Xây dựng mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da từ cấu trúc phân tử

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học QSAR dự đoán khả năng thẩm thấu qua da của hợp chất hóa học dựa trên cấu trúc phân tử và các thông số hóa lý.

• Tác giả: Đỗ Trần Long
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Thị Thu Hường
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa Y Dược
• Chuyên ngành: Dược Học
• Đề tài: Xây Dựng Mô Hình Toán Học Dự Đoán Khả Năng Thẩm Thấu Qua Da Dựa Trên Cấu Trúc Phân Tử
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da

Mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da là công cụ khoa học hiện đại giúp dự báo mức độ xâm nhập của các hợp chất hóa học qua lớp da người. Da là cơ quan bảo vệ lớn nhất của cơ thể con người, bao phủ diện tích 1,5-2,3m² và chiếm 16% trọng lượng cơ thể. Khả năng thẩm thấu qua da của các chất phụ thuộc vào cấu trúc phân tử phức tạp gồm biểu bì, bì và lớp mỡ dưới da. Mô hình này giúp các nhà dược học, dược sĩ và nhà khoa học phát triển thuốc bôi ngoài da, miếng dán ngoài da một cách hiệu quả. Việc áp dụng mô hình toán học giảm thiểu thời gian, chi phí và hoá chất máy móc trong nghiên cứu so với phương pháp thí nghiệm truyền thống.

1.1. Định nghĩa hệ số thẩm thấu Kp

Hệ số thẩm thấu qua da (Kp) là thông số chính đặc trưng cho khả năng xâm nhập của một hợp chất qua lớp da. Đơn vị tính của Kp là cm/h hoặc cm/s, thể hiện tốc độ mà chất có thể xuyên qua da. Giá trị log Kp được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vì cho phép so sánh dễ dàng giữa các chất có khả năng thẩm thấu khác nhau.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu khả năng thẩm thấu

Nghiên cứu khả năng thẩm thấu qua da giúp dự đoán độc tính của hóa chất, mỹ phẩm tiếp xúc với da người. Điều này hỗ trợ phát triển thuốc ngoài da, đánh giá an toàn hóa chất, và tối ưu hóa công thức dược phẩm mà không cần thí nghiệm vật lý phức tạp và tốn kém.

II. Mối quan hệ định lượng cấu trúc tác dụng QSAR trong dự đoán thẩm thấu da

QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) hay mối quan hệ định lượng cấu trúc-tác dụng là phương pháp toán học thiết lập mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và tính chất sinh học của hợp chất. Phương pháp QSAR sử dụng các tham số mô tả phân tử như logarit hệ số phân chia octanol-nước (Log Kow), diện tích bề mặt phân tử, và các đặc tính vật-hóa học khác. Bằng cách xây dựng mô hình QSAR, các nhà khoa học có thể dự đoán khả năng thẩm thấu qua da của các hợp chất chưa được thử nghiệm. Phương pháp này tiết kiệm thời gian, chi phí và số lượng động vật dùng thí nghiệm, phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện đại.

2.1. Các tham số phân tử quan trọng trong QSAR

Các tham số phân tử (TSPT) chính bao gồm Log Kow (hệ số phân chia), trọng lượng phân tử, diện tích bề mặt polar, và số nhóm H-donor. Phân tích thành phần chính (PCA) được sử dụng để lựa chọn các tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu qua da, giảm độ phức tạp của mô hình.

2.2. Phương pháp hồi quy trong xây dựng mô hình

Phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến (MLR) và Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) là hai kỹ thuật chính xây dựng mô hình QSAR. MLR xác định mối quan hệ tuyến tính giữa tham số phân tử và Kp, trong khi ANN có thể bắt giữ mối quan hệ phi tuyến phức tạp hơn.

III. Quy trình xây dựng và đánh giá mô hình toán học

Quy trình xây dựng mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da bao gồm nhiều bước quan trọng. Trước tiên, xây dựng cơ sở dữ liệu từ các công bố khoa học về khả năng thẩm thấu của các hợp chất khác nhau. Tiếp theo, tính toán các tham số phân tử để mô tả đặc tính cấu trúc của từng hợp chất. Dữ liệu được chia thành tập huấn luyện (Tr) để xây dựng mô hình và tập kiểm tra (Te) để đánh giá độ chính xác. Các mô hình QSAR được xây dựng và so sánh. Cuối cùng, đánh giá chất lượng mô hình dựa trên các chỉ số thống kê như hệ số xác định R², hệ số tương quan chéo Q², và tiêu chí của OECD.

