ĐẶT VẤN ĐỀ Theo WHO, ung thƣ phổi là nguyên nhân gây ra cái chết liên quan đến ung thƣ hàng đầu trên toàn thế giới ở cả nam và nữ. Hiện nay, dù đã có nhiều phƣơng pháp chữa trị khác nhau nhƣng những hạn chế về hiệu quả điều trị và tác dụng điều trị các ca bệnh tái phát không cao [1], [2]. Do đó, việc tìm kiếm các hoạt chất mới có khả năng điều trị cao hơn, an toàn và hiệu quả là một hƣớng nghiên cứu quan trọng. Do đó, chúng đƣợc biết đến nhƣ là một protein mục tiêu quan trọng trong quá trình nghiên cứu phát triển thuốc điều trị ung thƣ.
Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất ức chế HDAC có tác dụng ngăn chặn quá trình phát triển của tế bào ung thƣ. Cấu trúc các chất ức chế HDAC khá đa dạng, và đƣợc phân loại thành một số nhóm chất chính gồm: acid hydroxamic, các benzamid, các peptid vòng, ceton và một số cấu trúc khác [4], [5]. Trong đó, nhóm acid hydroxamic do khả năng ức chế enzym mạnh nhờ khả năng liên kết cao với các nguyên tố kim loại có chứa các hệ dị vòng indazol và pyrimidin là các hệ dị vòng giàu điện tử, đƣợc chú trọng nghiên cứu với kỳ vọng cho ra các chất mới có tiềm năng ức chế HDAC. Sàng lọc ảo (Virtual Screening), ví dụ nhƣ QSAR (Quantitative Structure – Activity relationship - Định lƣợng cấu trúc – hoạt tính), docking phân tử, dự đoán ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, and Toxicity - Hấp thu, phân bố, chuyển hóa, thải trừ, độc tính),.
là phƣơng pháp đã trở nên ngày càng phổ biến trong quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc mới hiện nay, đƣợc sử dụng rộng rãi, kết hợp với các phƣơng pháp truyền thống để tiết kiệm thời gian và chi phí của quá trình nghiên cứu so với các phƣơng pháp truyền thống đơn thuần. Ngoài ra, phƣơng pháp này không chỉ giúp hỗ trợ thiết kế, tìm ra các phân tử thuốc mới, mà còn giúp giải thích bản chất phân tử dựa vào tƣơng tác giữa thuốc – đích, dự đoán hoạt tính sinh học của hoạt chất đó trƣớc khi đƣa vào thực nghiệm. Đề tài ―Sàng lọc các hợp chất tiềm năng có tác dụng ức chế HDAC nhóm I và IIb có khung cấu trúc indazol và pyrimidin sử dụng mô hình QSAR, Docking phân tử và dự đoán ADMET‖ đƣợc thực hiện với hai mục tiêu sau: 1. Thiết kế và sàng lọc một số hydroxamat mang hệ dị vòng indazol và pyrimidin tiềm năng ức chế enzym HDAC sử dụng phƣơng pháp QSAR, mô phỏng protein docking và mô phỏng động lực phân tử (MD).
Nghiên cứu đặc điểm giống thuốc và độc tính của các hydroxamat kháng ung thƣ. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT ỨC CHẾ HDAC 1. Các chất ức chế Histon deacetylase (HDACi) 1.
Giới thiệu về HDACi Năm 2006, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã phê duyệt Vorinostat (SAHA) – HDACi đầu tiên đƣợc sử dụng trong điều trị u lympho đa tế bào T (CTCL). Tính tới 2020, đã có 5 hoạt chất với cơ chế tác động thông qua HDAC đã đƣợc phê duyệt để điều trị các chỉ định khác nhau là: vorinostat, belinostat, romidepsin, tucidinostat và panobinostat [6]. Các chất ức chế HDAC nhìn chung đƣợc chia thành 4 nhóm dựa trên đặc điểm cấu trúc của chúng: dẫn xuất của acid hydroxamic, các peptid vòng, các acid béo và các benzamid. Trong đó, dẫn xuất của acid hydroxamic đƣợc nghiên cứu nhiều nhất do có khả năng ức chế enzym mạnh, cấu trúc đơn giản, và có thể dễ dàng thiết kế và tổng hợp [7].1: Các nhóm chất ức chế HDAC Nhóm Ví dụ Dẫn xuất của acid hydroxamic 2 Peptid vòng Acid béo Benzamid 1.
