Tổng quan nghiên cứu

Ung thư là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn cầu. Theo ước tính của Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) năm 2018, có khoảng 18,1 triệu ca mắc mới và 9,6 triệu ca tử vong do ung thư trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, năm 2018 ghi nhận khoảng 164.671 ca mắc mới và 114.000 ca tử vong do ung thư, trong đó ung thư gan, phổi, dạ dày, vú và đại trực tràng là những loại phổ biến nhất. Tỷ lệ phát hiện ung thư ở giai đoạn đầu chỉ chiếm khoảng 20-30%, dẫn đến tỷ lệ sống sót sau 5 năm thấp hơn so với nhiều quốc gia khác.

Ở mức độ phân tử, sự biểu hiện quá mức hoặc đột biến của các thụ thể tyrosine kinase như EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor) và HER2 (Human Epidermal Growth Factor Receptor 2) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển ung thư. Việc ức chế hoạt động của các thụ thể này là mục tiêu quan trọng trong điều trị ung thư.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng ức chế các protein gây ung thư của các hợp chất tự nhiên trong cây Lá đắng (Vernonia amygdalina) bằng phương pháp docking phân tử. Mục tiêu chính là đánh giá tương tác của các hợp chất trong cây Lá đắng với miền tyrosine kinase của EGFR và HER2, so sánh với các thuốc tổng hợp đã được FDA công nhận, từ đó đề xuất các hợp chất tiềm năng cho nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo. Nghiên cứu được thực hiện tại Bình Định trong năm 2021, có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thuốc điều trị ung thư từ nguồn dược liệu tự nhiên, góp phần giảm tác dụng phụ và chi phí điều trị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết docking phân tử: Phương pháp dự đoán vị trí và cấu dạng tối ưu của một phân tử nhỏ (phối tử) khi liên kết với protein đích (thụ thể), nhằm xác định ái lực và cơ chế tương tác. Docking phân tử là bài toán tối ưu hóa năng lượng tự do liên kết, giúp đánh giá khả năng ức chế protein của các hợp chất.

  • Mô hình thụ thể tyrosine kinase EGFR và HER2: Hai thụ thể thuộc họ ErbB, có cấu trúc gồm thùy N và thùy C nối với nhau qua vùng bản lề (hinge region). Vùng bản lề là vị trí gắn ATP và là mục tiêu của các thuốc ức chế kinase. Sự biểu hiện quá mức hoặc đột biến tại vùng này gây ra sự tăng sinh tế bào không kiểm soát, dẫn đến ung thư.

  • Khái niệm năng lượng liên kết (Binding Energy - BE): Là đại lượng đo lường độ bền của phức protein-phối tử, giá trị âm càng lớn biểu thị tương tác càng mạnh và khả năng ức chế càng cao.

  • Thuật toán docking phân tử Lamarckian Genetic Algorithm (LGA): Thuật toán lai kết hợp tìm kiếm toàn cục và cục bộ, tối ưu hóa cấu dạng phối tử trong không gian hoạt động của protein, giúp tìm ra cấu dạng liên kết tối ưu.

  • Các tương tác hóa học chính trong phức protein-phối tử: Bao gồm tương tác kỵ nước, liên kết hydrogen, tương tác tĩnh điện (cation-π, anion-π), và liên kết halogen, ảnh hưởng đến độ bền và tính chọn lọc của liên kết.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Cấu trúc protein EGFR-TK (PDB: 1M17) và HER2-TK (PDB: 3PP0) được tải từ Protein Data Bank. Các hợp chất tự nhiên trong cây Lá đắng được tổng hợp từ các nghiên cứu thực nghiệm và cơ sở dữ liệu PubChem.

  • Chuẩn bị mẫu: Cấu trúc protein được xử lý loại bỏ nước và phối tử cũ, thêm nguyên tử hydrogen và xác định điện tích bằng phần mềm AutoDockTools 1.6. Các hợp chất được tối ưu hóa hình học bằng phương pháp bán kinh nghiệm PM6 trong Gaussian 09.

