CHƯƠNG 1. CYP450 và chuyển hóa thuốc trong gan Thuốc là những chế phẩm có chứa dược chất dùng với mục đích phòng-chữa bệnh hay điều trị giảm nhẹ. Enzyme chuyển hóa thuốc được biết đến nhiều nhất là các enzyme CYP450, đây là những enzyme tham gia vào các quá trình oxi hóa khử và thủy phân. Mục tiêu chính của quá trình chuyển hóa thuốc đó là giúp đào thải thuốc ra khỏi cơ thể.
Ví dụ như các tiền chất (không có hoạt tính dược lý) sau khi được hấp thụ vào cơ thể sẽ được chuyển đổi thành thuốc có hoạt tính. Mặt khác đa số các loại thuốc sau khi chuyển hóa sẽ chuyển sang trạng thái kém hoạt động hơn. Quá trình chuyển hóa thuốc xảy ra ở nhiều cơ quan trong cơ thể như gan, thành ruột, phổi, thận và huyết tương. Trong số đó, gan là cơ quan chuyển hóa thuốc đầu tiên, đóng vai trò như vị trí thải độc và loại thải các chất ngoại lai bằng cách biến đổi các hợp chất tan trong lipid trở nên ưa nước hơn, quá trình này có sự tham gia của các enzyme.
Quá trình chuyển hóa thuốc tại gan trải qua 3 giai đoạn: pha I, pha II và pha III. Trong đó pha I có sự tham gia của các enzyme CYP450, pha II được thực hiện bởi các enzyme vận chuyển acid glucuronic của UDP (UDP-glucuronosyltransferase) (chuyển hóa 40-70% các loại thuốc) và trong pha III thì các enzyme vận chuyển thuốc (drug transporter) sẽ giúp đưa sản phẩm chuyển hóa thuốc tới mật. Klingenberg lần đầu tiên phát hiện ra CYP450 vào năm 1954 trong nghiên cứu về chuyển hóa hoocmon steroid, khi ông trích xuất một loại protein mới từ tế bào gan [1]. Gần một thập kỷ sau, chức năng và tầm quan trọng của CYP450 đã được xác định.
Năm 1963, Estabrook và cộng sự đã mô tả vai trò của CYP450 như một chất xúc tác trong quá trình tổng hợp hormone steroid và chuyển hóa thuốc. Cooper và các đồng nghiệp sau đó đã xác nhận CYP450 là một enzyme chủ chốt liên quan đến phản ứng hydroxyl hóa thuốc và steroid [2]. Nhiều protein CYP450 đã được phát hiện rộng khắp cơ thể, chứng tỏ sự tham gia đáng kể vào hoạt hóa hóa học, khử hoạt tính và gây ung thư [3]. Các enzyme CYP450 tham gia chuyển hóa thuốc pha I là các protein biểu hiện chủ yếu trên mạng lưới nội chất trơn và ti thể của các tế bào gan và biểu mô ruột non (ngoài ra cũng còn ở một số cơ quan khác).
Ở người, có 115 gen CYP450 bao gồm luan an 5 cả các gen giả, được đặt tên bắt đầu từ CYP1A1 và kết thúc bởi CYP51P3. Các protein được mã hóa bởi các CYP450 được phân loại dựa trên mức độ tương đồng về trình tự của các amino acid thành các cấp độ từ họ (ví dụ: họ CYP1, CYP2…), phân họ (ví dụ: phân họ CYP1A, CYP2B…) và từng enzyme riêng lẻ (ví dụ: enzyme CYP1A1, CYP2D6…). Trong số các CYP450 biểu hiện trong gan thì CYP3A4 có mức độ biểu hiện mạnh nhất (chiếm 22,1%), tiếp theo là 2 enzyme CYP2E1 (15,3%) và CYP2C9 (14,6%) tính trên tổng số protein trong gan. Các enzyme CYP450 tham gia xúc tác cho nhiều loại phản ứng như: oxi hóa, oxi hóa sulpho (lưu huỳnh), hydroxyl hóa vòng (nhân) thơm, hydroxy hóa hợp chất không vòng, khử (tách) nhóm N-alkyl, khử (tách) nhóm O-alkyl (alkoxy).
