Nghiên cứu 2D QSAR trên dòng tế bào MCF7 và mô hình Docking trên Tubulin của các dẫn chất Chalcon

Nghiên cứu QSAR 2D và docking phân tử các dẫn chất chalcon trên dòng tế bào MCF7 và tubulin. Tìm hiểu tiềm năng kháng ung thư vú từ cấu trúc phân tử.

• Tác giả: Phan Nguyễn Như Ý
• Người hướng dẫn: Gs. Trần Thành Đạo
• Trường học: Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ dược phẩm và bào chế thuốc
• Đề tài: Nghiên cứu 2D-QSAR trên dòng tế bào MCF7 và mô hình docking trên tubulin của các dẫn chất chalcon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1.1. Giới thiệu chung về chalcon
• 1.1.2. Giới thiệu chung về mục tiêu tác động
• 1.1.3. Phương pháp nghiên cứu mối liên quan định lượng giữa cấu trúc và tác dụng
• 1.1.4. Phương pháp docking. Mô phỏng động lực học phân tử
• 1.1.5. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Mô hình QSAR
• 1.3.2. Mô hình docking phân tử
• 1.3.3. Ứng dụng mô hình sàng lọc ảo đã xây dựng để sàng lọc các chalcon tiềm năng có hoạt tính ức chế MCF7
• 1.3.4. Mô hình QSAR
• 1.3.5. Mô hình mô tả phân tử docking
• 1.3.6. Ứng dụng mô hình sàng lọc ảo đã xây dựng để sàng lọc các chalcon tiềm năng có hoạt tính ức chế MCF7
• 1.3.7. Nhìn nhận về kết quả đề tài
• 1.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu QSAR Docking Dược Chất Chalcon

Ung thư, đặc biệt là ung thư vú, đang trở thành một vấn đề sức khỏe toàn cầu nghiêm trọng. Theo WHO, ung thư vú là loại ung thư phổ biến nhất ở phụ nữ, với số ca mắc và tử vong tăng cao hàng năm. Tại Việt Nam, ung thư vú cũng là một trong những loại ung thư phổ biến nhất. Do đó, việc tìm kiếm và phát triển các loại thuốc chống ung thư mới hiệu quả và an toàn hơn là vô cùng cấp thiết. Các hợp chất chalcon đã thu hút sự chú ý lớn nhờ tiềm năng hoạt tính kháng ung thư. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng các phương pháp in silico như 2D QSAR và mô hình docking để xác định các dẫn chất chalcon có khả năng ức chế tế bào ung thư vú MCF7.

1.1. Giới Thiệu Dòng Tế Bào Ung Thư Vú MCF7 Trong Nghiên Cứu

MCF7 là dòng tế bào ung thư biểu mô tuyến vú ở người, được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về ung thư vú. Nó là một mô hình in vitro quan trọng để nghiên cứu các khía cạnh khác nhau của sự phát triển tế bào khối u. Dòng tế bào này được sử dụng để đánh giá tác dụng của các thuốc chống ung thư tiềm năng, bao gồm cả các dẫn chất chalcon. Việc lựa chọn dòng tế bào này dựa trên tính ổn định và khả năng phản ánh các đặc điểm sinh học quan trọng của ung thư vú.

1.2. Vai Trò Của Tubulin và Ức Chế Tubulin Trong Điều Trị Ung Thư

Tubulin là một protein cấu trúc quan trọng tạo nên vi ống, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phân chia tế bào. Sự bất ổn định động học của vi ống là một mục tiêu quan trọng trong các nghiên cứu về thuốc điều trị ung thư. Các dẫn chất chalcon có khả năng ức chế tubulin, làm gián đoạn quá trình phân chia tế bào và dẫn đến chết tế bào ung thư. Do đó, tubulin là một mục tiêu thuốc hấp dẫn trong điều trị ung thư vú.

II. Thách Thức Tìm Kiếm Dược Chất Kháng Ung Thư Vú MCF7

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong điều trị ung thư vú, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Các loại thuốc chống ung thư hiện tại thường có nhiều tác dụng phụ và khối u có thể phát triển khả năng kháng thuốc. Vì vậy, cần phải tiếp tục nghiên cứu và phát triển các loại thuốc chống ung thư mới với cấu hình hiệu quả và an toàn hơn. Việc sàng lọc và tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính kháng ung thư là một việc làm hết sức thiết thực và cấp bách. Nghiên cứu này nhằm mục đích giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các phương pháp in silico để xác định các dẫn chất chalcon tiềm năng.

2.1. Vấn Đề Đề Kháng Thuốc và Tác Dụng Phụ Trong Điều Trị Ung Thư

Một trong những thách thức lớn nhất trong điều trị ung thư là sự phát triển khả năng đề kháng thuốc của tế bào ung thư. Các tế bào ung thư có thể thích nghi và trở nên ít nhạy cảm hơn với các thuốc chống ung thư theo thời gian. Ngoài ra, các thuốc chống ung thư thường gây ra nhiều tác dụng phụ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. Điều này làm tăng nhu cầu cấp thiết về các loại thuốc chống ung thư mới có hiệu quả cao hơn và ít tác dụng phụ hơn.

