Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo báo cáo thống kê của Chương trình Phối hợp của Liên Hợp Quốc về HIV/AIDS (UNAIDS), tính đến cuối năm 2023, toàn cầu có khoảng 39,9 triệu người đang sống chung với HIV (tăng so với 38,4 triệu người năm 2021). Dù số ca nhiễm mới đã giảm từ 1,5 triệu (năm 2021) xuống 1,3 triệu (năm 2023) và số ca tử vong liên quan đến AIDS giảm từ 650.000 xuống 630.000 trường hợp, HIV/AIDS vẫn là thách thức y tế nghiêm trọng. Mặc dù liệu pháp kháng retrovirus (ART) mang lại bước tiến lớn trong việc kiểm soát tải lượng virus, thuốc kháng virus hiện nay chưa thể loại bỏ hoàn toàn HIV-1 ra khỏi cơ thể do virus có khả năng ẩn náu ở trạng thái tiềm tàng tại các tế bào vi bào đệm (microglia) và đại thực bào trong hệ thần kinh trung ương, nơi hàng rào máu não hạn chế sự thâm nhập của đa số thuốc ARV. Đồng thời, sự sao chép nhanh và tỷ lệ đột biến cao dẫn đến sự xuất hiện của các chủng HIV-1 kháng thuốc.

Trong vòng đời của HIV-1, enzyme protease (PR) đóng vai trò then chốt trong giai đoạn trưởng thành của virus thông qua việc cắt các chuỗi polyprotein Gag và Gag-Pol thành các protein cấu trúc và enzyme chức năng. Do đó, việc nghiên cứu phát triển các dẫn chất mới có khả năng ức chế enzyme protease HIV-1 là một hướng tiếp cận quan trọng trong hóa dược. Đề tài "Nghiên cứu xây dựng mô hình sàng lọc ảo trên các dẫn chất ức chế enzyme protease HIV-1" được thực hiện nhằm ứng dụng phương pháp tính toán để tiết kiệm thời gian, chi phí sàng lọc các hợp chất tiềm năng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Dự đoán và đánh giá khả năng gắn kết giữa các dẫn xuất của phenolic acid với enzyme protease HIV-1 thông qua mô phỏng docking phân tử (in silico).
  2. Xác định các hợp chất có tiềm năng ức chế enzyme cao hơn hoặc tương đương với phối tử đối chứng, tạo cơ sở dữ liệu định hướng cho các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu là 5 dẫn xuất của phenolic acid được tổng hợp bởi nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phát Đạt, có ký hiệu lần lượt là ME40-2, ME40-3, ME40-4, ME40-5 và ME40-6, cùng các cấu trúc tùy biến dựa trên mô hình dược lực điểm (pharmacophore). Thụ thể sinh học mục tiêu là cấu trúc tinh thể của enzyme protease HIV-1 phối hợp với chất ức chế XK2.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng tính toán in silico trên phần mềm chuyên dụng, được tiến hành tại Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên sinh học cấu trúc của virus HIV-1 và hóa học các hợp chất thiên nhiên:

  • Cấu trúc enzyme protease HIV-1: Thuộc nhóm aspartyl protease, tồn tại dưới dạng homodimer gồm hai chuỗi polypeptide đồng nhất, mỗi chuỗi chứa 99 amino acid. Trung tâm xúc tác nằm ở vùng tiếp xúc giữa hai monomer, được hình thành bởi cặp gốc aspartic acid là Asp A25 và Asp B25. Phản ứng thủy phân liên kết peptide diễn ra thông qua sự phối hợp của hai gốc Asp25 cùng một phân tử nước làm tác nhân nucleophile, cắt các tiền chất polyprotein Gag và Gag-Pol thành các protein cấu trúc (p17 - matrix, p24 - capsid, p7 - nucleocapsid) và các enzyme thiết yếu (protease, reverse transcriptase, integrase).
  • Hóa học dẫn xuất phenolic acid: Dẫn chất phenolic acid thuộc nhóm polyphenol tự nhiên, có khung cấu trúc cơ bản gồm nhân thơm mang nhóm carboxylic acid và một hoặc nhiều nhóm hydroxyl (-OH). Khung dicaffeoylquinic acid (DCQA) là dẫn xuất cấu tạo từ hai đơn vị caffeic acid liên kết với nhau, có hoạt tính sinh học đa dạng và được sử dụng làm khung phân tử cơ sở cho chuỗi phối tử ME40.
  • Phương pháp sàng lọc ảo và docking phân tử: Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật docking phân tử linh hoạt - cứng (flexible-rigid docking) và mô hình cảm ứng tương thích (induced fit), trong đó phối tử có cấu hình linh hoạt để tìm kiếm trạng thái tương tác tối ưu trong khoang gắn kết của thụ thể protein. Độ tin cậy của quy trình docking được thẩm định thông qua phương pháp docking lặp lại (redocking) phối tử đồng kết tinh XK2 vào cấu trúc thụ thể để đánh giá độ lệch trung bình bình phương căn bậc hai (RMSD) và bảo toàn các liên kết hydro, tương tác kỵ nước với các gốc amino acid trọng yếu. Tiếp đó, phương pháp mô hình hóa dược lực điểm (pharmacophore) được triển khai để xác định các đặc trưng không gian (vòng thơm, nhóm cho/nhận liên kết hydro, nhóm kỵ nước) nhằm xây dựng các cấu trúc tùy biến nâng cao ái lực gắn kết.

Nguồn dữ liệu và công cụ tính toán sử dụng trong khóa luận gồm:

  • Ngân hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank - PDB): Tải cấu trúc tinh thể phức hợp enzyme protease HIV-1 với mã định danh PDB ID: 1HVR mang phối tử đồng kết tinh XK2.
  • Phần mềm tính toán: Molecular Operating Environment (MOE) phiên bản 2024.06 dùng cho chuẩn bị cấu trúc protein, tối ưu hóa năng lượng phối tử, thực hiện docking và phân tích dược lực điểm; ChemDraw 22.0 dùng để vẽ cấu trúc hóa học 2D; Discovery Studio hỗ trợ trực quan hóa tương tác phân tử.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dịch tễ, bệnh học và các liệu pháp phòng chống HIV/AIDS. Tác giả trình bày các con đường lây truyền, cơ chế gây suy giảm tế bào miễn dịch T-CD4, và sự tồn lưu của virus tại hệ thần kinh trung ương gây nên hội chứng rối loạn nhận thức liên quan đến HIV (HAND). Về dịch tễ, văn bản phân tích dữ liệu UNAIDS qua hai mốc 2021 và 2023, đồng thời làm rõ ý nghĩa của hai ngưỡng tải lượng virus: ngưỡng tối thiểu 1.500 bản sao/mL cho khả năng lây truyền và ngưỡng 100.000 bản sao/mL phản ánh sự nhân lên mạnh mẽ của virus khi thất bại điều trị; cùng mục tiêu "U = U" (Undetectable = Untransmittable, dưới 50 bản sao/mL).

Chương này cũng phân tích các phác đồ điều trị và dự phòng hiện hành: PEP (dự phòng sau phơi nhiễm trong vòng 72 giờ, kéo dài 28 ngày), PrEP (dự phòng trước phơi nhiễm với thuốc Ricovir-EM: Tenofovir 300 mg kết hợp Emtricitabine 200 mg), liệu pháp phối hợp ART (như viên kết hợp Acriptega gồm Dolutegravir 50 mg, Lamivudine 300 mg, Tenofovir disoproxil 300 mg), và thuốc tiêm tác dụng kéo dài Cabenuva (Cabotegravir và Rilpivirine). Tác giả tổng quan cấu trúc và dược động học của năm thuốc ức chế protease (PIs) được FDA phê duyệt: Indinavir (Crixivan, liều 800 mg/3 lần/ngày), Nelfinavir (Viracept, liều 750 mg/3 lần/ngày), Ritonavir (Norvir, liều 600 mg/2 lần/ngày hoặc 400 mg/2 lần/ngày khi dùng phối hợp), Saquinavir với hai dạng bào chế viên nang cứng (Invirase - HGC, 600 mg/3 lần/ngày) và viên nang mềm (Fortovase - SGC, 1200 mg/3 lần/ngày), Amprenavir (Agenerase, 1200 mg/2 lần/ngày). Phần cuối chương tập trung vào cơ chế xúc tác của cặp Asp25, phân loại các mô hình docking (docking cứng, docking linh hoạt - cứng, docking linh hoạt), và danh pháp IUPAC của 5 dẫn chất phenolic acid ban đầu (ME40-2 đến ME40-6).

