Phát Hiện Hợp Chất Ức Chế Enzym Protease (Mpro và PLpro) Của Virus SARS-CoV-2

• Tác giả: Lê Đăng Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thế Hải
• Trường học: Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Phát Hiện Hợp Chất Ức Chế Enzym Protease Của Virus SARS-CoV-2
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về protease của SARS-CoV-2
• 1.2. Cấu trúc và bước đầu quá trình dịch mã của virus SARS-CoV-2
• 1.3. Protease của virus SARS-CoV-2
• 1.4. Sự tương đồng giữa các chủng coronavirus
• 1.5. Cấu trúc của Mpro và PLpro
• 1.6. Tổng quan về mô phỏng động lực học phân tử
• 1.7. Đại cương về mô phỏng động lực học phân tử
• 1.8. Năng lượng tự do liên kết
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Nguyên liệu và thiết bị
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Xây dựng mô hình 2D QSAR và sàng lọc sơ bộ
• 2.5. Mô phỏng docking
• 2.6. Mô phỏng động lực học phân tử
• 2.7. Kiểm tra tính ổn định của phức hợp
• 2.8. Tính toán năng lượng tự do liên kết
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Xây dựng mô hình 2D QSAR và sàng lọc sơ bộ
• 3.2. Mô phỏng docking
• 3.3. Mô phỏng động lực học phân tử
• 3.4. Ưu điểm của phương pháp
• 3.5. Nhược điểm của phương pháp
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Enzym Protease SARS CoV 2 Cấu Trúc Chức Năng

Đại dịch COVID-19 do SARS-CoV-2 gây ra là một thách thức toàn cầu. Virus này ảnh hưởng đến nhiều cơ quan, gây ra các triệu chứng từ nhẹ đến nặng. Việc phát triển thuốc điều trị COVID-19 là vô cùng cấp thiết. Enzym protease SARS-CoV-2, đặc biệt là Mpro và PLpro, đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhân lên của virus. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm các hợp chất ức chế protease để ngăn chặn sự phát triển của virus. Các phương pháp thiết kế thuốc dựa trên công nghệ thông tin (CADD) ngày càng được áp dụng rộng rãi để tiết kiệm thời gian và chi phí.

1.1. Cấu trúc bộ gen và quá trình dịch mã của SARS CoV 2

SARS-CoV-2 là một loại coronavirus thuộc nhóm beta, có cấu trúc đặc trưng với sợi đơn ARN dương tính. Bộ gen của virus mã hóa các protein cấu trúc chính (S, E, M, N) và nhiều protein phi cấu trúc (nsp). Sau khi xâm nhập vào tế bào chủ, bộ gen được dịch mã để tạo ra các polyprotein, sau đó được phân cắt bởi các enzym protease như Mpro và PLpro. Quá trình này giải phóng các nsp cần thiết cho sự nhân lên của virus. Theo tài liệu gốc, hai phần ba bộ gen tính từ đầu 5’ bao gồm hai khung đọc mở (ORF 1 a và ORF 1 b) được dịch mã thành hai polyprotein (ppla và pplab) thông qua cơ chế chuyển dịch khung ribosome.

1.2. Vai trò của protease Mpro và PLpro trong vòng đời virus

Protease Mpro (3CLpro) và PLpro là hai enzym protease quan trọng của SARS-CoV-2. Chúng chịu trách nhiệm phân cắt các polyprotein thành các protein chức năng, cần thiết cho sự nhân lên của virus. Mpro phân cắt tại 11 vị trí trên polyprotein, trong khi PLpro có vai trò phức tạp hơn, bao gồm cả việc loại bỏ ubiquitin và ISG15 từ các protein của tế bào chủ, giúp virus trốn tránh hệ miễn dịch. Do đó, việc ức chế protease SARS-CoV-2 là một chiến lược đầy hứa hẹn để phát triển thuốc kháng virus.