2.2. Tìm Kiếm Hợp Chất Mới Vai Trò Của Chalcon Trong Điều Trị Ung Thư

Chalcon là một hợp chất flavonoid có tiềm năng lớn trong việc phát triển các loại thuốc chống ung thư mới. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dẫn chất chalcon có thể ức chế sự tăng sinh, sự hình thành mạch và gây ra quá trình chết theo chương trình của tế bào ung thư. Với những tiềm năng này, việc nghiên cứu và tìm kiếm các dẫn chất chalcon mới có hoạt tính sinh học tốt là hết sức cần thiết. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của chalcon trong điều trị ung thư vú.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu 2D QSAR Dự Đoán Hoạt Tính Chalcon

Để xác định các dẫn chất chalcon có khả năng ức chế MCF7, nghiên cứu này sử dụng phương pháp 2D QSAR. 2D QSAR là một phương pháp tính toán hóa học giúp xác lập mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học của các hợp chất. Mô hình 2D QSAR được xây dựng dựa trên các dữ liệu thực nghiệm và sau đó được sử dụng để dự đoán hoạt tính của các hợp chất mới. Phương pháp này giúp sàng lọc nhanh chóng các hợp chất tiềm năng trước khi tiến hành các thí nghiệm in vitro tốn kém.

3.1. Nguyên Tắc Cơ Bản Của Phương Pháp 2D QSAR Trong Dược Học

2D QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) là một phương pháp sử dụng các thuật toán thống kê để xây dựng mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học của các hợp chất. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng các descriptor phân tử để mô tả các đặc tính lý hóa của phân tử. Các descriptor phân tử này sau đó được sử dụng để xây dựng một mô hình dự đoán hoạt tính sinh học. 2D QSAR là một công cụ hữu ích trong việc sàng lọc và tối ưu hóa các hợp chất tiềm năng.

3.2. Xây Dựng và Đánh Giá Mô Hình 2D QSAR Cho Dẫn Chất Chalcon

Việc xây dựng mô hình 2D QSAR bao gồm việc thu thập dữ liệu thực nghiệm, lựa chọn các descriptor phân tử phù hợp, xây dựng mô hình và đánh giá độ tin cậy của mô hình. Mô hình 2D QSAR được đánh giá bằng cách sử dụng các kỹ thuật thống kê như kiểm tra chéo và đánh giá ngoại. Một mô hình 2D QSAR tốt phải có khả năng dự đoán chính xác hoạt tính sinh học của các hợp chất mới.

IV. Mô Hình Docking Phân Tích Tương Tác Chalcon Với Tubulin

Để hiểu rõ hơn về cơ chế tác động của các dẫn chất chalcon, nghiên cứu này sử dụng mô hình docking. Mô hình docking là một phương pháp tính toán hóa học giúp mô phỏng sự tương tác giữa một phân tử nhỏ (ligand) và một protein. Trong nghiên cứu này, mô hình docking được sử dụng để mô phỏng sự tương tác giữa các dẫn chất chalcon và protein tubulin. Kết quả docking cung cấp thông tin về năng lượng liên kết, vị trí liên kết và các tương tác quan trọng giữa ligand và protein.

4.1. Ứng Dụng Mô Hình Docking Trong Nghiên Cứu Tương Tác Thuốc Protein

Mô hình docking là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu tương tác thuốc-protein. Nó cho phép các nhà khoa học dự đoán cách một phân tử thuốc có thể liên kết với một protein mục tiêu. Thông tin này có thể được sử dụng để thiết kế các thuốc mới có ái lực cao hơn và hoạt tính tốt hơn. Mô hình docking đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại thuốc mới và cải thiện hiệu quả của các loại thuốc hiện có.

4.2. Phân Tích Kết Quả Docking Năng Lượng Liên Kết và Vị Trí Liên Kết

Kết quả docking cung cấp thông tin quan trọng về năng lượng liên kết và vị trí liên kết. Năng lượng liên kết cho biết mức độ mạnh mẽ của sự tương tác giữa ligand và protein. Vị trí liên kết cho biết các acid amin nào trong protein tương tác với ligand. Thông tin này có thể được sử dụng để hiểu rõ hơn về cơ chế tác động của ligand và để thiết kế các ligand mới có ái lực cao hơn.

V. Sàng Lọc Ảo Chọn Lọc Dẫn Chất Chalcon Tiềm Năng Nhất

Kết hợp kết quả từ 2D QSAR và mô hình docking, nghiên cứu này tiến hành sàng lọc ảo để chọn lọc các dẫn chất chalcon tiềm năng nhất. Sàng lọc ảo là một quá trình sử dụng các phương pháp tính toán hóa học để lọc ra các hợp chất có khả năng có hoạt tính mong muốn từ một cơ sở dữ liệu lớn các hợp chất. Trong nghiên cứu này, các hợp chất có điểm số QSAR và docking cao được coi là các ứng cử viên tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.1. Kết Hợp 2D QSAR và Docking Trong Quá Trình Sàng Lọc Ảo

Việc kết hợp 2D QSAR và mô hình docking trong quá trình sàng lọc ảo giúp tăng độ chính xác và hiệu quả của quá trình sàng lọc. 2D QSAR giúp dự đoán hoạt tính sinh học của các hợp chất, trong khi mô hình docking giúp mô phỏng sự tương tác giữa các hợp chất và protein mục tiêu. Bằng cách kết hợp cả hai phương pháp, các nhà khoa học có thể xác định các hợp chất có khả năng có hoạt tính mong muốn và có khả năng liên kết tốt với protein mục tiêu.

