ĐẶT VẤN ĐỀ Interleukin (IL)-33 được phát hiện từ năm 2003 và là thành viên thứ 11 của họ cytokin IL-1. IL-33 đóng vai trò quan trọng trong sự cân bằng và sửa chữa nội mô, tham gia vào các phản ứng miễn dịch loại 2, quá trình viêm, dị ứng, nhiễm trùng và ung thư. Được giải phóng khi có sự tổn thương mô hoặc tế bào, IL-33 hoạt động bằng cách gắn kết với thụ thể ức chế khối u 2 (suppression of tumorigencity 2 – ST2) biểu hiện trên bề mặt các tế bào đích, đặc biệt là các tế bào miễn dịch. Sự gắn kết giữa IL- 33 và ST2 là một tương tác protein-protein (PPI).
Phức hợp IL-33/ST2 tiếp tục liên kết với đồng thụ thể IL-1RAcP để kích hoạt đường truyền tín hiệu phụ thuộc protein đáp trả sơ cấp với sự biệt hóa tế bào dòng tủy 88 (Myeloid differentiation primary response 88 − MyD88) bên trong tế bào đích và gây ra các đáp ứng sinh học.1 Trong 20 năm được nghiên cứu, sự đóng góp của IL-33 vào cơ chế sinh bệnh học của các bệnh lý viêm như hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), viêm khớp và viêm ruột đã được chứng minh.2-4 Bên cạnh đó, protein này còn có liên quan đến các bệnh tự miễn như viêm khớp dạng thấp, viêm ruột tự miễn, lupus ban đỏ và xơ cứng bì hệ thống;5,6 các bệnh lý thần kinh trung ương như bệnh Alzheimer và đa xơ cứng.7,8 Con đường IL-33/ST2 cũng liên quan đến nhồi máu cơ tim, suy tim và bệnh mảnh ghép chống chủ.9-11 Mối liên quan của IL-33/ST2 đến những bệnh lý kể trên đã được chứng minh qua các thử nghiệm lâm sàng hoặc trên mô hình chuột loại bỏ gen. Từ đó, IL-33 và thụ thể ST2 không chỉ trở thành các dấu ấn sinh học dùng trong chẩn đoán và theo dõi các bệnh viêm và tự miễn,12 mà còn được xem là mục tiêu tác động tiềm năng để phát triển các thuốc điều trị những bệnh lý liên quan. Thống kê năm 2019 của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho thấy hen suyễn ảnh hưởng đến 262 triệu người và gây ra 455.000 ca tử vong, trong khi COPD là nguyên nhân gây tử vong hàng thứ 3 trên thế giới với 3,23 triệu ca. Mặc dù ít gặp hơn, nhưng các bệnh tự miễn như viêm khớp dạng thấp gây ảnh hưởng đến 18 triệu người và lupus ban đỏ hệ thống có tỉ lệ lưu hành lên đến 3,4 triệu ca.13,14 Với những gánh nặng y tế như vậy, việc tìm kiếm các tác nhân trị liệu mới và hiệu quả hơn cho các bệnh lý này là cần thiết.
Ức chế hoạt tính cytokin của IL-33 là một trong những hướng nghiên cứu tiềm năng, mở ra cơ hội điều trị các bệnh viêm và tự miễn với một cơ chế mới. Trong những năm gần đây, IL-33 và ST2 đã trở thành các protein mục tiêu hấp dẫn và được quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, các ứng viên được đưa vào thử nghiệm lâm sàng đều là những tác nhân sinh học, gồm kháng thể đơn dòng trung hòa IL-33 như torudokimab, itepekimab, tozorakimab và kháng thể kháng ST2 như astegolimab, melrilimab.15-19 Mặc dù thể hiện ái lực cao với IL-33/ST2, kháng thể đơn dòng vẫn là những liệu pháp đắt tiền, phải sử dụng bằng đường tiêm, yêu cầu đặc 2 biệt về điều kiện bảo quản và các phản ứng phụ trên miễn dịch. Ngược lại, thuốc phân tử nhỏ có các ưu điểm về sinh khả dụng đường uống, tính chất dược động học dễ điều chỉnh, dễ phân liều và bảo quản.
