CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Bệnh Alzheimer và giả thuyết cholinergic trong bệnh Alzheimer 1. Giới thiệu về bệnh Alzheimer Bệnh Alzheimer (AD) là nguyên nhân phổ biến nhất gây chứng mất trí nhớ, đặc biệt ở người già trên 65 tuổi và cho đến nay chưa có phương pháp điều trị hiệu quả cho căn bệnh này [43]. AD được tổ chức Y tế Thế giới định nghĩa là bệnh thoái hóa thần kinh không rõ nguyên căn, đặc trưng bởi sự suy giảm trí nhớ và nhận thức [29, 43].
AD được Alois Alzheimer mô tả lần đầu tiên vào năm 1906 sau khi ông gặp một phụ nữ 51 tuổi tên Auguste Deter có các triệu chứng như rối loạn nhận thức, phương hướng, ảo tưởng và thay đổi hành vi [48]. Alois Alzheimer tập trung vào các giai đoạn suy giảm chức năng của Auguste bao gồm: đầu tiên là suy giảm trí nhớ; sau đó là ảo tưởng và rối loạn giấc ngủ; và cuối cùng là suy giảm nhận thức và ý thức. Qua kết quả đánh giá bệnh học thần kinh, Alois nhận thấy bệnh nhân có tình trạng teo não lan tỏa cùng với những mảng bám bất thường ở tế bào vỏ não [37, 48]. Mặc dù đã được mô tả định tính vào năm 1906 bởi Alois, tận tới giữa những năm 1980, các nhà khoa học mới xác định được hai dấu ấn sinh học quan trọng của AD bao gồm sự tích lũy của peptid amyloid beta (Aβ) trong các mảng bám và sự tăng phosphoryl hóa của protein tau trong đám rối sợi thần kinh (NFTs) [37].
Từ những phát hiện ban đầu này, các nghiên cứu bệnh lý thần kinh của AD đã tiếp tục phát triển và đóng góp vào việc phát hiện các triệu chứng lâm sàng của AD cũng như bệnh sa sút trí tuệ [37, 39]. Bên cạnh hai dấu ấn sinh học bao gồm sự tích lũy peptid Aβ và sự tăng phosphoryl hóa của protein tau trong đám rối thần kinh ở não bệnh nhân, AD còn đặc trưng bởi nồng độ thấp các chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin (ACh), sự mất các sợi cholinergic, nhiễm độc thần kinh, giảm dẫn truyền thần kinh, tăng các yếu tố stress oxy hóa, viêm thần kinh mãn tính, rối loạn cân bằng kim loại và các rối loạn liên quan khác [51]. Từ đó, nhiều giả thuyết về cơ chế bệnh sinh của AD đã được tìm hiểu và phát triển nhằm tìm kiếm các phương pháp tiềm năng để can thiệp, ngăn chặn và điều trị hiệu quả AD. Các giả thuyết bao gồm: giả thuyết cholinergic, giả thuyết mảng bám amyloid, giả thuyết ion kim loại, giả thuyết tau, giả thuyết lysosome,… [39, 47].
Giả thuyết cholinergic trong bệnh Alzheimer 1. Acetylcholin và hệ dẫn truyền cholinergic Acetylcholin (ACh) là chất dẫn truyền thần kinh được sử dụng bởi tất cả các tế bào thần kinh cholinergic và đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thần kinh trung ương và ngoại biên. Trong hệ thần kinh trung ương, các tế bào thần kinh cholinergic cùng chất dẫn truyền thần kinh ACh chịu trách nhiệm chủ chốt trong việc điều hòa các chức năng và hoạt động sinh lý của hệ thống thần kinh bao gồm: sự tập trung, ghi nhớ, đáp ứng với stress, chu kỳ giấc ngủ và tiếp nhận thông tin từ các giác quan [13, 25]. 3 ACh được tổng hợp ở trong các nơron tiền synap từ cholin và acetyl-coenzym A (acetyl-CoA) bởi enzym cholin acetyltransferase (ChAT), sau đó ACh được chuyển vào trong túi dự trữ của synap (synaptic vesicle) qua kênh vận chuyển acetylcholin.
