NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MỘT SỐ CẤU TRÚC MỚI HƯỚNG ỨC CHẾ GLUTAMINYL CYCLASE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỌC MÁY KẾT HỢP MÔ HÌNH PHARMACOPHORE

• Tác giả: Trương Cao Minh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Mai Dung
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế một số cấu trúc mới theo hướng ức chế glutaminyl cyclase bằng phương pháp học máy kết hợp với mô hình pharmacophore
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QC
• 1.1. Giới thiệu về QC
• 1.2. Mối liên quan giữa QC và bệnh Alzheimer
• 1.3. Đặc điểm cấu trúc của QC ở người
• 1.4. Một số chất ức chế QC đã được nghiên cứu
• 1.5. Liên quan cấu trúc - tác dụng các chất ức chế QC
• 2. TỔNG QUAN VỀ QSAR
• 2.1. Đại cương về QSAR
• 2.2. Tham số mô tả phân tử và dấu vân tay phân tử
• 2.3. Các bước xây dựng mô hình QSAR
• 3. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH PHARMACOPHORE
• 3.1. Khái niệm về mô hình pharmacophore
• 3.2. Mô hình pharmacophore dựa trên phối tử
• 3.3. Mô hình pharmacophore dựa trên cấu trúc
• 4. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ (MOLECULAR DOCKING)
• 5. NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 5.1. Nguyên liệu, thiết bị
• 5.2. Nội dung nghiên cứu
• 5.3. Phương pháp nghiên cứu
• 5.4. Phương pháp xây dựng mô hình QSAR
• 5.5. Phương pháp xây dựng mô hình pharmacophore
• 5.6. Phương pháp thiết kế một số cấu trúc mới hướng ức chế QC
• 5.7. Phương pháp Docking phân tử
• 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 6.1. Mô hình QSAR
• 6.2. Kết quả phân chia tập huấn luyện và tập kiểm tra
• 6.3. Kết quả huấn luyện mô hình QSAR
• 6.4. Kết quả dự đoán của mô hình trên tập kiểm tra
• 6.5. Mô hình pharmacophore
• 6.6. Kết quả huấn luyện mô hình pharmacophore
• 6.7. Kết quả đánh giá mô hình pharmacophore
• 6.8. Thiết kế một số cấu trúc mới hướng ức chế QC
• 6.9. Kết quả sàng lọc ảo
• 6.10. Mô phỏng docking phân tử
• 6.11. Bàn luận về xây dựng mô hình QSAR
• 6.12. Bàn luận về xây dựng mô hình pharmacophore
• 6.13. Bàn luận về thiết kế và kết quả sàng lọc
• 6.14. Bàn luận về kết quả mô phỏng docking phân tử
• 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Glutaminyl Cyclase QC và Bệnh Alzheimer

Bệnh Alzheimer là một trong những hội chứng sa sút trí tuệ phổ biến nhất, đặc trưng bởi sự suy giảm không hồi phục về trí nhớ, nhận thức và ngôn ngữ. Theo Hiệp hội Alzheimer, năm 2023, ước tính có khoảng 6,7 triệu người Mỹ trên 65 tuổi mắc bệnh. Bệnh cũng là nguyên nhân gây tử vong đứng thứ bảy trên toàn thế giới, với hơn 121.000 ca tử vong. Tại Việt Nam, ước tính có khoảng 660.000 người mắc hội chứng sa sút trí tuệ vào năm 2020 và dự kiến tăng lên 2,4 triệu vào năm 2050. Chi phí liên quan ước tính khoảng 960 triệu đô la. Sự gia tăng này một phần do tốc độ già hóa dân số nhanh và thiếu nhận thức về các bệnh thần kinh. Giả thuyết amyloid hiện nay được xem là trung tâm trong cơ chế bệnh sinh của bệnh Alzheimer. Nó bắt nguồn từ quá trình tích tụ và hình thành mảng bám amyloid. Nhiều nghiên cứu cho thấy việc ức chế QC có liên quan chặt chẽ đến việc cải thiện khả năng nhận thức và làm chậm tiến triển của bệnh. Do đó, QC là một mục tiêu phân tử tiềm năng trong điều trị bệnh Alzheimer.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Enzyme Glutaminyl Cyclase QC

Glutaminyl Cyclase (QC) thuộc họ enzyme acyltransferase phụ thuộc kim loại. Nó xúc tác quá trình sửa đổi sau dịch mã ở một số protein hoặc peptid. Quá trình này chuyển gốc glutamin (Gln) hoặc glutamat (Glu) ở đầu tận nitơ thành cấu trúc pyroglutamat-peptid (pE-peptid), đồng thời giải phóng một phân tử amoniac hoặc một phân tử nước. QC lần đầu tiên được phân lập vào năm 1963 bởi Michael và cộng sự sau khi quan sát thấy sự giải phóng khí amoniac khi hòa tan nhựa mủ của cây đu đủ Carica papaya trong dung dịch chứa L-glutamin và L-glutaminyl peptid [40]. QC có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học, từ đáp ứng miễn dịch đến viêm nhiễm. QC tăng tính bền vững của các cơ chất, ngăn chặn sự thủy phân từ các aminopeptidase, đồng thời làm tăng khả năng gắn kết của peptid với các receptor [12, 15].