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình tính toán trên phần mềm MOE 2024.06. Quy trình chuẩn bị cấu trúc thụ thể protein từ mã PDB 1HVR bao gồm các bước: loại bỏ các phân tử nước không tham gia liên kết cấu trúc, hiệu chỉnh điện tích và trạng thái proton hóa của các amino acid tại pH sinh lý, tối ưu hóa năng lượng trường lực. Bộ dữ liệu phối tử gồm 5 hợp chất ME40 được vẽ trên ChemDraw, chuyển đổi định dạng sang tệp 3D trên MOE và tối ưu hóa cấu hình không gian.

Tác giả thiết lập khoang gắn kết hoạt động bao quanh hai gốc Asp A25 và Asp B25. Thông số docking được xác định bằng thuật toán tìm kiếm cấu hình phối tử và hàm tính điểm năng lượng tự do liên kết GBVI/WSA dG. Quy trình redocking được thực hiện trên phối tử chuẩn XK2 để kiểm tra khả năng tái hiện cấu hình tinh thể thực tế. Đồng thời, chương này thiết lập phương pháp nhận diện và định vị các điểm tương tác Pharmacophore (vòng thơm Aro, nhóm cho hydro Don, nhóm nhận hydro Acc, nhóm kỵ nước Hyd) để thực hiện các biến đổi cấu trúc tùy biến trên các phối tử ME40.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng tính toán. Kết quả redocking phối tử XK2 vào cấu trúc 1HVR cho thấy cấu hình docking trùng khớp tốt với vị trí đồng kết tinh ban đầu, đạt điểm số năng lượng liên kết đối chứng là -9,0386 kcal/mol. Phân tích tương tác tại khoang gắn kết xác nhận tần suất tham gia tạo liên kết hydro và tương tác van der Waals cao của các gốc amino acid Asp25, Gly27, Asp29, Asp30 và Ile50 của cả hai chuỗi polypeptide A và B.

Khi tiến hành docking trên 5 hợp chất dẫn xuất ban đầu, các phân tử ME40 đều khớp vào vị trí hoạt động của protease. Trong đó, ME40-4 (-9,2863 kcal/mol), ME40-5 (-9,7679 kcal/mol) và ME40-6 (-9,4374 kcal/mol) cho giá trị năng lượng tự do liên kết thấp hơn rõ rệt so với phối tử chuẩn XK2. Dựa trên phân tích Pharmacophore, tác giả xây dựng thêm các cấu trúc tùy biến (ký hiệu từ A đến E) cho từng nhóm. Quá trình docking các cấu trúc tùy biến này đã xác định thêm hàng loạt dẫn chất có ái lực gắn kết cao, đặc biệt là ME40-6A đạt -9,5815 kcal/mol và ME40-5A đạt -9,3646 kcal/mol. Tác giả cũng thảo luận tương quan giữa năng lượng docking của nhóm ME40 với các giá trị tính toán trên các thuốc PIs thương mại hiện hành.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết kết quả nghiên cứu sàng lọc ảo. Mô hình tính toán đã chứng minh tính khả thi của khung dẫn xuất phenolic acid trong việc liên kết với enzyme protease HIV-1. Tác giả kiến nghị ưu tiên lựa chọn các hợp chất có điểm docking tốt nhất (tiêu biểu là ME40-5, ME40-6A, ME40-6) để tiến hành tổng hợp hóa học và thực hiện các thử nghiệm sinh học in vitro (xác định giá trị IC50 trên enzyme protease tái tổ hợp) và in vivo. Đồng thời, văn bản nhấn mạnh việc mở rộng thử nghiệm trên các protease thuộc phân nhóm HIV-1 CRF01_AE lưu hành phổ biến tại Việt Nam.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã sàng lọc thành công tập hợp các dẫn chất phenolic acid trên khoang gắn kết của enzyme protease HIV-1 (mã PDB: 1HVR). Dựa trên giá trị năng lượng tự do liên kết (S-score tính bằng kcal/mol) thu được từ hàm tính điểm của MOE, đề tài đã phát hiện 11 hợp chất dẫn đầu có ái lực gắn kết vượt trội so với phối tử đối chứng XK2 (-9,0386 kcal/mol) và 3 hợp chất có hiệu quả gắn kết tương đương.

