Xây Dựng Mô Hình Phân Loại và Dự Đoán Chất Ức Chế Bơm Ngược P-Glycoprotein

Nghiên cứu mô hình phân loại và dự đoán chất ức chế bơm pglycoprotein nora, ứng dụng sàng lọc chalcon ức chế Staphylococcus aureus.

• Tác giả: Ngô Triều Dủ
• Người hướng dẫn: TS. Thái Khắc Minh
• Trường học: Đại Học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Dược
• Đề tài: Mô Hình Dự Đoán Chất Ức Chế Bơm Ngược P-Glycoprotein và Ứng Dụng Sàng Lọc Chalcon
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về các bơm ngược nghiên cứu
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Dự Đoán Chất Ức Chế P Glycoprotein

Mô hình dự đoán chất ức chế bơm ngược P-glycoprotein (P-gp) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả cho bệnh nhân ung thư và nhiễm trùng. P-gp là một protein màng có khả năng bài xuất thuốc ra khỏi tế bào, dẫn đến sự giảm hiệu quả của các liệu pháp hóa trị. Việc xây dựng mô hình dự đoán giúp xác định các chất ức chế tiềm năng, từ đó cải thiện khả năng điều trị và giảm thiểu tình trạng đề kháng thuốc.

1.1. P Glycoprotein và Vai Trò của Nó trong Đề Kháng Thuốc

P-glycoprotein (P-gp) là một trong những protein quan trọng nhất trong việc điều hòa sự hấp thu và thải trừ thuốc. Nó có khả năng làm giảm nồng độ thuốc trong tế bào, dẫn đến tình trạng đề kháng đa thuốc (MDR). Nghiên cứu cho thấy P-gp có thể ảnh hưởng đến dược động học của nhiều loại thuốc, từ đó làm giảm hiệu quả điều trị.

1.2. Các Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Dự Đoán

Các phương pháp xây dựng mô hình dự đoán chất ức chế P-gp bao gồm thiết kế dựa trên cấu trúc và dựa trên phối tử. Những phương pháp này giúp xác định các đặc tính lý hóa cần thiết để phát triển các chất ức chế hiệu quả, từ đó hỗ trợ trong việc tìm kiếm các ứng viên mới cho điều trị.

II. Thách Thức trong Nghiên Cứu Chất Ức Chế Bơm Ngược

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về chất ức chế bơm ngược P-gp, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc phát triển các liệu pháp hiệu quả. Các chất ức chế hiện tại thường gặp phải vấn đề về tính an toàn, độc tính và khả năng tương tác với các thuốc khác. Điều này làm cho việc tìm kiếm các chất ức chế mới trở nên cấp thiết.

2.1. Vấn Đề Tính An Toàn và Độc Tính của Chất Ức Chế

Nhiều chất ức chế P-gp hiện tại có thể gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe bệnh nhân. Việc phát triển các chất ức chế mới với tính an toàn cao hơn là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Khó Khăn trong Việc Tìm Kiếm Chất Ức Chế Mới

Việc tìm kiếm các chất ức chế mới cho P-gp gặp khó khăn do tính đa dạng của các chất nền và sự phức tạp trong cơ chế hoạt động của P-gp. Nghiên cứu cần phải sử dụng các công nghệ tiên tiến để phát hiện và phát triển các chất ức chế hiệu quả.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Hình Dự Đoán Chất Ức Chế

Phương pháp nghiên cứu mô hình dự đoán chất ức chế bơm ngược P-gp bao gồm việc sử dụng các thuật toán học máy và các công cụ mô phỏng in silico. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình phát hiện và phát triển các chất ức chế mới.

3.1. Sử Dụng Thuật Toán Học Máy trong Dự Đoán

Các thuật toán học máy như Random Forest và Support Vector Machine được áp dụng để phân loại và dự đoán hoạt tính của các chất ức chế P-gp. Những mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định các ứng viên tiềm năng.

3.2. Mô Phỏng In Silico và Đánh Giá Tương Tác

Mô phỏng in silico cho phép nghiên cứu các tương tác giữa chất ức chế và P-gp, từ đó xác định các đặc tính cần thiết cho hoạt tính ức chế. Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển thuốc.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mô Hình Dự Đoán

Mô hình dự đoán chất ức chế P-gp không chỉ giúp phát hiện các chất ức chế mới mà còn có thể ứng dụng trong việc sàng lọc các hợp chất có khả năng ức chế bơm ngược NorA. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng thuốc.

