Tài liệu: Ứng dụng phương pháp thiết kế và phân tích dữ liệu insilico

Tài liệu nghiên cứu Ứng dụng phương pháp thiết kế và phân tích dữ liệu insilico isida trong thiết kế hợp chất acid, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Đoàn Việt Nga
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Thị Thu Hương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa Y Dược
• Chuyên ngành: Dược học
• Đề tài: Ứng dụng phương pháp thiết kế và phân tích dữ liệu in silico (ISIDA) trong thiết kế hợp chất acid hydroxamic mới ức chế HDAC2
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp thiết kế và phân tích dữ liệu In Silico

Phương pháp thiết kế và phân tích dữ liệu In Silico (ISIDA) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực dược học và hóa học dược. Đây là một phương pháp tính toán giúp các nhà khoa học dự đoán và thiết kế các hợp chất hóa học mới với hoạt tính sinh học cao. Ứng dụng ISIDA trong nghiên cứu dược phẩm cho phép các nhà nghiên cứu tiết kiệm thời gian và chi phí so với các phương pháp thử nghiệm truyền thống. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong thiết kế hợp chất acid hydroxamic - một loại thuốc tiềm năng trong điều trị ung thư. Bằng cách phân tích dữ liệu từ các hợp chất hiện có, nhà khoa học có thể xây dựng các mô hình dự đoán chính xác cho các hợp chất mới.

1.1. Khái niệm về phương pháp In Silico

Phương pháp In Silico là kỹ thuật sử dụng máy tính và thuật toán để mô phỏng các quá trình hóa học và sinh học. Phương pháp này cho phép dự đoán cấu trúc và hoạt tính của hợp chất mà không cần thực hiện thử nghiệm phòng thí nghiệm ban đầu. ISIDA sử dụng các mảnh cấu trúc phân tử để mô tả đặc điểm hóa học của hợp chất, từ đó xây dựng mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học.

1.2. Lợi ích của ứng dụng In Silico trong dược học

Ứng dụng ISIDA mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho ngành dược. Nó giúp tối ưu hóa quá trình phát triển dược phẩm, giảm chi phí thiết kế hợp chất mới lên đến 60-70%. Phương pháp này cho phép phân tích dữ liệu nhanh chóng từ hàng nghìn hợp chất trong cơ sở dữ liệu. Đặc biệt, nó hỗ trợ hiệu quả trong dự đoán hoạt tính của các hợp chất trước khi tổng hợp.

II. Ứng dụng trong thiết kế hợp chất acid hydroxamic ức chế HDAC2

Hợp chất acid hydroxamic là những chất có khả năng ức chế enzyme HDAC2 (Histone deacetylase 2), một mục tiêu quan trọng trong điều trị ung thư. HDAC2 là enzyme liên quan đến sự biến đổi histone, ảnh hưởng trực tiếp đến biểu hiện gen và sự phát triển của tế bào ung thư. Bằng cách sử dụng phương pháp ISIDA, các nhà khoa học có thể thiết kế hợp chất mới với cơ cấu tối ưu để ức chế HDAC2 hiệu quả. Phân tích dữ liệu từ 45 dẫn xuất acid hydroxamic đã giúp xây dựng mô hình QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) chính xác. Những hợp chất thiết kế này có tiềm năng trở thành thuốc điều trị ung thư mới với tác dụng mạnh mẽ và tác dụng phụ thấp.

2.1. Cơ chế tác dụng của hợp chất ức chế HDAC2

HDAC2 ức chế thông qua các hợp chất acid hydroxamic hoạt động bằng cách liên kết với trung tâm hoạt động của enzyme này. Cấu trúc hóa học của acid hydroxamic cho phép nó tạo liên kết mạnh mẽ với nhóm metal tại vị trí hoạt động. Khi enzyme HDAC2 bị ức chế, histone không được deacetyl hóa, dẫn đến biểu hiện gen tăng lên, từ đó kích hoạt chương trình chết tế bào ở các tế bào ung thư.