5.2. Đánh Giá Các Dẫn Chất Chalcon Được Sàng Lọc Thông Qua Mô Phỏng MDs

Để đánh giá độ ổn định của các phức hợp chalcon-tubulin được sàng lọc, mô phỏng động lực học phân tử (MDs) được sử dụng. MDs là một phương pháp tính toán mô phỏng sự chuyển động của các nguyên tử và phân tử theo thời gian. Kết quả MDs cung cấp thông tin về độ ổn định của phức hợp và các tương tác quan trọng giữa ligand và protein. Dựa trên kết quả MDs, các dẫn chất chalcon tiềm năng nhất được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.

VI. Triển Vọng Nghiên Cứu Phát Triển Thuốc Chống Ung Thư Vú Từ Chalcon

Nghiên cứu này đã thành công trong việc xây dựng các mô hình in silico và sàng lọc các dẫn chất chalcon tiềm năng có khả năng ức chế tế bào ung thư vú MCF7. Các kết quả này có thể được sử dụng để phát triển các loại thuốc chống ung thư mới hiệu quả và an toàn hơn. Tuy nhiên, cần phải tiến hành các nghiên cứu in vitro và in vivo để xác nhận hoạt tính của các hợp chất được sàng lọc và đánh giá độc tính của chúng.

6.1. Tầm Quan Trọng Của Thử Nghiệm In Vitro và In Vivo Trong Nghiên Cứu

Mặc dù các phương pháp in silico là công cụ hữu ích trong việc sàng lọc và tối ưu hóa các hợp chất tiềm năng, cần phải tiến hành các thử nghiệm in vitro và in vivo để xác nhận hoạt tính của các hợp chất được sàng lọc và đánh giá độc tính của chúng. Các thử nghiệm in vitro được thực hiện trên các tế bào nuôi cấy, trong khi các thử nghiệm in vivo được thực hiện trên động vật. Kết quả của các thử nghiệm này cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả và an toàn của các hợp chất.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Tối Ưu Hóa và Phát Triển Dược Chất Chalcon

Hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc của các dẫn chất chalcon tiềm năng để cải thiện hoạt tính sinh học và giảm độc tính. Các phương pháp tính toán hóa học như 2D QSAR và mô hình docking có thể được sử dụng để hướng dẫn quá trình tối ưu hóa. Sau khi các hợp chất được tối ưu hóa, cần phải tiến hành các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng để đánh giá hiệu quả và an toàn của chúng trước khi được đưa vào sử dụng trong điều trị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư vú là một trong những bệnh ung thư phổ biến nhất trên thế giới, với khoảng 2,3 triệu ca được chẩn đoán mới và 685.000 ca tử vong trong năm 2020 theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Tại Việt Nam, ung thư vú chiếm tỷ lệ mắc cao nhất ở nữ giới, với hơn 21.555 ca mắc mới, chiếm 25,8% tổng số các ca ung thư ở phụ nữ. Sự gia tăng liên tục của tỷ lệ mắc bệnh cùng với các tác dụng phụ và hiện tượng đề kháng thuốc trong điều trị ung thư đã thúc đẩy nhu cầu nghiên cứu và phát triển các hợp chất kháng ung thư mới, an toàn và hiệu quả hơn.

Chalcon là một nhóm hợp chất flavonoid có cấu trúc đặc trưng với nhiều hoạt tính sinh học đa dạng, trong đó nổi bật là khả năng kháng ung thư thông qua cơ chế ức chế tubulin và làm gián đoạn cấu trúc vi ống. Vi ống, cấu tạo từ protein tubulin, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân bào và vận chuyển nội bào, là mục tiêu quan trọng trong điều trị ung thư. Dòng tế bào MCF7, đại diện cho ung thư biểu mô tuyến vú người, được sử dụng rộng rãi làm mô hình nghiên cứu để đánh giá hoạt tính kháng ung thư.

Nghiên cứu này nhằm xây dựng và ứng dụng các mô hình 2D-QSAR và docking phân tử để sàng lọc và đánh giá các dẫn chất chalcon có khả năng ức chế dòng tế bào MCF7, đồng thời sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (MDs) để khảo sát sự gắn kết của các hợp chất với protein tubulin. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên cơ sở dữ liệu gồm 1269 dẫn chất chalcon, bao gồm 269 dẫn chất nội bộ và 1000 dẫn chất tổ hợp được tạo ra bằng phần mềm MOE, với mục tiêu tìm ra các hợp chất tiềm năng có hoạt tính ức chế cao và khả năng gắn kết bền vững với tubulin. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thuốc điều trị ung thư vú mới, góp phần nâng cao hiệu quả và giảm thiểu tác dụng phụ trong điều trị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) và mô hình docking phân tử. QSAR là phương pháp định lượng mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học của các hợp chất, giúp dự đoán hoạt tính của các dẫn chất mới dựa trên các thông số mô tả phân tử. Trong nghiên cứu này, mô hình 2D-QSAR được xây dựng dựa trên các thông số mô tả 2 chiều như tính kỵ nước, hiệu ứng điện tử, và các đặc tính lý hóa khác, với giá trị hoạt tính được biểu diễn bằng pIC50 trên dòng tế bào MCF7.

