Khóa luận tốt nghiệp Y tế: Nguyễn thị hương nghiên cứu xây dựng mô hình in

Nghiên cứu xây dựng mô hình in silico dự đoán hoạt tính ức chế BACE-1 và AChE trong sàng lọc phát triển thuốc điều trị Alzheimer của Nguyễn Thị Hương.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thế Hải
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược học
• Đề tài: Nguyễn thị hương nghiên cứu xây dựng mô hình in silico dự đoán tác dụng ức chế bace 1 và ache trong sàng lọc tìm kiếm ứng viên thành thuốc chữa bệnh alzheimer khóa luận tốt nghiệp dược sĩ
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu In Silico Của Nguyễn Thị Hương

Khóa luận tốt nghiệp của Nguyễn Thị Hương từ Trường Đại học Dược Hà Nội năm 2020 tập trung vào xây dựng mô hình in silico để dự đoán tác dụng ức chế enzyme BACE-1 và AChE. Đây là một nghiên cứu khoa học tiên tiến trong lĩnh vực phát triển thuốc điều trị bệnh Alzheimer. Mô hình in silico được áp dụng nhằm sàng lọc và tìm kiếm ứng viên thành thuốc hiệu quả, giảm chi phí và thời gian nghiên cứu. Phương pháp này kết hợp công nghệ tin học với hóa học dược, tạo ra công cụ mạnh mẽ cho đánh giá hoạt tính sinh học của các hợp chất. Công trình của Nguyễn Thị Hương đại diện cho xu hướng hiện đại trong phát triển thuốc mới, sử dụng mô hình QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships) để thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và tác dụng sinh học của các chất ức chế.

1.1. Bệnh Alzheimer Và Nhu Cầu Phát Triển Thuốc Mới

Bệnh Alzheimer là một rối loạn thần kinh mãn tính và tàn phá, gây mất trí nhớ và suy giảm nhận thức ở người già. Hiện nay, chưa có thuốc chữa bệnh Alzheimer hoàn toàn hiệu quả, các thuốc điều trị hiện tại chỉ làm chậm sự tiến triển bệnh. Do đó, tìm kiếm ứng viên thành thuốc mới là vấn đề cấp thiết. Enzyme BACE-1 và AChE là những mục tiêu dược học quan trọng trong sàng lọc thuốc Alzheimer.

1.2. Ứng Dụng Công Nghệ In Silico Trong Nghiên Cứu

Mô hình in silico là phương pháp dự đoán tác dụng dựa trên máy tính, giúp đánh giá hiệu quả của các hợp chất mà không cần thí nghiệm trực tiếp. QSAR modeling cho phép Nguyễn Thị Hương thiết lập mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc phân tử và tác dụng ức chế enzyme. Phương pháp này tiết kiệm chi phí, giảm thời gian nghiên cứu và tăng hiệu suất sàng lọc.

II. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình QSAR Của Nguyễn Thị Hương

Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hương sử dụng phương pháp QSAR để xây dựng hai mô hình riêng biệt: một cho ức chế AChE và một cho ức chế BACE-1. Quá trình xây dựng mô hình bao gồm các bước: thu thập dữ liệu hoạt tính sinh học, tính toán tham số phân tử (Molecular Descriptors), chia tập dữ liệu thành tập huấn luyện (training set) và tập dự đoán (prediction set), tối ưu hóa mô hình sử dụng thuật giải di truyền (Genetic Algorithm), và đánh giá độ chính xác của mô hình. Mô hình QSAR được xây dựng dựa trên tương quan định lượng giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính ức chế enzyme. Nguyễn Thị Hương đã áp dụng thuật toán tối ưu hóa tiên tiến để có được những mô hình có độ tin cậy cao, có khả năng dự đoán chính xác hoạt tính của các hợp chất mới.

2.1. Quy Trình Tính Toán Tham Số Phân Tử

Tham số phân tử (TSPT) là những đặc điểm định lượng của cấu trúc hóa học như kích thước, điện tích, lipophilicity, và khả năng liên kết hydro. Nguyễn Thị Hương sử dụng phần mềm tính toán để xác định các tham số phân tử từ cấu trúc 2D/3D của hợp chất. Những TSPT này là nền tảng cho mô hình QSAR, giúp thiết lập mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học.

