ĐẶT VẤN ĐỀ Ung thƣ là một trong những căn bệnh nguy hiểm gây tử vong hàng đầu trên thế giới. Ƣớc tính mỗi năm có khoảng 14,1 triệu ngƣời mới mắc và 8,2 triệu ngƣời chết do ung thƣ. Ở Việt Nam, mỗi năm có khoảng 124.000 ca mắc ung thƣ mới với tỷ lệ tử vong chiếm gần 75%. Trong những năm gần đây, khoa học đã có những bƣớc tiến đáng kể trong phòng ngừa và điều trị ung thƣ [15].
Tuy nhiên, ung thƣ vẫn là một thách thức lớn đối với y học hiện đại. Do đó, nghiên cứu thuốc điều trị ung thƣ hiệu quả và an toàn đƣợc xem là hƣớng đi cấp bách hiện nay. Hiện nay, việc sử dụng các phân tử nhỏ có khả năng tác động các đích phân tử là các protein hay gene liên quan đến ung thƣ là một trong những liệu pháp hoá trị phổ biến nhất. Các thuốc này chủ yếu tác động lên một đích phân tử là protein đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh sản, biệt hóa, và chết theo chu trình của tế bào ung thƣ.
Tuy nhiên, các thuốc này gặp phải một vấn đề lớn là tỷ lệ kháng thuốc cao do các đích phân tử dễ bị đột biến. Bên cạnh đó chúng cũng có thể tác động lên những protein khác của tế bào bình thƣờng (tính không chọn lọc), do đó gây ra nhiều tác dụng không mong muốn, ảnh hƣởng tới thể trạng và chất lƣợng sống của bệnh nhân cũng nhƣ làm giảm hiệu quả lâm sàng của thuốc. Nhƣ vậy, nghiên cứu và phát triển các thuốc điều trị ung thƣ đang gặp phải hai vấn đề chính. Thứ nhất, với việc phát hiện ngày càng nhiều yếu tố bệnh sinh ảnh hƣởng đến tình trạng bệnh, những liệu pháp điều trị dựa trên một mục tiêu phân tử duy nhất tỏ ra kém hiệu quả.
Thứ hai, cần phải hệ thống hóa các tƣơng tác phức tạp của chúng trong các quá trình sinh học của cơ thể. Từ đó, chúng ta sẽ xác định đƣợc các đích phân tử quan trọng trong quá trình bệnh sinh, cũng nhƣ dự đoán đƣợc các tác dụng không mong muốn của thuốc. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, cách tiếp cận đa dƣợc lý mạng (network pharmacology, NP) hiện là một công cụ hữu ích giúp tìm kiếm đích phân tử mới, cũng nhƣ tìm hiểu sâu cơ chế tác dụng của thuốc. Mạng NP thƣờng có cấu trúc dạng graph, trong đó các protein đóng vai trò là các nút và mối tƣơng quan giữa chúng là các cạnh nối giữa các nút.
Một ví dụ đó là LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mạng tƣơng tác protein – protein (Protein-Protein Interaction Network, PPIN). Tƣơng tác giữa các protein (interactome) ở đây đƣợc hiểu là các quá trình hoá sinh học nhƣ tổng hợp cấu trúc, truyền tín hiệu (signal transduction), vận chuyển (transport) hay phosphoryl hoá… Một nút có thể kết nối với nhiều nút khác (nút có bậc cao >2), protein nhƣ thế gọi là một hub. Các nút không liên kết gọi là non-hub. Trong NP, tầm quan trọng của một protein đƣợc xác định thông qua mức độ thay đổi trong cấu trúc NP khi bỏ đi một nút trong mạng.
