CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Để giải mã sự tương tác phức tạp giữa vô số các phân tử khác nhau thể hiện trong một môi trường (dung dịch hay tế bào) là một vấn đề đã và đang được tìm hiểu trong nhiều thập kỷ gần đây [1]. Do đó, từ việc nghiên cứu kính hiển vi đã cho thấy rằng trong màng tế bào có nhiều thành phần như: glucide, photpholipit, protein .Một trong các thành phần quan trọng đó là protein, ngoài vai trò chính là thành phần trong cấu trúc của tế bào và mô thì protein còn nhiều chức năng khác như : truyền đạt thông tin di truyền, vận chuyển các chất, tạo ra các kháng thể v.v… Do đó, các phân tử protein đóng góp lớn trong việc gây ra các bệnh lý, điều này do các phân tử protein biến đổi bất thường về cả số lượng và chất lượng.Ngoài ra, protein còn tham gia vào hệ thống miễn dịch của nhiều cơ quan, nhiều loại tế bào và nhiều loại protein thực hiện chức năng riêng biệt tạo nên các hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu. Đặc biệt, trong tế bào ung thư các phân tửprotein còn tham gia vào quá trình kháng thuốc, đây là hiện tượng mà các nhà khoa học thuộc lĩnh vực y-sinh rất quan tâm nghiên cứu hiện nay. Các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy một trong những protein cơ bản tham gia vào quá trình này chính là phân tử P-glycoprotein (PGP), một loại đại phân tử trong màng tế bào ung thư.
Đáng chú ý là không chỉ các nhà sinh họcđang có sự tiến bộ rất lớn trong việc làm sáng tỏ sự phức tạp của các tế bào, mà còn có các nhà vật lý đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực này. Do đó, khả năng theo dõi các phân tử đơn lẻ một cách tự nhiên trongtế bào sống cần được mô tả một cách định lượng và chính xác hơn về các quá trình động học để kiểm soát chức năng tế bào. Phân tử Poly-glycoprotein Poly-glycoprotein (P-glycoprotein) là một đại phân tử và là một trong các protein vận chuyển, chúng quyết định vận chuyển thuốc vào (uptake) hoặc vận chuyển ra (efflux) khỏi cơ thể. Quá trình vận chuyển thuốc ảnh hướng đến nồng độ thuốc trong huyết tương và tại mô và cuối cùng ảnh hướng đến tác dụng của thuốc.
P-glycoprotein là một protein vận chuyển xuyên màng, nó vận chuyển các cơ chất từ trong ra ngoài tế bào. Những thuốc ức chế hoặc cảm ứng P-glycoprotein có thể tương tác với các thuốc khác được vận chuyển bởi protein này. P-glycoprotein được tìm thấy lần đầu trong các tế bào ung thư. Những tế bào này có sự hiện diện quá mức của P-glycoprotein, điều này làm giảm việc thâm nhập của các thuốc độc tế bào (điều trị ung thư) vào trong cơ thể.
Bởi vì điều này tạo cho các khối u khả năng kháng thuốc trị ung thư, P-glycoprotein còn được biết đến như là protein gây đề kháng đa thuốc (multidrug resistance protein)[1]. P-glycoprotein cũng hiện diện ở nhiều mô bình thường, không phải ung thư, với chức năng bài tiết (như ruột non, gan, thận)[1] và tại Học viên: Nguyễn Vũ Ánh Nguyệt 2 Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên các hàng rào máu-mô (như hàng rào máu - não, hàng rào máu – tinh hoàn, hàng rào nhau thai)[2]. Cùng với các enzyme cytochrome P450, sự hiện diện của P-glycoprotein được tin là một bước tiến hóa thích hợp của cơ thể để chống lại các chất độc hại tiềm tàng muốn thâm nhập vào cơ thể. Với vài trò là một kênh vận chuyển đẩy thuốc ra khỏi cơ thể, nó làm giảm sinh khả dụng của các thuốc dùng đường uống bằng cách bơm ngược thuốc trở lại lumen ruột.
Điều này thúc đẩy bài tiết thuốc qua mật và nước tiểu, qua đó bảo vệ một số mô như não, tinh hoàn, nhau thai và bạch cầu. Cơ chất vận chuyển bởi P-glycoprotein có rất nhiều cấu trúc khác nhau.P-glycoprotein tham gia thải trừ thuốc không nhiều. Nó chỉ hiện diện tại bề mặt của tế bào ống lượn gần ở thận. P-glycoprotein tham gia vận chuyển thuốc ra nước tiểu.
P-glycoprotein đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa các tương tác thuốc-thuốc[3]. Dược động học của thuốc có thể sẽ bị thay đổi khi được dùng cùng với một chất gây ức chế hoặc cảm ứng P-glycoprotein[3,5,6]. Các chất ức chế bao gồm clarithromycin, erythromycin, ritonavir và verapamil. Chất cảm ứng bao gồm rifampicin và St John’s wort (một loại thảo dược).