Mô hình docking phân tử được sử dụng để đánh giá khả năng gắn kết của các dẫn chất chalcon với protein tubulin, mục tiêu chính trong điều trị ung thư vú. Docking giúp xác định vị trí và cấu hình gắn kết tối ưu của phối tử trong khoang liên kết của protein, đồng thời tính toán điểm số docking phản ánh mức độ bền vững của phức hợp protein-phối tử. Mô hình docking được xây dựng dựa trên cấu trúc tubulin mã PDB 1SA0, với vùng gắn kết colchicin làm mục tiêu tương tác.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: pIC50 (logarit nghịch đảo của nồng độ ức chế 50%), RMSD (Root Mean Square Deviation) và RMSF (Root Mean Square Fluctuation) dùng để đánh giá độ ổn định và linh động của phức hợp trong mô phỏng động lực học phân tử, cũng như năng lượng gắn kết tự do (binding free energy) được tính bằng phương pháp MM/GBSA để đánh giá độ bền liên kết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm 127 dẫn chất chalcon có hoạt tính ức chế MCF7 được thu thập từ các nghiên cứu công bố, cùng với cơ sở dữ liệu mở rộng gồm 269 dẫn chất nội bộ và 1000 dẫn chất tổ hợp được tạo ra bằng phần mềm MOE. Các giá trị IC50 được chuyển đổi thành pIC50 để làm dữ liệu đầu vào cho mô hình QSAR.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình 2D-QSAR sử dụng hai thuật toán chính: Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần (PLS) và thuật toán Rừng ngẫu nhiên (Random Forest - RF). Các thông số mô tả phân tử được lựa chọn qua quy trình lọc thô, loại bỏ các thông số tương quan cao và sử dụng thuật toán loại bỏ đặc trưng đệ quy (RFE) để chọn ra các đặc trưng quan trọng.

• Mô hình docking được thực hiện bằng phần mềm AutoDock Vina, với protein tubulin được chuẩn bị kỹ lưỡng (loại bỏ nước, thêm hydro, tính điện tích) và vùng gắn kết colchicin được xác định làm khoang tương tác. Quá trình tái gắn kết phối tử đồng kết tinh colchicin được thực hiện để đánh giá độ tin cậy của mô hình docking.

• Mô phỏng động lực học phân tử (MDs) được tiến hành trên 10 dẫn chất có điểm số docking và pIC50 cao nhất, sử dụng phần mềm GROMACS với thời gian mô phỏng 100 ns. Các chỉ số RMSD, RMSF, SASA, Rg và tần suất liên kết hydro được tính toán để đánh giá độ ổn định và tương tác của phức hợp.

• Đánh giá mô hình docking dựa trên đường cong ROC và chỉ số AUC để xác định khả năng phân biệt giữa các hợp chất có hoạt tính và không hoạt tính.

• Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, sàng lọc ảo, mô phỏng động lực học và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình 2D-QSAR: Mô hình QSAR xây dựng bằng phương pháp PLS và RF đạt các chỉ số đánh giá nội bộ và ngoại bộ tốt, với hệ số tương quan R² ≥ 0,7 và RMSE ≤ 0,5 trên tập xây dựng và tập đánh giá ngoại. Mô hình có khả năng dự đoán pIC50 chính xác, giúp sàng lọc hiệu quả các dẫn chất chalcon tiềm năng.

2. Mô hình docking: Quá trình tái gắn kết phối tử đồng kết tinh colchicin với tubulin cho giá trị RMSD ≤ 2 Å, chứng tỏ mô hình docking có độ tin cậy cao. Đánh giá bằng đường cong ROC cho thấy mô hình có AUC > 0,7 và TG > 0,4, khẳng định khả năng phân biệt tốt giữa các hợp chất hoạt tính và không hoạt tính.

3. Sàng lọc ảo: Từ cơ sở dữ liệu 1269 dẫn chất chalcon, 10 hợp chất có pIC50 dự đoán ≥ 4,5 và điểm số docking thấp nhất được lựa chọn để tiến hành mô phỏng động lực học phân tử. Trong đó, các dẫn chất C28, E4, E6, E7, E9 thể hiện khả năng gắn kết tốt với tubulin, đặc biệt E4 có năng lượng gắn kết tự do trung bình là -48,22 ± 3,77 kcal/mol, vượt trội so với các hợp chất còn lại.

