TỔNG QUAN
Tổng quan về bệnh tăng huyết áp
Tăng huyết áp, theo Hội Tim mạch học quốc gia Việt Nam và Phân hội Tăng huyết áp, được định nghĩa là tình trạng có huyết áp tâm thu ≥ 140 mmHg và/hoặc huyết áp tâm trương ≥ 90 mmHg khi đo tại phòng khám.
Chẩn đoán tăng huyết áp (THA) yêu cầu đo huyết áp chính xác tại phòng khám và ngoài phòng khám, bao gồm cả huyết áp tại nhà và huyết áp liên tục Quá trình này cũng cần khai thác tiền sử cá nhân và gia đình, thực hiện khám lâm sàng và các xét nghiệm cận lâm sàng để xác định nguyên nhân THA thứ phát hay tiên phát Đồng thời, việc đánh giá các yếu tố nguy cơ tim mạch, tổn thương cơ quan đích và bệnh cảnh lâm sàng đi kèm là cần thiết để phân tầng nguy cơ Phân độ THA được thể hiện chi tiết trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Phân độ tăng huyết áp theo mức huyết áp đo tại phòng khám.
Bình thường Bình thường cao THA độ 1 THA độ 2 THA độ 3 THA tâm thu đơn độc
Theo thống kê từ Hoa Kỳ giai đoạn 2007-2010, có tới 81,5% người mắc tăng huyết áp nhận thức được tình trạng của mình, nhưng chỉ 52,5% trong số đó kiểm soát được bệnh Phần lớn trường hợp tăng huyết áp ở người trưởng thành là nguyên phát, chiếm khoảng 90%, trong khi chỉ khoảng 10% là thứ phát, có thể do các nguyên nhân như bệnh thận cấp hoặc mạn tính, hẹp động mạch thận, hoặc u tủy thượng thận.
Pheocromocytome, cường aldosterone tiên phát (Hội chứng Conn), hội chứng Cushing, và các bệnh lý liên quan đến tuyến giáp, tuyến cận giáp, và tuyến yên là những nguyên nhân gây tăng huyết áp Ngoài ra, một số loại thuốc như kháng viêm non-steroid, thuốc tránh thai, corticoid, cam thảo, và các hoạt chất giống giao cảm cũng có thể góp phần làm tăng huyết áp Các yếu tố khác như hẹp eo động mạch chủ, bệnh Takayasu, nhiễm độc thai nghén, ngừng thở khi ngủ, và yếu tố tâm thần cũng cần được xem xét Các yếu tố nguy cơ như thừa cân, béo phì, chế độ ăn nhiều muối, hút thuốc, uống rượu bia, ít vận động, tuổi cao, và căng thẳng đều có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh Do đó, việc tầm soát nguy cơ tăng huyết áp sớm là rất quan trọng để có thể chẩn đoán và điều trị kịp thời.
Theo báo cáo Gánh nặng bệnh tật toàn cầu 2010, cao huyết áp là yếu tố nguy cơ chính gây ra bệnh tim mạch và tử vong toàn cầu, với khoảng 7,6 triệu ca tử vong hàng năm, chiếm 13,5% tổng số ca tử vong.
Theo thống kê của Hội Tim mạch học quốc gia Việt Nam và Phân hội Tăng huyết áp, tỷ lệ người lớn mắc tăng huyết áp (THA) tại Việt Nam đã tăng từ khoảng 16,3% vào năm 2000.
Tỷ lệ tăng huyết áp (THA) ở người lớn đã tăng từ 25,4% vào năm 2009 lên 48% vào năm 2016, với 39,1% người bị THA không được phát hiện và 7,2% không được điều trị Đặc biệt, 69,0% bệnh nhân THA chưa được kiểm soát Theo GS.TS Nguyễn Lân Việt, phì đại thất trái và dày thành động mạch cảnh là những yếu tố quan trọng trong việc xác định nguy cơ bệnh nhân THA Nghiên cứu cho thấy phì đại thất trái làm tăng nguy cơ mắc suy mạch vành gấp 3 lần, suy tim gấp 5 lần và tai biến gấp 6 lần Bệnh THA cũng dễ gây tổn thương cho các động mạch não, dẫn đến nguy cơ phình mạch và đột quỵ Ngoài ra, THA còn gây ra nhiều tổn thương cơ quan khác như bệnh thận, bệnh mạch máu ngoại vi và các vấn đề về mắt.