3.1. Chuẩn bị dữ liệu và tham số phân tử

Cơ sở dữ liệu (CSDL) được xây dựng từ các nghiên cứu công bố sau 1990 về khả năng thẩm thấu qua da. Các tham số phân tử được tính toán bằng phần mềm chuyên dụng. Quá trình phân chia tập huấn luyện/kiểm tra đảm bảo mô hình không quá khớp dữ liệu.

3.2. Tiêu chí đánh giá mô hình QSAR

Tiêu chí OECD đánh giá mô hình dựa trên 5 yếu tố: mối quan hệ rõ ràng giữa cấu trúc-hoạt tính, dữ liệu đủ, phương pháp đánh giá phù hợp, dữ liệu thích hợp, và tuyên bố rõ ràng về miền ứng dụng. Hệ số R² và Q² đo độ chính xác dự đoán của mô hình.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da có ứng dụng thực tiễn rộng lớn trong ngành dược, mỹ phẩm và độc học. Các nhà dược học sử dụng mô hình để tối ưu hóa công thức thuốc bôi ngoài da và miếng dán ngoài da mà không cần thí nghiệm vật lý tốn kém. Trong đánh giá an toàn hóa chất, mô hình giúp dự đoán khả năng thẩm thấu của độc chất, từ đó đánh giá rủi ro tiếp xúc qua da. Triển vọng phát triển bao gồm cải thiện độ chính xác mô hình thông qua machine learning và mạng nơ-ron nhân tạo tiên tiến. Tích hợp thiết bị Franz và mô hình toán học tạo phương pháp lai hiệu quả, kết hợp ưu điểm của cả thí nghiệm thực và dự đoán lý thuyết.

4.1. Ứng dụng trong phát triển dược phẩm

Mô hình toán học hỗ trợ tối ưu hóa thuốc ngoài da bằng cách dự đoán khả năng thẩm thấu trước khi thực hiện thí nghiệm. Điều này rút ngắn thời gian phát triển, giảm chi phí, và tăng hiệu quả sàng lọc hợp chất tiềm năng.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Tương lai của dự đoán khả năng thẩm thấu qua da hướng tới kết hợp QSAR với công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và deep learning. Phát triển mô hình in silico tích hợp thêm dữ liệu về chuyển hóa da, độc tính, và tương tác với các protein da sẽ nâng cao độ chính xác dự đoán.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Da là cơ quan có diện tích lớn nhất của cơ thể con người (bao phủ 1,5- 2,3m diện tích bề mặt và chiếm khoảng 16% trọng lượng cơ thể). Nó có cấu 2 tạo phức tạp nhiều lớp, bao gồm: biểu bì, bì và lớp mỡ dưới da cùng các thành phần phụ (lông, móng, tuyến bã, tuyến mồ hôi) hình thành hệ da. Da người đóng vai trò như một lớp bảo vệ cơ thể khỏi môi trường xung quanh, với chức năng chính là điều chỉnh sự xâm nhập của các chất lạ vào cơ thể. Vai trò là một hàng rào bảo vệ này của da đã thu hút sự quan tâm rất lớn trong giới khoa học vì thông qua đó, các nhà khoa học có thể phát triển nhiều nghiên cứu có tính ứng dụng cao [14].

Khả năng thẩm thấu của các hợp chất qua da đã được khai thác từ khá lâu trước đây, ví dụ như phát triển thuốc bôi ngoài da, miếng dán ngoài da. Ngoài ra, tính thấm qua da cũng dự đoán các độc tính có thể có của hoá chất hay mỹ phẩm tiếp xúc với da người. Để hỗ trợ cho việc phát triển các thuốc dùng ngoài da cũng như nghiên cứu độc chất và mỹ phẩm, nhiều mô hình da người đã được đề xuất, trong đó mô hình thiết bị Franz được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên mô hình này triển khai không đơn giản, đòi hỏi tốn kém thời gian và chi phí cũng như hoá chất máy móc.

Do đó từ hơn một thập kỷ qua, giới khoa học sử dụng công cụ tính toán để dự đoán độ hấp thu qua da của hoá chất. Một trong các cách tiếp cận được khai thác nhiều là sử dụng mô hình liên quan định lượng giữa cấu trúc hoá học với độ thẩm thấu qua da. Các mô hình toán học biểu diễn quan hệ định lượng cấu trúc-tác dụng QSAR (Quantitative structure-activity relationship) là giải pháp ứng dụng hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Qua đó, mục tiêu chung của nghiên cứu này là “Xây dựng mô hình toán học dự đoán khả năng thẩm thấu qua da dựa trên cấu trúc phân tử”.

Với mục tiêu cụ thể: 1. Xây dựng mô hình QSAR nhằm dự đoán khả năng thẩm thấu qua da thông qua của các hợp chất. Phân tích và đánh giá mô hình tìm được theo 5 tiêu chí của tố chức Hợp tác và Phát triền Kinh tế thế giới (OECD). 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.