4. Mô phỏng động lực học phân tử: Các chỉ số RMSD của protein và phối tử trong phức hợp đều duy trì dưới 2 Å trong suốt 100 ns, cho thấy phức hợp ổn định. Giá trị RMSF thấp ở các acid amin vùng gắn kết chứng tỏ sự tương tác bền vững. Tần suất liên kết hydro cao và liên kết kỵ nước ổn định giữa các phối tử tiềm năng với các acid amin quan trọng củng cố thêm tính bền vững của phức hợp.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình 2D-QSAR và docking đồng thuận trong việc xác định các dẫn chất chalcon tiềm năng có hoạt tính ức chế MCF7 cao và khả năng gắn kết mạnh với tubulin. Mô hình QSAR giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thử nghiệm bằng cách dự đoán hoạt tính dựa trên cấu trúc phân tử, trong khi mô hình docking cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế tương tác phân tử.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, các dẫn chất chalcon có nhóm thế hydroxyl và methoxy trên vòng A và B được xác định là có ảnh hưởng tích cực đến hoạt tính kháng ung thư, phù hợp với kết quả mô phỏng tương tác với các acid amin Leu67, Thr564 trong vùng gắn kết colchicin. Năng lượng gắn kết tự do thấp của dẫn chất E4 cho thấy khả năng liên kết bền vững, tiềm năng trở thành ứng viên thuốc điều trị ung thư vú.

Việc mô phỏng động lực học phân tử cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính linh động và ổn định của phức hợp protein-phối tử trong môi trường sinh học, hỗ trợ đánh giá chính xác hơn so với docking tĩnh. Các biểu đồ RMSD, RMSF và tần suất liên kết hydro có thể được trình bày để minh họa sự ổn định và tương tác của các dẫn chất với tubulin.

Tuy nhiên, kết quả in silico cần được xác nhận bằng các thử nghiệm in vitro và in vivo để đánh giá hoạt tính sinh học thực tế và độ an toàn của các dẫn chất chalcon tiềm năng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tổng hợp các dẫn chất chalcon tiềm năng: Thực hiện tổng hợp hóa học các dẫn chất C28, E4, E6, E7, E9 để chuẩn bị mẫu thử nghiệm in vitro. Mục tiêu đạt được trong vòng 6-12 tháng, do các nhóm nghiên cứu hóa dược đảm nhiệm.

2. Thử nghiệm hoạt tính ức chế MCF7 in vitro: Tiến hành đánh giá hoạt tính kháng ung thư trên dòng tế bào MCF7 bằng phương pháp đo IC50 để xác nhận hiệu quả ức chế của các dẫn chất đã tổng hợp. Thời gian thực hiện dự kiến 3-6 tháng, do phòng thí nghiệm sinh học phân tử thực hiện.

3. Nghiên cứu cơ chế tác động: Phân tích cơ chế ức chế tubulin và ảnh hưởng đến quá trình phân bào thông qua các kỹ thuật như nhuộm miễn dịch, phân tích chu kỳ tế bào và đánh giá apoptosis. Thời gian 6 tháng, phối hợp giữa nhóm hóa dược và sinh học.

4. Phát triển mô hình in silico nâng cao: Mở rộng mô hình QSAR và docking với dữ liệu mới thu thập, áp dụng mô hình 3D-QSAR và mô phỏng động lực học dài hạn hơn để tối ưu hóa cấu trúc dẫn chất. Thời gian liên tục trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

5. Hợp tác đa ngành và chuyển giao công nghệ: Khuyến khích hợp tác giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp dược phẩm để phát triển các ứng viên thuốc từ các dẫn chất chalcon tiềm năng, đồng thời xây dựng quy trình sản xuất và thử nghiệm lâm sàng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu dược học và hóa học dược phẩm: Luận văn cung cấp phương pháp xây dựng mô hình QSAR và docking phân tử, giúp các nhà nghiên cứu phát triển thuốc mới dựa trên cấu trúc phân tử và đánh giá tương tác protein-phối tử.

2. Chuyên gia sinh học phân tử và tế bào ung thư: Thông tin về dòng tế bào MCF7 và cơ chế tác động của các dẫn chất chalcon trên tubulin hỗ trợ nghiên cứu cơ chế sinh học và phát triển liệu pháp điều trị ung thư vú.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành công nghệ dược phẩm, bào chế thuốc: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về quy trình nghiên cứu in silico kết hợp với mô phỏng động lực học phân tử, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tính toán trong dược học.

4. Doanh nghiệp dược phẩm và phát triển thuốc: Các kết quả sàng lọc ảo và mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn các hợp chất ứng viên, giảm thiểu chi phí và thời gian trong quá trình phát triển thuốc chống ung thư.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình 2D-QSAR là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   Mô hình 2D-QSAR là phương pháp định lượng mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học 2 chiều của hợp chất và hoạt tính sinh học. Nó giúp dự đoán hiệu quả của các dẫn chất mới mà không cần thử nghiệm thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí. Trong nghiên cứu này, 2D-QSAR được dùng để sàng lọc 1269 dẫn chất chalcon nhằm tìm ra các hợp chất tiềm năng ức chế tế bào MCF7.

2. Docking phân tử có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Docking phân tử mô phỏng sự gắn kết giữa các phân tử nhỏ (phối tử) với protein mục tiêu (tubulin), giúp đánh giá khả năng liên kết và vị trí gắn kết tối ưu. Kết quả docking cung cấp điểm số phản ánh độ bền vững của phức hợp, hỗ trợ lựa chọn các hợp chất có tiềm năng làm thuốc.