1.1.2 Điều trị tăng huyết áp
Tăng huyết áp là một bệnh mạn tính cần được theo dõi và điều trị hàng ngày một cách đúng đắn và đủ liều Việc điều trị cần kéo dài và tích cực, đặc biệt ở những bệnh nhân có tổn thương cơ quan đích Mục tiêu chính trong điều trị là đạt được huyết áp mục tiêu dưới 140/90 mmHg, và có thể thấp hơn nếu người bệnh vẫn có thể dung nạp được, nhằm giảm thiểu nguy cơ tim mạch.
Người bệnh tăng huyết áp nên thay đổi lối sống để ngăn ngừa bệnh tiến triển và giảm lượng thuốc cần thiết Khuyến nghị lượng muối ăn không vượt quá 5 g/ngày, kết hợp với chế độ ăn giàu kali (trừ trường hợp mắc bệnh thận mạn hoặc nguyên nhân khác gây tăng kali máu), đồng thời hạn chế thực phẩm chứa nhiều cholesterol và acid béo no Ngoài ra, người bệnh cũng cần hạn chế tiêu thụ rượu, bia, với giới hạn không quá 14 cốc chuẩn/tuần đối với nam giới.
Để điều trị tăng huyết áp hiệu quả, nữ giới nên hạn chế tiêu thụ 9 cốc đồ uống có cồn mỗi tuần, ngừng hút thuốc lá và thuốc lào, đồng thời tăng cường hoạt động thể lực hợp lý ít nhất 30 phút mỗi ngày Ngoài ra, cần tránh căng thẳng và lo âu, duy trì cân nặng lý tưởng với chỉ số BMI từ 18,5 đến 22,9 kg/m2 Việc điều trị tăng huyết áp cũng cần được cá nhân hóa để đạt hiệu quả tốt nhất.
Tăng huyết áp độ I với nguy cơ thấp có thể được điều trị bằng một trong các loại thuốc sau: lợi tiểu thiazide liều thấp, ức chế men chuyển, chẹn kênh canxi loại tác dụng kéo dài, hoặc chẹn β giao cảm (nếu không có chống chỉ định).
Đối với bệnh nhân tăng huyết áp độ 1 với nguy cơ trung bình, cao hoặc độ II, III, việc phối hợp hai loại thuốc là cần thiết Các loại thuốc có thể bao gồm lợi tiểu, chẹn kênh canxi, ức chế men chuyển, chẹn thụ thể angiotensin và chẹn β giao cảm.
- Nếu chưa đạt huyết áp mục tiêu, cần điều chỉnh liều tối ưu hoặc từng bước phối hợp từ liều thấp 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 (Tăng huyết áp 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 [67, 70]
Tổng quan về enzym chuyển angiotensin (ACE)
1.2.1 Sơ lược về hệ Renin-angiotensin-aldosteron và ACE
Hệ renin-angiotensin-aldosteron đóng vai trò quan trọng trong sinh lý bệnh tăng huyết áp thông qua angiotensin II và aldosterone Khi huyết áp giảm, renin được giải phóng và chuyển angiotensinogen thành angiotensin I, sau đó được chuyển đổi thành angiotensin II tại phổi Angiotensin II gắn vào các thụ thể AT1 và AT2, gây co mạch, tăng hoạt động hệ giao cảm và kích thích tuyến thượng thận tiết aldosteron, dẫn đến giữ natri Sự gia tăng natri trong tế bào làm cơ thành mạch phản ứng mạnh hơn với kích thích giao cảm, tạo ra vòng lặp tăng huyết áp.