2.2. Tối Ưu Hóa Và Đánh Giá Mô Hình

Quá trình tối ưu hóa mô hình sử dụng Genetic Algorithm để chọn lựa tham số phân tử phù hợp nhất. Đánh giá mô hình được thực hiện thông qua các chỉ số thống kê như R², RMSE, và kiểm tra trên tập dự đoán độc lập. Mô hình có độ tin cậy cao sẽ được ứng dụng sàng lọc các hợp chất mới.

III. Enzyme BACE 1 Và AChE Trong Điều Trị Alzheimer

Enzyme BACE-1 (β-secretase) và Acetylcholinesterase (AChE) là hai mục tiêu dược học chính trong phát triển thuốc Alzheimer. BACE-1 có vai trò trong sản sinh Amyloid-β, một protein độc hại tích tụ trong não bộ gây thoái hóa tế bào thần kinh. Bằng cách ức chế BACE-1, có thể giảm hình thành Amyloid-β và chậm tiến triển bệnh. AChE phân hủy acetylcholine, một chất dẫn truyền thần kinh quan trọng. Ức chế AChE giúp tăng nồng độ acetylcholine trong khe synapse, cải thiện chức năng nhận thức. Nguyễn Thị Hương tập trung vào xây dựng mô hình dự đoán tác dụng ức chế cả hai enzyme này, nhằm tìm kiếm những hợp chất đa mục tiêu có hiệu quả cao hơn.

3.1. Cơ Chế Hoạt Động Của BACE 1 Inhibitor

BACE-1 inhibitor (chất ức chế BACE-1) giảm sản sinh Amyloid-β bằng cách chặn hoạt tính enzyme này. Mô hình dự đoán của Nguyễn Thị Hương giúp xác định những cấu trúc hóa học có khả năng ức chế BACE-1 mạnh mẽ. Những hợp chất có hoạt tính cao có thể phát triển thành thuốc mới giúp ngăn chặn tích tụ Amyloid-β và bảo vệ tế bào thần kinh.

3.2. Tác Dụng Ức Chế AChE Trong Cải Thiện Nhận Thức

AChE inhibitor (chất ức chế AChE) tăng nồng độ acetylcholine, cải thiện truyền tín hiệu thần kinh và chức năng nhận thức. Mô hình của Nguyễn Thị Hương dự đoán các hợp chất có khả năng ức chế AChE hiệu quả. Những thuốc này được sử dụng rộng rãi trong điều trị triệu chứng Alzheimer để cải thiện trí nhớ và giảm mức độ quên lãng.

IV. Ứng Dụng Và Kết Quả Sàng Lọc Của Nguyễn Thị Hương

Sau khi xây dựng thành công mô hình QSAR, Nguyễn Thị Hương sử dụng mô hình này để sàng lọc cơ sở dữ liệu hợp chất lớn (database), tìm kiếm những ứng viên thành thuốc có khả năng ức chế BACE-1 và AChE. Kết quả sàng lọc xác định được các hợp chất tốt nhất với hoạt tính dự đoán cao. Đặc biệt, Nguyễn Thị Hương tìm được những hợp chất đa mục tiêu có khả năng ức chế đồng thời cả hai enzyme, những ứng viên này rất có tiềm năng trong phát triển thuốc Alzheimer thế hệ mới. Mô hình in silico của cô cung cấp công cụ hữu ích cho nhà khoa học trong tìm kiếm và phát triển những liệu pháp điều trị hiệu quả hơn cho bệnh Alzheimer.

4.1. Kết Quả Sàng Lọc AChE Và BACE 1 Inhibitor

Sàng lọc sử dụng mô hình QSAR đã xác định được danh sách 15 hợp chất tốt nhất với hoạt tính dự đoán cao đối với AChE và BACE-1. Những hợp chất này được xếp hạng dựa trên độ chính xác dự đoán và giá trị IC50 ước tính. Các kết quả sàng lọc cung cấp danh sách ưu tiên cho những nhà nghiên cứu tiếp theo xác nhận thử nghiệm.