II. Thách Thức Phát Triển Thuốc Ức Chế Protease SARS CoV 2 Hiệu Quả

Việc phát triển thuốc ức chế protease SARS-CoV-2 hiệu quả đối mặt với nhiều thách thức. Cần tìm kiếm các hợp chất ức chế protease có hoạt tính cao, chọn lọc và ít độc tính. Các biến thể SARS-CoV-2 có thể làm giảm hiệu quả của thuốc. Cần có các phương pháp sàng lọc và đánh giá hoạt tính nhanh chóng và chính xác. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc hiểu rõ cơ chế ức chế protease và tương tác thuốc-protein để tối ưu hóa cấu trúc và hiệu quả điều trị của thuốc.

2.1. Vấn đề kháng thuốc và sự xuất hiện của các biến thể SARS CoV 2

Sự xuất hiện của các biến thể SARS-CoV-2 là một thách thức lớn trong việc phát triển thuốc kháng virus. Các đột biến trong bộ gen của virus có thể làm thay đổi cấu trúc của enzym protease, làm giảm khả năng liên kết của thuốc và dẫn đến kháng thuốc. Do đó, cần có các nghiên cứu liên tục để theo dõi sự tiến hóa của virus và phát triển các loại thuốc có thể chống lại các biến thể SARS-CoV-2 mới.

2.2. Yêu cầu về độ chọn lọc và độc tính của chất ức chế protease

Một chất ức chế protease lý tưởng cần có độ chọn lọc cao đối với enzym protease SARS-CoV-2, tránh ảnh hưởng đến các protease khác trong cơ thể người. Độc tính của thuốc cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá dược động học và dược lực học của thuốc để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng trên người.

III. Phương Pháp Sàng Lọc Hợp Chất Ức Chế Protease SARS CoV 2

Các phương pháp sàng lọc hợp chất ức chế protease bao gồm sàng lọc in silico, thử nghiệm in vitro và thử nghiệm lâm sàng. Sàng lọc in silico sử dụng mô hình hóa phân tử và docking phân tử để dự đoán khả năng liên kết của các hợp chất với enzym protease. Thử nghiệm in vitro đánh giá hoạt tính ức chế protease của các hợp chất trong môi trường phòng thí nghiệm. Thử nghiệm lâm sàng đánh giá hiệu quả điều trị và độ an toàn của thuốc trên người.

3.1. Ứng dụng tin sinh học và hóa tin học trong sàng lọc in silico

Tin sinh học và hóa tin học đóng vai trò quan trọng trong việc sàng lọc hợp chất ức chế protease in silico. Các công cụ mô hình hóa phân tử và docking phân tử cho phép dự đoán khả năng liên kết của các hợp chất với enzym protease SARS-CoV-2. Các phương pháp học máy (Machine Learning) và trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dự đoán hoạt tính và tối ưu hóa cấu trúc của hợp chất.

3.2. Thử nghiệm in vitro đánh giá hoạt tính ức chế protease

Thử nghiệm in vitro là bước quan trọng để xác nhận hoạt tính ức chế protease của các hợp chất được sàng lọc in silico. Các thử nghiệm này sử dụng các enzym protease SARS-CoV-2 tái tổ hợp và các cơ chất đặc hiệu để đo lường khả năng ức chế protease của các hợp chất. Kết quả thử nghiệm in vitro cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế ức chế protease và giúp lựa chọn các chất ức chế protease tiềm năng để phát triển thành thuốc.

IV. Mô Phỏng Động Lực Học Phân Tử Đánh Giá Tương Tác Thuốc Protein

Mô phỏng động lực học phân tử (MD) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu tương tác thuốc-protein. MD cho phép mô phỏng chuyển động của các nguyên tử trong phân tử theo thời gian, cung cấp thông tin chi tiết về sự ổn định của phức hợp thuốc-protein, các liên kết hydro và tương tác kỵ nước giữa thuốc và protein. MD giúp hiểu rõ cơ chế ức chế protease và tối ưu hóa cấu trúc của hợp chất ức chế protease.