Thiết bị Franz 1. Vai trò của thiết bị Franz trong thí nghiệm đo khả năng thẩm thấu qua da Thử nghiệm đo lường sự giải phóng thuốc từ một dạng thuốc được cho là điều cơ bản để phát triển các sản phẩm thuốc. Xác định cụ thể kỹ thuật được sử dụng bởi chính dạng liều lượng và đường phân phối mong muốn của thuốc. Đối với các dạng thuốc rắn, thử nghiệm về độ tan của thuốc đã được sử dụng trong 50 năm qua.

Gần đây, đối với sản phẩm thuốc bán rắn, thử nghiệm giải phóng thuốc in vitro (IVRT) là một phương tiện để đánh giá tính giải phóng của thuốc. Tỷ lệ giải phóng in vitro có thể phản ánh hiệu quả kết hợp của một số thông số vật lý và hóa học, bao gồm độ hòa tan và kích thước hạt và các đặc tính lưu biến của dạng liều [18]. Phương pháp IVRT phổ biến nhất sử dụng thiết kế buồng mở như hệ thống thiết bị khuếch tán Franz và có thể được sử dụng với màng tổng hợp, cấu trúc mô hoặc mẫu sinh học, chẳng hạn như da người [18]. Thiết bị Franz và chi tiết các bộ phận 2 1.

Cấu tạo của thiết bị Franz Thiết bị Franz là các thiết bị giải phóng riêng biệt được làm từ hai phần thủy tinh borosilicate. Phần trên có thể được gọi là nắp thiết bị, đỉnh của thiết bị, buồng cấp, hoặc khoang cấp. Phần dưới thường được gọi là phần thân của thiết bị, hay còn được gọi là buồng thụ thể. Cấu tạo gồm hai phần chính của thiết bị Franz Buồng trên hay buồng cấp được nối với buồng dưới hay còn là buồng thụ thể bằng một khớp.

Màng ngăn qua đó thẩm thấu hoặc vận chuyển chất được đặt ở giữa khớp và giữ bằng một chiếc kẹp. Các thiết bị có vỏ bọc có thể được nối với nguồn nước để kiểm soát nhiệt độ. Các thiết bị không có vỏ bọc có thể được đặt trong máy sấy khô, bồn nước hoặc môi trường được kiểm soát nhiệt độ nếu cần. Mặc dù các thiết bị có vỏ đắt hơn nhưng lại được sử dụng phổ biến hơn bởi vì chúng có thể dễ dàng kiểm soát nhiệt độ.

Các thiết bị Franz thường sử dụng các máy khuấy V-Series. Nhưng nếu chỉ sử dụng một thiết bị Franz đơn lẻ trong thí nghiệm in vitro thì cũng có thể sử dụng máy khuấy thí nghiệm thông thường. Tay lấy mẫu, ống dẫn, ống thoát nước nóng, và lưu lượng được tùy chỉnh của các thiết bị Franz tiêu chuẩn được làm từ ống OD 6mm có độ dày thành 1,0mm. Dung sai của ống được nhà sản xuất ống đưa ra, đường kính bên trong của ống là khoảng 4mm.

Các xi lanh với có kích thước kim tiêm 3 OD 2mm có thể dễ dàng được sử dụng để lấy mẫu thiết bị Franz. Lượng lấy mẫu tiêu chuẩn của thiết bị Franz hiện chưa có quy chuẩn rõ ràng nên được lấy một lượng càng nhỏ càng tốt [14]. Cách hoạt động của thiết bị Franz Các sản phẩm được thử nghiệm được đặt ở buồng cấp. Màng ngăn tách buồng cấp chứa mẫu thử nghiệm với buồng thụ thể chứa đầy các chất trung gian.

Muối Phosphate Buffered Saline (PBS) thường được lựa chọn đầu tiên làm chất trung gian, mặc dù nó có thể không khả thi khi sử dụng trong một số trường hợp [18]. Sự thẩm thấu của thuốc bán rắn qua màng được theo dõi bằng cách lấy mẫu từ buồng thụ thể theo thời gian và kiểm tra. Tại các thời điểm xác định trước, một lượng chất trung gian được lấy ra từ buồng thụ thể để phân tích, thường là bằng HPLC. Chất trung gian sẽ được bù vào với mỗi lần lấy mẫu như vậy.

Buồng dưới chứa chất lỏng từ đó các mẫu được lấy theo các khoảng thời gian đều đặn để phân tích. Thử nghiệm này nhằm xác định lượng thẩm thấu qua màng tại mỗi thời điểm. Buồng được duy trì ở nhiệt độ không đổi 37oC. Tùy thuộc vào phương tiện, khả năng thấm của từng chất nhất định được xác định thông qua phân tích thiết bị Franz có thể thay đổi đáng kể (có lẽ từ 10 đến 50 lần).