  • Phương pháp phân tích: Docking phân tử được thực hiện bằng AutoDock 4 sử dụng thuật toán LGA để tìm cấu dạng liên kết tối ưu giữa các hợp chất và thụ thể EGFR-TK, HER2-TK. Các tham số như năng lượng liên kết, hằng số ức chế (Ki) được tính toán.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong năm 2021 tại Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và Mô phỏng, Trường Đại học Quy Nhơn, với các bước chuẩn bị dữ liệu, tối ưu hóa cấu trúc, docking phân tử và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng tương tác của các hợp chất flavonoid với EGFR-TK: Các hợp chất flavonoid như Luteolin, Isorhamnetin có năng lượng liên kết âm mạnh, dao động từ -8,5 đến -9,2 kcal/mol, thấp hơn hoặc tương đương với thuốc tổng hợp Erlotinib (-7,8 kcal/mol). Hằng số ức chế Ki của các flavonoid đạt khoảng vài micromolar, cho thấy tiềm năng ức chế cao.

  2. Tương tác của các hợp chất terpenoid với EGFR-TK: Một số terpenoid như Vernodalin và Vernodalol có năng lượng liên kết âm từ -7,5 đến -8,0 kcal/mol, tương đương với thuốc tổng hợp, với các tương tác kỵ nước và liên kết hydrogen ổn định.

  3. Khả năng ức chế HER2-TK của các hợp chất tự nhiên: Flavonoid và terpenoid trong cây Lá đắng cũng thể hiện năng lượng liên kết âm mạnh với HER2-TK, trong khoảng -8,0 đến -9,0 kcal/mol, so sánh với thuốc Lapatinib (-8,3 kcal/mol). Các tương tác chủ yếu là liên kết hydrogen với vùng bản lề và tương tác tĩnh điện.

  4. So sánh với thuốc tổng hợp: Các hợp chất tự nhiên trong cây Lá đắng có khả năng tương tác và ức chế hai thụ thể EGFR và HER2 tương đương hoặc vượt trội so với các thuốc tổng hợp FDA công nhận, đồng thời có ưu điểm tiềm năng về độ an toàn và ít tác dụng phụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả docking phân tử cho thấy các hợp chất flavonoid và terpenoid trong cây Lá đắng có khả năng liên kết mạnh với miền tyrosine kinase của EGFR và HER2, chủ yếu thông qua các liên kết hydrogen và tương tác kỵ nước với các amino acid quan trọng trong vùng bản lề. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hoạt tính sinh học của cây Lá đắng trong ức chế tế bào ung thư.

So với các thuốc tổng hợp như Erlotinib và Lapatinib, các hợp chất tự nhiên không chỉ có năng lượng liên kết thấp hơn mà còn có cấu trúc đa dạng, giúp tăng khả năng chọn lọc và giảm tác dụng phụ. Các biểu đồ năng lượng liên kết và hằng số ức chế có thể được trình bày để minh họa sự khác biệt giữa các hợp chất.

Ngoài ra, việc sử dụng phương pháp docking phân tử kết hợp với hóa học tính toán bán kinh nghiệm PM6 giúp tối ưu hóa cấu trúc phân tử, nâng cao độ chính xác của dự đoán. Tuy nhiên, kết quả này cần được xác nhận thêm qua các nghiên cứu thực nghiệm in vitro và in vivo để đánh giá hiệu quả và độ an toàn thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm in vitro: Thử nghiệm khả năng ức chế hoạt động kinase của các hợp chất flavonoid và terpenoid trên các dòng tế bào ung thư biểu hiện quá mức EGFR và HER2, nhằm xác nhận hiệu quả sinh học. Thời gian dự kiến 6-12 tháng, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành thực hiện.

  2. Phát triển các sản phẩm dược liệu từ cây Lá đắng: Khuyến khích nghiên cứu chiết xuất và bào chế các dạng thuốc hoặc thực phẩm chức năng chứa các hợp chất tiềm năng, nhằm cung cấp giải pháp điều trị bổ trợ cho bệnh nhân ung thư. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp dược liệu trong vòng 1-2 năm.

  3. Mở rộng nghiên cứu docking với các thụ thể ung thư khác: Áp dụng phương pháp docking phân tử để khảo sát tương tác của các hợp chất trong cây Lá đắng với các protein mục tiêu khác liên quan đến ung thư, nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu hóa tính toán đảm nhận.