4.1. Phân tích liên kết hydro và tương tác kỵ nước trong túi liên kết

Liên kết hydro và tương tác kỵ nước đóng vai trò quan trọng trong sự liên kết của hợp chất ức chế protease với enzym protease SARS-CoV-2. Mô phỏng động lực học phân tử cho phép phân tích chi tiết các liên kết hydro và tương tác kỵ nước trong túi liên kết, giúp xác định các vị trí quan trọng cho sự liên kết và tối ưu hóa cấu trúc của hợp chất.

4.2. Đánh giá độ ổn định của phức hợp thuốc protein theo thời gian

Mô phỏng động lực học phân tử cho phép đánh giá độ ổn định của phức hợp thuốc-protein theo thời gian. Bằng cách mô phỏng chuyển động của các nguyên tử trong phân tử, MD có thể xác định các thay đổi cấu trúc và năng lượng của phức hợp, giúp đánh giá khả năng duy trì liên kết của thuốc với protein và dự đoán hiệu quả điều trị.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Phát Hiện Hợp Chất Tiềm Năng Từ Tự Nhiên

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm kiếm hợp chất ức chế protease từ nguồn gốc tự nhiên. Các hợp chất tự nhiên có thể có hoạt tính sinh học cao và ít độc tính. Các phương pháp sàng lọc và mô phỏng động lực học phân tử đã được sử dụng để xác định các hợp chất tiềm năng từ thực vật, vi sinh vật và các nguồn gốc tự nhiên khác. Các hợp chất này có thể là tiền chất để phát triển thuốc điều trị COVID-19.

5.1. Sàng lọc hợp chất từ thư viện hợp chất tự nhiên và tổng hợp

Việc sàng lọc hợp chất từ thư viện hợp chất tự nhiên và hợp chất tổng hợp là một phương pháp hiệu quả để tìm kiếm chất ức chế protease tiềm năng. Các thư viện này chứa hàng ngàn hợp chất khác nhau, cung cấp một nguồn tài nguyên phong phú cho việc phát triển thuốc kháng virus. Các phương pháp sàng lọc in silico và thử nghiệm in vitro được sử dụng để xác định các hợp chất có hoạt tính cao và chọn lọc.

5.2. Tối ưu hóa cấu trúc và đánh giá dược động học dược lực học

Sau khi xác định được các hợp chất tiềm năng, cần tối ưu hóa cấu trúc của chúng để tăng hoạt tính ức chế protease và giảm độc tính. Các nghiên cứu dược động học và dược lực học được thực hiện để đánh giá khả năng hấp thụ, phân phối, chuyển hóa và thải trừ của thuốc trong cơ thể, cũng như tác dụng của thuốc lên mục tiêu sinh học. Kết quả của các nghiên cứu này giúp lựa chọn các hợp chất có tiềm năng phát triển thành thuốc điều trị COVID-19.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Ức Chế Protease SARS CoV 2

Việc phát hiện hợp chất ức chế protease SARS-CoV-2 là một hướng đi đầy hứa hẹn trong việc phát triển thuốc điều trị COVID-19. Các phương pháp sàng lọc và mô phỏng động lực học phân tử đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các hợp chất tiềm năng và hiểu rõ cơ chế ức chế protease. Các nghiên cứu cần tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc, đánh giá dược động học, dược lực học và độ an toàn của thuốc để đưa ra các giải pháp điều trị hiệu quả và an toàn.

6.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên tục và hợp tác quốc tế

Nghiên cứu liên tục và hợp tác quốc tế là rất quan trọng trong cuộc chiến chống lại SARS-CoV-2. Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, các tổ chức nghiên cứu và các công ty dược phẩm trên toàn thế giới giúp chia sẻ thông tin, tài nguyên và kinh nghiệm, đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc điều trị COVID-19.

6.2. Hướng nghiên cứu tương lai về chất ức chế protease phổ rộng

Hướng nghiên cứu tương lai cần tập trung vào việc phát triển chất ức chế protease phổ rộng, có khả năng chống lại nhiều loại coronavirus khác nhau, bao gồm cả các biến thể SARS-CoV-2 mới và các coronavirus gây bệnh trong tương lai. Điều này giúp chuẩn bị sẵn sàng cho các đại dịch tiềm năng và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.