2.2. Quy trình thiết kế hợp chất mới

Quy trình thiết kế bắt đầu với phân tích dữ liệu từ các hợp chất hiện có. Phương pháp ISIDA tính toán các tham số phân tử và mảnh cấu trúc để xây dựng mô hình QSAR. Dựa trên mô hình này, các nhà khoa học có thể dự đoán hoạt tính của hợp chất mới và tối ưu cấu trúc để đạt được khả năng ức chế HDAC2 tốt nhất. IC50 (nồng độ ức chế 50%) được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các hợp chất thiết kế.

III. Mô hình QSAR và phân tích dữ liệu định lượng

Mô hình QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) là công cụ thiết yếu trong phương pháp thiết kế dược phẩm hiện đại. Nó thiết lập mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học của hợp chất. Phân tích dữ liệu từ tập huấn luyện (TS) giúp xây dựng mô hình dự đoán chính xác, sau đó được kiểm tra trên tập kiểm tra (PS). Hệ số tương quan (Q², R²) và sai số RMSE là những chỉ số quan trọng để đánh giá mô hình QSAR. Bằng cách sử dụng mảnh cấu trúc ISIDA, mô hình có thể phân tích cách các nhóm chức năng cụ thể ảnh hưởng đến hoạt tính ức chế HDAC2. Điều này cho phép các nhà khoa học tối ưu hóa cấu trúc để tạo ra hợp chất mạnh hơn.

3.1. Các thông số đánh giá mô hình QSAR

Hệ số tương quan chéo (Q²LOO) và hệ số xác định (R²) là những tham số quan trọng để đánh giá chất lượng mô hình QSAR. Sai số toàn phương (RMSE) và sai số tuyệt đối (MAE) giúp định lượng độ chính xác của dự đoán mô hình. Độ thích hợp (CCC) và khả năng ngoại suy cũng là những yếu tố cần xem xét khi đánh giá hiệu quả của mô hình trong thiết kế hợp chất mới.

3.2. Ứng dụng mô hình trong dự đoán hoạt tính

Sau khi xây dựng mô hình QSAR thành công, nó được sử dụng để dự đoán IC50 của các hợp chất mới chưa được tổng hợp. Phương pháp MLR (Multiple Linear Regression) và các kỹ thuật phân tích dữ liệu khác giúp tối ưu hóa mô hình. Các hợp chất thiết kế có giá trị IC50 dự đoán thấp sẽ được ưu tiên tổng hợp và thử nghiệm lâm sàng, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong phát triển dược phẩm.

IV. Hướng phát triển và triển vọng của phương pháp In Silico

Phương pháp thiết kế In Silico đang trở thành tiêu chuẩn vàng trong phát triển dược phẩm hiện đại. Ứng dụng ISIDA và các công nghệ phân tích dữ liệu tương tự đang được mở rộng để thiết kế các hợp chất với hoạt tính sinh học đa dạng. Các chất ức chế HDAC thiết kế bằng phương pháp này đã cho thấy kết quả rất hứa hẹn trong thử nghiệm lâm sàng. Trong tương lai, kết hợp phương pháp ISIDA với machine learning và trí tuệ nhân tạo sẽ tăng cường khả năng dự đoán và tối ưu hóa cấu trúc hợp chất. Phân tích dữ liệu từ các cơ sở dữ liệu lớn sẽ giúp thiết kế những dược phẩm có hiệu quả cao hơn và an toàn hơn cho bệnh nhân ung thư.

4.1. Triển vọng trong điều trị ung thư

Các hợp chất acid hydroxamic thiết kế bằng phương pháp ISIDA có tiềm năng lớn trong điều trị ung thư. Ức chế HDAC2 hiệu quả có thể dẫn đến sự chết tế bào của các tế bào ung thư mà không làm hại quá nhiều đến tế bào bình thường. Phương pháp thiết kế này giúp tạo ra dược phẩm với độc tính thấp hơn so với những thuốc hóa trị truyền thống. Triển vọng là các hợp chất mới có thể chế ngự được nhiều loại ung thư khác nhau như ung thư máu, ung thư phổi, và ung thư dạ dày.