Hình 1.1 Hệ renin- angiotensin- aldosteron
Gần đây, nghiên cứu đã chỉ ra rằng angiotensinogen, renin và angiotensin II được tổng hợp tại nhiều mô khác nhau như não, tuyến yên, động mạch chủ, tim và thận Hệ RAA tại các mô này có khả năng điều chỉnh trương lực máu tại chỗ, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát huyết áp Sự hiểu biết về hệ RAA đã được mở rộng với các thành phần mới và các con đường tổng hợp angiotensin II, từ đó cung cấp cơ sở cho việc nghiên cứu sinh lý bệnh trong các bệnh lý tim mạch và thận.
Angiotensin II là peptide angiotensin hoạt động nhất, các tác dụng chính trên hệ tim mạch bao gồm: đáp ứng tăng áp nhanh, đáp ứng tăng áp chậm, sự phì đại và tái cấu trúc tế bào tim và mạch Sự gia tăng vừa phải nồng độ angiotensin II trong huyết tương vẫn có thể làm tăng huyết áp đáng kể Nếu tính theo nồng độ hiệu dụng, angiotensin II mạnh hơn norepinephrin khoảng 40 lần EC 50 của angiotensin
Angiotensin II có khả năng làm tăng huyết áp mạnh mẽ với nồng độ khoảng 0,3 nM, gây ra sự gia tăng huyết áp toàn thân chỉ trong vài giây sau khi tiêm vào tĩnh mạch Huyết áp đạt đỉnh nhanh chóng và trở lại mức bình thường trong vài phút, nhưng cũng có thể kích hoạt các đáp ứng chậm, ổn định áp suất máu động mạch trong thời gian dài, cần nhiều ngày để đạt hiệu quả tối đa Hiện tượng này liên quan đến giảm chức năng bài tiết của thận do angiotensin II làm co mạch máu thận và tăng trương lực giao cảm Hơn nữa, angiotensin II còn kích hoạt tái cấu trúc hệ tim mạch, dẫn đến phì đại tế bào mạch máu và tế bào tim, cũng như tăng tổng hợp và lắng đọng collagen Do đó, giảm nồng độ angiotensin II trong máu là một chiến lược quan trọng trong điều trị tăng huyết áp và hạn chế tổn thương cơ quan đích.
ACE đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều chỉnh huyết áp, cân bằng nội môi chất lỏng, chức năng thận và mạch máu Là một metalloenzyme phụ thuộc kẽm, ACE chủ yếu được tìm thấy trong mô và có khả năng thủy phân peptit bằng cách loại bỏ dipeptit từ đầu C Enzym này được giải phóng từ bề mặt tế bào nội mô nhờ ACE-secretase, tác động tại chỗ thông qua tế bào biểu bì và tế bào nội mạc mạch máu ACE huyết tương, dạng hòa tan và tuần hoàn trong huyết tương, có vai trò chưa được hiểu rõ Ngoài việc chuyển angiotensin I thành angiotensin II, ACE còn có khả năng bất hoạt bradykinin, chất gây giãn mạch và hạ huyết áp Gen mã hóa ACE có hiện tượng đột biến đa hình ở intron.
16 Điều này giải thích tại sao có đến 47% trường hợp có sự khác nhau về biểu hiện kiểu hình của ACE trong huyết thanh Sự mất allele có liên quan đến hiện tượng gia tăng nồng độ ACE trong huyết thanh và tăng chuyển hóa bradykinin có thể là một yếu tố nguy cơ đối với các rối loạn tăng huyết áp, phì đại cơ tim, xơ vữa mạch máu và tiểu đường do bệnh lý thận [71] 1.2.2 Trung tâm hoạt động của ACE
Enzym chuyển angiotensin (ACE) được phát hiện bởi Leonard T Skeggs Jr vào năm 1956, và vào năm 2002, cấu trúc của ACE tinh hoàn người (tACE) đã được công bố trên tạp chí Nature bởi R Natesh và cộng sự ACE có hai dạng đồng dạng: tACE (701 axit amin) chỉ có ở tinh hoàn nam giới, và ACE soma (sACE) (1277 axit amin) phân bố rộng rãi trong các tế bào và chất lỏng ngoại bào như huyết tương sACE bao gồm hai miền tương đồng (miền N và miền C), trong khi tACE chỉ có một miền, gần giống với miền C của sACE Cả miền C của sACE và tACE đều có trình tự axit amin tương tự, ngoại trừ tACE có thêm 36 gốc ở đầu cuối N.