Kết quả thử nghiệm trên thiết bị Franz không nhất thiết phải dự đoán hiệu quả của một cấu trúc; mà có thể là xác định liệu cấu trúc đó có tác nhân hoạt động qua da hay không [24]. Tính thấm qua da 1. Khó khăn khi nghiên cứu khả năng thẩm thấu qua da Rào cản chính đối với khả năng thẩm thấu qua da là lớp sừng, và sự xâm nhập của một hợp chất được xác định chủ yếu bởi cấu trúc hóa học của nó. Ngoài ra có nhiều yếu tố khác đóng vai trò trong việc ảnh hưởng đến sự thẩm thấu qua da bao gồm (i) cách sử dụng hoặc tiếp xúc với các hợp chất trên bề mặt da, (ii) các cách thức làm thay đổi tính chất rào cản của tầng lớp sừng, (iii) quy trình xảy ra trong các mô, (iv) các yếu tố sinh học.

Lớp sừng nằm trên bề mặt ngoài của da, là một lớp tế bào chết chứa đầy keratin được bao quanh bởi một hệ thống ngoại bào giàu lipid. Trong cơ thể người, nó bao gồm 10 và 25 lớp tế bào chết, kéo dài, các tế bào sừng ở trong một hệ thống 4 lipid kép. Lớp sừng chỉ dày 7–16 µm ở hầu hết các vùng của cơ thể nhưng dày 400–600 µm ở lòng bàn tay và bàn chân. Tầng lớp sừng bao gồm 40% protein trong đó 80% là keratin.

Chủng loại và lượng lipid có trong lớp sừng phụ thuộc vào từng vùng của cơ thể có thể làm ảnh hưởng lớn đến tính thấm qua da [13]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp tiếp cận thực nghiệm đo lường sự hấp thu qua da. Hầu hết các dữ liệu hiện nay đã thu được bằng các thí nghiệm in vitro, trong khi dữ liệu in vivo thu được bằng các xét nghiệm sinh học .Về tỷ lệ chuyển hóa qua da của các loại thuốc khác nhau thì thường được nghiên cứu nhiều nhất bằng cách tiến hành các thí nghiệm trong in vitro, đơn giản hơn nhiều so với các phép đo trên lâm sàng. Mức độ thẩm thấu có thể được đo bằng : i.

Sự chuyển hóa thuốc trong động vật hoặc người thử nghiệm. Sử dụng da được cắt bỏ từ người hoặc động vật. Sử dụng mô hình màng tổng hợp trong thí nghiệm in vitro. Da người có từ nhiều nguồn khác nhau như từ phẫu thuật thẩm mỹ và phẩu thuật cắt bớt, đã được sử dụng trong thí nghiệm in vitro.

Da từ các loài động vật bao gồm lợn, chuột, lợn, rắn, thỏ và các loài khác được lựa chọn thay thế phù hợp cho da người. Trong số các loại, da của lợn và chuột thường được sử dụng phổ biến nhất vì có nhiều điểm chung với da người. Mặc dù da động vật cho thấy sự thẩm thấu các hóa chất trong nghiên cứu rất tốt, nhưng nó không có sự phức tạp như lớp sừng ở da người. Các phương pháp đánh giá khả năng thẩm thấu của các chất hóa học qua da Các phương pháp ex vivo và in vitro để thử nghiệm tính thẩm thấu của da được thiết lập và công bố rộng rãi [2, 3].

Chúng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Da người từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm phẫu thuật thẩm mỹ và phẩu thuật cắt bỏ đã được sử dụng để đánh giá ex vivo về khả năng thẩm thấu qua da [2, 3, 8]. Việc sử dụng các loại da động vật khác nhau cũng là một thành phần được chấp nhận phổ biến trong các nghiên cứu thẩm thấu qua da trong thí nghiệm in vitro. Da từ các loài động vật bao 5 gồm lợn, chuột, khỉ, rắn và những loài khác đã được coi như là một sự thay thế thích hợp cho da người [1, 4].

Trong đó, da từ lợn và chuột thường được sử dụng rộng rãi nhất, vì chúng có các rào cản tương tự để thẩm thấu các phân tử gần giống với da người [1, 4, 17]. Mặc dù da động vật có thể cung cấp các đặc tính rào cản và tạo ra các đặc điểm thẩm thấu tương tự như da người, nhưng chúng không thể mang đầy đủ tính chất phức tạp của da người nói chung, và đặc tính rào cản của lớp sừng nói riêng.