Cơ chế tác dụng của các HDACi trong điều trị ung thư Dựa vào các vai trò của HDAC trong ung thƣ, các chất ức chế HDAC (HDACi) tác động lên tế bào ung thƣ theo các cơ chế chính: - Tác động lên chu trình tế bào: Các HDACi tác động lên các tế bào ung thƣ bằng cách tăng cƣờng sự điều hòa biểu hiện của chất ức chế kinase phụ thuộc cyclin (CDK – cyclin-dependent kinase), gây bắt giữ tế bào ở pha G1 hoặc G2/M, dẫn đến chết tế bào và ngăn chặn sự phát triển khối u. - Tác động lên quá trình chết tế bào theo chƣơng trình: Do HDACs điều hòa quá trình chết tế bào theo chƣơng trình (apoptosis) thông qua cả hai con đƣờng nội sinh và ngoại sinh, sử dụng các chất ức chế HDAC có thể kích hoạt quá trình apoptosis. - Tác động tới quá trình hình thành mạch máu mới: Quá trình acetyl hóa và deacetyl hóa ảnh hƣởng đến sự phát triển và di căn của khối u bằng cách thúc đẩy tạo mạch máu mới thông qua điều hòa HIF-1α và VEGF. Các chất ức chế HDAC có thể điều chỉnh hoạt tính của HIF-1α, từ đó ảnh hƣởng đến sự tạo mạch của tế bào nội mô.
Ngoài ra, HDACi còn có thể tăng cƣờng hệ thống miễn dịch bằng cách điều chỉnh biểu hiện của các protein MHC lớp I và II, tăng cƣờng phản ứng miễn dịch bằng cách thay đổi hoạt động của các tế bào miễn dịch thông qua điều chế bài tiết cytokine [3]. Cấu trúc chung của HDACi 3 Kỹ thuật phân tích cấu trúc protein tƣơng đồng với HDAC (HDLP) cho thấy đƣợc các tƣơng tác giữa HDACi và vùng hoạt động của HDAC. Dựa trên dữ liệu cấu trúc tinh thể và mối liên hệ cấu trúc – hoạt tính (SAR) của các nhóm chất ức chế thu đƣợc từ HDLP và 2 chất ức chế trichostatin A (TSA) và suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA), ngƣời ta đã đề xuất một mô hình dƣợc lực học (pharmacophore) cho HDACi gồm 3 phần nhƣ Hình 1.1: Cấu trúc chung của HDACi - Nhóm gắn với kẽm: tạo liên kết với Zn2+ và các acid amin khác trong trung tâm hoạt động của protein. Một số nhóm đƣợc nghiên cứu, có thể tạo liên kết với Zn2+ là: acid hydroxamic, α-hydroxycarbonyl, α-ketocarbonyl, thiol, … [8].
Trong đó, acid hydroxamic có khả năng liên kết tốt với ion kim loại và đƣợc nghiên cứu nhiều nhất trong các nhóm kể trên. - Cầu nối: có vai trò kết nối nhóm gắn với kẽm và nhóm nhận diện bề mặt, có thể có tƣơng tác với các acid amin khác trong túi kỵ nƣớc. - Nhóm nhận diện bề mặt: tƣơng tác với các acid amin trên bề mặt kênh protein, cấu trúc vòng thơm có liên kết tốt hơn so với chuỗi hydrocarbon no do cấu trúc phẳng do nguyên tử sp2 tạo ra giúp tăng tƣơng tác tại vùng ―nắp‖ của enzym [8]. Hệ dị vòng indazol và pyrimidin 1.
Indazol Indazol là một hợp chất dị vòng thơm gồm hai vòng liên kết với nhau: một vòng benzen và một vòng pyrazol (năm cạnh chứa hai nguyên tử nitơ). Cấu trúc của indazol mang tính ổn định cao do có hệ liên hợp thơm, giúp nó thƣờng đƣợc sử dụng làm khung (scaffold) trong thiết kế thuốc. Indazol có thể tồn tại dƣới hai dạng đồng phân là 1H-indazol và 2H-indazol (Hình 1.2), trong đó 1H-indazol là dạng phổ biến và bền hơn về mặt nhiệt động [9].2: Hai dạng đồng phân của indazol Mối liên hệ giữa vòng indazol với ung thƣ: 4 EGFR là mục tiêu điều trị ung thƣ phổ biến, đặc biệt trong các đột biến nhƣ L858R/T790M. Dù các thuốc ức chế EGFR thế hệ đầu đạt hiệu quả ban đầu, nhƣng kháng thuốc nhanh chóng xuất hiện, thúc đẩy phát triển các thuốc thế hệ mới nhƣ các dẫn xuất indazol.