Miền C của tACE (miền C của sACE) có vai trò quan trọng trong việc phân hủy Ang I thành Ang II thông qua cơ chế liên kết với Zn 2+ tại vị trí hoạt động Hai histidine (His383 và His387) cùng với glutamate (Glu411) tạo thành các phối tử cần thiết cho hoạt tính peptidase Phân tử nước hoạt hóa tương tác với Zn 2+ để tấn công liên kết peptit mục tiêu Miền C cho thấy sự phụ thuộc vào clorua cao hơn miền N, ảnh hưởng đến khả năng thủy phân và liên kết với chất ức chế Do đó, miền C là vị trí chuyển đổi angiotensin chủ yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát huyết áp và chức năng tim mạch.
Hình 1.2 Cấu trúc chính của sACE và tACE
Cấu trúc của phức hợp tACE-lisinopril giúp xác định vị trí hoạt động của phân tử, với tACE chủ yếu có hình xoắn bao gồm 27 vòng xoắn, trong đó có 20 vòng xoắn α và 7 vòng xoắn 310 Cấu trúc β duy nhất chiếm 4% tổng dư lượng, được hình thành bởi sáu sợi ngắn, hai trong số đó gần vị trí hoạt động Tổng thể, ACE có hình dạng ellipsoid với một rãnh trung tâm dài khoảng 30 A˚, chia protein thành hai miền phụ, được bao quanh bởi các xoắn α13, α14, α15, α17 và β4.
Cấu trúc 3D của protein tACE được chia thành hai miền phụ I và II, với ion kẽm nằm ở vị trí hoạt động Lisinopril được thể hiện bằng màu lục và vàng, trong khi đó hai ion clorua được đánh dấu bằng màu đỏ.
Hình 1.4 Biểu diễn liên kết của lisinopril với ACE tại vị trí hoạt động.
Hoạt tính thủy phân peptide của ACE chịu ảnh hưởng của hai ion clorua, giúp kích hoạt các vị trí hoạt động và tăng cường sự liên kết của các cơ chất Phân tử lisinopril gắn vào sâu trong rãnh hoạt động, trong khi vị trí của các dư lượng không thay đổi nhiều khi hình thành phức hợp Cacboxyalkyl cacboxylat của lisinopril liên kết với ion kẽm và cung cấp một phối tử phối trí, với ba phối tử khác (hai histidine và một axit glutamic) giữ nguyên vị trí trong cả hai cấu trúc Nguyên tử oxy thứ hai của cacboxylat tạo ra tương tác liên kết H với Glu384, trong khi nhóm phenylpropyl S1 tương tác với Val518 và lysyl amin hình thành liên kết H yếu với Glu162 Cacboxylat ở đầu C liên kết với Lys511 và Tyr520, cho thấy rằng ion Zn2+ cùng với các axit amin như His383, His387, Glu411, Lys511 và Tyr520 đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế hoạt tính peptidase của ACE.
1.2.3 Một số chất ức chế ACE (ACEi)
Hiện nay, thị trường có hơn 10 loại thuốc ức chế men chuyển (ACE) được sử dụng như liệu pháp đầu tay trong điều trị các bệnh tim mạch như tăng huyết áp, suy tim và rối loạn chức năng thất trái Các chất ức chế ACE được phân loại thành ba nhóm lớn dựa trên cấu trúc hóa học của chúng.
