Ứng dụng Mạng nơ-ron đồ thị dự đoán tác dụng ức chế thụ thể 5-HT6 từ hợp chất tự nhiên

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu Hoàng trung tùng ứng dụng mạng nơ ron đồ thị để dự đoán tác dụng ức chế thụ thể 5 ht6 của các hợp, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Hoàng Trung Tùng
• Người hướng dẫn: Th. Nguyễn Văn Phương
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa dược
• Đề tài: Ứng dụng mạng nơ-ron đồ thị để dự đoán tác dụng ức chế thụ thể 5-HT6 của các hợp chất tự nhiên
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp cử nhân
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thụ thể 5 HT6 và ứng dụng trong điều trị bệnh lý

Thụ thể 5-HT6 là một trong những mục tiêu dược lý quan trọng trong phát triển các loại thuốc mới nhằm điều trị các bệnh lý thần kinh. Thụ thể này nằm ở hệ thống thần kinh trung ưa và đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh hoạt động nhận thức, cảm xúc và hành vi. Việc ức chế thụ thể 5-HT6 đã được chứng minh có tiềm năng trong điều trị bệnh Alzheimer, sa sút trí tuệ và các rối loạn tâm thần khác. Các nghiên cứu gần đây cho thấy các chất ức chế 5-HT6 có thể cải thiện chức năng nhận thức và giảm các triệu chứng hành vi tâm thần liên quan đến sa sút trí tuệ. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế hoạt động của thụ thể này sẽ mở ra những cơ hội mới trong phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả.

1.1. Cơ chế truyền tín hiệu của thụ thể 5 HT6

Thụ thể 5-HT6 hoạt động thông qua các protein G và các pathway tín hiệu nội bào. Khi serotonin kết hợp với thụ thể, nó kích hoạt các enzyme liên quan đến cAMP và các ion kênh. Cơ chế này ảnh hưởng đến truyền tín hiệu thần kinh và điều chỉnh các quá trình nhận thức. Hiểu rõ cơ chế này giúp phát triển những chất ức chế hiệu quả hơn.

1.2. Các phương pháp sàng lọc in vitro

Các phương pháp kiểm tra in vitro bao gồm kiểm tra hoạt động ức chế liên kết, đo lường tín hiệu tế bào và các phương pháp sinh hóa khác. Những phương pháp này tốn kém và mất thời gian. Sử dụng mạng nơ-ron đồ thị có thể giảm chi phí và tăng hiệu suất sàng lọc các hợp chất tiềm năng.

II. Mạng nơ ron đồ thị GNN Công nghệ đột phá trong dự đoán phân tử

Mạng nơ-ron đồ thị (GNN) là một trong những công nghệ học máy tiên tiến nhất hiện nay, đặc biệt hiệu quả trong việc phân tích cấu trúc phân tử phức tạp. Khác với các phương pháp truyền thống, GNN có khả năng học tập từ cấu trúc đồ thị của phân tử, từ đó dự đoán chính xác hơn tác dụng ức chế của các hợp chất. Sử dụng mạng nơ-ron đồ thị cho phép các nhà khoa học xử lý thông tin về liên kết hóa học, các nguyên tử thành phần và các tương tác không gian một cách tích hợp. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc dự đoán ức chế 5-HT6 vì nó cho phép mô hình học được những đặc điểm phân tử quan trọng liên quan đến hoạt động sinh học.

2.1. Nguyên lý và ưu điểm của GNN

Mạng nơ-ron đồ thị xử lý dữ liệu dưới dạng đồ thị, nơi các nút đại diện cho nguyên tử và các cạnh đại diện cho liên kết hóa học. Ưu điểm chính bao gồm: khả năng học cấu trúc phân tử phức tạp, xử lý các biểu diễn SMILES, và dự đoán chính xác hơn so với các mô hình truyền thống như phân loại cây quyết định (DT) hay k láng giềng gần nhất (k-NN).