4.2. Sự phát triển công nghệ và hợp tác quốc tế

Phương pháp In Silico đang được các đại học hàng đầu thế giới áp dụng trong nghiên cứu và phát triển dược phẩm. Hợp tác quốc tế giữa các cơ sở nghiên cứu giúp chia sẻ dữ liệu và tối ưu hóa mô hình QSAR. Tại Việt Nam, Đại học Quốc gia Hà Nội và Đại học Dược Hà Nội đang đầu tư vào phương pháp thiết kế này để nâng cao năng lực trong phát triển dược phẩm độc lập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo báo cáo thống kê của tổ chức Y tế giới WHO , ung thư là căn bệnh giết người hàng đầu thế giới mỗi năm với khoảng 14 triệu ca mới phát hiện và 8,2 triệu trường hợp tử vong số liệu tính đến hết năm 2012, theo báo cáo số 297, cập nhật tháng 6 năm 2014. Dự báo, số lượng bệnh nhân mắc mới sẽ tăng lên hơn 70% trong 2 thập kỷ tới. So với thế giới, Việt Nam thuộc nhóm các nước đứng thứ 2 vì tỉ lệ mắc ung thư [27]. Trước tình hình đó, việc nghiên cứu và phát triển các thuốc mới chống lại ung thư luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học, trong đó có Việt Nam.

Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu phát triển thuốc nói chung và các thuốc điều trị ung thư nói riêng hiện nay vẫn chủ yếu dựa trên các phương pháp thực nghiệm thử-lỗi với nhược điểm là tốn thời gian, tiền bạc và cho hiệu quả thấp [30]. Ngoài ra, các thuốc điều trị ung thư hiện đang còn nhiều hạn chế. Do đó yêu cầu cấp bách đặt ra là phải nghiên cứu và phát triển thuốc chống ung thư mới, có tác dụng chọn lọc trên đích phân tử nhằm phát huy tối đa hiệu quả, ít độc hơn. Nhờ những tiến bộ trong di truyền học và sinh học phân tử, Histon deacetylase (HDAC) được chỉ ra là một trong những đích tác dụng phân tử cho điều trị ung thư, trong đó HDAC2 thuộc nhóm I được đánh giá là một đích phân tử quan trọng do có biểu hiện quá mức trong quá trình deacetyl hoá các histon xảy ra ở hầu hết các dòng tế bào ung thư người [14, 66].

Vì vậy, các chất ức chế HDAC2 đang trở thành các tác nhân chống ung thư đầy triển vọng [6, 8, 43]. Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu xác định, phát hiện và thử hoạt tính của hợp chất ức chế HDAC2 có nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp hóa học [3-5]. Trong các nhóm chất ức chế HDAC2, các acid hydroxamic là nhóm chất được quan tâm chú ý và tập trung nghiên cứu nhiều nhất vì có cấu trúc đơn giản, có khả năng tổng hợp với điều kiện của Việt Nam. Acid hydroxamic có nhóm –NHOH tạo được phức bền với Zn2+ ở trung tâm hoạt động của HDAC2 mang lại hoạt tính ức chế enzyme mạnh.

Để vừa tiết kiệm thời gian công sức cũng như tính đặc hiệu, nghiên cứu đã lựa chọn thực hiện theo phương pháp thiết kế thuốc hợp lý dựa trên khung cấu trúc acid hydroxamic. Trong những năm gần đây, nghiên cứu sàng lọc hợp chất ức chế HDAC2 dựa trên các phương pháp trợ giúp bởi máy tính, hay còn gọi là phương pháp in silico đã trở thành một hướng đi mới, đầy tiềm năng [48]. Các mô hình in silico là các mô hình toán học thể hiện mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính 1 (QSAR – Quantitive Structure Activity relationships), được ứng dụng chủ yếu trong dự đoán hoạt tính và cơ chế tác dụng, sàng lọc virtual screening các hợp chất có hoạt tính từ các cơ sở dữ liệu hợp chất. Tuy nhiên ngày nay, thay vì phải sàng lọc hàng triệu hợp chất từ các thư viện để tìm ra hợp chất dẫn đường-điểm khởi đầu cho thiết kế thuốc, phương pháp dựa trên mảnh cấu trúc FBDD- Fragment based drug discovery bắt đầu với tập hợp các phân tử cấu trúc nhỏ dựa trên cấu tạo của đích và đồng thời các mảnh cấu trúc này sẽ được ứng dụng trong thiết kế hợp chất mới.