4.1. Sàng Lọc Chalcon Có Khả Năng Ức Chế

Chalcon là một nhóm hợp chất có tiềm năng trong việc ức chế P-gp và NorA. Việc sàng lọc các chalcon này giúp tìm ra những ứng viên có khả năng điều trị hiệu quả các bệnh nhiễm trùng kháng thuốc.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số chalcon có khả năng ức chế P-gp và NorA, từ đó cải thiện hiệu quả điều trị. Những kết quả này mở ra cơ hội cho việc phát triển các liệu pháp mới trong điều trị bệnh.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu

Mô hình dự đoán chất ức chế bơm ngược P-gp và NorA là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu dược phẩm. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong việc phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn cho bệnh nhân.

5.1. Tương Lai của Mô Hình Dự Đoán

Nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng để phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn, từ đó tìm ra nhiều chất ức chế mới có tiềm năng trong điều trị.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các chất ức chế đã được phát hiện, đồng thời đánh giá tính an toàn và hiệu quả của chúng trong các thử nghiệm lâm sàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về các bơm ngược nghiên cứu 1. Tổng quan về P-glycoprotein P-glycoprotein của người (P-gp) được mã hóa bởi gen ABCB1/MDR1 và được Dano mô tả lần đầu tiên vào năm 1973 [35]. Đây là một trong những thành viên quan trọng nhất và được nghiên cứu nhiều nhất của liên họ các protein chuyên chở phụ thuộc ATP (ATP Binding Cassette - ABC) [177], [220].

Hoạt tính bơm ngược sử dụng năng lượng, tính đặc hiệu chất nền rộng (các hợp chất tự nhiên, các tác nhân kháng ung thư, các peptid, các steroid, các lipid, các cytokin, thuốc nhuộm và các ion), cùng với sự phân bố ở cả các mô bình thường (ruột, não, tinh hoàn, nhau thai, gan và thận) và khối u, là nền tảng cho các vai trò của protein này trong sinh lý của cơ thể và trong hóa trị liệu [166]. Với sự tham gia vào cơ chế phòng vệ tự nhiên chống lại các chất ngoại sinh như độc tố và thuốc, P-gp được xem là một protein không mục tiêu (antitarget/nontarget) trong quá trình khám phá và phát triển thuốc, cùng với kênh kali hERG (human ether-a-go-go related gene), hệ thống các enzym cytochrom P450s và thụ thể trong nhân PXR (pregnane X-receptor) [62], [182]. Việc chẹn P-gp bằng các chất ức chế (ví dụ ketoconazol) có thể làm thay đổi nồng độ trong máu của các thuốc sử dụng chung (ví dụ terfenadin) hoặc của chất chuyển hóa, dẫn đến các tương tác thuốc - thuốc và các tác dụng dược lý không mong muốn (ví dụ kéo dài khoảng QT/xoắn đỉnh) [190]. Ngoài vai trò bảo vệ cơ thể, P-gp còn đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng đề kháng đa thuốc (multidrug resistance - MDR) của các tế bào ung thư dựa trên khả năng chuyên chở chủ động các thuốc gây độc tế bào ra ngoài và cũng được xem là một mục tiêu lâm sàng trong hóa trị liệu [93].

Các nhóm thuốc kháng ung thư là chất nền của P-gp bao gồm anthracyclin (doxorubicin, daunorubicin, epirubicin, idarubicin), alkaloid dừa cạn (vincristin, vinblastin, vinoreblin, vindesin), taxan (paclitaxel, docetaxel), epipodophyllotoxin (etoposid, teniposid), camptothecin (topotecan, irinotecan) và nhóm các thuốc khác (mitoxantron, trimetrexat, actinomycin D, methotrexat, colchicin, tamoxifen, imatinib, mitomycin C, amasacrin) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự ức chế P-gp được nhắm đến để đối phó với kiểu hình MDR ở các bệnh nhân ung thư thông qua việc làm tăng sự tích lũy nội bào của các thuốc chất nền và vì vậy làm tăng độc tính tế bào của những thuốc này [15]. Bên cạnh ung thư, P-gp còn được quan tâm trong một số bệnh lý khác như Alzheimer, động kinh, mất trí liên quan HIV, viêm khớp dạng thấp, ban xuất huyết giảm tiểu cầu miễn dịch và lupus ban đỏ hệ thống [136]. Về mặt cấu trúc, P-gp là một protein xuyên màng với khối lượng 170 kDa được tạo thành bởi hai nửa đối xứng là N tận (N-terminal) và C tận (C-terminal) [150].