1 Thuốc ức chế men chuyển chứa sulfhydryl liên quan đến cấu trúc của captopril
2 Thuốc ức chế men chuyển chứa carboxyl liên quan đến cấu trúc của enalapril (ví dụ: lisinopril, benazepril, quinapril, moexipril, ramipril, trandolapril, perindopril)
3 Các chất ức chế men chuyển chứa phosphinyl có liên quan đến cấu trúc của fosinopril
Một số chất ức chế men chuyển hiện đang được sử dụng lâm sàng dưới dạng tiền chất ethyl-ester, có sinh khả dụng tốt nhưng không đạt được hoạt tính mong muốn Chúng được chuyển đổi thành diacid có hoạt tính nhờ vào các esterase trong cơ thể.
Captopril là thuốc ức chế men chuyển đầu tiên được sử dụng lâm sàng từ năm 1981, nổi bật với hiệu quả điều trị tăng huyết áp và sinh khả dụng đường uống cao lên đến 75%.
L-proline) có chứa nhóm sulfhydryl tạo phức chelat với ion Zn 2+ , gây ra một số tác dụng phụ như mất vị giác và phát ban da Điều này dẫn đến sự ra đời của hai chất ức chế men chuyển khác không chứa nhóm sulfhydryl là enalaprilat và lisinopril.
Tổng quan về nhóm hợp chất flavonoid
Flavonoid là nhóm hợp chất polyphenolic lớn nhất trong thực vật bậc cao, chủ yếu có cấu trúc 2-phenyl benzopyrone với cầu nối ba cacbon thường là oxy Chúng được chia thành ba phân nhóm chính: euflavonoid, isoflavonoid và neoflavonoid, và mỗi nhóm lại có các phân nhóm phụ như flavanon, flavon, flavonols, isoflavon, flavanols và anthocyanidin Cấu trúc đa dạng của flavonoid thể hiện nhiều chức năng sinh học, bao gồm thu hút hoặc xua đuổi côn trùng thông qua màu sắc của lá, quả và hoa, bảo vệ cây khỏi bệnh do virus, nấm, vi khuẩn và tia cực tím, cũng như có mặt trong các nốt sần ở rễ cây họ đậu.
Các phân nhóm chính của flavonoid (A: euflavonoid, B: iso-flavonoid, C: neo-flavonoid)
Flavonoid, có nhiều trong thực phẩm thực vật, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe, đặc biệt là khả năng chống oxi hóa, giảm nguy cơ bệnh tim mạch, ức chế khối u và làm chậm lão hóa Chúng được chứng minh là chất chống oxi hóa mạnh hơn vitamin C, E và carotenoids nhờ cấu trúc hydroxyl liên kết với vòng thơm Ngoài ra, flavonoid còn có tác dụng ức chế vi sinh vật, chống viêm và có khả năng chống ung thư, như quercetin giúp giảm viêm do Helicobacter pylori và ức chế tế bào ung thư tuyến tụy Nghiên cứu gần đây cho thấy flavonoid có tác dụng tích cực lên hệ tim mạch và tiểu đường, nhờ khả năng ngăn ngừa oxi hóa lipoprotein, phòng ngừa xơ vữa động mạch, điều hòa nhịp tim và huyết áp Flavonoid cũng có khả năng tạo phức với kim loại và ức chế enzym chuyển angiotensin, mở ra hướng nghiên cứu mới về cơ chế tương tác flavonoid-protein và các hợp chất hỗ trợ điều trị tăng huyết áp.
Tổng quan về nghiên cứu in silico
Thuật ngữ "in silico" xuất phát từ tiếng Latin, chỉ các công việc thực hiện trên máy tính thông qua chương trình giả lập để mô phỏng các quá trình tự nhiên Các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp này để dự đoán khả năng phát triển hợp chất y học, bao gồm tác dụng dược lý và tác dụng phụ trên con người Một trong những ứng dụng quan trọng của in silico là sàng lọc các ứng cử viên tiềm năng cho thuốc.