Một trong số các FBDD sử dụng phổ biến hiện nay là mô tả phân tử thiết kế và phân tích dữ liệu in silico (ISIDA-In Silico design and Data Analysis. Với mô tả phân tử ISIDA, quá trình thiết kế thuốc mới trong điều trị ung thư sẽ được tối ưu hóa do ứng dụng linh hoạt mô tả trong sàng lọc, dự đoán và thiết kế hợp chất mới. Từ các vấn đề nêu trên, mục tiêu chung của nghiên cứu này là “Ứng dụng mô tả phân tử ISIDA trong thiết kế các hợp chất ức chế enzyme histone deacetylase 2 trong điều trị ung thư”. Với mục tiêu cụ thể: - Xây dựng được các mô hình toán học QSAR sử dụng mô tả phân tử ISIDA định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính ức chế HDAC2.

- Đánh giá mô hình QSAR theo các thông số thống kê - Ứng dụng mô hình xây dựng được trong sàng lọc, dự đoán và thiết kế hợp chất mới.Thực trạng mắc bệnh ung thƣ và tử vong do ung thƣ 1. Thực trạng mắc bệnh ung thư và tử vong do ung thư trên thế giới Ung thư đang là một trong những căn bệnh dẫn đến tử vong hàng đầu trên toàn thế giới. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới-WHO, trong năm 2012, có khoảng 14 triệu trường hợp ung thư được phát hiện mới và có đến 8,2 triệu ca tử vong liên quan đến ung thư. Trong số đó, các ca tử vong do các ung thư chủ yếu là: ung thư phổi 1,59 triệu ca , ung thư gan 745000 ca , ung thư dạ dày 723000 ca , ung thư đại trực tràng 694000 ca , ung thư vú 521000 ca , ung thư thực quản (400000 ca) [33].

Dự kiến, số lượng các ca ung thư mới sẽ có khả năng tăng khoảng 70% trong vòng hai thập kỉ tới, số trường hợp ung thư hàng năm sẽ tăng từ 14 triệu trong 2012 lên 22 triệu trong vòng hai thập kỉ tới. Hơn 60% số các ca ung thư mới hàng năm trên thế giới xảy ra ở Châu Phi, Châu Á, Trung và Nam Mỹ, chiếm 70% số các ca tử vong ung thư thế giới [33]. 5 yếu tố nguy cơ hàng đầu về hành vi và chế độ ăn uống có liên quan đến 30% trường hợp tử vong do ung thư đó là: chỉ số khối cơ thể cao béo phì , ăn ít rau quả tươi, ít tập thể dục, nghiện thuốc lá hoặc rượu. Ngoài ra, các bệnh nhi m virus HBV, HCV và một số type Human Papilloma Virus HPV là nguyên nhân của trên 20% số các ca tử vong ung thư ở các nước thu nhập thấp và thu nhập trung bình [38].

Thực trạng mắc bệnh ung thư và tử vong do ung thư ở Việt Nam Vào năm 2012, số lượng các ung thư gặp phổ biến ở Việt Nam trên nam giới là gan 16.082 ca, dạ dày 9.406 ca, đại trực tràng 4.561 ca và mũi họng 3.301 ca; các ung thư gặp phổ biến ở nữ giới là: vú 11.182 ca, cổ tử cung 5.146 ca và dạ dày 4. Tổng số ca tử vong do ung thư là 91.600 ca, trong đó: số nam giới tử vong do ung thư là 58.200 ca: ung thư gan chiếm 26,9%, phổi 24,4%, dạ dày 14,5%, miệng - thực quản 5,8%, đại trực tràng 5,2% và do ung thư khác là 23,2%; số nữ giới tử vong do ung thư là 33.400 ca: ung thư phổi chiếm 14,5%, gan 13,7%, vú 12,5%, dạ dày 12,1%, đại trực tràng 8% và do ung thư khác là 39,3% [64]. Tổng quan HDAC 1. Khái niệm histon deacetylase Nhi m sắc thể được cấu thành bởi: ADN, protein histon và protein không phải histon [29].

