Khóa luận tốt nghiệp sàng lọc in silico các hợp chất coumarin có tác dụng ức chế enzyme carbonic anhydrase ii hướng điều trị tăng huyết áp

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu sàng lọc in silico các hợp chất coumarin ức chế enzyme carbonic anhydrase II, hướng điều trị tăng huyết áp hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Khánh Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Y Dược
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Sàng lọc in silico các hợp chất coumarin có tác dụng ức chế enzyme carbonic anhydrase II hướng điều trị tăng huyết áp
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về bệnh Tăng huyết áp
• 1.2. Khái niệm và phân loại
• 1.3. Nguyên nhân gây bệnh
• 1.4. Triệu chứng của THA
• 1.5. Tổng quan về enzym CAII
• 1.5.1. Giới thiệu chung về enzyme CA
• 1.5.2. Sơ lược enzyme carbonic anhydrase II
• 1.5.3. Trung tâm hoạt động của enzyme CAII
• 1.6. Nghiên cứu về hợp chất thiên nhiên nhóm coumarin
• 1.6.1. Tiềm năng của hợp chất thiên nhiên Việt Nam
• 1.6.2. Đôi nét về nhóm hợp chất coumarin
• 1.7. Mô hình in silico trong quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc mới
• 1.7.1. Tổng quan về quá trình nghiên cứu phát triển thuốc
• 1.7.2. In silico trong quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc
• 1.7.3. Giới thiệu về Docking
• 1.7.4. Giới thiệu về Quy tắc Lipinski 5 (RO5)
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Sàng lọc bằng Docking phân tử
• 2.3.2. Chọn ra hợp chất “giống thuốc” từ Quy tắc Lipinski 5
• 2.3.3. Dự đoán ADMET bằng công cụ trực tuyến
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ
• 3.1. Sàng lọc docking
• 3.2. Đặc điểm hóa lý của các hợp chất được chọn
• 3.3. Dự đoán về hấp thu, phân bố, chuyển hóa, thanh thải và độc tính (ADMET)
• 4. CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN
• 4.1. Về phương pháp sàng lọc ảo
• 4.2. Về kết quả sàng lọc ảo
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Sàng lọc in silico

Sàng lọc in silico là phương pháp sử dụng mô hình máy tính để dự đoán và đánh giá tương tác giữa các hợp chất và mục tiêu sinh học. Trong nghiên cứu này, sàng lọc in silico được áp dụng để tìm kiếm các hợp chất coumarin có khả năng ức chế enzyme carbonic anhydrase II (CAII), một mục tiêu quan trọng trong điều trị tăng huyết áp. Phương pháp Docking phân tử được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa các hợp chất và enzyme, giúp xác định các hợp chất tiềm năng. Sàng lọc in silico không chỉ tiết kiệm thời gian và chi phí so với các phương pháp thực nghiệm truyền thống mà còn cho phép phân tích hàng nghìn hợp chất một cách hiệu quả.

1.1. Mô hình in silico

Mô hình in silico là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu và phát triển thuốc. Nó cho phép dự đoán tương tác giữa các hợp chất và mục tiêu sinh học thông qua các thuật toán tính toán. Trong nghiên cứu này, mô hình in silico được sử dụng để phân tích cấu trúc và tương tác của các hợp chất coumarin với enzyme CAII. Kết quả từ mô hình in silico giúp xác định các hợp chất có khả năng ức chế enzyme cao nhất, làm cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo.

1.2. Phương pháp Docking

Phương pháp Docking là kỹ thuật chính trong sàng lọc in silico, giúp dự đoán vị trí liên kết và năng lượng tương tác giữa hợp chất và mục tiêu. Trong nghiên cứu này, Docking được áp dụng để đánh giá tương tác của các hợp chất coumarin với enzyme CAII. Kết quả Docking cho thấy một số hợp chất có khả năng liên kết mạnh với trung tâm hoạt động của enzyme, làm cơ sở để lựa chọn các hợp chất tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo.

II. Hợp chất coumarin

Hợp chất coumarin là nhóm hợp chất tự nhiên có cấu trúc hóa học đa dạng và hoạt tính sinh học phong phú. Trong nghiên cứu này, các hợp chất coumarin được sàng lọc để tìm kiếm khả năng ức chế enzyme CAII, một mục tiêu quan trọng trong điều trị tăng huyết áp. Coumarin được biết đến với các hoạt tính kháng viêm, chống oxy hóa và kháng khuẩn, và nghiên cứu này mở rộng tiềm năng của chúng trong việc phát triển thuốc hạ huyết áp. Các hợp chất này được phân tích về cấu trúc và tương tác với enzyme thông qua mô hình in silico, giúp xác định các hợp chất có tiềm năng cao nhất.