1.2. Mối Liên Quan Giữa Glutaminyl Cyclase và Bệnh Alzheimer

Giả thuyết amyloid được xem là trung tâm trong cơ chế bệnh sinh của bệnh Alzheimer. Giả thuyết này bắt nguồn từ việc tích tụ mảnh Aβ. Mảnh Aβ có nguồn gốc từ protein amyloid tiền thân (APP). APP được chuyển hóa theo hai con đường khác nhau: con đường sinh amyloid và con đường không sinh amyloid. Trong con đường sinh amyloid, enzym β-secretase (BACE) chịu trách nhiệm chính trong việc chuyển hóa APP để tạo thành mảnh sAPPβ. Phần peptid còn lại của APP sẽ tiếp tục được phân cắt bởi phức hợp enzym γ-secretase và giải phóng ra mảnh Aβ. Tỉ lệ Aβ42: Aβ40 tăng làm thúc đẩy quá trình tích tụ mảnh Aβ42, các mảnh đó sẽ kết tập, kéo dài và dần hình thành nên mảng bám amyloid [22].

II. Thách Thức Trong Điều Trị Alzheimer Vai Trò Ức Chế QC

Một thách thức lớn trong điều trị bệnh Alzheimer là sự phức tạp của cơ chế bệnh sinh và sự thiếu hụt các phương pháp điều trị hiệu quả. Giả thuyết amyloid, mặc dù có giá trị, vẫn chưa hoàn toàn giải thích được tất cả các khía cạnh của bệnh. Việc phát triển các loại thuốc điều trị Alzheimer nhắm vào các mục tiêu khác nhau, bao gồm cả Glutaminyl Cyclase (QC), đang là một hướng đi đầy hứa hẹn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ức chế QC có thể làm giảm sự hình thành mảng bám amyloid, một đặc điểm chính của bệnh Alzheimer. Tuy nhiên, việc phát triển các chất ức chế QC hiệu quả và an toàn vẫn còn nhiều khó khăn, bao gồm việc đảm bảo độ chọn lọc cao, khả năng vượt qua hàng rào máu não (BBB) và giảm thiểu các tác dụng phụ tiềm ẩn. Do đó, việc thiết kế cấu trúc các chất ức chế QC mới bằng các phương pháp tiên tiến như học máy và mô hình Pharmacophore là vô cùng cần thiết.

2.1. Sự Hình Thành Mảng Bám Amyloid và Protein Tau Trong Alzheimer

Nghiên cứu năm 1985, khi thực hiện nghiên cứu mảnh A𝛽 được phân lập từ mảng bám amyloid ở những bệnh nhân Alzheimer, Masters và cộng sự nhận thấy sự bất thường trong cấu trúc ở đầu tận nitơ khi tới 64% mảnh A𝛽 bắt đầu từ phenylalanin (Phe) ở vị trí số 4 [39]. Năm 1992, Mori và cộng sự phát hiện ra cấu trúc pyroglutamat ở đầu tận nitơ của khoảng 15-20% mảnh A𝛽, được biết đến là mảnh pE3-A𝛽. Mảnh pE3-A𝛽 có khả năng hình thành cấu trúc nếp gấp beta dễ dàng hơn các đoạn peptid có độ dài hoàn chỉnh, từ đó cho thấy mảnh pE3-A𝛽 hoạt động như một “chất mồi” (seed species), có thể tự kết tập hoặc kết tập với các mảnh A𝛽 có độ dài khác nhau, thúc đẩy quá trình oligomer hoá để tạo nên mảng bám amyloid.

2.2. Ảnh Hưởng Của Glutaminyl Cyclase QC Lên Quá Trình Bệnh Sinh

Nghiên cứu chỉ ra rằng pE3-A𝛽 có khả năng kích hoạt và thúc đẩy quá trình chết của tế bào theo chương trình (apoptosis) và quá trình hoại tử ở các tế bào thần kinh đệm hình sao thông qua việc hoạt hoá caspase, thay đổi tính thấm của màng tế bào hay tạo ra các cytokin gây viêm. Sự phân bố khác nhau của hQC trong tế bào dẫn tới việc hình thành nên hai dạng isoform, cụ thể là hQC phân bố trong túi bài tiết (sQC, mã hoá bởi gen QPCT) và hQC phân bố trong thể golgi (gQC hoặc isoQC, mã hoá bởi gen QPCTL). Việc xác định các cơ chế này có thể giúp phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn.