3. Tại sao cần mô phỏng động lực học phân tử (MDs)?
   MDs giúp khảo sát tính linh động và ổn định của phức hợp protein-phối tử trong môi trường mô phỏng gần với điều kiện sinh học thực tế. Qua đó, đánh giá chính xác hơn về khả năng gắn kết và hiệu quả tiềm năng của các hợp chất, bổ sung cho kết quả docking tĩnh.

4. Các chỉ số RMSD và RMSF có ý nghĩa gì trong MDs?
   RMSD đo độ lệch trung bình của cấu trúc protein hoặc phối tử so với cấu trúc ban đầu, phản ánh độ ổn định tổng thể. RMSF đo sự dao động trung bình của từng acid amin trong protein, cho biết vùng linh động hoặc ổn định trong quá trình mô phỏng. Giá trị thấp của cả hai chỉ số cho thấy phức hợp ổn định.

5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong phát triển thuốc?
   Kết quả sàng lọc ảo và mô phỏng giúp xác định các dẫn chất chalcon có hoạt tính ức chế cao và khả năng gắn kết bền vững với tubulin, làm cơ sở để tổng hợp và thử nghiệm in vitro, từ đó phát triển các ứng viên thuốc chống ung thư vú hiệu quả và an toàn hơn.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình 2D-QSAR và docking phân tử dựa trên dữ liệu 1269 dẫn chất chalcon, với các chỉ số đánh giá nội và ngoại bộ đạt tiêu chuẩn cao.
• Mô hình docking được xác nhận độ tin cậy qua tái gắn kết phối tử đồng kết tinh và đánh giá bằng đường cong ROC, cho phép phân biệt chính xác các hợp chất hoạt tính.
• 10 dẫn chất chalcon tiềm năng được lựa chọn từ sàng lọc ảo, trong đó dẫn chất E4 có năng lượng gắn kết tự do thấp nhất (-48,22 ± 3,77 kcal/mol), thể hiện khả năng ức chế MCF7 và gắn kết tubulin tốt nhất.
• Mô phỏng động lực học phân tử 100 ns cho thấy các phức hợp protein-phối tử ổn định với các chỉ số RMSD, RMSF, SASA và Rg phù hợp, củng cố tính khả thi của các dẫn chất tiềm năng.
• Đề xuất tiến hành tổng hợp và thử nghiệm in vitro để xác nhận hoạt tính ức chế MCF7 của các dẫn chất, đặc biệt là E4, nhằm phát triển thuốc điều trị ung thư vú hiệu quả.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong ứng dụng các phương pháp in silico kết hợp mô phỏng động lực học phân tử để sàng lọc và phát triển các hợp chất kháng ung thư, góp phần nâng cao hiệu quả nghiên cứu và phát triển thuốc trong lĩnh vực dược học hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ung thư là chứng bệnh nan y nguy hiểm của thế kỷ 21, với số lượng người mắc tăng nhanh, nhất là trong thời gian gần đây. Trong đó, ung thư vú là một trong những bệnh ác tính được chẩn đoán thường gặp nhất ở phụ nữ. Bất chấp những thành tựu đạt được trong những thập kỷ qua, ung thư vú vẫn là một vấn đề sức khỏe cộng đồng lớn. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đến ngày 26/03/2021, trên toàn thế giới có 2,3 triệu phụ nữ được chẩn đoán mắc bệnh ung thư vú và 685.000 ca tử vong trong năm 2020 khiến nó trở thành loại ung thư phổ biến nhất thế giới1.

Riêng tại Việt Nam, ung thư vú là một trong ba loại ung thư có tỉ lệ mắc nhiều nhất tại Việt Nam (21.555 ca) và là ung thư hàng đầu ở nữ giới (chiếm 25,8%)2. Hiện nay nhiều nghiên cứu trên toàn thế giới đang được tiến hành để tìm ra loại thuốc chống ung thư mới. Sự gia tăng liên tục về tỷ lệ mắc ung thư, nhiều tác dụng phụ của các loại thuốc đang sử dụng, cũng như sự phát triển đề kháng của khối u đối với thuốc buộc phải nghiên cứu liên tục các phân tử mới với cấu hình hiệu quả an toàn hơn. Vì vậy, việc sàng lọc và tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính kháng ung thư là một việc làm hết sức thiết thực và cấp bách.

Chalcon là hợp chất flavonoid, thường được sử dụng cho việc thiết kế, tổng hợp nhiều hợp chất. Các báo cáo nghiên cứu cho thấy các dẫn xuất chalcon thể hiện được nhiều hoạt tính sinh học bao gồm: kháng viêm (Phrutıvorapongkul và cộng sự, 2003)3, kháng oxy hóa (Christov và cộng sự, 2006)4, kháng khuẩn (Liaras và cộng sự, 2011)5, và đặc biệt là kháng ung thư (Ullah và cộng sự, 2007)6. Chính vì những hoạt tính sinh học đa dạng mà các dẫn xuất chalcon luôn thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà hóa học cả trong và ngoài nước. Theo nhiều công trình khoa học đã công bố, nhiều dẫn xuất chalcon đã cho tác dụng ức chế sự tăng sinh, sự hình thành mạch và gây ra quá trình chết theo.