4.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Phương Pháp Nghiên Cứu

Ưu điểm của mô hình in silico là tiết kiệm chi phí, nhanh chóng, và hiệu quả cao trong sàng lọc sơ bộ. Tuy nhiên, hạn chế là mô hình chỉ dự đoán dựa trên dữ liệu hiện tại, không thể tính đến tất cả yếu tố sinh học phức tạp. Xác nhận thử nghiệm trên mô hình sinh học thực vẫn là bước cần thiết trước khi phát triển thuốc lâm sàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về bệnh Alzheimer 1. Bệnh Alzheimer Bệnh Alzheimer (AD) là một bệnh não thoái hóa mãn tính và không thể hồi phục, là nguyên nhân hàng đầu của bệnh lý sa sút trí tuệ. Nó gây ra tình trạng suy giảm trí nhớ, rối loạn định hướng, rối loạn ngôn ngữ, rối loạn tính cách và suy giảm các chức năng nhận thức khác.

Bệnh thường bắt đầu với các triệu chứng nhẹ và kết thúc bằng tổn thương não nghiêm trọng, tỷ lệ mắc bệnh tăng theo tuổi. Theo thống kê của Hiệp hội Alzheimer thế giới 2015, tỉ lệ mắc AD từ khoảng 5% của người dưới 75 tuổi đến 40-50% của người trên 85 tuổi [25]. Bệnh Alzheimer lần đầu tiên được mô tả bởi bác sĩ Alois Alzheimer vào ngày 3 tháng 11 năm 1906 tại cuộc họp lần thứ 37 của Hội tâm thần học Tây Nam Đức ở Tubingen. Ông mô tả một phụ nữ 50 tuổi ở Tây Nam Đức mắc chứng hoang tưởng, rối loạn trí nhớ, thường xuyên gây hấn và bối rối cho đến khi bà tử vong.

Báo cáo của ông ghi nhận các mảng đặc biệt và đám xơ rối trong mô não bệnh nhân. Năm 1910, tái bản lần 8 quyển “Tâm thần học” của Kraepelin được phát hành và trong đó tác giả đề nghị đặt tên căn bệnh mới được tìm ra là Alzheimer. Tới năm 1909, Alois Alzheimer công bố thêm 3 trường hợp khác tương tự với tình trạng của Auguste D, và một bệnh nhân mới (Josef F) chỉ có các mảng bám trong não mà không có rối loạn sợi thần kinh. Từ trường hợp của Auguste D và Josef F, Alzheimer đã chỉ ra mảng bám và đám xơ rối là các giai đoạn khác nhau của một bệnh lý [14].

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng được tiến hành, tuy nhiên cơ chế gây bệnh của AD vẫn chưa được làm sáng tỏ. Điều này gây khó khăn trong việc phòng ngừa và điều trị bệnh. Trong số các giả thuyết về cơ chế bệnh sinh, phải kể đến giả thuyết Amyloid (Amyloid cascade hypothesis) đề xuất rằng sự lắng đọng của amyloid- β protein (Aβ) trong não của bệnh nhân Alzheimer tạo thành các mảng bám là một trong những nguyên nhân quan trọng của tiến triển bệnh [15]. Sự hình thành mảng bám amyloid do β-secretase (BACE-1) 3 Mảng bám Aβ hình thành do phân giải protein tiền chất amyloid (APP) – một glycoprotein xuyên màng gồm 770 acid amin.

Protein này xuất hiện trong nhiều mô nhưng nhiều nhất trong các khớp thần kinh của các neuron. APP bị phân cắt bởi 3 enzym: α, β và γ-secretase [6] Trước hết, APP bị phân cắt đồng thời bởi β-secretase và α-secretase tương ứng với hai con đường amyloidogenic và non – amyloidogenic. Quá trình phân cắt APP bởi α- secretase xảy ra chủ yếu, chiếm hơn 90%, tạo ra sAPPα và C83. Các sAPPα hòa tan này liên quan đến sự dẫn truyền thần kinh bình thường ở synap.

Còn phân cắt bởi β-secretase tạo ra sAPPβ và C99. Các sản phẩm C83 và C99 này bị cắt một lần nữa nhờ γ-secretase. Riêng C99 dưới tác dụng của γ-secretase sẽ tạo thành hai phân đoạn không hòa tan là Aβ40 và Aβ42. Aβ42 có tính độc hơn, được sản xuất nhiều hơn Aβ40.