Bảng tổng hợp điểm số docking của các dẫn xuất ME40 tiềm năng:

Nhóm phân loại Tên phối tử Điểm số docking (kcal/mol) Ghi chú so sánh với XK2 (-9,0386 kcal/mol)
Nhóm hợp chất dẫn đầu ME40-5 -9,7679 Ái lực liên kết mạnh nhất trong nghiên cứu
ME40-6A -9,5815 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-6
ME40-6 -9,4374 Hợp chất ban đầu
ME40-5A -9,3646 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-5
ME40-6B -9,3009 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-6
ME40-4 -9,2863 Hợp chất ban đầu
ME40-6C -9,2585 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-6
ME40-5B -9,2096 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-5
ME40-6D -9,1905 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-6
ME40-5C -9,1755 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-5
ME40-4A -9,1476 Dẫn xuất tùy biến từ ME40-4
Nhóm hiệu quả tương đương ME40-6E -9,0963 Tương đương phối tử đối chứng XK2
ME40-5D -9,0765 Tương đương phối tử đối chứng XK2
ME40-4B -9,0393 Tương đương phối tử đối chứng XK2

Đóng góp của khóa luận thể hiện ở các điểm cụ thể mà tác giả trình bày:

  • Thiết lập quy trình tính toán docking phân tử hoàn chỉnh và thẩm định được độ tin cậy của mô hình tương tác trên khoang gắn kết 1HVR thông qua thử nghiệm redocking với phối tử XK2.
  • Chứng minh tiềm năng ức chế sinh học của các dẫn chất phenolic acid có nguồn gốc tự nhiên (cấu trúc dicaffeoyl), chỉ ra rằng việc biến đổi cấu trúc bằng mô hình Pharmacophore giúp cải thiện đáng kể năng lượng liên kết so với cấu trúc ban đầu.
  • Rút ngắn thời gian và tối ưu hóa chi phí thử nghiệm thực nghiệm bằng cách cung cấp danh sách 14 phối tử ưu tiên cho các nghiên cứu phát triển thuốc kháng HIV tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Toàn bộ kết quả gắn kết và năng lượng tương tác mới dừng lại ở mức độ mô phỏng tính toán in silico trên phần mềm máy tính, chưa có kiểm chứng thực nghiệm bằng phương pháp hóa sinh.
  • Nghiên cứu chưa đánh giá đầy đủ các đặc tính dược động học và độc tính (in silico ADMET), cũng như độ bền liên kết động học phân tử (Molecular Dynamics simulation) theo thời gian.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Tiến hành tổng hợp hóa học thực tế các hợp chất có điểm docking dẫn đầu, đặc biệt là ME40-5, ME40-6A và ME40-6.
  • Thực hiện các thử nghiệm ức chế enzyme in vitro để xác định nồng độ ức chế IC50 trên enzyme protease tái tổ hợp, tiến tới đánh giá hoạt tính kháng virus trên dòng tế bào nhiễm HIV-1.
  • Mở rộng mô hình sàng lọc trên cấu trúc enzyme protease của phân nhóm HIV-1 CRF01_AE đặc trưng cho dịch tễ tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và các nhóm nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa dược, Dược học và Công nghệ Sinh học:

  • Phương pháp luận docking: Cung cấp quy trình chi tiết về việc xử lý cấu trúc đại phân tử protein từ ngân hàng dữ liệu PDB, phương pháp tối ưu hóa hình học phân tử nhỏ trên MOE 2024.06 và kỹ thuật đánh giá tính hợp lệ của mô hình bằng phương pháp redocking.
  • Thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc (SBDD): Cung cấp dữ liệu chi tiết về tọa độ gắn kết, các thông số tương tác liên kết hydro và tương tác kỵ nước với vị trí xúc tác Asp25 của protease HIV-1.
  • Dữ liệu hóa học: Cung cấp thông tin danh pháp IUPAC, công thức cấu tạo của các dẫn xuất caffeic acid và các biến thể tùy biến pharmacophore có ái lực gắn kết cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc của enzyme protease HIV-1 có đặc điểm gì và vị trí xúc tác chính nằm ở đâu?
Protease HIV-1 là một homodimer gồm 2 chuỗi polypeptide đồng nhất, mỗi chuỗi chứa 99 amino acid liên kết với nhau bằng tương tác phi hóa trị. Trung tâm hoạt động xúc tác của enzyme nằm ở mặt phân cách giữa hai chuỗi, được tạo thành bởi cặp gốc amino acid Asp A25 và Asp B25, có chức năng phối hợp kích hoạt phân tử nước để thủy phân liên kết peptide của các polyprotein Gag và Gag-Pol.

2. Tập hợp chất ban đầu ME40 gồm những chất nào và có bản chất hóa học là gì?
Tập hợp chất gồm 5 dẫn xuất của phenolic acid (cụ thể là dẫn xuất dicaffeoyl): ME40-2, ME40-3, ME40-4, ME40-5 và ME40-6. Các hợp chất này có cấu trúc chứa hai nhóm (2E,2'E)-bis(3-(3,4-dihydroxyphenyl)acrylate) gắn vào khung vòng cyclopentane hoặc cyclohexane mang các nhóm thế hydroxyl và methoxycarbonyl.

3. Hợp chất nào đạt điểm số docking tốt nhất trong toàn bộ nghiên cứu?
Hợp chất đạt điểm số docking tốt nhất là dẫn xuất ban đầu ME40-5 với mức năng lượng tự do liên kết đạt -9,7679 kcal/mol, vượt trội hơn so với phối tử đối chứng XK2 (-9,0386 kcal/mol). Trong nhóm dẫn xuất tùy biến qua pharmacophore, hợp chất ME40-6A đạt điểm cao nhất với -9,5815 kcal/mol.

4. Nghiên cứu sử dụng cấu trúc protein tinh thể nào để thực hiện docking và giá trị năng lượng của phối tử chuẩn là bao nhiêu?
Nghiên cứu sử dụng cấu trúc tinh thể phức hợp enzyme protease HIV-1 mang mã định danh PDB ID: 1HVR. Phối tử đồng kết tinh trong phức hợp này là XK2, đạt điểm số năng lượng docking đối chứng là -9,0386 kcal/mol trong quá trình redocking.

5. Hai ngưỡng tải lượng virus HIV quan trọng được nêu trong khóa luận có ý nghĩa lâm sàng như thế nào?
Hai ngưỡng tải lượng virus được nêu là 1.500 bản sao/mL và 100.000 bản sao/mL. Ngưỡng 1.500 bản sao/mL là mức tải lượng tối thiểu bắt đầu xuất hiện nguy cơ lây truyền virus qua các hành vi phơi nhiễm; trong khi ngưỡng 100.000 bản sao/mL thể hiện tình trạng virus đang nhân lên mạnh mẽ, nguy cơ lây nhiễm rất cao và phản ánh phác đồ điều trị kháng retrovirus chưa đạt hiệu quả.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Đồng Hữu Chính đã xây dựng thành công quy trình sàng lọc ảo in silico trên phần mềm MOE 2024.06 để đánh giá khả năng ức chế enzyme protease HIV-1 của các dẫn xuất phenolic acid. Nghiên cứu đã xác định được 11 dẫn chất có năng lượng liên kết vượt trội và 3 dẫn chất có hiệu quả tương đương phối tử chuẩn XK2 (PDB ID: 1HVR), tiêu biểu nhất là hợp chất ME40-5 (-9,7679 kcal/mol) và ME40-6A (-9,5815 kcal/mol). Kết quả mô phỏng tương tác với trung tâm xúc tác Asp25 cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng, định hướng cho các giai đoạn tổng hợp hóa học và thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro tiếp theo.