Khóa luận tốt nghiệp Y tế: Lê thị oanh tổng quan hóa sinh về receptor của

Khám phá tổng quan hóa sinh về receptor GLP-1 và tiềm năng phát triển thuốc điều trị đái tháo đường typ 2 qua khóa luận tốt nghiệp dược sĩ của Lê Thị Oanh.

• Tác giả: Lê Thị Oanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Bắc
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược
• Đề tài: Tổng Quan Hóa Sinh Về Receptor Của GLP-1 Và Tiềm Năng Trong Phát Triển Thuốc Điều Trị Đái Tháo Đường Typ 2
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Receptor GLP 1 Và Cấu Trúc Của Nó

Receptor GLP-1 (GLP-1R) là một trong những receptor quan trọng nhất trong điều trị đái tháo đường typ 2. Khóa luận của Lê Thị Oanh tại Trường Đại Học Dược Hà Nội năm 2018 cung cấp tổng quan hóa sinh chi tiết về cơ chế hoạt động của receptor này. GLP-1R thuộc nhóm receptor liên kết với protein G (GPCR), có vai trò điều hòa tiết insulin và kiểm soát glucose máu. Cấu trúc của GLP-1R bao gồm các vùng extracellular loops (ECL), transmembrane domains, và intracellular loops. Những vùng này tương tác phức tạp với GLP-1, giúp kích hoạt các con đường truyền tín hiệu quan trọng. Sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và chức năng GLP-1R là nền tảng để phát triển các thuốc điều trị hiệu quả.

1.1. Cấu Trúc Molecular Của GLP 1R

GLP-1R là một G-protein coupled receptor có cấu trúc bảy vòng xuyên màng điển hình. Vùng N-terminal extracellular là khu vực liên kết chính với GLP-1 peptide. Vùng này chứa các beta-sheets và alpha-helices tạo nên túi liên kết specificity cao. Các extracellular loops đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định cấu trúc receptor. Domain transmembrane hoạt động như cầu nối giữa tín hiệu ngoài và trong tế bào, kích hoạt các protein G heterotrimer.

1.2. Các Vị Trí Biểu Hiện GLP 1R Trong Cơ Thể

GLP-1R được biểu hiện rộng rãi trên các tế bào beta tụy, nơi nó điều hòa tiết insulin. Receptor cũng hiện diện trên các tế bào trong dạ dày, ruột non, và não bộ. Sự phân bố rộng này giải thích tại sao agonists GLP-1R có tác dụng giảm cân và cải thiện kiểm soát glucose. Biểu hiện trong não bộ liên quan đến điều hòa cảm giác chán ăn và hành vi ăn uống, góp phần vào hiệu quả giảm cân của các thuốc này.

II. Sinh Tổng Hợp Chuyển Hóa Và Tác Dụng Sinh Học Của GLP 1

GLP-1 (Glucagon-like peptide-1) là một hormone incretin được sản xuất từ các tế bào L trong đường tiêu hóa. Khóa luận của Lê Thị Oanh chi tiết hóa quá trình sinh tổng hợp GLP-1 từ tiền chất proglucagon. GLP-1 được bài tiết đáp ứng với sự hấp thụ glucose và các chất dinh dưỡng khác. Chuyển hóa GLP-1 chủ yếu thực hiện bởi enzyme DPP-4, làm giảm nhanh nồng độ hormone này trong máu. Các tác dụng sinh học của GLP-1 bao gồm kích thích tiết insulin glucose-dependent, ức chế bài tiết glucagon, làm chậm quá trình làm rỗng dạ dày, và tăng cảm giác no. Những tác dụng này làm GLP-1 trở thành đích điều trị lý tưởng cho đái tháo đường typ 2.

2.1. Cấu Trúc Hóa Học Của GLP 1

GLP-1 là một peptide 30 amino acid với cấu trúc hóa học độc đáo. Dạng hoạt động GLP-1(7-36)amide chứa các nhóm amino acid khác với glucagon. N-terminal chứa His-Ala-Glu đặc trưng. Cấu trúc alpha-helical của GLP-1 cũng đóng vai trò quan trọng trong sự liên kết với receptor. Các công thức hóa học này được sử dụng như mô hình để thiết kế các agonist GLP-1R.