Do đó, các protein hub thƣờng đƣợc xem là quan trọng hơn trong bảo tồn cấu trúc tổng thể của mạng NP cũng nhƣ hoạt động của tế bào. Chúng có thể đƣợc xem là các đích phân tử tiềm năng trong tìm kiếm các thuốc kháng ung thƣ mới. Ngoài ra, dựa trên tính tƣơng đồng về cấu trúc của các hợp chất hóa học và tƣơng tác của chúng với các protein liên quan đến phản ứng có hại của thuốc, chúng ta có thể dự đoán đƣợc tác dụng không mong muốn của hợp chất đó. Việc xây dựng mạng NP hiện nay đã không còn quá phức tạp do ngày càng nhiều thông tin về tinh thể nhiễu xạ tia X của các đích mới cũng nhƣ thông tin liên quan đến gene (genome) hay protein (proteome) đƣợc tìm thấy.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, để có một cái nhìn tổng thể về cách tiếp cận đa dƣợc lý mạng trong xác định đích điều trị ung thƣ , chúng tôi đã thực hiện đề tài tổng quan: “Tổng quan nghiên cứu đa dƣợc lý mạng trong tìm kiếm đích phân tử liên quan đến ung thƣ” với hai mục tiêu sau: 1. Trình bày quy trình chung để xây dựng mạng tƣơng tác protein- protein, mạng tƣơng tác thuốc-đích (protein) và thuốc-thuốc. Phân tích một số ví dụ về ứng dụng của nghiên cứu đa dƣợc lý mạng trong xác định các đích phân tử liên quan đến ung thƣ. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐA DƢỢC LÝ MẠNG 1.
Đa dƣợc lý mạng trong nghiên cứu phát triển thuốc Quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc là một quá trình tốn kém cả về thời gian và tiền bạc. Trung bình để ra đời một thuốc mới tiêu tốn 1 tỷ đô la Mỹ, kéo dài từ 10 đến 15 năm bao gồm nhiều giai đoạn khác nhau [43]. Hình 1 mô tả các giai đoạn chung của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc.1: Quá trình nghiên cứu phát triển thuốc Việc nghiên cứu thuốc mới bắt đầu bằng cách tìm hiểu cơ chế bệnh sinh để nhận biết các “mục tiêu phân tử” hay đích phân tử [36]. Đích thƣờng là một cấu trúc đại phân tử (protein), VD nhƣ enzyme, kênh xuyên màng.
Trong giai đoạn này, đích phân tử đƣợc chọn phải chính xác, tức là nó có ảnh hƣởng lớn đối với quá trình bệnh sinh. Bƣớc tiếp theo là sàng lọc tìm kiếm hoạt chất tiềm năng có thể ức chế hoặc tăng hoạt động của đích phân tử. Hàng loạt các chất trong tự nhiên (chiết xuất từ cây cỏ, động vật.) và nhân tạo (tổng hợp hóa học) đƣợc tiến hành thử nghiệm trong phòng nghiên cứu trên các mô hình bệnh tật khác nhau, bao gồm cả thiết kế thuốc trên máy tính [8]. Mục đích chính là nhằm tìm ra các hoạt chất có tác dụng tốt nhất, liều lƣợng thấp nhất và an toàn nhất.
Thống kê LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chỉ ra rằng cứ mỗi 10.000 hợp chất đƣợc nghiên cứu sàng lọc thì chỉ có duy nhất 1 chất may mắn trở thành ứng viên thuốc tiềm năng (Hình 1. Các hoạt chất tiềm năng sẽ đƣợc tiến hành thử nghiệm tiền lâm sàng trên các mô hình động vật (chuột, chó…) nhằm xác định khả năng điều trị cũng nhƣ độ an toàn của hoạt chất trên cơ thể sống, đặc biệt là cơ thể có hệ thống giống con ngƣời [13]. Ứng viên thành thuốc tiềm năng (có tác dụng tốt trên động vật) sẽ đƣợc tiến hành thử nghiệm lâm sàng (pha I, II và III) [39]. Pha I thực hiện trên ngƣời tình nguyện khỏe mạnh và giai đoạn II-III trên ngƣời bệnh với số lƣợng ngƣời tham gia tăng dần (khoảng 50 ngƣời cho pha I đến khoảng vài ngàn ngƣời cho pha III), nhằm đánh giá hiệu quả, liều lƣợng cũng nhƣ độ an toàn của thuốc.