Sàng lọc ảo dựa trên cấu trúc (SBVS) đang trở thành công cụ quan trọng trong phát hiện và tối ưu hóa hợp chất tiềm năng một cách nhanh chóng và tiết kiệm Việc áp dụng thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc hiệu quả hơn so với phương pháp truyền thống, vì nó tập trung vào việc hiểu biết cơ sở phân tử của bệnh lý và sử dụng kiến thức về cấu trúc ba chiều của mục tiêu sinh học SBVS dự đoán sự liên kết của hợp chất với protein đích thông qua các phương pháp tính toán và cấu trúc 3D, như X-ray và NMR, từ đó lựa chọn các hợp chất có điểm số tốt cho các thử nghiệm in vitro và in vivo.
Docking là phương pháp dự đoán tư thế liên kết của một phân tử với phân tử khác, nhằm tạo ra phức hợp ổn định với năng lượng liên kết thấp nhất Đây là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất trong thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc, nhờ vào độ chính xác cao trong việc dự đoán cấu trúc của các phối tử phân tử nhỏ tại vị trí liên kết đích.
Mục đích chính của docking phân tử là dự đoán cấu trúc phức hợp giữa phối tử và thụ thể thông qua các phương pháp tính toán Quá trình docking bao gồm hai bước quan trọng: đầu tiên, lấy mẫu sự tương thích của phối tử tại vị trí hoạt động của protein bằng các thuật toán; sau đó, xếp hạng các sự tương thích này bằng cách cho điểm.
Nhiều thuật toán lấy mẫu đã được phát triển và ứng dụng phổ biến trong phần mềm docking phân tử, bao gồm thuật toán so khớp (MA) dựa trên khoảng cách giữa các nhóm chức trong protein và phối tử; phương pháp xây dựng tăng dần (IC) cho phép đưa phối tử vào vị trí hoạt động của protein theo kiểu phân mảnh và thêm dần các mảnh; cùng với đó là phương pháp Monte Carlo.
MC tạo ra các tư thế của phối tử thông qua chuyển động quay liên kết và tịnh tiến thân cố định, sử dụng các thuật toán di truyền (GA) lấy cảm hứng từ thuyết tiến hóa của Darwin để tạo ra tập hợp tư thế bằng cách đột biến và trao đổi chéo Ngoài ra, mô phỏng động lực học phân tử (MD) dự đoán sự di chuyển của từng nguyên tử trong trường của các nguyên tử còn lại theo thời gian, thể hiện tính linh hoạt của phối tử và protein hiệu quả hơn so với các thuật toán khác.
Chức năng tính điểm được phát triển để mô tả sự tương tác giữa protein và phối tử một cách nhanh chóng và chính xác, bao gồm việc xếp hạng cấu trúc và định hướng của phối tử khi liên kết với vị trí hoạt động Chức năng này không chỉ dự đoán ái lực liên kết protein-phối tử mà còn hỗ trợ tối ưu hóa hợp chất dẫn đường và sàng lọc các hợp chất tiềm năng trong các cơ sở dữ liệu lớn Năng lượng tự do của phức hợp protein-phối tử được xác định bởi hằng số liên kết (Kd) và năng lượng tự do Gibbs (ΔG), với các tương tác như van der Waals, liên kết kị nước, liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị và liên kết tĩnh điện Độ chính xác của mô hình tăng lên với số lượng tham số hóa lý, tuy nhiên, thời gian tính toán cũng sẽ kéo dài nếu số lượng biến lớn, do đó, các hàm tính điểm cần cân bằng giữa độ chính xác và tốc độ để đạt hiệu quả tối ưu trong việc xử lý các cơ sở dữ liệu lớn.
