MỞ ĐẦU Hệ miễn dịch đƣợc xem nhƣ một hàng rào bảo vệ cơ thể khỏi các tác nhân gây bệnh cho cơ thể, đặc biệt trong bệnh lý ung thƣ. PD-L1 (programmed death ligand) là protein xuyên màng loại 1 có kích thƣớc 40 kDa liên quan đến ức chế miễn dịch. PD-L1 biểu hiện ở mức độ thấp trong một số loại tế bào nhƣ tế bào trình diện kháng nguyên, tế bào B, tế bào T, đại thực bào, tế bào mast, cũng nhƣ một số loại tế bào biểu mô và nội mô [39]. Tuy nhiên, PD-L1 có thể biểu hiện ở mức độ cao trong khối u và các tế bào miễn dịch sau khi tiếp xúc với các cytokin nhƣ interferon gamma.
Trong ung thƣ, sự gắn kết giữa PD-L1 của tế bào ung thƣ với PD-1 của bạch cầu T giúp bảo vệ các tế bào ác tính khỏi sự đào thải của hệ thống miễn dịch. Hiện nay chỉ có các kháng thể đơn dòng đƣợc FDA chấp thuận trong điều trị, cho phép hệ thống miễn dịch nhắm vào các tế bào ác tính. Tuy nhiên, liệu pháp miễn dịch bằng kháng thể đơn dòng vẫn có một số nhƣợc điểm nhƣ thời gian bán hủy rất dài, gây tác dụng phụ liên quan đến miễn dịch (irAEs), tính thấm thấp, quá trình sản xuất phức tạp và chi phí điều trị cao [2], [18], [46], [56]. Do đó, phát triển các chất ức chế phân tử nhỏ thay thế các kháng thể đơn dòng để chặn đƣờng PD-1/PD-L1 là lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu phát triển thuốc.
Hiện nay, chƣa có nghiên cứu nào trong nƣớc đƣợc công bố về sàng lọc ảo các chất ức chế PD-L1. Ở nƣớc ngoài, số lƣợng nghiên cứu trong lĩnh vực này chƣa nhiều, nổi bật là nghiên cứu của Ganesan [17] năm 2019, của Lung [26] năm 2020 và gần nhất là nghiên cứu sàng lọc trên các dẫn chất imidazopyridin của Butera [43] năm 2021. Tuy nhiên, chƣa có một nghiên cứu sàng lọc có hệ thống từ pharmacophore đến mô phỏng động lực học và tính toán năng lƣợng tự do. Dựa trên cấu trúc của PD-L1 và khoang gắn kết đã đƣợc xác định trong nghiên cứu của Skalniak và cộng sự [47] năm 2017 và Almahmoud và Zhong [64] năm 2019, nghiên cứu xây dựng mô hình in silico các phân tử nhỏ có khả năng ức chế PD-L1 thực hiện với mục tiêu tổng quát là tìm kiếm các cấu trúc phân tử nhỏ mới và có tác dụng ức chế thụ thể này.
Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm:. Thu thập cơ sở dữ liệu cấu trúc và hoạt tính của các chất ức chế PD-L1 từ 5 bằng sáng chế 2. Xây dựng các mô hình 3D-pharmacophore dựa trên các chất có hoạt tính ức chế mạnh để làm công cụ sàng lọc ảo. Xây dựng mô hình mô tả phân tử docking để khảo sát sự gắn kết của các chất ức chế PD-L1.
Ứng dụng mô hình 3D-pharmacophore, SwissADME và docking để sàng lọc ảo qua thƣ viện hóa học lớn (DrugBank, ZINC và MBHC) để tìm kiếm các chất mới có tiềm năng ức chế PD-L1. Mô phỏng động lực học phân tử và tính năng lƣợng liên kết cho các chất có hoạt tính tiềm năng nhất trong kết quả sàng lọc, để đánh giá sâu hơn khả năng gắn kết của chất đó lên PD-L1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ CHỐT KIỂM SOÁT MIỄN DỊCH Các chốt kiểm soát miễn dịch – Immune Checkpoint (ICP) là các liên kết đặc biệt giữa thụ thể trên bề mặt của tế bào miễn dịch với nhau, giữa tế bào trình diện kháng nguyên và tế bào T, hoặc giữa tế bào T và tế bào ung thƣ.