2.1. Cấu trúc và hoạt tính

Các hợp chất coumarin có cấu trúc hóa học đa dạng, bao gồm vòng benzopyrone và các nhóm thế khác nhau. Cấu trúc này quyết định hoạt tính sinh học của chúng, bao gồm khả năng ức chế enzyme. Trong nghiên cứu này, cấu trúc của các hợp chất coumarin được phân tích chi tiết để hiểu rõ cơ chế tương tác với enzyme CAII. Kết quả cho thấy một số hợp chất có khả năng liên kết mạnh với trung tâm hoạt động của enzyme, làm cơ sở để phát triển thuốc mới.

2.2. Tiềm năng điều trị

Hợp chất coumarin có tiềm năng lớn trong điều trị tăng huyết áp nhờ khả năng ức chế enzyme CAII. Enzyme này đóng vai trò quan trọng trong điều hòa huyết áp thông qua cân bằng axit-bazơ và tái hấp thu bicarbonat. Việc ức chế enzyme CAII có thể giúp giảm huyết áp hiệu quả. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng các hợp chất coumarin để phát triển thuốc hạ huyết áp, đặc biệt là từ nguồn dược liệu tự nhiên.

III. Enzyme carbonic anhydrase II

Enzyme carbonic anhydrase II (CAII) là một metalloenzyme quan trọng trong cơ thể, tham gia vào quá trình cân bằng axit-bazơ và điều hòa huyết áp. Trong nghiên cứu này, CAII được chọn làm mục tiêu để ức chế enzyme, nhằm phát triển các thuốc hạ huyết áp mới. CAII xúc tác quá trình hydrat hóa CO2 thành bicarbonat và proton, quá trình này có liên quan mật thiết đến điều hòa huyết áp. Việc ức chế enzyme CAII có thể giúp giảm huyết áp thông qua cơ chế điều hòa cân bằng axit-bazơ và tái hấp thu bicarbonat.

3.1. Cơ chế tác động

Cơ chế tác động của enzyme CAII liên quan đến việc xúc tác quá trình hydrat hóa CO2 thành bicarbonat và proton. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong điều hòa huyết áp. Việc ức chế enzyme CAII có thể làm giảm sản xuất bicarbonat và proton, từ đó giúp giảm huyết áp. Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm kiếm các hợp chất có khả năng ức chế enzyme CAII thông qua sàng lọc in silico, làm cơ sở cho việc phát triển thuốc mới.

3.2. Vai trò trong điều trị

Enzyme CAII là mục tiêu quan trọng trong điều trị tăng huyết áp nhờ vai trò của nó trong điều hòa cân bằng axit-bazơ và tái hấp thu bicarbonat. Việc ức chế enzyme CAII có thể giúp giảm huyết áp hiệu quả, đặc biệt ở những bệnh nhân kháng trị. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển thuốc hạ huyết áp thông qua ức chế enzyme CAII, với tiềm năng từ các hợp chất coumarin.

IV. Điều trị tăng huyết áp

Điều trị tăng huyết áp là một thách thức lớn trong y học hiện đại, đặc biệt với sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh trên toàn cầu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các thuốc mới thông qua ức chế enzyme CAII, một mục tiêu tiềm năng trong điều trị tăng huyết áp. Tăng huyết áp là bệnh mãn tính, đòi hỏi điều trị lâu dài và hiệu quả. Việc phát triển các thuốc mới từ các hợp chất coumarin thông qua sàng lọc in silico mở ra hướng đi mới trong việc kiểm soát huyết áp và giảm gánh nặng bệnh tật.