Đăng ký thuốc và đƣa ra thị trƣờng: sau khi có đầy đủ các dữ liệu khoa học, thuốc đƣợc đăng ký với cơ quan pháp lý, đƣợc bảo hộ độc quyền trong khoảng 10-15 năm, đƣợc sản xuất và bán ra thị trƣờng [37]. Trong vòng 60 năm qua, công nghệ khoa học đã và đang phát triển một cách chóng mặt. Tuy nhiên, trong lĩnh vực dƣợc học, số lƣợng thuốc mới ra đời ngày càng giảm đi. Cụ thể, từ năm 1950 tới 2008, có 1222 hoạt chất mới (1103 phân tử hóa học và 119 hoạt chất sinh học) đƣợc FDA (Food and Drug Administration, Cục quản lý thực phẩm và dƣợc phẩm Hoa Kỳ) chấp thuận, tức chỉ trung bình 21 thuốc mới đƣợc ra đời hàng năm [30].
Con số này thật đáng lo ngại khi trên thế giới có hàng trăm loại bệnh tật, và nguy hiểm hơn khi những loại bệnh không có thuốc trị ngày càng gia tăng. Gần đây, việc xuất hiện chủng siêu vi khuẩn Escherichia coli kháng colistin, một loại kháng sinh dự phòng chỉ dành cho vi khuẩn đã kháng những kháng sinh khác, dấy lên một tình trạng báo động trong giới y học [26]. Nhƣ vậy, nghiên cứu và phát triển thuốc trƣớc đây chủ yếu dựa trên kinh nghiệm với cách tiếp cận “thử và lỗi” (trial and error), dẫn đến chi phí tăng cao và xác suất thành công thấp. Có rất nhiều lý do cản trở thành công của quá trình này, ví dụ nhƣ đích tác dụng không đúng, không tìm thấy hoặc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tìm thấy hoạt chất không đủ tốt để trở thành thuốc hay các vấn đề liên quan đến độc tính.
Trong hơn ba thập kỷ qua, sàng lọc hay thiết kế hợp chất có hoạt tính chọn lọc trên một đích phân tử với mong muốn giảm thiểu tác dụng không mong muốn là hƣớng đi chủ đạo trong nghiên cứu và phát triển thuốc mới [14]. Tuy nhiên, kỷ nguyên hậu genomic đã mở ra một bức tranh vô cùng phức tạp về cơ chế tác dụng của thuốc [25]. Công trình của Yildirim và cộng sự năm 2007 đã chứng minh một cách thuyết phục rằng không chỉ nhiều thuốc có thể gắn với cùng một đích mà trên thực tế một thuốc có thể tác dụng trên nhiều đích [47]. Cơ chế tác dụng đa đích là rất phổ biến trên thuốc kháng ung thƣ, thuốc điều trị bệnh lý thần kinh, kháng sinh và kháng viêm.
Năm 2014, David Cook và cộng sự, khi tổng kết các số liệu của các dự án nghiên cứu và phát triển thuốc phân tử nhỏ đƣợc thực hiện bởi tập đoàn Dƣợc phẩm Astra Zeneca trong khoảng thời gian 5 năm (2005-2010) đã chỉ ra rằng xác định đúng đích phân tử là yếu tố then chốt đầu tiên (1-Right target), quyết định thành công của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc mới [9]. Nghiên cứu của Yildirim cũng nhƣ nhiều tác giả sau này về sinh học phân tử và tin sinh học cho thấy đa dƣợc lý mạng (pharmacological network, PN) là một công cụ hữu ích giúp sàng lọc đích mới cũng nhƣ tìm hiểu sâu cơ chế tác dụng của thuốc [38, 47]. Cách tiếp cận đa dƣợc lý mạng giúp xác định các đích phân tử dựa trên tổng hợp các tƣơng tác có thể xảy ra giữa các protein tham gia quá trình bệnh sinh (tƣơng tác protein-protein, mạng lƣới các tƣơng tác này gọi là mạng tƣơng tác protein, Protein-protein interaction network, PPIN), các tƣơng tác có thể có giữa thuốc với các protein trong cơ thể (tƣơng tác thuốc-protein) và sự tƣơng đồng giữa các cấu trúc hóa học của các thuốc và hợp chất nghiên cứu (tƣơng quan thuốc-thuốc). Cách tiếp cận này giúp ngƣời nghiên cứu có một cái nhìn tổng quát về cơ chế bệnh sinh, từ đó xây dựng một chiến lƣợc nghiên cứu và phát triển thuốc hiệu quả nhất.