Các monomer này sau đó kết tụ lại thành các oligomer (dimer hoặc trimer) là các chất độc thần kinh. Các oligomer này không tan và bám xung quanh tế bào thần kinh, dần dần hình thành nên các mảng amyloid beta. Sự hình thành Amyloid beta và mảng bám ngoài tế bào Sự lắng đọng của Aβ là sự kiện khởi phát bệnh lý AD dẫn đến sự hình thành các mảng bám và sau đó đến các đám rối thần kinh, gây chết tế bào thần kinh và cuối cùng là mất trí nhớ [26]. Bên cạnh đó, sự tích tụ các mảng Aβ cũng khiến cho nồng độ ACh ở người mắc AD bị suy giảm đáng kể.

Mặt khác, ACh là chất dẫn truyền thần kinh tại khe synapse, có vai trò quan trọng trong hoạt động của hệ thần kinh. Vì thế, enzym AChE (thoái giáng ACh thành acetat và cholin) đóng vai trò quan trọng trong duy trì ổn định nồng độ Ach trong não của bệnh nhân. Do vậy, thiết kế các thuốc ức chế AChE và BACE-1 đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm tiến triển của bệnh Alzheimer. Thuốc điều trị Alzheimer hiện nay Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nào thực sự điều trị cho bệnh Alzheimer.

Điều trị hỗ trợ và chăm sóc bệnh nhân là những biện pháp chủ yếu. Đối với các bệnh nhân mắc AD triệu chứng từ nhẹ đến trung bình, các chất ức chế acetylcholinsterase (AChEI) được kê đơn nhiều nhất. Tuy nhiên, chiến lược sử dụng chất ức chế đơn đích truyền thống là không đủ và không phù hợp để mang lại hiệu quả điều trị mong muốn vì nhiều yếu tố như sự lắng đọng Aβ, viêm thần kinh, stress oxy hóa và giảm nồng độ ACh đã được cho là đóng vai trò quan trọng trong bệnh học AD [36]. Mô hình phát triển thuốc AD theo hướng mới giải quyết vấn đề này bằng cách tập trung vào các chất ức chế đa đích dựa trên AChEI.

Có thể kể đến một số ví dụ điển hình như: Các chất ức chế kép AChEI, các AChEI ức chế NMDA, các AChEI đối kháng thụ thể PAF, các AChEI ức chế MAO-B [36]. Các chất ức chế kép AChE Các chất này có khả năng ức chế đồng thời vị trí xúc tác lẫn ngoại vi, vì vậy không chỉ làm giảm triệu chứng suy giảm nhận thức của bệnh nhân AD bằng cách tăng số lượng ACh trong khe synap mà còn đóng vai trò là tác nhân làm chậm tiến trình của bệnh, làm trì hoãn sự hình thành mảng bám amyloid. Một trong các thuốc điển hình của hướng nghiên cứu này thiết kế dẫn xuất của galanthamin - hợp chất đã được FDA công nhận sử dụng là thuốc điều trị Azheimer [31]. Doytchinova và các cộng sự đã thiết kế và tổng hợp 15 hợp chất dựa trên khung galanthamin, kết quả nghiên cứu chỉ ra các hợp chất này đều có IC50 lớn hơn galanthamin từ 10 đến 100 lần và đều có khả năng khóa khu vực xúc tác lẫn ngoại biên của AChE [10].

Các AChEI ức chế NMDA Bệnh lý AD biểu hiện tổn thương tế bào thần kinh trên các hệ thống truyền đa thần kinh, bao gồm cholinergic, glutamatergic, dopaminergic, serotoninergic, v. Các hợp chất nhắm mục tiêu vào các thụ thể tương ứng sẽ làm giảm độc tính synap và có lợi cho điều trị AD. Trong số các thụ thể này, thụ thể NMDA, liên quan đến tính linh hoạt synap, 6 đã được chứng minh là có liên quan đến rối loạn chức năng glutamatergic trong bệnh lý AD [8] và 4 trở thành mục tiêu điều trị AD đầy hứa hẹn. Trong 1 báo cáo năm 2010, Yvonne Rook và cộng sự đã chỉ ra rằng một số β-carbolines hóa trị 2 được phát hiện có khả năng ức chế thụ thể NMDA cùng hoạt tính ức chế AChE/BuChE [27].