2 chu trình của tế bào ung thư vú MCF7 như dẫn xuất chứa vòng pyrazol (Magda F. Mohamed và cộng sự, 2014)7, dẫn xuất nitro và trifluoromethyl (Fatimah Hashim và cộng sự, 2018)8, dẫn xuất napthalen (Guangcheng Wang và cộng sự, 2020)9. Với những tiềm năng của chalcon trong điều trị ung thư vú, việc nghiên cứu tìm thêm nhiều dẫn chất chalcon mới có tác dụng sinh học tốt là hết sức cần thiết. Vi ống là thành phần quan trọng của tế bào nhân chuẩn và đóng vai trò quan trọng trong các chức năng của tế bào như duy trì hình thái tế bào, truyền tín hiệu, vận chuyển các bào quan, sự vận động của tế bào và nguyên phân.

Vì vậy vi ống đã trở thành một trong những mục tiêu thuốc quan trọng nhất trong điều trị ung thư. Các tác nhân nhắm mục tiêu vi ống có thể phá vỡ động lực học và cấu trúc của vi ống, làm xáo trộn thêm sự hình thành trục phân bào, ngăn chặn chu kỳ tế bào ở kỳ giữa/kỳ sau của quá trình nguyên phân và gây ra cái chết theo chương trình của tế bào10. Từ các cơ sở trên, nghiên cứu “Nghiên cứu 2D-QSAR trên dòng tế bào MCF7 và mô hình docking trên tubulin của các dẫn chất chalcon” được thực hiện với mục tiêu tìm ra các dẫn chất chalcon có khả năng ức chế MCF7 để điều trị ung thư vú. Để đạt được mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu đề ra ba mục tiêu cụ thể sau: 1.

Xây dựng mô hình 2D-QSAR nhằm xác lập mối liên quan giữa các thông số lý hóa đặc trưng và tác dụng kháng ung thư của các dẫn chất chalcon. Xây dựng mô hình mô tả phân tử docking nhằm đánh giá khả năng gắn kết của các dẫn chất chalcon trên tubulin. Ứng dụng 2 mô hình và mô phỏng động lực học phân tử nhằm sàng lọc tìm ra dẫn chất chalcon tiềm năng. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Giới thiệu chung về chalcon 1. Cấu trúc chung Chalcon là hợp chất flavonoid có chứa vòng, cấu trúc hóa học là 1,3- diphenyl-2-propen-1-on tồn tại ở 2 cấu dạng là E hoặc Z, có hai vòng thơm (vòng A và B) được nối với nhau bằng mạch hở ba carbon không no hệ liên hợp α, β-carbonyl. Chalcon có hai đồng phân hóa học là đồng phân E và Z trong đó đồng phân E bền vững về mặt nhiệt động học hơn nên cấu hình E chiếm đa số trong các cấu hình chalcon được tìm thấy11. Các dẫn chất chalcon Hình 1.

Công thức chung của các dẫn chất chalcon. Các nhóm thế R, R’ trên vòng A, B có thể là CH3, OH, OCH3, isophenyl,… với các chalcon có nguồn gốc thiên nhiên hay NO2, các halogen,… trên các chalcon tổng hợp. Các chalcon có nguồn gốc tự nhiên thường là các monomer và đa dạng về cấu trúc. Một số chalcon có khả năng chống ung thư được phân lập từ thiên nhiên như isoliquiritigenin, butein và isobavachalcon11.

Isoliquiritigenin (2’,4’,4-trihydroxychalcon) được biết là có tiềm năng điều trị chống lại các bệnh ung thư khác nhau, bao gồm ung thư vú, ung thư ruột kết, ung thư đường tiêu hóa, ung thư phổi, ung thư buồng trứng, bệnh bạch cầu và. Isoliquiritigenin Isobavachalcon được tìm thấy trong các cây thuộc họ đậu Fabaceae và họ Dâu tằm Moraceae. Isobavachalcon hoạt động chống lại nhiều loại ung thư bằng cách nhắm mục tiêu vào con đường tín hiệu kinase điều hòa tín hiệu ngoại bào giúp chống tăng sinh khối u. Ngoài ra, isobavachalcon còn ức chế thụ thể estrogen alpha (ERα) và giảm biểu hiện kháng nguyên CD44, dẫn đến giảm đề kháng paclitaxel trong ung thư vú ER+13.

Các phương pháp tổng hợp chalcon Các hợp chất chalcon tồn tại ở 2 dạng trans và cis, và đồng phân trans ổn định hơn về mặt nhiệt động lực học, vì vậy nó là cấu hình chủ yếu giữa các chalcon14. Các phương pháp được sử dụng trong quá trình tổng hợp khung chalcon (1,3-diphenyl-2-propen-1-on) gồm phản ứng ngưng tụ Claisen– Schmidt, phản ứng Heck, phản ứng cộng, phản ứng Sonogashira, phản ứng Suzuki–Miyaura, phản ứng qua trung gian chất xúc tác acid rắn,. Trong số tất cả các phương pháp, phương pháp ngưng tụ Claisen–Schmidt là phương pháp phổ biến nhất, thường được áp dụng để tổng hợp chalcon. Phản ứng Claisen–Schmidt được tiến hành tương đối đơn giản khi cho dẫn chất acetophenon và benzaldehyd tác dụng với nhau ở nhiệt độ phòng hoặc gia nhiêt đến 50oC với xúc tác là dung dịch hydroxyd kiềm hoặc natri ethoxyd (C2H5ONa) có nồng độ trong khoảng 10–60%.