Quá trình docking được thực hiện thông qua ba bước: chuẩn bị phối tử, chuẩn bị protein, mô phỏng docking
Cấu trúc các phối tử có thể được lấy từ các hệ thống dữ liệu như ZINC, Pubchem và Asinex database Nếu không có sẵn, chúng ta có thể sử dụng các phần mềm chuyên dụng như ChemDraw, ChemSketch và MarvinSketch để xây dựng cấu trúc phối tử Sau khi tạo ra cấu trúc 3D, cần chỉnh sửa điện tích, gắn trường lực và tối ưu hóa năng lượng để chuẩn bị cho quá trình docking.
Cấu trúc 3D của protein có thể tìm thấy trên ngân hàng dữ liệu protein tại "http://www.rcsb.org" Nếu không có sẵn, người dùng có thể xây dựng cấu trúc 3D bằng phương pháp mô hình hóa tương đồng Sau đó, để chuẩn bị cho chương trình mô phỏng docking, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng để loại bỏ nước và các phối tử (nếu có), thêm hydro, gắn trường lực và tạo file pdbqt.
Trước khi tiến hành mô phỏng docking, việc xác định vùng tìm kiếm (grid box) cho thuật toán là rất quan trọng Kích thước vùng tìm kiếm cần được cân nhắc kỹ lưỡng, không nên quá lớn để tránh lãng phí thời gian và giảm độ chính xác, cũng như không quá nhỏ để đảm bảo phần mềm có thể tìm kiếm một khu vực có ý nghĩa Thông thường, vùng tìm kiếm được đặt tại trung tâm hoạt động của protein Khi thực hiện docking, phần mềm sẽ tự động tìm kiếm và cung cấp cấu dạng có năng lượng thấp nhất Phân tích các tương tác của các cấu dạng thu được có thể được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như MOE, Pymol, Discovery Studio.
1.4.2 Quy tắc Lipinski về các hợp chất giống thuốc
Hầu hết các ứng cử viên thuốc không thành công trong thử nghiệm lâm sàng do không đạt yêu cầu về hiệu quả và độc tính Năm 1997, Christopher Lipinski và các cộng sự đã đề xuất bộ quy tắc số 5 (Rules of 5 - RO5) cho các hợp chất giống thuốc, chỉ ra rằng các loại thuốc uống thường có đặc tính hóa lý và cấu trúc nằm trong một phạm vi giá trị nhất định Một dược chất đường uống không được vi phạm quá một trong bốn tiêu chí sau.
- Trọng lượng phân tử: MW < 500 Dalton
- Số lượng nhóm cho liên kết hydro (Số lượng các nhóm
- Số lượng nhóm nhận liên kết hydro (Bao gồm nguyên tử O và N): HBA < 10
- Hệ số phân bố octanol/nước: LogP < 5 [46]
Các thông số hóa lý như khả năng hòa tan trong nước và tính thấm ở ruột đóng vai trò quan trọng trong sinh khả dụng đường uống Nếu một hợp chất không đáp ứng quy tắc RO5, nó có thể gặp khó khăn khi sử dụng đường uống Tuy nhiên, việc đáp ứng quy tắc RO5 không đảm bảo rằng hợp chất đó sẽ trở thành thuốc, vì quy tắc này không xem xét các đặc điểm cấu trúc hóa học cụ thể của thuốc và hợp chất không phải thuốc Dự đoán ADMET liên quan đến các thông số dược động học và độc tính cũng rất quan trọng trong quá trình phát triển thuốc.
Trong nghiên cứu phát triển thuốc, việc dự đoán các thông số dược động học như hấp thu, phân bố, chuyển hóa, thải trừ và độc tính đã trở nên thiết yếu Theo thống kê những năm 2000, 50% thuốc không vượt qua thử nghiệm lâm sàng do không đáp ứng yêu cầu về dược động học và độc tính Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin và kho dữ liệu hóa học lớn, việc sàng lọc ứng cử viên thuốc dựa trên các thông số ADMET được thực hiện sớm hơn, trước khi tiến hành thử nghiệm lâm sàng Sự ra đời của các công cụ đánh giá ADMET đã giảm tỷ lệ thất bại xuống chỉ còn 8%, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo tính an toàn và ổn định của thuốc.