Indazol đóng vai trò quan trọng nhờ khả năng tƣơng tác với vùng "hinge" và tạo liên kết cộng hóa trị với EGFR đột biến. Ngoài ra, vòng indazol còn hình thành liên kết hydro với xƣơng peptide tại các gốc Glu339 và Met341, trong khi phần phenyl tạo tƣơng tác kỵ nƣớc thuận lợi với vùng nhận diện bề mặt, giúp tăng cƣờng tƣơng tác giữa protein và phối tử. Tuy nhiên, hiệu quả trên tế bào còn hạn chế do hấp thu kém, do đó cần các cải tiến để nâng cao hấp thu và chọn lọc [10]. Quá trình hình thành mạch máu (angiogenesis) xảy ra trong cả trạng thái sinh lý và bệnh lý.
VEGFR, đặc biệt là VEGFR-2, là đích chính trong quá trình này. Pazopanib là thuốc ức chế đa mục tiêu, ức chế VEGFRs, thụ thể yếu tố tăng trƣởng có nguồn gốc từ tiểu cầu và thụ thể yếu tố tế bào gốc, nhƣng gây nhiều tác dụng phụ. Do đó, các dẫn xuất indazol đƣợc thiết kế lại nhằm tăng chọn lọc, ái lực và khả năng tạo liên kết với VEGFR-2 [10]. Ngoài ra, các kinase nhƣ aurora A/B và CDK8/19 đóng vai trò thiết yếu trong phân bào và đƣợc biểu hiện mạnh trong nhiều loại ung thƣ.
Các dẫn xuất indazol đã đƣợc phát triển theo hƣớng chọn lọc, hoạt tính cao và cải thiện dƣợc động học, mở ra tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thƣ liên quan đến aurora kinase và CDK [10]. Vòng pyrimidin Pyrimidin là một hợp chất dị vòng thơm có mặt trong các nucleotid tự nhiên, gồm sáu thành viên, trong đó có hai nguyên tử nitơ ở vị trí 1 và 3, thuộc loại vòng dị vòng chứa nitơ giàu electron. Vòng pyrimidin có khả năng tạo liên kết hydro và tƣơng tác π–π, giúp tăng cƣờng độ chọn lọc và ái lực khi gắn vào đích sinh học.3: Cấu trúc vòng pyrimidin Các dẫn xuất pyrimidin đƣợc thay thế tại các vị trí C-2, C-4 và C-6, đặc biệt là nhóm thio hoặc amin tại C-2 và nhóm phenyl tại C-4, cho thấy ảnh hƣởng lớn đến hoạt tính chống khối u. Việc gắn pyrimidin với các vòng dị khác (nhất là vòng năm thành nhƣ pyrazolo, pyrrolo, triazolo.) làm tăng đáng kể hoạt tính so với vòng sáu thành.
Các dẫn xuất này có thể tác động qua nhiều cơ chế nhƣ ức chế kinase, gây ngừng chu kỳ tế bào, tăng ROS, mất tiềm năng màng ty thể, và điều hòa quá trình chết tế bào theo chƣơng trình. Do đó, pyrimidin là khung tiềm năng cho phát triển thuốc ung thƣ trong tƣơng lai [11]. TỔNG QUAN VỀ MỐI QUAN HỆ ĐỊNH LƢỢNG CẤU TRÚC – TÁC DỤNG (QSAR) CỦA CÁC HỢP CHẤT 1. Lịch sử phát triển của QSAR Mô hình hóa mối quan hệ định lƣợng cấu trúc – hoạt tính (QSAR - Quantitative Structure - Activity Relationship) là một phƣơng pháp tính toán dùng để phân tích dữ liệu hóa học bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa đặc trƣng cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học, nhằm dự đoán hoặc thiết kế hợp chất mới có tính chất mong muốn [12].
QSAR hiện đại đƣợc xem là bắt đầu từ bài báo của Hansch và cộng sự năm 1962, kết quả của 15 năm nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học của chất điều hòa sinh trƣởng thực vật.