Quá trình khử cực ở tiền synap thúc đẩy quá trình giải phóng acetylcholin từ bọc synap vào khe synap. Tại đây, ACh có thể gắn với các thụ thể nicotinic hoặc muscarinic dẫn đến phản ứng kích thích hay ức chế dẫn truyền thần kinh. Bên cạnh đó, ACh có thể nhanh chóng bị thủy phân và bất hoạt bởi AChE tạo acetat và cholin. Cuối cùng, choline được thu hồi trở lại tiền synap thông qua kênh vận chuyển cholin (CHT1) và tiếp tục quay lại quá trình tổng hợp ACh (Hình 1.
Choline acetyltransferase (ChAT) Hình 1. Dẫn truyền thần kinh acetylcholin [22]. (1): Tổng hợp acetylcholin; (2): Thủy phân acetylcholin; (3) Thu hồi choline *Chú thích: mitochondrion: ty thể, synaptic vesicle: túi dự trữ của synap 1. Giả thuyết cholinergic trong bệnh Alzheimer.
Giả thuyết cholinergic là một trong những giả thuyết lâu đời nhất trong quá trình nghiên cứu về AD [3]. Những nghiên cứu đầu tiên đặt nền tảng cho giả thuyết cholinergic trong AD bắt đầu từ giữa những năm 1970. Những nghiên cứu này cho thấy bệnh nhân Alzheimer có tình trạng giảm sút đáng kể cholin acetyl transferase (ChAT) - enzym tổng hợp ACh ở vùng vỏ não [3, 4, 12]. Hai dấu ấn quan trọng khác của AD theo giả thuyết cholinergic là sự giảm khử cực dẫn đến giảm giải phóng ACh vào khe synap và giảm thu hồi cholin ở khe synap cần thiết cho quá trình tổng hợp ACh [61].
Từ đó dẫn tới suy giảm của chất dẫn truyền thần kinh quan trọng trong quá trình bệnh sinh của AD là ACh. Những hệ quả này cho thấy sự thoái hóa của các tế bào thần kinh và sự mất dẫn truyền thần kinh cholinergic ở vỏ não và thần kinh trung ương đã góp phần gây ra bệnh, làm suy giảm đáng kể chức năng nhận thức ở bệnh nhân Alzheimer [3]. 4 Ngoài ra, các thụ thể cholinergic bao gồm thụ thể nicotinic và muscarinic cũng cho thấy sự thay đổi trong AD. Việc thiếu hụt ACh làm giảm hoạt hóa của thụ thể muscarinic M1 dẫn tới bất hoạt protein kinase C và enzym α-secretase, từ đó dẫn tới hoạt hóa enzym glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) và enzym BACE-1 trong não bệnh nhân Alzheimer [18].
Việc giảm hoạt động α-secretase và tăng hoạt tính của BACE-1 làm thay đổi con đường chuyển hóa Aβ protein dẫn tới hình thành mảng bám amyloid beta. Hơn nữa, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc hoạt hóa quá mức glycogen synthase kinase (GSK) có nhiệm vụ phosphoryl hoá protein tau dẫn tới hình thành đám rối sợi thần kinh và nồng độ cao các oligome Aβ gây độc [18, 26]. Đối với thụ thể nicotinic, tiểu đơn vị α7 của thụ thể nicotinic sẽ bị giảm sút đáng kể gây rối loạn chức năng các tế bào thần kinh đệm – các tế bào có chức năng quan trọng trong việc điều hòa sự dẫn truyền thần kinh, tạo môi trường đủ chất dinh dưỡng và oxy cho nơron và dọn sạch các nơron chết [38]. Từ đó, các tế bào thần kinh đệm giải phóng một số cytokin như TNF-α, IL-1β, IL-6… gây viêm lan rộng và tổn thương các khớp nối thần kinh, đồng thời gây hoạt hoá receptor N-methyl-D-aspartat (NMDA) làm mở kênh Ca2+ ở màng sau synap, từ đó gây khử cực và gây độc tế bào thần kinh [56, 63].
Như vậy, từ những nghiên cứu trên đã cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa giả thuyết cholinergic và các giả thuyết khác cũng như các đặc điểm bệnh lý đa dạng trong AD [26]. Tổng quan về acetylcholinesterase (AChE) 1. Giới thiệu về acetylcholinesterase Sự suy giảm khả năng học tập và trí nhớ trong AD chủ yếu do giảm chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin và rối loạn dẫn truyền hệ cholinergic. Do đó, nhiều chiến lược điều trị đã được nghiên cứu nhằm làm chậm sự tiến triển các triệu chứng của AD đồng thời khôi phục nồng độ ACh trong khe synap và dẫn truyền cholinergic [8, 66].