2.2. Tác Dụng Sinh Học Chính Của GLP 1

GLP-1 thực hiện các tác dụng sinh học chính bao gồm ức chế tăng glucose máu sau bữa ăn. Cơ chế hành động bao gồm kích thích tiết insulin glucose-dependent, tránh hạ đường huyết. GLP-1 cũng ức chế bài tiết glucagon và làm chậm làm rỗng dạ dày. Những tác dụng này tổng hợp giúp cải thiện kiểm soát glucose mà không gây hạ đường huyết nguy hiểm.

III. Sự Tương Tác Giữa GLP 1R Với GLP 1 Và Truyền Tín Hiệu

Sự tương tác giữa GLP-1R và GLP-1 là một quá trình hai giai đoạn phức tạp được khóa luận Lê Thị Oanh phân tích chi tiết. Giai đoạn đầu tiên liên quan đến sự liên kết N-terminal của GLP-1 với vùng extracellular N-terminal của GLP-1R. Giai đoạn thứ hai bao gồm tương tác giữa C-terminal của GLP-1 với vùng transmembrane và extracellular loops của receptor. Quá trình này kích hoạt protein G, đặc biệt là Gs proteins, dẫn đến tăng cAMP intracelluloar. cAMP sau đó kích hoạt protein kinase A (PKA) và exchange protein Epac2, khởi động các con đường tín hiệu hạ lưu. Sự truyền tín hiệu này giải thích tại sao các agonist GLP-1R có tác dụng sinh học mạnh mẽ.

3.1. Các Giai Đoạn Liên Kết GLP 1 Với GLP 1R

Giai đoạn 1 của liên kết GLP-1 với GLP-1R bao gồm sự tương tác giữa N-terminal của GLP-1 và vùng NTD (N-terminal domain) của receptor. Tương tác này tương đối specificity và tuyên bố độc lập. Giai đoạn 2 bao gồm tương tác C-terminal tạo nên trạng thái aktivasi hoàn chỉnh của receptor. Hai giai đoạn này không thể tách rời để đạt được kích hoạt tối đa.

3.2. Con Đường Truyền Tín Hiệu Sau Kích Hoạt GLP 1R

Sau khi GLP-1 liên kết, GLP-1R kích hoạt Gs-protein, dẫn đến tăng cAMP. Nồng độ cAMP cao kích hoạt PKA và Epac proteins. Các protein này phosphorylate nhiều tác nhân hạ lưu bao gồm CREB và CRE-binding proteins. Con đường tín hiệu này cuối cùng làm tăng biểu hiện gen insulin và giảm apoptosis của tế bào beta.

IV. Hướng Phát Triển Thuốc Điều Trị Đái Tháo Đường Typ 2 Tác Dụng Tại GLP 1R

Khóa luận của Lê Thị Oanh phân tích các hướng phát triển thuốc hiện đại tác dụng tại GLP-1R. Có hai nhóm thuốc chính: thuốc chủ vận peptid GLP-1R (GLP-1RA) như exendin-4, liraglutide, và các chất phân tử lượng nhỏ. Thuốc peptid GLP-1RA có hiệu quả cao nhưng cần tiêm, trong khi các thuốc phân tử nhỏ có tiềm năng dùng đường uống. Xu hướng điều chỉnh dị lập thể tập trung vào việc phát triển các agonist allosteric tác dụng tại các vị trí khác trên receptor. Xu hướng chọn lọc chức năng nhằm tạo ra các thuốc có G-protein bias hoặc beta-arrestin bias, tối ưu hóa hiệu quả trị liệu và giảm tác dụng phụ.

4.1. Thuốc Chủ Vận Peptid GLP 1R GLP 1RA

GLP-1RA bao gồm các thuốc như exendin-4, liraglutide, dulaglutide, và semaglutide. Những thuốc này có độ tương đồng cao với GLP-1 tự nhiên nhưng kháng enzym DPP-4 tốt hơn. Liraglutide là agonist GLP-1R phức tạp với thời gian tác dụng kéo dài. Các thuốc GLP-1RA có hiệu quả giảm đường huyết mạnh, giảm cân đáng kể, và bảo vệ tim mạch.