Các kết nối này điều hòa đáp ứng miễn dịch, đảm bảo rằng hệ miễn dịch có thể đáp ứng đủ mạnh trƣớc những tác nhân ngoại lai nhƣng cũng tránh hoạt động quá mức có thể gây hại cho các tế bào khỏe mạnh hoặc các mô khỏe mạnh. Tuy nhiên, cũng chính các chốt này đã trở thành ―tử huyệt‖ của hệ miễn dịch khi các nhà khoa học phát hiện thấy nhiều loại virus gây bệnh nhƣ HIV, viêm gan B, viêm gan C và đặc biệt là ung thƣ đã ―lợi dụng‖ điểm này để ―dập tắt‖ hoạt động của tế bào T. Qua đó, chúng có thể khoát khỏi sự phát hiện và tiêu diệt của hệ miễn dịch [38].1 tóm tắt các đặc điểm và con đƣờng tín hiệu của các phân tử chốt kiểm soát miễn dịch chính. Hiện nay, các thuốc trị ung thƣ sử dụng cơ chế này chủ yếu tác động lên 2 loại thụ thể: CTLA-4 và PD-1/PD-L1.
Một số kháng thể đơn dòng theo cơ chế này đã đƣợc nghiên cứu và FDA chấp thuận sử dụng điều trị một số loại ung thƣ (da, máu, ung thƣ phổi không tế bào nhỏ NSCLC, bàng quang, tuyến tiền liệt,…) nhƣ ipilimumab, tremelimumab (anti-CTLA4); pembrolizumab, nivolumab, pidilizumab (anti-PD1); atezolizumab, durvalumab (anti-PDL1). Các phân tử chốt kiểm soát miễn dịch chính Protein chốt Tên khác Tế bào biểu hiện Phối tử kiểm miễn dịch Chốt kiểm ức chế miễn dịch CTLA-4 CD152 Chủ yếu là tế bào T CD80 (B7-1) hoặc + + CD4 và CD8 chƣa CD86 (B7-2) trƣởng thành, tế bào Treg PD-1 CD279 Các tế bào T đƣợc kích PD-L1 (CD274, B7- hoạt trong mô ngoại vi, tế H1) và PD-L2 (CD273, bào B, APC biệt hóa, tế B7-DC) bào NK LAG-3 CD223 Tế bào T, tế bào NK hoạt MHC loại II động TIM-3 HAVcr2 Các tế bào T hoạt động Chủ yếu Galectin-9, và mô nhƣ gan, ruột non, cũng nhƣ Phosphatidyl tuyến ức, lách, phổi, cơ, serin và HMGB1 mô não KIRs CD158 Chủ yếu tế bào NK, Phân tử MHC nhóm I APCs và u biểu hiện (HLAs) CTLs Chốt kiểm kích thích miễn dịch 4-1BB CD137 CD4+ và CD8+ hoạt 4-1BB-L động, Treg, tế bào NK hoạt động, DCs, bạch cầu trung tính GITR CD357 Tregs, CD4+ và CD8+ GITRL hoạt động. TỔNG QUAN VỀ PD-L1 VÀ CÁC CHẤT ỨC CHẾ PD-L1 1. Hoạt tính dƣợc lý của PD-L1 PD-L1 (còn đƣợc gọi là B7-H1 hoặc CD274) và PD-L2 (còn đƣợc gọi là B7- DC hoặc CD273) là hai phối tử của PD-1 [15], [30].Chen và cộng sự đã xác định và nhân bản gen B7-H1 của ngƣời vào năm 1999 và nhận ra phân tử có tác dụng ức chế trên các tế bào T bằng cách tạo ra IL-10 [10].
Với việc phát hiện ra sự tƣơng tác của phân tử PD-1 và B7-H1, nó đƣợc đổi tên thành PD-L1 (Programmed cell death - ligand 1) [15]. Protein đƣợc biểu hiện trên nhiều loại tế bào, bao gồm tế bào trình diện kháng nguyên (APCs), tế bào T, tế bào B, tế bào đơn nhân và tế bào biểu mô. PD-L1 thể hiện hai chức năng chính trong bệnh lý ung thƣ. Đầu tiên, PD-L1 là một phân tử ức chế miễn dịch mạnh, làm bất hoạt các tế bào T đặc hiệu của khối u bằng cách liên kết với thụ thể ức chế PD-1.