III. Phương Pháp Học Máy Mô Hình Pharmacophore Thiết Kế Thuốc Ức Chế QC

Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo, các phương pháp nghiên cứu và phát triển thuốc bằng mô phỏng trên máy tính (in silico) ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Các phương pháp này giúp đẩy nhanh quá trình tìm kiếm các hợp chất tiềm năng làm thuốc và tiết kiệm chi phí so với phương pháp truyền thống. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng học máy kết hợp với mô hình Pharmacophore để thiết kế cấu trúc các chất ức chế QC mới. Học máy có thể giúp dự đoán hoạt tính sinh học và tối ưu hóa cấu trúc phân tử, trong khi mô hình Pharmacophore giúp xác định các đặc điểm cấu trúc quan trọng cho hoạt tính ức chế QC. Mục tiêu là xây dựng mô hình liên quan định lượng giữa cấu trúc và tác dụng sinh học (QSAR) và mô hình Pharmacophore của các chất ức chế QC, sau đó thiết kế các cấu trúc mới và sàng lọc tác dụng dựa trên các mô hình này kết hợp với phương pháp mô phỏng tương tác phân tử (Molecular docking).

3.1. Ứng Dụng Học Máy Machine Learning Trong Thiết Kế Thuốc

Học máy đang cách mạng hóa quy trình phát triển thuốc bằng cách cung cấp các công cụ mạnh mẽ để phân tích dữ liệu lớn, dự đoán hoạt tính sinh học và tối ưu hóa cấu trúc phân tử. Các thuật toán học máy có thể được sử dụng để sàng lọc các hợp chất tiềm năng, dự đoán khả năng hấp thụ, phân bố, chuyển hóa và thải trừ của thuốc (ADMET), và xác định các mục tiêu thuốc mới. Học máy giúp giảm thời gian và chi phí phát triển thuốc đồng thời tăng khả năng thành công.

3.2. Vai Trò Của Mô Hình Pharmacophore Trong Tối Ưu Hóa Cấu Trúc

Mô hình Pharmacophore là một biểu diễn trừu tượng của các đặc điểm cấu trúc cần thiết để một phân tử tương tác với mục tiêu sinh học cụ thể. Mô hình này giúp xác định các nhóm chức quan trọng và sự sắp xếp không gian của chúng. Bằng cách sử dụng mô hình Pharmacophore, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các phân tử mới có khả năng tương tác mạnh mẽ với mục tiêu mong muốn, trong trường hợp này là Glutaminyl Cyclase (QC). Mô hình này dựa trên các nhóm chức quan trọng như nhóm cho liên kết hydro, nhóm nhận liên kết hydro, nhóm tích điện dương, nhóm tích điện âm và vòng thơm.

3.3. Phương Pháp Mô Phỏng Tương Tác Phân Tử Molecular Docking

Mô phỏng docking phân tử là một phương pháp tính toán được sử dụng để dự đoán cách một phân tử nhỏ (ví dụ: thuốc tiềm năng) liên kết với một protein mục tiêu (ví dụ: enzyme Glutaminyl Cyclase). Phương pháp này giúp đánh giá ái lực liên kết giữa thuốc và protein, xác định các tương tác quan trọng, và dự đoán cấu trúc của phức hợp thuốc-protein. Kết quả docking phân tử có thể được sử dụng để sàng lọc các hợp chất tiềm năng và tối ưu hóa cấu trúc thuốc.

IV. Nghiên Cứu Thiết Kế Cấu Trúc Mới Ức Chế Glutaminyl Cyclase QC

Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và đánh giá các cấu trúc mới có khả năng ức chế Glutaminyl Cyclase (QC), một mục tiêu đầy hứa hẹn trong điều trị bệnh Alzheimer. Quá trình thiết kế bao gồm việc xây dựng mô hình QSAR và mô hình Pharmacophore, sau đó sử dụng các mô hình này để sàng lọc ảo các hợp chất tiềm năng. Các hợp chất có kết quả sàng lọc tốt nhất được đánh giá bằng phương pháp docking phân tử để xác định ái lực liên kết và các tương tác quan trọng với enzyme QC. Nghiên cứu cũng đánh giá độ chọn lọc của các hợp chất mới đối với QC so với các enzyme khác.