  4. Xây dựng cơ sở dữ liệu hợp chất tự nhiên có hoạt tính ức chế ung thư: Tổng hợp và cập nhật các dữ liệu docking, hoạt tính sinh học, cấu trúc phân tử để hỗ trợ nghiên cứu phát triển thuốc tự nhiên. Chủ thể thực hiện là các tổ chức nghiên cứu và trường đại học, trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu dược học và hóa học tính toán: Luận văn cung cấp phương pháp và kết quả docking phân tử chi tiết, giúp phát triển các nghiên cứu tiếp theo về thuốc ức chế protein ung thư từ nguồn tự nhiên.

  2. Bác sĩ và chuyên gia y học cổ truyền: Thông tin về hoạt tính sinh học của cây Lá đắng và các hợp chất có thể hỗ trợ trong việc lựa chọn và phát triển các liệu pháp bổ trợ điều trị ung thư.

  3. Doanh nghiệp dược liệu và thực phẩm chức năng: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm mới từ cây Lá đắng, đáp ứng nhu cầu thị trường về thuốc an toàn, ít tác dụng phụ.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành hóa lý, hóa dược: Tài liệu tham khảo về ứng dụng docking phân tử, hóa học tính toán và nghiên cứu phát triển thuốc tự nhiên trong lĩnh vực ung thư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Docking phân tử là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
    Docking phân tử là phương pháp mô phỏng sự liên kết giữa phân tử nhỏ (phối tử) và protein đích để dự đoán cấu dạng và ái lực liên kết. Nó giúp đánh giá khả năng ức chế protein của các hợp chất tự nhiên trước khi tiến hành thử nghiệm thực nghiệm, tiết kiệm thời gian và chi phí.

  2. Tại sao chọn cây Lá đắng làm nguồn hợp chất nghiên cứu?
    Cây Lá đắng có nguồn gốc tự nhiên, được sử dụng rộng rãi trong y học dân gian với nhiều hoạt tính sinh học như kháng ung thư, kháng viêm, chống oxy hóa. Ngoài ra, cây dễ trồng và phân bố rộng, phù hợp cho phát triển dược liệu.

  3. Các hợp chất trong cây Lá đắng có thể thay thế thuốc tổng hợp không?
    Các hợp chất tự nhiên có tiềm năng ức chế tương đương hoặc tốt hơn thuốc tổng hợp trong mô phỏng docking, đồng thời có ưu điểm ít tác dụng phụ. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng để xác nhận hiệu quả và an toàn trước khi thay thế.

  4. Phương pháp hóa học tính toán PM6 có ưu điểm gì?
    PM6 là phương pháp bán kinh nghiệm giúp tối ưu hóa cấu trúc phân tử lớn nhanh chóng và chính xác tương đối, phù hợp với các hợp chất hữu cơ phức tạp như flavonoid và terpenoid trong cây Lá đắng, hỗ trợ tốt cho quá trình docking.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong thực tế?
    Kết quả cung cấp cơ sở khoa học để phát triển thuốc hoặc thực phẩm chức năng từ cây Lá đắng, hỗ trợ điều trị ung thư liên quan đến EGFR và HER2, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu dược liệu tự nhiên và thiết kế thuốc mới.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá thành công khả năng ức chế miền tyrosine kinase của EGFR và HER2 bởi các hợp chất tự nhiên trong cây Lá đắng thông qua phương pháp docking phân tử.
  • Các hợp chất flavonoid và terpenoid thể hiện năng lượng liên kết âm mạnh, tương đương hoặc vượt trội so với thuốc tổng hợp FDA công nhận.
  • Phương pháp hóa học tính toán PM6 và thuật toán Lamarckian Genetic Algorithm được áp dụng hiệu quả trong tối ưu hóa cấu trúc và docking phân tử.
  • Kết quả mở ra hướng nghiên cứu phát triển thuốc điều trị ung thư từ nguồn dược liệu tự nhiên, giảm tác dụng phụ và chi phí điều trị.
  • Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu thực nghiệm in vitro, phát triển sản phẩm dược liệu và mở rộng nghiên cứu docking với các mục tiêu ung thư khác.

Để khai thác tối đa tiềm năng của cây Lá đắng trong điều trị ung thư, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược liệu nên phối hợp triển khai các nghiên cứu thực nghiệm và phát triển sản phẩm ứng dụng.