Mỗi nửa phân tử chứa sáu vùng xuyên màng (transmembrane domain - TMD), theo sau là một vùng gắn kết nucleotid (nucleotide-binding domain - NBD). Các vùng xuyên màng TMD 4, 5, 10 và 11 tạo thành một khoang gắn kết thuốc có thể tích lớn khoảng 6000 Å3 ở bên trong, mở hướng về cả bào tương và nửa trong của lớp lipid kép giúp cho sự đi vào của thuốc và có thể chứa ít nhất hai chất cùng một lúc (Hình 1. Ngoài ra, tính linh hoạt về hình thể cũng là một yếu tố quan trọng cho khả năng gắn kết và chuyên chở nhiều chất nền đa dạng [198]. Cho đến nay, ABCB10 là protein chuyên chở ABC duy nhất của người được phân giải để sử dụng cho các phương pháp dựa vào cấu trúc, bên cạnh các cấu trúc tia X của một vài protein chuyên chở ABC khác có nguồn gốc từ các sinh vật chưa có nhân điển hình như vi khuẩn và có nhân điển hình như chuột [112], [169].

Để khắc phục những khó khăn do sự không sẵn có các cấu trúc tinh thể ba chiều (3D) ở độ phân giải cao của P-gp, các mô hình tương đồng của protein này đã được tạo ra sử dụng các cấu trúc liên quan đã được phân giải làm đĩa mẫu. Cho ví dụ, công trình nghiên cứu gần đây của Ambudkar và cộng sự đã tiết lộ nhiều vị trí gắn kết hoạt tính cho các chất nền và chất điều hòa, bao gồm một vị trí chính yếu nằm trong một túi lớn linh hoạt trong các vùng xuyên màng và các vị trí thứ cấp khác, từ sự kết hợp các phương pháp mô hình hóa tương đồng (homology modeling), docking phân tử (molecular docking), đột biến điểm định hướng (site- directed mutagenesis) với các thử nghiệm dựa trên tế bào và màng tế bào [28]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của P-gp chuột: (A) mặt trước và (B) mặt sau.

Các domain xuyên màng và domain gắn kết nucleotid lần lượt được đánh dấu từ TM 1-12 và NBD 1-2. Nửa N tận và nửa C tận lần lượt được tô màu vàng và xanh. Các TM 4-5 và TM 10- 11 tạo thành các giao diện xoắn vào nhau giúp ổn định hình thể hướng vào trong. Các thanh ngang đại diện cho vị trí xấp xỉ của lớp lipid kép “Nguồn: Aller S.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tổng quan về NorA Các bơm ngược được tìm thấy ở hầu hết tất cả các loại vi khuẩn và được chia thành năm họ dựa vào thành phần, số lượng các vùng kéo dài xuyên màn, nguồn năng lượng và chất nền của chúng. Ngoài Họ đề kháng-sự hình thành nốt-phân chia (Resistance-Nodulation-Division (RND) family) chỉ được tìm thấy ở vi khuẩn gram âm; bốn họ còn lại là Liên họ trợ giúp chính (Major Facilitator Superfamily - MFS); Liên họ sử dụng ATP (ATP Binding Cassette (ABC) superfamily); Họ đề kháng đa thuốc nhỏ (Small Multidrug Resistance (SMR) family) và Họ bài xuất chất độc và đa thuốc (Multidrug and Toxic Compound Extrusion (MATE) family) phân bố rộng khắp ở cả vi khuẩn gram dương và gram âm. Trong đó, các thành viên thuộc họ MFS sử dụng nguồn năng lượng từ gradient proton để bài xuất các chất nền của chúng và là những bơm ngược quan trọng về mặt lâm sàng do gây ra hiện tượng MDR trên vi khuẩn gram dương, bao gồm NorA của S.