Trong số các phản ứng này, phản ứng oxi hóa là phản ứng giúp thêm một nguyên tử oxy vào phân tử thuốc, được biểu diễn bằng phương trình sau: NADPH + H+ + O2 + RH → NADP+ + H2O + ROH Về mặt cấu trúc, CYP450 là những protein có khoảng 400-500 amino acid và chứa một nhóm heme với nguyên tử Fe ở trung tâm. Tất cả các CYP450 đều có chung cấu trúc bảo thủ được tạo nên bởi bốn vòng xoắn D, L, I và E. Trong đó nhóm heme nằm giữa vòng xoắn I và L. Mặc dù cấu trúc dạng gấp cuộn của CYP450 có tính bảo thủ cao, vẫn có sự đa dạng trong cấu trúc của các họ CYP450 khác nhau từ đó cho phép protein này kết hợp với các cơ chất với kích thước khác nhau và mức độ đặc hiệu khác nhau.
Một số CYP450 có tính đặc hiệu cao trong quá trình oxi hóa cơ chất, trong khi đó CYP3A4 lại tham gia chuyển hóa hơn 50% các loại thuốc trên thị trường hiện nay. Ở mức độ đơn giản nhất về mặt cấu hình nhận biết và kết hợp với cơ chất thì có 6 vị trí nhận biết cơ chất (Substrate recognition site-SRS). Các vị trí này bao gồm vùng xoắn B' (SRS1), một phần của các chuỗi xoắn F và G (SRS2 và SRS3), một phần của chuỗi xoắn I (SRS4), vùng β2 của chuỗi xoắn K (SRS6) và cấu trúc kẹp tóc β4 (SRS5) ở trung tâm hoạt động của CYP450 (Hình 1. Trên thực tế, các SRS định trước tính đặc hiệu cơ chất của các CYP450 và những đột biến điểm xảy ra tại các vị trí này do đó có thể ảnh hưởng đến độ đặc hiệu đối với cơ chất [4].
Các SRS là những vùng cấu trúc linh hoạt, có thể di chuyển khi kết hợp với cơ chất và có khả năng cảm ứng phù hợp với cơ chất, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho mối liên kết enzyme-cơ chất và sau đó là phản ứng xúc tác [5]. luan an 6 Hình 1. Cấu trúc của CYP450 và các vị trí nhận biết cơ chất (SRS) [6]. CYP450 có cấu trúc gấp nếp bảo thủ và được thể hiện bởi các vòng xoắn (đánh dấu bằng các chữ cái in hoa).
Các SRS được tô đậm tối màu. Đa dạng di truyền các gen mã hóa cho enzyme CYP450 tham gia chuyển hóa thuốc. Các gen chuyển hóa là một phần của hệ các gen dược học. Đây là những gen đóng vai trò quan trọng trong biến đổi sinh học của thuốc, những thay đổi trong di truyền của các gen này góp phần tạo nên sự khác biệt giữa các cá thể trong đáp ứng thuốc [7].
Các gen liên quan đến chuyển hóa thuốc bao gồm gen mã hóa cho các enzyme tham gia chuyển hóa thuốc pha I và pha II. Các enzyme chuyển hóa thuốc có mức độ đa hình rất cao trong biểu hiện và hoạt tính của chúng. Các CYP450 chính là nguồn gốc chính gây ra sự đa dạng trong dược động học và dược lý học của thuốc. Các protein CYP450 biểu hiện mạnh nhất trong gan bao gồm CYP3A4, CYP2C9, CYP2C19, CYP2C8, CYP2E1 và CYP1A2.
Trong khi đó các protein CYP2A6, CYP2D6, CYP2B6 và CYP3A5 biểu hiện ít hơn. Các CYP450 khác như CYP2J2, CYP1A1 và CYP1B1 biểu hiện chủ yếu ở ngoài gan. Các kiểu đa luan an 7 hình di truyền khác nhau của các gen CYP450 sẽ quyết định về mặt chức năng và kiểu hình chuyển hóa thuốc (PM, IM, EM và UM). Những CYP450 tham gia vào chuyển hóa nhiều loại thuốc trên thị trường nhất hiện nay là CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 và CYP3A4/5.
Năm gen CYP450 nói trên mã hóa cho các enzyme tham gia vào chuyển hóa 60-80% các loại thuốc thường được kê đơn. Trong số các protein thuộc 18 họ CYP450, các protein có tính đa hình cao nhất là CYP2A6, CYP2B6, CYP2C9, CYP2D6 và CYP2C19. Bên cạnh đó có một số protein CYP450 thuộc các phân họ khác có tính đa hình thấp hơn như CYP1A1, CYP1A2, CYP2E1. Về chức năng chuyển hóa thuốc, CYP3A4/5 tham gia chuyển hóa nhiều loại thuốc trên thị trường nhất, tiếp theo là các enzyme CYP2D6, CYP2C9, CYP2C19 và CYP2E (Hình 1.