2.2. Ứng dụng GNN trong sàng lọc ảo

Sàng lọc ảo sử dụng GNN có thể nhanh chóng xác định các hợp chất tự nhiên hoặc tổng hợp có khả năng ức chế 5-HT6 từ một thư viện lớn. Phương pháp này kết hợp docking phân tử để xác minh các kết quả dự đoán, tạo ra một quy trình tối ưu hóa phát triển thuốc.

III. Quy trình xây dựng mô hình GNN cho dự đoán ức chế 5 HT6

Xây dựng một mô hình mạng nơ-ron đồ thị hiệu quả để dự đoán ức chế thụ thể 5-HT6 yêu cầu một quy trình chi tiết và cẩn thận. Đầu tiên, cần xây dựng một cơ sở dữ liệu chứa các hợp chất được kiểm nghiệm in vitro với các giá trị hoạt động ức chế đã biết. Tiếp theo, tiền xử lý dữ liệu bao gồm chuẩn hóa giá trị, loại bỏ các dữ liệu không chính xác, và chuyển đổi cấu trúc phân tử sang các biểu diễn phù hợp. Phân chia dữ liệu thành tập huấn luyện, tập kiểm định và tập kiểm tra là bước quan trọng để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Cuối cùng, mô hình GNN được huấn luyện, điều chỉnh siêu tham số, và so sánh với các mô hình học máy khác như AdaBoost, cây quyết định để đánh giá hiệu suất.

3.1. Chuẩn bị và tiền xử lý dữ liệu

Dữ liệu được thu thập từ các cơ sở dữ liệu công khai như ChEMBL, PubChem, hoặc các nguồn lực khác. Tiền xử lý bao gồm: loại bỏ các duplicate, chuẩn hóa cấu trúc hóa học, xử lý các giá trị ngoại lệ, và tạo các đặc trưng phân tử quan trọng bằng dấu vân tay ECFP hoặc biểu diễn SMILES.

3.2. Huấn luyện và đánh giá mô hình

Mô hình GNN được huấn luyện trên tập huấn luyện với mục tiêu tối ưu hóa diện tích dưới đường cong ROC (AUC). Hiệu suất được đánh giá bằng các chỉ số như độ chính xác, độ nhạy, độ đặc hiệu, và AUC. SMILES Enumeration có thể cải thiện hiệu suất mô hình bằng cách tạo ra các biểu diễn SMILES khác nhau của cùng một phân tử.

IV. Ứng dụng và kết quả sàng lọc ảo các hợp chất ức chế 5 HT6

Sau khi xây dựng thành công một mô hình GNN có độ chính xác cao, mô hình này được sử dụng để sàng lọc ảo một thư viện lớn các hợp chất tự nhiên hoặc tổng hợp nhằm xác định những ứng cử viên tiềm năng có khả năng ức chế 5-HT6. Quá trình sàng lọc ảo này nhanh chóng, chi phí thấp và giảm đáng kể số lượng hợp chất cần kiểm tra in vitro. Các hợp chất được dự đoán có độ ức chế cao được chọn để thực hiện docking phân tử nhằm xác minh sự tương tác của chúng với vị trí hoạt động của thụ thể 5-HT6. Những hợp chất cho kết quả docking tốt nhất được tiến hành kiểm tra thực nghiệm in vitro để xác nhận. Phương pháp này đã giúp tìm ra các chất ức chế 5-HT6 mới có tiềm năng phát triển thành các loại thuốc mới.

4.1. Kết quả docking phân tử

Docking phân tử được thực hiện để kiểm tra cách các hợp chất ứng cử viên tương tác với thụ thể 5-HT6. Các chỉ số như binding affinity, các liên kết hydro, và các tương tác van der Waals được phân tích. Kết quả docking giúp xác nhận độ chính xác của các dự đoán từ mô hình GNN và cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế ức chế.