4.1. Thách thức trong điều trị

Tăng huyết áp là bệnh mãn tính, đòi hỏi điều trị lâu dài và hiệu quả. Tuy nhiên, nhiều bệnh nhân không đạt được huyết áp mục tiêu do kháng thuốc hoặc tác dụng phụ. Việc phát triển các thuốc mới từ các hợp chất coumarin thông qua sàng lọc in silico là một hướng đi tiềm năng, giúp cải thiện hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

4.2. Tiềm năng từ hợp chất tự nhiên

Hợp chất tự nhiên, đặc biệt là các hợp chất coumarin, có tiềm năng lớn trong điều trị tăng huyết áp nhờ hoạt tính sinh học đa dạng và độ an toàn cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của các hợp chất coumarin trong việc ức chế enzyme CAII, làm cơ sở cho việc phát triển thuốc mới từ nguồn dược liệu tự nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về bệnh Tăng huyết áp: 1. Khái niệm và phân loại: • Huyết áp là gì [5, 19]: Huyết áp là lực tác động bởi tuần hoàn máu chống lại thành mạch khi được tim bơm máu. Huyết áp bình thường tăng và giảm trong suốt cả ngày.

Huyết áp được đo bằng hai con số. Cả hai đều được đo bằng milimét thủy ngân (mmHg): - Con số đầu tiên, được gọi là huyết áp tâm thu, còn gọi là huyết áp tối đa, là trị số huyết áp cao nhất trong chu kỳ tim, đo được ở thời kỳ tâm thu, phụ thuộc vào lực tâm thu và thể tích tâm thu của tim. - Con số thứ hai, được gọi là huyết áp tâm trương, là trị số huyết áp thấp nhất trong chu kỳ tim, ứng với thời kỳ tâm trương, phụ thuộc vào trương lực của mạch máu. • Định nghĩa tăng huyết áp, theo [9]: Tăng huyết áp là tình trạng tăng huyết áp tâm thu và/hoặc huyết áp tâm trương có hoặc không có nguyên nhân.

Theo WHO-ISH 1999 thì tăng huyết áp (THA) được xác định khi huyết áp tâm thu ≥ 140mmHg và hoặc huyết áp tâm trương ≥ 90mmHg, hoặc đang sử dụng thuốc chống THA. • Phân loại tăng huyết áp: Bảng 1.1: Phân độ tăng huyết áp theo Hội tim mạch và huyết áp Châu âu (ESC/ESH) năm 2018 [9, 17]: HATT HATTr Tối ưu <120 Và <80 Bình thường 120-129 Và/hoặc 80-84 3 Bình thường cao 130-139 Và/hoặc 85-89 THA độ 1 140-159 Và/hoặc 90-99 THA độ 2 160-179 Và/hoặc 100-109 THA độ 3 ≥ 180 Và/hoặc ≥110 THA Tâm thu đơn độc ≥ 140 Và < 90 *Nếu huyết áp không cùng mức để phân loại thì chọn mức HATT hay HATTr cao nhất. THA tâm thu đơn độc xếp loại theo mức HATT. **Tiền Tăng huyết áp: khi HATT > 120-139mmHg và HATTr > 80-89 mmHg.

Các thể THA và Huyết áp bình thường [8]: Bảng 1.2: Các thể THA dựa theo trị số huyết áp phòng khám và huyết áp tại nhà hoặc huyết áp liên tục Huyết áp phòng khám (mmHg) HATT < 140 và HATT ≥ 140 hoặc HATTr < 90 HATTr ≥ 90 Huyết áp tại nhà HATT < 135 hoặc Huyết áp THA áo choàng hoặc liên tục ban HATTr < 85 bình thường trắng ngày (mmHg) HATT ≥ 135 hoặc THA ẩn giấu THA thật sự HATTr ≥ 85 1. Nguyên nhân gây bệnh: 90-95% trường hợp là THA không có nguyên nhân, 5% có nguyên nhân. Các yếu tố thuận lợi thường thấy trong THA nguyên phát như sau: ăn nhiều muối natri (> 14 gam/ngày) có nhiều nguy cơ THA; nòi giống: người da đen có tỷ lệ THA cao hơn người da trắng (trong cùng hoàn cảnh, điều kiện làm việc như nhau); thừa cân và béo phì; di truyền; nghiện rượu; hút thuốc lá [6]. Các nguyên nhân THA thứ phát có thể là: hẹp động mạch thận, hẹp eo động mạch chủ, hẹp động mạch chủ (trên chỗ xuất phát động mạch thận), viêm thận các loại, teo thận bẩm sinh, u thượng thận, ăn mặn, sinh hoạt bị nhiều stress, di truyền [9].

Triệu chứng của THA: Khi các triệu chứng xảy ra, chúng có thể bao gồm nhức đầu vào sáng sớm, chảy máu cam, nhịp tim không đều, thay đổi thị lực và ù tai. Tăng huyết áp nghiêm trọng có thể gây ra mệt mỏi, buồn nôn, nôn mửa, lú lẫn, lo lắng, đau ngực và run cơ. Tăng huyết áp được mệnh danh là “kẻ giết người thầm lặng”. Hầu hết những người bị tăng huyết áp không biết mình bị tăng huyết áp vì nó hầu như không có dấu hiệu hoặc triệu chứng cảnh báo.