Trong đó, AChE thường được chọn làm mục tiêu của các phương pháp trị liệu với mục đích ức chế hoạt động của AChE. Cơ chế hoạt động của các chất ức chế AChE đặc biệt hiệu quả do chúng làm tăng nồng độ ACh và cải thiện dẫn truyền cholinergic, từ đó góp phần phục hồi chức năng nhận thức ở bệnh nhân Alzheimer [41, 66]. Như vậy, AChE đã trở thành đích tác động quan trọng và tiềm năng trong việc nghiên cứu và phát triển thuốc mới trong điều trị và làm chậm quá trình tiến triển của AD [20]. AChE là một esterase thuộc họ enzym carboxylesterase.
AChE đóng vai trò quan trọng trong việc thủy phân chất dẫn truyền thần kinh ACh và được tìm thấy với nồng độ cao ở trong các tế bào hồng cầu và đặc biệt là trong hệ thần kinh trung ương tại các synap thần kinh cơ và synap cholinergic [41, 44]. Mặt khác, ở trong cơ thể, ACh cũng được thủy phân bởi butyrylcholinesterase (BuChE) còn được gọi là “giả” cholinesterase. BuChE là enzym cholinesterase không đặc hiệu, có tác dụng thủy phân các cholin ester khác nhau và được tìm thấy ở khắp vị trí trong cơ thể, chủ yếu ở gan, huyết tương, tuyến 5 tụy và hệ thần kinh trung ương của con người [33, 41, 44]. Ở hệ thần kinh trung ương, AChE được coi là enzym chủ chốt trong việc thủy phân ACh trong khi BuChE chỉ đóng vai trò thứ yếu và đóng góp khoảng 10% hoạt động thủy phân acetylcholin [20, 44].
Ngoài ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng AChE có khả năng tương tác với các sợi amyloid đang phát triển và hình thành phức hợp AChE-Amyloid từ đó làm tăng tổng hợp các peptid Aβ và các mảng bám Aβ hiện diện trong não bệnh nhân AD, đồng thời các phức hợp AChE-Amyloid cũng được chứng minh là có độc tính gây tổn thương não cao hơn so với các sợi Aβ riêng lẻ [6, 8, 19, 52]. Do đó, AChE và các chất ức chế AChE dành được nhiều sự quan tâm hơn của nhà khoa học trong các phương pháp ngăn chặn và điều trị AD [20]. Cấu trúc của acetylcholinesterase Cấu trúc tinh thể của AChE lần đầu tiên được mô tả Joel Sussman và cộng sự vào năm 1991 từ loài cá đuối điện Torpedo californica [62, 65]. Cấu trúc vùng xúc tác của AChE của Torpedo californica, chuột và con người khá tương đồng với nhau và đều có hình dạng tương tự hình elip có kích thước không gian khoảng 45x60x65 Å.
Bên cạnh đó, AChE thuộc lớp α/β protein chứa 12 sợi gấp nếp β ở trung tâm và được bao quanh bởi 14 chuỗi xoắn α [11, 65]. Đặc điểm nổi bật trong cấu trúc AChE là một lòng kênh rộng ~ 5 Å và dài ~ 20 Å mở rộng dần từ bề mặt của enzym về phía đáy của nó [11, 57]. Vị trí lòng kênh này có đặc điểm đáng chú ý là chứa 14 acid amin thơm được bảo toàn bao gồm Phe120, Phe288, Phe290, Phe330, Phe331, Trp84, Trp233, Trp279, Trp432, Tyr70, Tyr121, Tyr130, Tyr334 và Tyr442 (TcAChE), trong đó hầu hết các acid amin này đều mang chức năng riêng của chúng. Vùng cấu trúc đặc biệt này có tác dụng liên kết 2 vùng cấu trúc riêng biệt bao gồm trung tâm hoạt động (CAS) nằm phía đáy enzym và vùng ngoại biên (PAS) nằm ở “miệng” kênh enzym (Hình 1.