Các tác nhân này có thể tổng hợp lượng lớn và từ đó góp phần giảm chi phí điều trị. Mặc dù một số hợp chất phân tử nhỏ ức chế IL-33 và ST2 đã được báo cáo,20-24 việc tìm kiếm các hợp chất mới gắn kết ái lực cao và chọn lọc với các mục tiêu này vẫn là một nhu cầu cấp thiết. Là những mục tiêu PPI, IL-33 và ST2 liên kết với nhau tại những bề mặt nông và rộng, đặt ra các thách thức cho quá trình tìm kiếm chất ức chế phân tử nhỏ. Khám phá thuốc mới là một quá trình tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí, đặc biệt với những mục tiêu khó khăn như PPI.
Với sự phát triển của khoa học máy tính, quá trình này đã được thúc đẩy một cách mạnh mẽ. Dù vậy, các nghiên cứu in silico trên IL-33/ST2 vẫn còn hạn chế, chủ yếu là những nghiên cứu sàng lọc ảo sử dụng phương pháp gắn kết phân tử vào các vị trí giả định trên IL-33 của Kim và cộng sự (2016), Adamu và cộng sự (2021), Le và cộng sự (2023) và trên ST2 của Ramadan và cộng sự (2018).20,22,25,26 Cho đến nay, vẫn chưa có nghiên cứu sàng lọc ảo nào được thực hiện dựa trên sự đánh giá toàn diện các vị trí gắn kết trên IL-33 và ST2. Bên cạnh đó, mặc dù một số phân tử nhỏ ức chế IL-33/ST2 đã được báo cáo, vẫn chưa có một công bố nào về các mô hình in silico dựa trên phối tử. Nhằm đóng góp những tiến bộ mới trong lĩnh vực này, đề tài được thực hiện với mục tiêu sàng lọc in silico và in vitro các cấu trúc phân tử nhỏ có khả năng tương tác với IL-33 và thụ thể ST2.
Trong đó, việc tìm kiếm chất ức chế được thực hiện theo cả hướng dựa trên cấu trúc mục tiêu lẫn dựa trên phối tử. Cụ thể, các nội dung nghiên cứu sau đây được thực hiện: 1. Xây dựng cơ sở dữ liệu cấu trúc hóa học định hướng cho nghiên cứu sàng lọc in silico chất ức chế PPI 2. Khảo sát tương tác protein-protein của IL-33/ST2 và xác định các vị trí gắn kết cho phối tử phân tử nhỏ trên mỗi protein bằng các công cụ máy tính 3.
Xây dựng các mô hình sàng lọc in silico dựa trên cấu trúc mục tiêu IL-33 và ST2, bao gồm mô hình pharmacophore, gắn kết phân tử, mô phỏng động lực học phân tử và tính toán năng lượng tự do gắn kết 4. Xây dựng các mô hình in silico dựa trên các phối tử đã biết của IL-33 và ST2, bao gồm truy vấn tương đồng hình dạng phân tử 3 chiều, mô hình pharmacophore và mô hình mối liên quan định lượng giữa cấu trúc và tác động (QSAR) 5. Thử nghiệm in vitro đánh giá hoạt tính ức chế tín hiệu IL-33/ST2 của các chất được sàng lọc từ nghiên cứu in silico. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Tổng quan về interleukin-33 và thụ thể ST2 1. Cytokin, interleukin và họ interleukin-1 Cytokin là các protein có trọng lượng phân tử thấp, được tiết ra từ tế bào, hỗ trợ cho sự giao tiếp giữa tế bào với tế bào nhằm đáp ứng với một số kích thích. Thuật ngữ “cytokin” là sự kết hợp của hai từ Hy Lạp, “cyto” có nghĩa là tế bào và “kinos” có nghĩa là sự chuyển động. Cytokin kích thích sự di chuyển của tế bào đến các vị trí viêm, nhiễm trùng và chấn thương.27,28 Chúng có thể truyền nhiều tín hiệu sống còn khác nhau, bao gồm tăng sinh, biệt hóa và hoạt động chức năng của tế bào.