4.2. Những hợp chất tiềm năng được phát hiện

Qua sàng lọc ảo và docking phân tử, nhiều hợp chất tự nhiên từ các cây thuốc truyền thống đã được xác định như những ứng cử viên hứa hẹn để ức chế thụ thể 5-HT6. Những phát hiện này cung cấp cơ sở để phát triển các loại thuốc điều trị bệnh Alzheimer và sa sút trí tuệ hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong cơ thể người, thụ thể serotonin 5-hydroxytryptamin 6 (5-HT6) chủ yếu được tìm thấy trong hệ thần kinh trung ương, đặc biệt ở các vùng não liên quan đến nhận thức và trí nhớ, như hồi hải mã và vỏ não trước trán [1], [2]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất đối kháng ức chế hoạt động của 5-HT6 có thể cải thiện chức năng nhận thức thông qua cơ chế điều hòa các chất dẫn truyền thần kinh quan trọng như acetylcholin, glutamat và dopamin [3]. Ngoài ra, thụ thể 5-HT6 còn tham gia vào quá trình phát triển thần kinh, ảnh hưởng đến sự biệt hóa và di cư của tế bào thần kinh trong suốt quá trình phát triển của não bộ [4]. Chính vì vậy, 5-HT6 hiện đang nhận được nhiều quan tâm như một trong những mục tiêu tiềm năng trong nghiên cứu và phát triển thuốc mới điều trị các bệnh lý thần kinh, ví dụ bệnh AD, bệnh Parkinson,.Việc nghiên cứu sâu hơn về hoạt động của 5-HT6 không chỉ giúp mở rộng hiểu biết về sinh lý thần kinh mà còn tạo nền tảng cho sự phát triển của các phương pháp điều trị mới, hướng đến việc cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân mắc các rối loạn thần kinh.

Hiện nay, xu hướng khai thác các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên trong nghiên cứu và phát triển thuốc mới ngày càng được quan tâm, nhờ cấu trúc hóa học đa dạng, phức tạp, độc đáo cùng nhiều tác dụng dược lý đáng chú ý. Các hợp chất tự nhiên đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nhiều loại thuốc điều trị hiệu quả, đặc biệt là trong lĩnh vực thần kinh, ung thư và các bệnh truyền nhiễm [5]. Việc tận dụng nguồn dược liệu phong phú sẵn có không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nghiên cứu mà còn mở ra cơ hội phát hiện các hoạt chất mới có tiềm năng điều trị cao [6]. Trong thời đại khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) và học máy (Machine Learning) là những công cụ giúp tạo ra những bước đột phá trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả dược phẩm.

Trong đó, mạng nơ-ron đồ thị (Graph Neural Networks - GNN) nổi lên như một phương pháp học máy tiên tiến, có khả năng xử lý dữ liệu phức tạp và trích xuất đặc trưng từ các cấu trúc phân tử một cách hiệu quả [7]. Nhờ những ưu điểm vượt trội, GNN đang trở thành một công cụ quan trọng, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu suất trong quá trình sàng lọc hợp chất tiềm năng, góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu phát triển thuốc mới một cách nhanh chóng và chính xác hơn so với nhiều mô hình học máy truyền thống. Bên cạnh đó, phương pháp docking phân tử là một công cụ phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và sàng lọc thuốc, cho phép mô phỏng mức độ và cơ chế liên kết giữa hợp chất và đích tác dụng ở cấp độ nguyên tử [8]. Việc kết hợp giữa mạng nơ-ron đồ thị và docking phân tử hứa hẹn tạo nên một hệ thống sàng lọc có độ tin cậy cao.

Đáng chú ý, cho đến thời điểm hiện tại chưa có nghiên cứu nào công bố việc ứng dụng GNN kết hợp với docking phân tử trong dự đoán tác dụng ức chế thụ thể 5-HT6 1 của các hợp chất, cho thấy đây là một hướng nghiên cứu mới, tiềm năng và có ý nghĩa thực tiễn cao. Vì những lý do trên, đề tài “Ứng dụng mạng nơ-ron đồ thị để dự đoán tác dụng ức chế thụ thể 5-HT6 của các hợp chất tự nhiên” được thực hiện với hai mục tiêu sau: 1. Xây dựng và đánh giá mô hình mạng nơ-ron đồ thị dự đoán khả năng ức chế thụ thể 5-HT6 của các hợp chất. Ứng dụng mô hình xây dựng được và kỹ thuật docking phân tử để sàng lọc các hợp chất tự nhiên có tiềm năng ức chế thụ thể 5-HT6.