4.2. Thuốc Phân Tử Lượng Nhỏ Tác Dụng Tại GLP 1R

Các chất phân tử nhỏ như AC2993 và các agonist allosteric đang được phát triển như thay thế dùng đường uống cho GLP-1RA. Những thuốc này có khả năng thấm da tốt hơn và có thể dùng đường miệng. Xu hướng hiện tại là tạo các agonist chọn lọc kích hoạt G-protein pathways mạnh mẽ hơn beta-arrestin pathways, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả trị liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Đái tháo đường typ 2 là một bệnh mạn tính nghiêm trọng đang gia tăng nhanh chóng trên toàn thế giới. Theo Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (International Diabetes Federation - IDF), bệnh đái tháo đường ảnh hưởng ít nhất đến 285 triệu người trên thế giới vào năm 2010 và dự kiến đạt 438 triệu người vào năm 2030, với 2/3 tổng số trường hợp xảy ra ở các nước đang phát triển có thu nhập từ thấp đến trung bình, đặt ra một gánh nặng rất lớn đối với kinh tế và xã hội của các nước đó [76]. Bệnh đái tháo đường typ 2 được đặc trưng bởi tình trạng kháng insulin ở mô đích và sự suy giảm chức năng của tế bào beta tuyến tụy dẫn đến nồng độ glucose máu tăng cao mạn tính, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng như suy thận, mù lòa, các bệnh thần kinh và bệnh tim mạch. Hiện nay đã có nhiều thuốc điều trị bệnh đái tháo đường typ 2, tuy nhiên hiệu quả lâu dài trong điều trị của các thuốc này còn hạn chế và gây nhiều tác dụng bất lợi trên người bệnh.

Do vậy, việc tìm kiếm thêm các đích tác dụng mới ưu việt hơn nhằm điều trị/kiểm soát đái tháo đường typ 2 là vô cùng cần thiết. Đã có nhiều nghiên cứu cho rằng receptor của GLP-1 (GLP-1R) mang lại bước tiến quan trọng và độc đáo trong điều trị bệnh đái tháo đường typ 2. Chúng không chỉ mang lại lợi ích trong kiểm soát đường huyết bằng cách tăng tiết insulin phụ thuộc glucose, ức chế tiết glucagon mà còn bảo tồn chức năng của tế bào beta và cải thiện tình trạng các bệnh liên quan đến đái tháo đường typ 2 như tăng huyết áp, tăng lipid máu và béo phì [11], [17]. Vì vậy, GLP-1R trở thành một đích tiềm năng trong phát triển các thuốc điều trị đái tháo đường typ 2.

Hiện nay đã có một số peptid là chất chủ vận của GLP-1R đã được đưa vào phác đồ điều trị đái tháo đường typ 2 và một số chất phân tử lượng nhỏ khác tác dụng trên GLP-1R vẫn đang được nghiên cứu để phát triển thành thuốc. Để làm sáng tỏ vai trò của GLP-1R và những hướng phát triển thuốc dựa vào đích này, chúng tôi thực hiện đề tài “Tổng quan hóa sinh về receptor của GLP-1 và tiềm năng trong phát triển thuốc điều trị đái tháo đường typ 2” với những mục tiêu cụ thể sau: 1. Tổng quan được GLP-1R về cấu trúc, chức năng, tương tác với GLP-1 và một số con đường truyền tín hiệu. Phân tích được các hướng phát triển thuốc tác dụng tại GLP-1R.

TỔNG QUAN VỀ RECEPTOR CỦA GLP-1 1. Cấu trúc của GLP-1R Receptor của GLP-1 (GLP-1R) có bản chất là một protein xuyên màng gồm 463 acid amin, thuộc nhóm B của họ các receptor gắn với protein G (G protein- coupled receptors - GPCR) [87]. GLP-1R có khả năng tương tác với nhiều chất chủ vận nội sinh và ngoại sinh, bao gồm glucagon-like peptide-1 (GLP-1) nội sinh, oxyntomodulin (OXM) nội sinh và exendin-4 (Ex4) ngoại sinh (hình 1. 7 15 36 GLP-1(7-37) HAEGTFTSDVSSYLEGQAAKEFIAWLVKGRG Oxyntomodulin HSQGTFTSDYSKYLDSRRAQDFVQWLMNTKRNRNIA Exendin-4 HGEGTFTSDLSKQMEEEAVRLFIEWLKNGGPSSGAPPPS Hình 1.

Cấu trúc hóa học của các chất chủ vận GLP-1R. Cũng như tất cả các GPCR nhóm B khác, cấu trúc của GLP-1R mang các đặc tính điển hình sau. Receptor của GLP-1 được cấu tạo bởi một vùng xuyên màng (transmembrane domain - TM) gồm bảy vòng xoắn alpha helix từ TM1 đến TM7 (hình 1. Bảy đoạn xoắn này được nối với nhau bởi ba vòng lặp ngoại bào (extracellular loops – ECL) ECL1, ECL2, ECL3 và ba vòng lặp nội bào (intracellular loops – ICL) ICL1, ICL2, ICL3 [36].