Các AChEI ức chế MAO-B Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hoạt động MAO-B được tăng lên ở vỏ não của bệnh nhân AD [5], [30] và do đó tạo ra sự gia tăng nồng độ các gốc hydroxyl trong não có liên quan đến sự lắng đọng của các mảng Aβ [5]. Do đó, các chất ức chế MAO-B đã được đề xuất để điều trị AD. Một trong những AChEIs ức chế MAO-B tiêu biểu phải kể tới MBA236, chất này được tổng hợp dựa trên ASS234 - chất chống oxy hóa và chất ức chế tổng hợp AChE và Aβ. MBA236 đã được Bautista-Aguilera và cộng sự xác định là một chất ức chế kép cholinesterase và MAO mới đầy hứa hẹn [2].

Các AChEI đối kháng thụ thể PAF Viêm dây thần kinh có mối tương quan với lắng đọng Aβ và rối loạn sợi thần kinh. Phản ứng viêm thần kinh nghiêm trọng thúc đẩy thêm quá trình thoái hóa thần kinh [22]. Là một chất trung gian gây viêm mạnh, PAF cho thấy mức độ tăng cao trong não AD. Do đó, các thuốc ức chế cả PAF và AChE được mong chờ sẽ có hiệu lực điều trị AD tốt hơn.

Tổng quan về Enzym acetylcholinsterase Acetylcholinsterase là một trong hai loại enzym cholinesterase, nó tập trung tại các khớp thần kinh cholinergic trên khắp hệ thống thần kinh trung ương và tại các khớp thần kinh cơ. Tại đây, AChE nhanh chóng thủy phân acetylcholin thành cholin và acetat [9]. Việc thủy phân acetycholine giúp tái lập kích thích thần kinh và cho phép dẫn truyền xung động thần kinh mới. Trung tâm hoạt động Cấu trúc của AChE được mô tả lần đầu tiên vào năm 1991 bởi J.

Sussman, người đã kết tinh thành công enzym từ cơ quan điện của loài cá đuối điện, Torpedo californiaica 7 (TcAChE). TcAChE bao gồm 537 acid amin và được bao quanh bởi 14 chuỗi xoắn ốc [32]. Trong cấu trúc AChE, hai vùng gắn kết quan trọng cần được quan tâm là vùng xúc tác và vùng ngoại biên. Phản ứng thủy phân AChE diễn ra ở vị trí xúc tác là đáy của một khoang tác động sâu 20 Å, rộng 5 Å.

Vị trí này có bộ ba xúc tác là các residue Ser200, His440 và Glu327. Hoạt tính xúc tác có liên quan đến việc chuyển nhóm acetyl từ acetylcholin sang Ser200. Ngoài ra, vùng xúc tác còn có các thành phần khác như: Túi “oxyanion” với các amino acid Gly118, Gly119 và Ala201, đóng vai trò đây là nơi ổn định phức hợp trung gian được tạo thành trong phản ứng xúc tác của enzym. Túi acyl với các amino acid Phe288 và Phe290, có vai trò ổn định nhóm methyl của phần acetate trong quá trình xúc tác và trong việc chọn lọc cơ chất cho enzym.

Một thành phần khác của vùng xúc tác là vị trí anion AChE, bao gồm Trp84, Tyr130, Phe330 và Phe331, chịu trách nhiệm liên kết nhóm amoni bậc bốn cơ chất với các tương tác cation-π [2]. Vùng ngoại biên (PAS) nằm ở lối vào của khoang tác động bao gồm các amino acid Tyr70, Asp72, Tyr121, Trp279 và Tyr334 trong đó Trp279 là thành phần quan trọng nhất. Vùng này liên quan đến vai trò thúc đẩy sự kết tập các mảng β amyloid đồng thời biến đổi chức năng synap của các tế bào thần kinh hải mã [2]. Nghiên cứu từ Inestrosa và cộng sự cho thấy sự tương tác của peptide Aβ với PAS góp phần hình thành các mảng amyloid bằng cách đẩy nhanh quá trình Oligome hóa Aβ [16].

Các chất ức chế PAS có thể ngăn chặn ACh đi vào vào lõi xúc tác bằng hoạt tính ức chế không cạnh tranh cũng như ức chế sự oligome hóa do PAS gây ra. Do đó, PAS đã nổi lên như một hướng đi mới đầy triển vọng cho điều trị AD [2]. Trung tâm hoạt động của acetylcholinesterase [2] Sự thay đổi sinh hóa đáng chú ý nhất ở bệnh nhân AD là giảm nồng độ ACh ở vùng đồi thị và vỏ não [17].