Vì vậy, đây được xem là nhóm tác nhân quan trọng trong sự điều hòa hoặc thay đổi các phản ứng của hệ miễn dịch.29,30 Mức độ cao bất thường hoặc sự sai sót trong quá trình truyền tín hiệu của cytokin có thể thúc đẩy nhiều bệnh lý khác nhau như bệnh tự miễn, rối loạn viêm và ung thư. Việc nghiên cứu các cytokin và thụ thể của chúng sẽ góp phần thúc đẩy quá trình khám phá và phát triển của các thuốc mới để mở rộng tác nhân điều trị cho các nhóm bệnh lý kể trên.28,31 Là một loại cytokin, interleukin (IL) ban đầu được cho là chỉ biểu hiện bởi các tế bào bạch cầu, nhưng sau đó đã được phát hiện cũng được sản xuất bởi nhiều loại tế bào khác trong cơ thể. IL đóng vai trò quan trọng trong sự kích hoạt và biệt hóa, cũng như thúc đẩy sự tăng sinh, trưởng thành, di cư và bám dính của các tế bào miễn dịch. Kể từ khi IL-1 được phát hiện lần đầu tiên năm 1977, hiện nay đã có hơn 40 loại IL được khám phá.32 IL-1 là một trong những họ IL lớn nhất với 11 cytokin thành viên, được phân loại thành 3 phân họ chính dựa trên sự tương đồng về trình tự và thụ thể (Bảng 1.33,34 Các cytokin này được xếp vào họ IL-1 bởi một số lý do.
Thứ nhất, gen mã hóa cho hầu hết các thành viên họ IL-1 đều nằm trên nhiễm sắc thể (NST) số 2, ngoại trừ IL-33 ở NST số 9 và IL-18 ở NST số 18. Thứ hai, về cấu trúc, tất cả thành viên họ IL-1 đều có chung cấu trúc dạng tứ diện gồm 12 phiến β. Thứ ba, về cơ chế sinh tổng hợp, các cytokin này đều được tổng hợp ở dạng tiền chất (hay còn gọi là dạng đầy đủ) trước khi được biến đổi thành các dạng trưởng thành (tức dạng có hoạt tính cytokin). Cuối cùng, bằng việc gắn kết vào các thụ thể và đồng thụ thể tương ứng để tạo thành phức hợp xuyên màng có cấu trúc dimer dị thể, các cytokin họ IL-1 làm khởi phát tín hiệu sinh học mà trong cơ chế đều có sự tham gia của các phân tử bên trong tế bào như MyD88, IRAK và TRAF6.34,35 Hơn bất kỳ một họ cytokin nào khác, các IL-1 có mối liên hệ chặt chẽ với tình trạng viêm và tổn thương, nhưng một số thành viên cũng có chức năng tăng sức đề kháng không đặc hiệu đối với nhiễm trùng và giúp phát triển đáp ứng miễn dịch đối với các kháng nguyên lạ.
Các IL-1 liên quan 4 chủ yếu đến miễn dịch bẩm sinh, được biểu hiện bằng tình trạng viêm và có thể hoạt động như một cơ chế bảo vệ vật chủ. Sự phân loại, thụ thể, đồng thụ thể và chức năng chính của các cytokin họ IL-1 Thành Tên gọi Phân Thụ thể Đồng viên họ Chức năng khác loại đặc hiệu thụ thể IL-1 Báo động, tiền viêm, IL-1α IL-1F1 kích thích tế bào TH17 IL-1R1 IL-1R3 Phản ứng với nhiễm IL-1R2 (IL-1RAcP) IL-1β IL-1F2 Phân họ trùng, tiền viêm, kích IL-1 thích tế bào TH17 IL-1Ra IL-1F3 IL-1R1 - Ức chế viêm IL-1R4 Tiền viêm, kích thích tế IL-33 IL-1F11 IL-1RAcP (ST2) bào TH2 IL-1R5 IL-1R7 Tiền viêm, kích thích tế IL-18 IL-1F4 Phân họ (IL-18Rα) (IL-18Rβ) bào TH1 IL-18 IL-37 IL-1F7 IL-18Rα - Ức chế viêm IL-36α IL-1F6 IL-36β IL-1F7 IL-1RAcP Viêm da và hô hấp Phân họ IL-1R6 IL-36γ IL-1F8 IL-36 (IL-36R) IL-36Ra IL-1F5 - Ức chế viêm IL-38 IL-1F10 - Ức chế viêm Bên cạnh đó, các IL-1 có vai trò quan trọng trong việc khuếch đại một cách đầy đủ các phản ứng miễn dịch thu nhận bằng cách tăng cường chức năng của các tế bào T hỗ trợ (T helper cell) TH1, TH2, TH17 và CD8. Nhưng từ đó, các IL-1 đồng thời cũng là các tác nhân thúc đẩy phản ứng viêm rất mạnh trong cơ thể.