Vùng ngoại bào đầu N tận (N- terminal domain - NTD) tương đối dài chịu trách nhiệm cho ái lực gắn kết của receptor với chất chủ vận peptid [132]. Ngoài ra, GLP-1R còn có 6 cystein bảo tồn ở vùng ngoại bào tạo thành ba cầu nối disulfid bảo tồn và một vùng đầu C tận nằm trong tế bào [132]. Đầu N tận ở vùng ngoại bào của GLP-1R đóng vai trò quan trọng trong ái lực liên kết và nhận diện GLP-1. Cụ thể, nó chịu trách nhiệm tương tác với đầu C tận của GLP-1, tạo cơ sở cho bước tương tác tiếp theo.

Trong khi đó, phần xuyên màng của receptor (hay còn gọi là vùng lõi của receptor) sẽ kết hợp với đầu N tận của GLP-1. Tương tác với phần lõi của GLP-1R có thể ảnh hưởng lớn đến tính đặc hiệu và sự dẫn truyền tín hiệu của receptor [5], [22]. Mô hình hai vùng liên kết với GLP-1 của GLP-1R đã được chấp nhận rộng rãi và được chứng minh bằng nhiều kết quả thực nghiệm [63], [140]. Tuy nhiên, mặc dù dữ liệu có vẻ dồi dào nhưng vẫn có những khoảng trống kiến thức lớn đối với việc hiểu rõ cấu trúc hoàn chỉnh 2 của GLP-1R nói riêng và các GPCR nói chung.

Ví dụ như liệu có tồn tại một khe kết nối xác định trên các receptor này hay không. Hơn nữa, sự liên quan giữa hướng của đầu N tận của GLP-1R với màng sinh chất là không chắc chắn, và rất khó khăn để thiết lập mô hình thí nghiệm hoặc sử dụng mô hình phân tử để xác định điều này [22], [112]. Cấu trúc của GLP-1R [35]. Các vị trí biểu hiện của GLP-1R trong cơ thể Các vị trí biểu hiện của GLP-1R trên mô hình động vật thí nghiệm và con người đã được phát hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau với sự đa dạng về độ nhạy và độ phân giải.

Những tác dụng sinh học quan trọng của GLP-1R được thể hiện thông qua sự hoạt hóa receptor bởi các chất chủ vận của nó và có thể dự đoán được thông qua vị trí của receptor trong cơ thể [123]. Tuy nhiên, việc xác định các vị trí này vẫn còn gặp phải rất nhiều khó khăn. Đã có rất nhiều nghiên cứu chứng minh rằng GLP-1R có mặt trong các tế bào của đảo tụy ở cả loài gặm nhấm và người [18], [91]. Có ba loại tế bào chủ yếu trong đảo tụy, bao gồm tế bào beta giải phóng insulin chiếm 65-80% các tế bào của đảo tụy, tế bào alpha chiếm 15-20% có chức năng giải phóng glucagon và tế bào 3 delta tiết somatostatin chiếm 3-10%.

Dựa trên kết quả từ nhiều kỹ thuật hiện đại được sử dụng, GLP-1R được chứng minh là có mặt trong các tế bào beta của đảo tụy và sự biểu hiện này là phù hợp với số lượng lớn dữ liệu đã chỉ ra rằng GLP-1R làm tăng bài tiết insulin phụ thuộc glucose [61], [62]. Cũng có một số báo cáo cho rằng GLP-1R được biểu hiện trên cả tế bào alpha (tiết glucagon) và tế bào delta (tiết somatostatin) ở loài gặm nhấm [70], [71]. Tuy nhiên, điều này không được chứng minh trên người và vẫn còn gây nhiều tranh cãi [153]. Ngoài biểu hiện trên các tế bào đảo tụy, GLP-1R còn được phát hiện trong các tế bào của ống dẫn dịch tụy, đây là một phát hiện có ý nghĩa quan trọng trong mối liên quan giữa viêm tụy và việc sử dụng các chất tương tự GLP-1 [66], [165].

Bên cạnh đó, GLP-1R còn được tìm thấy ở não. Trong hệ thần kinh trung ương, GLP-1R được phát hiện ở vùng đồi thị, vùng dưới đồi và thân não ở cả loài chuột [149], [167] và con người [7]. Có một số bằng chứng trên mô hình động vật cho thấy sự có mặt của GLP-1R trên tĩnh mạch cửa gan [12], [119]. Hay bằng cách sử dụng các kỹ thuật hiện đại, một lượng nhỏ GLP-1R cũng được tìm thấy trong ruột.