Phần tổng quan này trình bày khái quát về đa hình 04 gen mã hóa cho các enzyme CYP450 chính tham gia chuyển hóa thuốc pha I bao gồm: CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 và CYP3A5. Đa dạng di truyền các gen CYP450 và vai trò trong chuyển hóa thuốc [8]. (a)Số lượng SNP trong một số gen CYP450. (b) Số lượng thuốc được chuyển hóa bởi các enzyme CYP450.
Các số trong biểu đồ thể hiện số lượng SNP/thuốc được chuyển hóa. Gen CYP2C9 Gen CYP2C9 nằm ở vai dài của nhiễm sắc thể số 10, mã hóa cho protein có 490 amino acid và có khối lượng phân tử là 55,6 kDa. Vùng gen chứa CYP2C9 cũng luan an 8 bao gồm các gen mã hóa cho các enzyme CYP2C8, CYP2C18 và CYP2C19. Trong số 4 gen này, CYP2C9 là gen biểu hiện mạnh nhất và tham gia nhiều nhất vào các quá trình chuyển hóa thuốc.
Trên thực tế, dữ liệu khối phổ cho thấy CYP2C9 chiếm 20% tổng số protein CYP450 trong gan. Ngoài gan, CYP2C9 cũng biểu hiện trong đường tiêu hóa. Sau CYP3A4 và CYP2D6, CYP2C9 là enzym quan trọng nhất thuộc họ cytochrome 450 tham gia vào các phản ứng oxi hóa và chuyển hóa khoảng 15% các loại thuốc lưu hành bao gồm cả một số thuốc có chỉ số trị liệu hẹp [9]. Sự khác biệt giữa các cá thể trong biểu hiện và hoạt tính của enzyme CYP2C9 có thể ảnh hưởng tới hiệu quả sử dụng và sự an toàn khi dùng thuốc.
Các phản ứng tương tác thuốc xảy ra do sự ức chế hay kích hoạt CYP2C9 và đa hình di truyền của gen này là nguyên nhân gây nên sự đa dạng trong hoạt tính của enzyme ở cấp độ in vivo [10, 11]. *Cơ chất đặc hiệu của CYP2C9 CYP2C9 tham gia vào quá trình oxi hóa của nhiều loại thuốc, đồng thời cũng tham gia chuyển hóa nhiều hợp chất nội sinh trong cơ thể như acid linoleic, acid arachidonic và các chất ngoại sinh không phải là thuốc khác (galangin, methiocarb, pyrene, sulprofos). Phần lớn các cơ chất của CYP2C9 là các hợp chất ở dạng acid yếu, tuy nhiên CYP2C9 cũng chuyển hóa dạng N-demethylation một số các loại thuốc như amitriptyline, fluoxetins và zopiclone. S-flurbiprofen, S-wafarin, tolbutamide, phenytoin, losartan và diclofenac đều là các cơ chất của CYP2C9.
Trong đó, Diclofenac và tolbutamide là các cơ chất thường xuyên được sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá kiểu hình hoạt tính của enzyme. Nói chung, các loại thuốc là cơ chất chuyển hóa của CYP2C9 có thể phân làm các nhóm như thuốc chống đông máu, thuốc hạ huyết áp, các thuốc kháng viêm không phải steroid và thuốc hạ đường huyết dạng uống. *Đa hình di truyền của CYP2C9 và sự phân bố giữa các quần thể trên thế giới Allele CYP2C9*2 (3608C>T, p.Arg144Cys) và *3 (42614A>C, p.Ile359Leu) là những allele được nghiên cứu nhiều nhất, đồng thời đây cũng là những allele được nghiên cứu rộng rãi nhất tren nhiều quần thể người cho tới nay [12]. Đối với allele CYP2C9*2 và *3, các kết quả nghiên cứu cho thấy những biến thể này làm giảm chuyển hóa S-warfarin và tolbutamide in vitro.
Đồng thời những bệnh nhân có mang luan an 9 các biến thể này có liên quan chặt chẽ đến việc sử dụng warfarin với liều thấp hơn liều thông thường và tăng nguy cơ chảy máu [13].