4. Flindt, M. L. H. Allergy To Α-Amylase and Papain. Lancet 313, 1407–1408 (1979).
5. Beeley, J. A., Yip, H. K. & Stevenson, A. G. Chemo-mechanical caries removal: a review of the techniques and latest developments. Br. Dent. J. 108, 277–281 (2001).
6. Piva, E. et al. Papain-based gel for biochemical caries removal: Influence on microtensile bond strength to dentin. Braz. Oral Res. 22, 364–370 (2008).
7. Silva, Z. S. et al. Papain gel containing methylene blue for simultaneous caries removal and antimicrobial photoinactivation against Streptococcus mutans biofilms. Sci. Rep. 6, 1–12 (2016).
8. Neves, A. A., Lourenço, R. A., Alves, H. D., Lopes, R. T. & Primo, L. G. Caries-removal effectiveness of a papain-based chemo-mechanical agent: A quantitative micro-CT study. Scanning 37, 258–264 (2015).
9. Yoshikawa, Y. et al. Characterization of the mechanism by which papain suppresses tooth discoloration. Nano Biomed. 9, 83–88 (2018).
10. Ananthakrishna S, Raghu TN, Shankar S, and S. S. B. Tooth Whitening Efficacy of a Dentifrice Containing Papain and Bromelain Extracts : An In Vivo Clinical Study . Res. Rev. J. Dent. Sci. 2, 86–92 (2014).
11. Ramundo, J. & Gray, M. Enzymatic wound debridement. J. Wound, Ostomy Cont. Nurs.35, 273–280 (2008).
12. Lopes, P. S. et al. In vitro safety assessment of papain on human skin: A qualitative Light and Transmission Electron Microscopy (TEM) study. Rev. Bras. Ciencias Farm. J. Pharm. Sci. 44, 151–156 (2008).
13. Langer, V., Bhandari, P. S., Rajagopalan, S. & Mukherjee, M. K. Enzymatic debridement of large burn wounds with papain-urea: Is it safe? Med. J. Armed Forces India 69, 144–150 (2013).
14. Kravitz, S. R., McGuire, J. & Zinszer, K. Management of skin ulcers: understanding the mechanism and selection of enzymatic debriding agents. Adv. Skin Wound Care 21, 72–74 (2008).
15. Moreira Filho, R. N. F., Vasconcelos, N. F., Andrade, F. K., Rosa, M. de F. & Vieira, R. S. Papain immobilized on alginate membrane for wound dressing application. Colloids Surfaces B Biointerfaces 194, 111222 (2020).
16. Singh, D. & Singh, R. Papain incorporated chitin dressings for wound debridement sterilized by gamma radiation. Radiat. Phys. Chem. 81, 1781–1785 (2012).
17. Dutra, J. A. P. et al. Papain wound dressings obtained from poly(vinyl alcohol)/calcium alginate blends as new pharmaceutical dosage form: Preparation and preliminary evaluation. Eur. J. Pharm. Biopharm. 113, 11–23 (2017).
18. Trickett, P. Proteolytic enzymes in treatment of athletic injuries. Appl. Thearapeutics 647–652 (1964).
19. Meara, J. P. & Rich, D. H. Mechanistic studies on the inactivation of papain by epoxysuccinyl inhibitors. J. Med. Chem. 39, 3357–3366 (1996).
20. Tsuge, H. et al. Inhibition mechanism of cathepsin L-specific inhibitors based on the crystal structure of papain-CLIK148 complex. Biochem. Biophys. Res. Commun. 266, 411–416 (1999).
21. Sancho, L. E. G., Yahia, E. M., Martínez-téllez, M. A. & González-aguilar, G. A. Effect of Maturity Stage of Papaya Maradol on Physiological and Biochemical Parameters. Food Technol. 5, 194–203 (2010).
22. Kamalkumar, R., Amutha, R., Muthulaksmi, S., Mareeswari, P. & Rani, W. B. Screening of Dioecious Papaya Hybrids for Papain Yield and Enzyme Activity. 3, 447–449 (2007).
23. LaLonde, J. M. et al. Use of papain as a model for the structure-based design of cathepsin K inhibitors: Crystal structures of two papain-inhibitor complexes demonstrate binding to S’-subsites. J. Med. Chem. 41, 4567–4576 (1998).