Thứ hai, chức năng PD-L1 phụ thuộc vào việc cung cấp các tín hiệu nội bào giúp tăng cƣờng sự sống của tế bào ung thƣ, điều chỉnh các phản ứng căng thẳng và tạo ra sự đề kháng đối với các kích thích gây độc, nhƣ interferon. PD-L1 thƣờng đƣợc biểu hiện quá mức trong nhiều khối u, đƣợc hỗ trợ nhờ sự điều hòa sao chép bởi IFNs [55]. Do đó, biểu hiện PD-L1 của khối u cao đã đƣợc chứng minh là dấu hiệu tiên lƣợng xấu đối với nhiều ngƣời nhƣng không phải tất cả các loại ung thƣ. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự biểu hiện PD-L1 trong các tế bào khối u là đủ để đánh giá sự tiến triển của ung thƣ [28], tuy nhiên nghiên cứu khác cho rằng cần ghi nhận thêm biểu hiện của PD-L1 trong các loại tế bào thâm nhiễm miễn dịch bên trong khối u nhƣ đại thực bào, bạch cầu trung tính, tế bào nội mô và nguyên bào sợi mới có thể đƣa ra kết luận [31].
Việc đo lƣờng nồng độ PD-L1 ở các tế bào ung thƣ giúp đánh giá đƣợc cơ chế gây bệnh, từ đó quyết định bệnh nhân có thể sử dụng liệu pháp miễn dịch để điều trị ung thƣ hay không. Ngày nay, xét nghiệm PD-L1 đƣợc áp dụng rộng rãi, để đánh giá chính xác hơn cơ chế gây ung thƣ, hƣớng đến điều trị nhắm mục tiêu. Một số loại ung thƣ có biểu hiện PD-L1 cao nhƣ ung thƣ phổi không tế bào nhỏ (NSCLC), ung thƣ hạch, ung thƣ bàng quang, ung thƣ thận, ung thƣ vú. Cấu trúc PD-L1 Cấu trúc PD-L1 là một thụ thể protein có 290 acid amin, đƣợc mã hóa bởi gen CD274, bao gồm 7 exon và nằm trên nhiễm sắc thể 9 ở ngƣời [15], [25], [30].
Protein này bao gồm 1 trình tự tín hiệu, 2 miền ngoại bào là miền tƣơng tự IgV và IgC; một miền xuyên màng; và miền tế bào chất (nội bào). Miền nội bào của PD-L1 gồm 30 acid amin và không có chức năng (Hình 1. Cấu trúc của PD-L1 (PDB ID: 5 NIU) “Nguồn: Skalniak, 2017” [47] Nghiên cứu của Zak và cộng sự vào năm 2015 chỉ ra rằng trong bề mặt tƣơng tác PD-1 và PD-L1, đã xác định đƣợc ba điểm chính, hai trong số đó đƣợc dự kiến có thể phát triển công thức hóa dƣợc (Hình 1. - Đầu tiên là khe hở sâu nhất kỵ nƣớc chứa Ile134.
Khe này bao gồm các chuỗi bên của Tyr56, Glu58, Arg113, Met115 và Tyr123, và có kích thƣớc cũng nhƣ tính chất hoàn hảo để chứa một vòng thơm sáu cạnh [55]. - Điểm thứ hai nằm ngay gần đó và chứa Ile126. Khe này bao gồm Met115, Ala121 và Tyr123, có thể liên kết hydro ở oxy carbonyl của Ala121 [55]. - Điểm thứ ba là một rãnh mở rộng chứa Tyr68, Gln75 và Thr76, đƣợc hình thành bởi chuỗi chính và chuỗi bên kéo dài từ Asp122 đến Arg125, và đƣợc bao quanh bởi chuỗi bên của Asp26.
Nhiều liên kết hydro có sẵn trong rãnh, tuy nhiên, tƣơng đối nông và có thể khó nhắm đích hiệu quả với các cấu trúc phân tử nhỏ. Mô hình tƣơng tác giữa PD-1 và PD-L1 “Nguồn: Zak, 2015” [55] Trên cơ sở đó, năm 2019, Almahmoud và Zhong đã công bố Tyr56, Asp122 và Lys124 đóng vai trò quan trọng trong thiết kế các chất ức chế PD-L1 trong đó Tyr56 và Asp122 là đặc biệt quan trọng. Vai trò của Tyr56 khi tạo liên kết - với hai vòng thơm của phối tử cũng đƣợc kì vọng trong cấu trúc của các phân tử nhỏ ức chế PD-L1 mới [64]. Đây cũng là cơ sở để lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu phù hợp cho luận văn.
Các chất ức chế PD-L1 1. Tổng quát về các thuốc ức chế PD-L1 Sự gắn PD-L1 vào thụ thể ngăn cản sự di chuyển, phát triển và thải trừ chất trung gian gây độc của tế bào T, đồng thời hạn chế sự giết tế bào khối u [40]. Hiện nay, đã có các chất ức chế PD-1/PD-L1 đƣợc đƣa vào điều trị và chúng đều là kháng thể đơn dòng (protein tái tổ hợp).