Vì lý do này, việc đo huyết áp thường xuyên là điều cần thiết [57]. Hậu quả: Tăng huyết áp là một bệnh lý tiến triển âm thầm và gây ra nhiều biến chứng ảnh hưởng tới tuổi thọ và chất lượng cuộc sống của con người. Tăng huyết áp có thể ảnh hưởng đến cơ thể bằng nhiều cách khác nhau. Thông thường, tăng huyết áp làm tăng gánh nặng cho tim và động mạch.

Tim phải làm việc nặng hơn trong thời gian dài nên tim có xu hướng to ra, giãn ra và dày thành tim lên, dần dần sẽ gây ra hậu quả suy tim. Tăng huyết áp thúc đẩy và gây ra xơ vữa động mạch. Đây là bệnh lý nguy hiểm gây ra nhiều biến chứng tim mạch (tai biến mạch não, nhồi máu cơ tim…). Tăng huyết áp làm tăng nguy cơ đột quỵ, ngoài ra tăng huyết áp còn có thể làm tổn thương thận, mắt [8].

Hầu hết các trường hợp tăng huyết áp có thể kiểm soát hiệu quả bằng thuốc và từ đó làm giảm nguy cơ mắc bệnh và biến cố tim mạch do tăng huyết áp. *Các biến chứng thường gặp của THA [8]: ✓ Biến chứng tim: - Cấp tính: phù phổi cấp, nhồi máu cơ tim cấp… - Mạn tính: dày thành tim trái, suy vành mạn, suy tim… ✓ Biến chứng mạch não: - Cấp tính: xuất huyết não, tắc mạch não, tai biến mạch máu não thoáng qua, bệnh não do THA… - Mạn tính: tai biến mạch não, tai biến mạch não thoáng qua… ✓ Thận: đái máu, đái ra protein, suy thận… 5 ✓ Mắt: phù võng mạc, xuất huyết, xuất tiết võng mạc, động mạch võng mạc co nhỏ… ✓ Biến chứng động mạch: tách thành động mạch chủ, bệnh động mạch ngoại biên… Hình 1.1: Các biến chứng nguy hiểm của tăng huyết áp 1. Điều trị: Tăng huyết áp là bệnh mạn tính nên cần theo dõi đều, điều trị đúng và đủ hàng ngày, điều trị lâu dài. Mục tiêu điều trị là đạt “huyết áp mục tiêu” là <140/90 mmHg và giảm tối đa “nguy cơ tim mạch”.

Nếu nguy cơ tim mạch từ cao đến rất cao thì huyết áp mục tiêu cần đạt là <130/80 mmHg. Khi điều trị đã đạt huyết áp mục tiêu, cần tiếp tục duy trì phác đồ điều trị lâu dài kèm theo việc theo dõi định kỳ [1, 11]. Cho đến nay, quá trình phát triển bệnh được phát hiện là có liên quan nhiều đến lối sống như hút thuốc, béo phì và các yếu tố môi trường chẳng hạn như hấp thụ quá nhiều muối và rượu [16, 42, 64]. Nên người bệnh cần có chế độ ăn hợp lý, đảm bảo đủ kali và các yếu tố vi lượng như giảm ăn mặn (< 6 gam muối hay 1 thìa cà phê muối mỗi ngày); tăng cường rau xanh, hoa quả tươi; hạn chế thức ăn có nhiều cholesterol và axít béo no; duy trì vòng bụng dưới 90 cm ở nam và dưới 80 cm ở nữ; hạn chế uống rượu, bia, hút thuốc; hoạt động thể lực ở mức thích hợp; tránh lo âu, căng thẳng thần kinh [1].