Sản phẩm tạo thành có chứa liên. 5 kết đôi carbon-carbon không phụ thuốc vào độ phức tạp của cấu trúc của các phân tử tham gia ngưng tụ. Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt. Tác dụng sinh học Chalcon có cấu trúc flavonoid và có mặt ở khắp nơi trong nhiều sản phẩm tự nhiên.

Chalcon có cấu trúc nhỏ và là chất nhận Michael, khiến chúng có khả năng liên kết hoặc phản ứng với các phân tử sinh học khác nhau giúp chúng có tác dụng sinh học rất đa dạng. Các dẫn chất chalcon có tác dụng chống ung thư, chống viêm, chống đái tháo đường, chất chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm và chống sốt rét11. Ứng dụng trong lâm sàng Các dẫn chất chalcon đã chứng minh được tiềm năng sinh học rất lớn. Một số ví dụ về các dẫn chất chalcon hiện đang được thử nghiệm trên lâm sàng là thuốc lợi tiểu Metochalcon và thuốc chống loét và bảo vệ niêm mạc nhầy Sofalcon17.

Giới thiệu chung về mục tiêu tác động 1. Tế bào MCF7 MCF7 là tế bào ung thư biểu mô tuyến vú ở người, được phân lập vào năm 1970 từ một phụ nữ da trắng 69 tuổi. Trước MCF7, các nhà nghiên cứu ung thư không thể có được dòng tế bào động vật có vú có khả năng sống lâu hơn một. 6 vài tháng.

MCF7 và hai dòng tế bào ung thư vú khác là T-47D và MDA-MB- 231, chiếm hơn hai phần ba tất cả các nghiên cứu báo cáo tóm tắt về các dòng tế bào ung thư. Các tế bào MCF7 bắt nguồn từ tràn dịch màng phổi, là dòng tế bào kém xâm lấn, được coi là có khả năng di căn thấp18,19. Vi ống Vi ống là những cấu trúc hình trụ dài rỗng giữa, không phân nhánh, đường kính trung bình 25 nm, chiều dài thay đổi tuỳ tình trạng tế bào và có thể lên đến vài µm. Vi ống có thể ở dạng tự do trong tế bào, vi ống thần kinh axon hay tạo thành cấu trúc ổn định như trung tử, lông, roi.

Vi ống có vai trò tạo thành thoi và sao phân bào kéo các nhiễm sắc thể về hai cực, vận tải nội bào, duy trì hình dạng của tế bào, tham gia hình thành, vận chuyển các bóng nhập bào, xuất bào, duy trì tính ổn định của màng sinh chất, tạo tính phân cực cho tế bào 20. Tubulin và sự trùng hợp vi ống Vi ống có cấu tạo từ protein tubulin. Mỗi phân tử protein tubulin là một dị nhị tụ (heterodimer) gồm hai đơn phân (monomer) là α-tubulin và β-tubulin (kích thước 4 x 5 x 8nm, trọng lượng 100.000 đơn vị C) trùng phân thành nguyên sợi mảnh. α và β-tubulin có chung 40% chuỗi acid amin, tồn tại ở nhiều dạng isotype, trải qua một loạt các biến đổi sau dịch mã 21.

Mỗi đơn phân tubulin gắn với một phân tử guanosin triphosphat (GTP) giàu năng lượng. Ngoài ra, cấu trúc của α và β-tubulin về cơ bản giống hệt nhau: một lõi gồm hai phiến gấp β bao quanh bởi xoắn α. Một đơn phân có thể chia thành ba miền chức năng: đầu amino là vùng liên kết với nucleotid, miền trung gian là nơi gắn Taxol, đầu carboxy có thể liên kết với các protein vận chuyển. Sự trùng hợp tubulin xảy ra trong pha G2, khi các nhiễm sắc thể co xoắn.

7 chặt chuẩn bị cho nguyên phân, 13 protein tubulin sẽ xếp lại với nhau thành vòng xoắn tạo nên thành vi ống dày 5 nm. Sự trùng hợp có tính thuận nghịch và xảy ra với sự có mặt của ion Mg2+ và GTP22. Sau khi hình thành, các vi ống này không bền. Chúng tồn tại trong trạng thái cân bằng, với các dimer tubulin- GTP liên tục thêm vào đầu (+) của vi ống và thủy phân ở đầu (-) thành tubulin- GDP.

Sự cân bằng và kiểm soát chiều dài của các vi ống có vai trò quan trọng đối với các chức năng của chúng23. Cấu trúc và sự bất ổn định động học của vi ống10. Vai trò trong kháng ung thư Ung thư là tình trạng mất cân bằng giữa sự phân chia tế bào và sự chết tế bào, dẫn đến tăng sinh tế bào không kiểm soát.