Ngoài các biểu hiện trên, GLP-1R còn được phát hiện ở các cơ quan khác như thận, phổi, tim và vú với số lượng rất nhỏ [91]. Tổng quan về GLP-1 GLP-1 là chất chủ vận nội sinh của GLP-1R, có vai trò quan trọng trong việc duy trì bài tiết insulin ở bệnh nhân đái tháo đường typ 2. Sinh tổng hợp, bài tiết và chuyển hóa GLP-1 Proglucagon là một tiền hormon gồm 160 acid amin, có chủ yếu ở tế bào alpha của tụy và tế bào L ở hồi tràng và kết tràng [133]. Tiến hành phân cắt sau dịch mã đặc hiệu tế bào của gen này tạo ra glucagon, GLP-1, glucagon-like peptide-2 (GLP-2), oxyntomodulin và glicentin (hình 1.

Như vậy, GLP-1 là một sản phẩm sau dịch mã đặc hiệu tế bào của proglucagon và được sản xuất chủ yếu ở các tế bào L của hồi tràng và đại tràng. Ở người, GLP-1(7-36) đại diện cho phần lớn hoạt động tăng tiết insulin sau bữa ăn và được gọi tắt là GLP-1 [123]. Cấu trúc và quá trình phân cắt proglucagon ở các mô khác nhau [74]. Hàm lượng chất dinh dưỡng trong ruột là tác nhân chính gây ra sự bài tiết GLP-1.

Trong đó, carbohydrat là chất kích thích mạnh nhất, sau đó là các acid béo không no [43], [152]. Tuy nhiên, các cơ chế cho sự bài tiết GLP-1 là rất phức tạp và không rõ ràng, với nhiều yếu tố được cho là tác động lên sự phóng thích của nó, bao gồm cả các yếu tố thần kinh và nội tiết [132]. GLP-1 được bài tiết theo cơ chế 2 pha, pha đầu diễn ra trong 5-15 phút và pha sau kéo dài từ 30 đến 60 phút của bữa ăn [72]. Sau bữa ăn, nồng độ GLP-1 tiết ra từ các tế bào L của đại tràng và hồi tràng tăng lên đáng kể.

Tuy nhiên, dưới tác dụng của enzym dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4), GLP-1 nhanh chóng bị phân tách ở giữa các acid amin vị trí số 8 và số 9 tạo thành GLP- 1(9-36) hoặc GLP-1(9-37). Hai chất này không có tác dụng làm tăng tiết insulin và bị thải trừ rất nhanh, chỉ trong 2-3 phút [68], [111]. GLP-1 cũng là cơ chất của enzym neutral endopeptidase (NEP) [77]. Một nghiên cứu trên lợn cho thấy NEP có thể hạ thấp gần một nửa nồng độ GLP-1 đang lưu hành bằng cách tách GLP-1 ở một số vị trí, tạo sản phẩm phân cắt không còn tác dụng tăng tiết insulin [77].

Cấu trúc hóa học của GLP-1 7 15 25 35 GLP-1 HAEGTFTSDVSSYLEGQAAKEFIAWLVKGRG Hình 1. Cấu trúc của GLP-1. GLP-1 là một peptid gồm 30 hoặc 31 acid amin vì GLP-1 tồn tại ở hai dạng phân tử hoạt động được tạo ra cùng lúc là GLP-1(7-36) và GLP-1(7-37) (hình 1. Suzuki đã chứng minh rằng acid amin His7 đầu N tận đóng vai trò rất quan trọng trong tác dụng kích thích bài tiết insulin của GLP-1 [36].

Trong khi GLP-1(7- 37) thể hiện tác dụng rất rõ ràng thì GLP-1(8-37) lại không. Tương tự, khi cắt ngắn hai acid amin đầu C tận (Arg36 và Gly37) sẽ dẫn đến giảm tác dụng của GLP-1. Mojsov đã chứng minh rằng việc loại bỏ một đoạn peptid đầu C tận làm giảm 5-10 lần ái lực, trong khi loại bỏ His7 đầu N tận tạo GLP-1(8-37) và GLP-1(8-36) hay để nguyên dạng đầy đủ đầu N tận là GLP- 1(1-37) cũng làm giảm hơn 300 lần ái lực của GLP-1 với GLP-1R [36].