6 Bên cạnh đó, việc sử dụng thuốc cũng vô cùng quan trọng với bệnh nhân THA: - Đối với THA độ I với nguy cơ thấp: lựa chọn một thuốc trong số các nhóm: lợi tiểu thiazide liều thấp; ức chế men chuyển; chẹn kênh canxi loại tác dụng kéo dài; chẹn β giao cảm (nếu không có chống chỉ định). - THA từ độ 1 với nguy cơ trung bình, cao, rất cao hoặc độ II, III: nên phối hợp 2 loại thuốc (lợi tiểu, chẹn kênh canxi, ức chế men chuyển, chẹn thụ thể angiotensin, chẹn β giao cảm). - Nếu chưa đạt huyết áp mục tiêu, cần điều chỉnh liều tối ưu hay từng bước phối hợp các thuốc hạ huyết áp: + Phối hợp 2 thuốc: ức chế men chuyển/chẹn thụ thể angiotensin phối hợp với chẹn kênh canxi hoặc lợi tiểu. + Phối hợp 3 thuốc: ức chế men chuyển/chẹn thụ thể angiotensin phối hợp với chẹn kênh canxi và lợi tiểu.

+ Phối hợp 4 thuốc (THA kháng trị): Thêm kháng aldosteron hoặc lợi tiểu khác, chẹn α hoặc chẹn β. - Đối với tăng huyết áp có chỉ định điều trị bắt buộc: + Bệnh mạch vành: Chẹn β + ức chế men chuyển/chẹn thụ thể angiotensin, chẹn kênh canxi. + Suy tim: ức chế men chuyển/chẹn thụ thể angiotensin + chẹn β + kháng aldosteron, lợi tiểu quai khi ứ dịch. + Đột quỵ: ức chế men chuyển + lợi tiểu.

+ Bệnh thận mạn, đái tháo đường: ức chế men chuyển/chẹn thụ thể angiotensin + lợi tiểu/chẹn kênh canxi [8, 16]. Tổng quan về enzym CAII: 1. Giới thiệu chung về enzyme CA: Anhydrase carbonic (CAs) là các metalloenzyme có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên và được tìm thấy trong nhiều loại sinh vật. Các enzym này có nguồn gốc cổ xưa vì chúng được tìm thấy ở phần sâu nhất của các nhánh của cây tiến hóa.

Về mặt di truyền, chúng thuộc bảy phân nhóm α, β, γ, δ, ζ, η, θ không liên quan về mặt tiến hóa [35]. Enzyme này có cấu trúc ba chiều khác nhau, nhưng cơ chế enzym là tương tác tập trung mà kim loại tạo liên kết ion làm giảm pKa của phân tử nước để trở thành ion hydroxyl có thể tấn công phân tử carbon dioxide liên kết trong một túi kỵ nước ở vị trí hoạt động [15]. CAs xúc tác quá trình hydrat hóa thuận nghịch của carbon dioxide thành bicarbonate với sự giải phóng proton. Mức độ hoạt động bất thường của các enzyme này có liên quan đến nhiều rối loại như tăng nhãn áp, động kinh, loét dạ dày, ung thư, mất cân bằng axit- bazo.

Do đó, CAs đã nổi lên như một mục tiêu có giá trị để điều trị hoặc phòng ngừa các rối loạn này [29]. Trong số năm lớp khác nhau của anhydrase cacbonic, lớp alpha có lẽ được chú ý nhiều nhất vì vai trò của nó trong bệnh lý ở người [29]. Hiện nay, người ta đã phát hiện có 15 đồng dạng a-carbonic anhydrase khác nhau ở người [35]. Chúng xúc tác sự chuyển đổi lẫn nhau giữa CO2, bicacbonat và proton, do đó tạo ra hai trong số các ion (HCO3- và H+): CO2 + H2O ⇔ HCO3- + H+ Các đồng dạng CA (h) của con người có hoạt tính xúc tác khác nhau, nằm cục bộ dưới tế bào và phân bố ở một số mô [53].

Sơ lược enzyme carbonic anhydrase II: Anhydrase carbonic II cụ thể là trên người là một metalloenzyme xúc tác quá trình hydrat hóa thuận nghịch của CO2 sang HCO3-. Protein miền đơn này bao gồm 260 axit amin với một tấm sợi trung tâm. Kẽm được điều khiển bởi các gốc imidazole của ba histidine nằm sâu trong một túi liên kết kỵ nước hình nón. Ở trạng thái không có phối tử, các mol phân tử nước lấp đầy vị trí hoạt động.

Một trong số chúng, được cho là OH- chiếm vị trí phối trí thứ tư của kẽm. Nó cũng được liên kết hydro với Thr199, được giả định là tạo thành liên kết hydro với cơ chất CO2. Một loại nước bổ sung, W338 (gọi là 8 “deep water”), được tìm thấy ở trạng thái không có phối tử và được thay thế trong phản ứng enzyme bằng CO2 [55].