Tổng quan về thụ thể 5-HT6 1. Cơ chế truyền tín hiệu của thụ thể 5-HT6 Thụ thể 5-hydroxytryptamin 6 (5-HT6) lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1993 là một phân nhóm thuộc họ thụ thể serotonin (5-HT) [9], [10]. Hệ thụ thể serotonin bao gồm ít nhất 16 loại thụ thể khác nhau, được phân thành 7 phân nhóm chính (5-HT1 đến 5-HT7) dựa trên sự khác biệt về cấu trúc và cơ chế truyền tín hiệu. Trong đó, thụ thể 5- HT6 là một trong những thụ thể có mức độ tương đồng trình tự thấp nhất (<50%) so với các thụ thể serotonin khác, điều này cho thấy nó có một vai trò đặc trưng và riêng biệt trong hệ thần kinh trung ương.

Thụ thể 5-HT6 lần đầu tiên được phát hiện ở chuột dưới dạng một chuỗi protein gồm 438 acid amin, trong khi ở người chuỗi protein này có 440 acid amin cho thấy có sự khác biệt nhỏ về trình tự giữa hai loài [11], [12]. Về mặt cấu trúc, thụ thể 5-HT6 thuộc họ GPCR (G-protein-coupled receptor), có bảy vùng xuyên màng (7TM) được kết nối bởi ba vòng nội bào và ba vòng ngoại bào [13]. Thụ thể 5-HT6 xuất hiện sớm trong quá trình phát triển của não bộ và có sự biểu hiện mạnh mẽ tại một số khu vực quan trọng của hệ thần kinh trung ương. Các nghiên cứu đã xác định rằng mARN của thụ thể này có mật độ cao nhất tại các vùng như ống khứu giác, vỏ não trước, vỏ não liên quan đến khứu giác (entorhinal cortex), hải mã lưng, nhân cạp và vùng vân [1], [10].

Trong khi đó, sự hiện diện của thụ thể này với mật độ thấp hơn được ghi nhận tại vùng dưới đồi, hạch hạnh nhân (amygdala) và vùng đặc chất đen (substantia nigra). Bên ngoài hệ thần kinh trung ương, chỉ có một số ít nghiên cứu báo cáo sự có mặt của mARN 5-HT6 trong tế bào máu ngoại biên, nhưng không tìm thấy bằng chứng về bất kỳ chức năng sinh lý nào của thụ thể này ở ngoại biên [1]. Chính vì đặc tính biểu hiện tập trung chủ yếu ở hệ thần kinh trung ương, các chất chủ vận hoặc đối kháng của 5-HT6 thường không gây ra ảnh hưởng đáng kể đến các cơ quan ngoại vi. Các phân tích hóa mô miễn dịch cũng cho thấy 5-HT6 chủ yếu được biểu hiện trong hệ thần kinh cholinergic, nơi nó có sự tương tác với hệ GABAergic và glutamatergic.

Do phân bố khu trú tại các vùng não liên quan đến chức năng học tập và trí nhớ, thụ thể 5-HT6 trở thành một mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu về nhận thức và bệnh lý thần kinh, bao gồm bệnh Parkinson hoặc rối loạn tâm thần phân liệt. Cơ chế truyền tín hiệu của thụ thể 5-HT6 đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa nhiều chức năng thần kinh. Nhờ vào khả năng hoạt hóa các con đường tín hiệu khác nhau, thụ thể này có thể ảnh hưởng đến quá trình học tập, trí nhớ và sự phát triển của tế bào thần kinh. Cơ chế truyền tín hiệu của thụ thể 5-HT6 được minh họa trong Hình 1.1 [10], bao gồm hai con đường chính: Con đường thứ nhất: Cơ chế tín hiệu qua GPCR thông qua việc (i) Kích hoạt enzym adenyl cyclase, dẫn đến sự gia tăng nồng độ cyclic adenosin monophosphat 3 (cAMP) - một chất truyền tin thứ hai quan trọng.