4.1. Xây Dựng Mô Hình QSAR Quantitative Structure Activity Relationship

Mô hình QSAR được xây dựng để thiết lập mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học của các chất ức chế Glutaminyl Cyclase (QC) đã biết. Mô hình này sử dụng các tham số mô tả phân tử (ví dụ: trọng lượng phân tử, hệ số phân bố, diện tích bề mặt) để dự đoán hoạt tính ức chế QC của các hợp chất mới. Mô hình QSAR được đánh giá bằng cách sử dụng một tập kiểm tra độc lập để đảm bảo tính chính xác và khả năng dự đoán.

4.2. Sàng Lọc Ảo Các Hợp Chất Tiềm Năng Bằng Mô Hình Pharmacophore

Sàng lọc ảo là một phương pháp sử dụng mô hình Pharmacophore để tìm kiếm các hợp chất trong cơ sở dữ liệu có cấu trúc phù hợp với các đặc điểm cấu trúc cần thiết cho hoạt tính ức chế Glutaminyl Cyclase (QC). Các hợp chất được xác định trong quá trình sàng lọc ảo được đánh giá thêm bằng phương pháp docking phân tử và các thử nghiệm sinh học in vitro.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Hợp Chất Tiềm Năng Độ Hiệu Quả Ức Chế QC

Nghiên cứu đã xác định được một số hợp chất mới có tiềm năng ức chế Glutaminyl Cyclase (QC) dựa trên kết quả sàng lọc ảo và docking phân tử. Các hợp chất này thể hiện ái lực liên kết tốt với enzyme QC và tuân thủ các quy tắc Lipinski, cho thấy chúng có khả năng trở thành thuốc đường uống. Các kết quả này cung cấp cơ sở cho việc tổng hợp và đánh giá in vitro các hợp chất này để xác nhận hoạt tính ức chế QC và độ chọn lọc.

5.1. Đánh Giá In Silico Các Hợp Chất Ức Chế QC Mới Được Thiết Kế

Đánh giá in silico bao gồm việc sử dụng các phương pháp tính toán như docking phân tử và mô phỏng động lực học phân tử để dự đoán ái lực liên kết, độ ổn định của phức hợp thuốc-protein, và các tương tác quan trọng giữa thuốc và enzyme QC. Các kết quả đánh giá in silico cung cấp thông tin quan trọng để lựa chọn các hợp chất triển vọng cho các thử nghiệm in vitro.

5.2. So Sánh Kết Quả Với Các Nghiên Cứu Về Ức Chế QC Khác

Nghiên cứu so sánh kết quả với các nghiên cứu khác về ức chế Glutaminyl Cyclase (QC) để đánh giá tính mới và tiềm năng của các hợp chất mới được xác định. So sánh này bao gồm việc đánh giá hoạt tính ức chế QC, độ chọn lọc, và cấu trúc của các hợp chất mới so với các chất ức chế QC đã biết.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Ức Chế QC Đột Phá Điều Trị Alzheimer

Nghiên cứu này đóng góp vào sự hiểu biết về Glutaminyl Cyclase (QC) và vai trò của nó trong bệnh Alzheimer. Các kết quả cho thấy việc sử dụng học máy và mô hình Pharmacophore là một phương pháp hiệu quả để thiết kế các chất ức chế QC mới. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để xác nhận hoạt tính ức chế QC và độ an toàn của các hợp chất mới, cũng như đánh giá hiệu quả của chúng trong các mô hình in vivo của bệnh Alzheimer. Trong tương lai, việc phát triển các chất ức chế QC hiệu quả có thể mang lại một đột phá trong điều trị bệnh Alzheimer.

6.1. Triển Vọng Phát Triển Thuốc Ức Chế QC Thế Hệ Mới Cho Alzheimer

Triển vọng phát triển thuốc ức chế Glutaminyl Cyclase (QC) thế hệ mới cho bệnh Alzheimer rất hứa hẹn. Các thuốc này có thể được thiết kế để có độ chọn lọc cao hơn, khả năng vượt qua hàng rào máu não tốt hơn, và giảm thiểu các tác dụng phụ tiềm ẩn. Sự kết hợp của các phương pháp thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc, học máy, và thử nghiệm lâm sàng có thể dẫn đến sự phát triển của các phương pháp điều trị hiệu quả hơn cho bệnh Alzheimer.

6.2. Nghiên Cứu Sâu Hơn Về Cơ Chế Tác Động Của QC và Mảnh Amyloid Beta

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động của Glutaminyl Cyclase (QC) và mảnh amyloid beta là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về bệnh Alzheimer. Nghiên cứu này có thể bao gồm việc xác định các mục tiêu phân tử mới, khám phá vai trò của các yếu tố di truyền và môi trường, và phát triển các biomarker Alzheimer để chẩn đoán sớm và theo dõi tiến triển của bệnh. Sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế bệnh sinh có thể dẫn đến sự phát triển của các phương pháp điều trị hiệu quả hơn và cá nhân hóa hơn cho bệnh Alzheimer.