Với gen biểu lộ quá mức ở 43 % số chủng, NorA là mục tiêu được nghiên cứu nhiều nhất trong số các bơm ngược giúp bài xuất các tác nhân kháng khuẩn của S. Gen NorA được nhân bản từ nhiễm sắc thể của một chủng lâm sàng kháng fluoroquinolon và trình tự nucleotid của nó được dự đoán mã hóa cho một protein với 12 mảnh xuyên màng [211]. Do tính đặc hiệu chất nền rộng, protein này có khả năng bơm ngược nhiều chất nền khác nhau về cấu trúc, chẳng hạn như các fluoroquinolon thân nước (ví dụ ciprofloxacin), các kháng sinh, chất diệt khuẩn khác và thuốc nhuộm (ví dụ ethidium bromid) [98]. Cấu trúc tinh thể của một protein chuyên chở thuộc họ MFS là EmrD của Escherichia coli được công bố năm 2006 [210] và sự sắp xếp cấu trúc của nó có thể phản ánh cấu trúc chung của các bơm MFS, bao gồm 12 chuỗi xoắn xuyên màn tạo thành một cấu trúc gắn kết với 04 chuỗi H3, H6, H9 và H12 đối diện phía trong và các chuỗi còn lại tạo thành khoang nội tại chứa chủ yếu các thành phần kỵ nước (lõi kỵ nước) để chuyên chở các chất thân dầu.

Các đặc tính cấu trúc tương tự của họ MFS cũng được mô tả gần đây (Hình 1.2) dựa trên một thành viên khác của họ là LacY, lactose permease của E. Việc thiếu thông tin cấu trúc của NorA và sự LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 tương tác phân tử của protein này với các chất ức chế và chất nền đã gây nhiều trở ngại cho những nỗ lực nghiên cứu dựa trên cấu trúc. Tuy nhiên, NorA lại có sự tương đồng với các bơm protein khác của vi khuẩn, chẳng hạn như một số bơm ngược đặc hiệu tetracyclin của vi khuẩn gram âm (20-25 %) hay Bmr của Bacillus subtilis (44 %), … [119]. Do đó, các mô hình tương đồng của nó có thể được tạo ra để hỗ trợ cho thiết kế thuốc dựa vào mục tiêu tác động, tương tự như P-gp.

Giản đồ cấu trúc của họ các protein bơm ngược đề kháng đa thuốc MFS được tạo ra bằng phần mềm UCSF Chimera 1.10 từ lactose permease của E. coli (LacY) “Nguồn: Schindler B. Các chất ức chế bơm ngược đề kháng đa thuốc Sử dụng các chất ức chế bơm ngược (efflux pump inhibitor - EPI) như P-gp và NorA là một chiến lược được chấp nhận rộng rãi để khôi phục sự nhạy cảm hóa học trong điều trị kháng ung thư và kháng khuẩn [3], [78], [130], [178], [215]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Các chất ức chế P-gp Các chất ức chế thế hệ I, II và III lần lượt được phát triển qua ba thập kỷ dựa trên việc sàng lọc các hợp chất có sẵn, tối ưu hóa phân tử mẹ và tổng hợp hóa học, kết hợp với các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng [136]. Các chất ức chế thế hệ I Nhóm này bao gồm các tác nhân dược lý ban đầu được phát triển cho các chỉ định khác nhưng sau đó được ghi nhận là chất nền kiêm chất ức chế P-gp. Thuốc chẹn kênh calci chống cao huyết áp verapamil, chất đối vận calmodulin trifluoperazin, chất ức chế miễn dịch cyclosporin, các thuốc tim mạch khác như quinidin, reserpin và yohimbin, kháng estrogen tamoxifen và toremifen, và kháng khối u vincristin đều thuộc phân loại này. Hầu hết các chất này cũng là chất nền của P-pg, chúng tương tác với protein, cạnh tranh với các chất nền khác và đóng vai trò như các chất ức chế cạnh tranh.

Bởi vì tất cả các chất ức chế thế hệ I được xác định bằng cách này nên rõ ràng chúng không chọn lọc và có tiềm lực kém. Nồng độ ức chế P-gp của chúng đạt đến mức độ gây độc tính cao, do đó nhiều chất ức chế này đã thất bại trong các thử nghiệm lâm sàng [36]. Các chất ức chế thế hệ II Các chất ức chế thế hệ I được biến đổi cấu trúc, cụ thể là tính quang hoạt (chirality) của chúng được thay đổi để làm vô hiệu tác dụng dược lý ban đầu và qua đó giảm độc tính của các chất mẹ. Dexverapamil là đồng phân R của verapamil không có hoạt tính trên tim, PSC 833 (valspodar) là một đồng đẳng của cyclosporin A không có tính chất ức chế miễn dịch, MS-209 và vài dẫn xuất hoặc đồng đẳng của các thuốc thế hệ I khác được xếp vào phân loại này.

Các chất điều hòa này vẫn còn giữ tính chất chất nền của P-gp và cho thấy ái lực thấp với protein. Vì vậy, liều ức chế P-gp của chúng nằm ngoài giới hạn liều có thể dung nạp.