Mức cAMP này cũng có thể được sử dụng để xác định các phối tử có vai trò chủ vận hoặc đối kháng của thụ thể 5-HT6; (ii) Truyền tín hiệu thông qua Fyn kinase, một yếu tố quan trọng trong điều hòa chức năng tế bào thần kinh; (iii) Tác động đến kênh K+, từ đó điều chỉnh điện thế màng và hoạt động của nơ-ron [1]. Con đường thứ hai: Cơ chế tín hiệu độc lập với protein G thông qua việc (i) Kích hoạt ERK1/2 kinase, một con đường liên quan đến sự tăng sinh, tồn tại và chết theo chương trình của tế bào; (ii) Điều hòa biểu hiện gen thông qua yếu tố phiên mã Jun và (iii) Kích hoạt con đường rapamycin (mTOR), một yếu tố trung tâm trong quá trình phát triển thần kinh, duy trì và sửa chữa tế bào thần kinh [1]. Sơ đồ tóm tắt cơ chế truyền tín hiệu của thụ thể 5-HT6 [10] Các chất đối kháng của thụ thể 5-HT6 có khả năng cải thiện chức năng nhận thức thông qua cơ chế tăng cường giải phóng glutamat và giảm hoạt động của hệ GABAergic trong các mạng lưới thần kinh khác nhau. Quá trình này thúc đẩy sự giải phóng của các chất dẫn truyền thần kinh quan trọng như dopamin, norepinephrin và acetylcholin, vốn bị suy giảm trong bệnh AD [10], [14].

Đáng chú ý, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, không chỉ các chất đối kháng, mà ngay cả các chất chủ vận của thụ thể 5-HT6 cũng có khả năng tăng cường nhận thức. Mặc dù cơ chế đằng sau hiện tượng này vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn nhưng đã có giả thuyết được đề xuất để giải thích hiện tượng này là các chất chủ vận và đối kháng có thể tác động lên các quần thể nơ-ron khác nhau, từ đó tạo ra các hiệu ứng sinh lý khác biệt nhưng vẫn mang lại lợi ích trong việc cải thiện chức 4 năng nhận thức [14]. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng hiện nay, dù được tiến hành trên động vật hay con người đều chủ yếu tập trung vào các chất đối kháng của thụ thể 5-HT6. Do đó, hướng nghiên cứu hiện tại chủ yếu nhắm đến tiềm năng điều trị của các chất đối kháng ức chế hoạt động thụ thể 5-HT6 [15].

Các phương pháp in vitro được áp dụng trên thụ thể 5-HT6 Trong nghiên cứu sàng lọc hoạt chất mới tác động lên thụ thể 5-HT6, các thử nghiệm in vitro đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá khả năng ức chế, độ ái lực gắn kết, và hiệu quả sinh học của các hợp chất thử nghiệm. Hiện nay, các phương pháp in vitro chính được sử dụng bao gồm: (i) Phép thử gắn kết ligand phóng xạ (radioligand binding assay) nhằm xác định ái lực cạnh tranh tại vị trí gắn của thụ thể; (ii) Định lượng nồng độ cAMP nội bào nhằm đánh giá hiệu ứng đối kháng thông qua việc ức chế con đường tín hiệu đặc hiệu do 5-HT6R kích hoạt; (iii) Các phép thử chức năng như phép thử thu nhận β-arrestin (β-arrestin recruitment assay) hoặc đánh giá sự phosphoryl hoá của ERK1/2, đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện các chất gây truyền tín hiệu lệch hướng (biased signaling) hoặc có hoạt tính chủ vận nghịch [16], [17]. Trong số đó, định lượng nồng độ cAMP nội bào là phương pháp phổ biến và đáng tin cậy nhất để đánh giá chức năng đối kháng tại thụ thể 5-HT6. Do thụ thể này liên kết với protein Gs và hoạt hoá adenylate cyclase, các hợp chất đối kháng sẽ làm giảm sản sinh cAMP.