Đơn vị cơ bản của nhi m sắc thể là nucleosom. Mỗi nucleosom gồm 146 cặp base ADN được gói trong một protein histon octame [34] tạo bởi 4 thành phần: H2A, H2B, H3, H4 [15]. Vào năm 1964, Allfrey VG, Faulkner R, Mirsky AE [7] đã khám phá ra quá trình acetyl hóa thuận nghịch của protein histone và ý nghĩa của biến đổi sau phiên mã này với điều hòa biểu hiện gen. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các đầu amino của protein histon thường bị biến đổi bởi các quá trình methyl hóa, phosphoryl hóa hoặc acetyl hóa sau dịch mã.

Quá trình acetyl hoá là một trong những cơ chế điều hoà chính của biểu thị gen, là chìa khóa làm thay đổi cấu trúc nhi m sắc thể và biến đổi sau phiên mã. Deacetyl hóa histone là quá trình ngược lại của acetyl hóa, làm tăng tương tác ion giữa histon tích điện dương và ADN tích điện âm, giúp đóng xoắn bằng cách cho cấu trúc chromatin nhỏ gọn hơn và ngăn chặn sự sao chép gen vì đã làm hạn chế khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã. Ngoài ra, acetyl hóa histone còn liên kết với các chức năng bộ gen khác như lắp ráp chromatin, sửa chữa DNA và tái tổ hợp. Kiểm soát quá trình biểu thị gen này phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hoạt động của enzym histon acetylase và enzym histon deacetylase, nhờ vào sự điều hoà quá trình acetyl hoá lysin ở phần đuôi histon [10].

Ngoài ra, quá trình acetyl hóa cũng liên quan đến rất nhiều protein không histone non-histone proteins) với bản chất có vai trò như một chất nền đóng vai trò quan trọng trong việc quy định sự biểu hiện gen cũng như các protein khác trong các con đường điều tiết sự tăng sinh tế bào, di chuyển tế bào, chu trình chết của tế bào và tạo mạch. Histon acetyltransferase (HAT) là enzym acetyl hóa nhóm -NH2 trong gốc lysin đầu N tận của histon, làm trung hòa điện tích dương trên lysin, do đó giảm khả năng tương tác của histon với ADN tích điện âm tạo cấu trúc mở chromatin. Vì vậy, sự acetyl hóa histon tạo điều kiện cho quá trình phiên mã, dịch mã xảy ra hình 1. Histon deacetylase HDAC là enzym có tác dụng đối lập với HAT.

HDAC loại bỏ nhóm acetyl từ acetyl lysin Ac-Lys ở đầu N tận của histon, làm đóng xoắn chromatin, do đó ức chế quá trình phiên mã Hình 1.1: Quá trình acetyl hóa histone / deacetyl hóa đƣợc điều chỉnh bởi các enzyme HAT và HDAC.com) Trung tâm hoạt động HDAC gồm 2 phần chính Hình 1.2 : ion Zn 2+ là coenzyme của HDAC và kênh enzym dạng túi hình ống. Cấu trúc rất linh động, có thể biến đổi phù hợp với chiều dài cơ chất khác nhau. Trên miệng túi có một vành nhỏ được tạo nên từ một vài vòng xoắn protein, phần vành này sẽ tương tác với nhóm nhận diện bề mặt HDAC [40, 61].2: Cấu tạo trung tâm hoạt động của HDAC (Nguồn: PNAS (2004) 101, 15064-15069) 5 1. Phân loại các histon deacetylase Tính đến nay, các nhà khoa học đã chỉ ra 18 loại HDAC khác nhau, được chia thành 4 nhóm (I-IV trong đó các HDAC phụ thuộc vào Zn2+ thuộc nhóm I, II và IV được gọi là các HDAC “kinh điển” và thường được sử dụng để sàng lọc và thiết kế các chất ức chế HDAC mới [36, 40, 46, 67].

Nhóm I: HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8. Các enzym này có ở phần nhân của nhiều loại tế bào.