Có nhiều cơ chất được vận chuyển bởi P-glycoprotein tương tự với CYP3A4. Nó vận chuyển nhiều thuốc thuộc nhiều nhóm khác nhau, bao gồm: + Thuốc trị ung thư: docetaxel, etoposide, vincristine + Nhóm chẹn kênh calci: amlodipine + Nhóm ức chế calcineurin: cyclosporin, tacrolimus Digoxin + Kháng sinh nhóm macrolide: Clarithromycin + Nhóm ức chế men protease Các cơ chất của P-glycoprotein có thể chia thành 2 loai: các thuốc không bị chuyển hóa ở người, chẳng hạn như digoxin và những thuốc là cơ chất của cả P- glycoprotein và enzym chuyển hóa thuốc, thông thường là CYP3A4[2,3]. Nhiều cơ chất của P-glycoprotein cũng là cơ chất của CYP3A4 vì những chất ức chế P- glycoprotein thì cũng ức chế CYP3A4, nhiều tương tác thuốc- thuốc có liên quan đến sự ức chế hay cảm ứng cả P-glycoprotein và CYP3A4. Một số thuốc là tác nhân của các tương tác trên như: cyclosporin, tacrolimus và rivaroxaban[3].
Học viên: Nguyễn Vũ Ánh Nguyệt 3 Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên Hình 1. Hình ảnh phân tử P-glycoprotein trong màng tế bào Hình 1. Cấu trúc của P-glycoprotein Sự khác nhau về sinh khả dụng giữa các cá thể làm cho việc dự đoán một cách chính xác các tương tác thuốc- thuốc tiềm tàng thông qua P-glycoprotein trở nên phức tạp. Điều này cũng ảnh hưởng đến những thuốc không bị chuyển hóa ở người( fexofennadine, dioxin).
Cần có nhiều hơn nữa những kiến thức về vai trò của gen đối với hoạt động và biểu lộ của protein vận chuyển sẽ góp phần giúp hiểu rõ hơn về sự khác nhau về phân bố và tác dụng của thuốc giữa các cá thể và chủng tộc khác nhau[2]. Tóm lại, P-glycoprotein là một protein vận chuyển đẩy thuốc ra khỏi cơ thể ,nó có mặt tại nhiều cơ quan đóng vai trò qua trọng trong việc vận chuyển thuốc và có vai trò quan trọngtrong hấp thu , phân bố, chuyển hóa, thải trừ thuốc. Mặc dù các tương tác với protein vận chuyển thuốc trên lâm sàng có thể không có nhiều ý nghĩa, nhưng các cảnh báo về những nguy cơ xảy ra tương tác thuốc liên quan đến protein vận chuyển thuốc vẫn rất quan trọng. Nếu tương tác xảy ra, hậu quả có thể là suy nhược hệ thần kinh trung ương, giảm hiệu quả điều trị HIV, thải loại mảnh Học viên: Nguyễn Vũ Ánh Nguyệt 4 Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên ghép.Trang bị những kiến thức về những tương tác tiềm tàng này sẽ giúp đảm bảo việc chăm sóc và điều trị hiệu quả trên nhóm các bệnh nhân nguy cơ.
Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brownian) Khi một hạt rắn đặt trong dung dịch, ngoài việc chúng chuyển động quay Brownian mà đồng thời chúng còn chuyển động dịch chuyển. Các quy luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Browninan đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn. Chuyển động Brownian của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Các luật cơ bản của chuyển động Brownian của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc".
Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brownian mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động của nhiệt. Vấn đề đặt ra là: sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy nó là bao nhiêu?. Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều.1) ở đó D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời giantrôi của hạt dạng cầu.
Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt bằng cách xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ. Sự cân bằng của các lực đó có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình Langevin: 𝑑2𝑥 𝑚 = −𝜇𝑣𝑥 (𝑡 ) + 𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡) (1.2) 𝑑𝑡 2 Ở đó, 𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡) là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, 𝑣𝑥 (𝑡) là vận tốc theo trục𝑥, 𝜇 là hệ số ma sát, giá trị của 𝜇 có thể được xác định trực tiếp từ thực nghiệm. Nhân 2 vế của phương (3.2) với 𝑥 và lấy trung bình, ta nhận được : 𝑑2𝑥 𝑑𝑥 〈𝑚𝑥 〉 = 〈−𝜇𝑥 + 𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 𝑑𝑡 2 𝑑𝑡 𝑑2𝑥 𝑑𝑥 ⇔ 〈𝑚𝑥 〉 = 〈−𝜇𝑥 〉 + 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 (1.4) 𝑑𝑡 2 𝑑𝑡 Học viên: Nguyễn Vũ Ánh Nguyệt 5 Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên Ta nhận được: 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑚 𝑑𝑥 2𝑚 − 〈𝜇𝑥 〉 = − 〈𝑚( )2 〉 ⟺ 2 〈𝑥 〉=2 〈( ) 2 〉 = 〈𝑣𝑥2 〉 (1.5) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝜇 𝑑𝑡 𝜇 Với 〈𝑣𝑥2 〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục𝑥. 1 1 Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 𝑚〈𝑣𝑥2 〉 = 𝑘𝐵 𝑇 2 2 Với 𝑘𝐵 là hằng số Boltzmann.6) 𝜇 Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có : 𝑘 𝑇 〈𝑟 2 〉 = 𝑛 𝐵 𝑡 (1.7) 𝜇 Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển, hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (1.8) Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng 𝜂 theo: 𝜇 = 6𝜋𝑅𝜂 (1.9) Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein- Stokes: 𝑘𝐵 𝑇 𝐷= (1.10) 6𝜋𝑅𝜂 Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lực học –là bán kính hình học của hạt mà bị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanh hạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số khuếch tán: 〈𝑟 2 〉 = 𝑛𝐷𝑡 (1.11) Học viên: Nguyễn Vũ Ánh Nguyệt 6 Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên - Xét trong không gian 3 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 6𝐷𝑡. - Xét trong không gian 2 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 4𝐷𝑡.12) - Xét trong không gian 1 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 2𝐷𝑡.