Trong số nhiều công cụ dự đoán ADMET, có cả phần mềm thương mại như CASE ULTRA, DEREK, META-PC, METEOR, PASS, GUSAR và các công cụ trực tuyến phổ biến như ADMETlab, admetSAR, pkCSM, SwissADME Những công cụ này được ưa chuộng trong nghiên cứu khoa học nhờ khả năng dự đoán ADMET chính xác và thuận tiện.
Công cụ trực tuyến pkCSM là một giải pháp dự đoán ADMET hiệu quả, vượt trội hơn so với nhiều công cụ tương tự pkCSM sử dụng đồ thị đặc tính để phát triển các mô hình dự đoán, cho phép đánh giá nhanh chóng các thuộc tính dược động học và độc tính cần thiết cho hợp chất giống thuốc Người dùng chỉ cần cung cấp phân tử đầu vào dưới dạng SMILES Với bộ dữ liệu phong phú gồm hơn 10.000 cấu trúc phân tử cho độc tính trên chuột và 18.000 hợp chất cho các đặc tính chuyển hóa, pkCSM cung cấp 14 mô hình hồi quy định lượng các thuộc tính ADMET.
16 mô hình phân loại nhị phân, pkCSM có khả năng xử lý các tập dữ liệu lớn, có thể áp dụng vào các nghiên cứu sàng lọc [38, 60]
Nguyên liệu và thiết bị
Cấu trúc protein của enzym chuyển angiotensin được xác định thông qua tinh thể tia X, với mã pdb 1O86, được tải về từ ngân hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank) Cấu trúc này là của ACE, được phân lập từ tinh hoàn người và liên kết với phối tử lisinopril ở độ phân giải 2,0Å.
Hình 2.1 Cấu trúc 3D của enzym 1O86 được tải về từ CSDL Protein Data Bank.
Các hợp chất flavonoid có cấu trúc phối tử được tải từ cơ sở dữ liệu Pubchem, một trong những cơ sở dữ liệu lớn nhất thế giới cung cấp thông tin miễn phí về các hợp chất hóa học Pubchem được duy trì bởi Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia thuộc Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ.
Thiết bị sử dụng: Máy tính Dell Inspiron 15- Hệ điều hành Windows 10.
Phần mềm: Các phần mềm và công cụ sử dụng trong nghiên cứu được mua hoặc tải từ các nhà phát triển (trang web) bao gồm:
- MGL tools 1.5.6 (http://mgltools.scripps.edu/)
- Autodock Vina 4.2 (http://vina.scripps.edu/)
- UCSF Chimera 1.14 (https://www.cgl.ucsf.edu/)
- Discovery Studio 2020 Client (https://discover.3ds.com/)
- Công cụ online pkCSM (http://biosig.unimelb.edu.au/pkcsm/)
Nội dung nghiên cứu
Bước 1: Sàng lọc các hợp chất flavonoid được tải từ cơ sở dữ liệu Pubchem có khả năng ức chế enzym chuyển angiotensin bằng phương pháp docking phân tử.
Bước 2: Tiến hành nghiên cứu đặc điểm giống thuốc của các hợp chất có kết quả sàng lọc docking phân tử tốt nhất, dựa trên các thông số hóa lý của chúng.
Bước 3: Nghiên cứu các đặc tính dược động học và độc tính của các hợp chất đáp ứng tiêu chí giống thuốc, nhằm lựa chọn các hợp chất tiềm năng cho phát triển thành thuốc.
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Sàng lọc bằng docking phân tử
Trong phức hợp ACE (pdb: 1O86), lisinopril, một chất ức chế ACE phổ biến trong điều trị tăng huyết áp, đã được tinh thể hóa Việc re-dock lisinopril giúp xác thực tính hợp lý của quy trình docking Nếu sự khác biệt về vị trí của lisinopril trong tinh thể ACE và sau khi re-dock là không đáng kể (RMSD), điều này chứng tỏ quy trình docking là chính xác.
Khi khoảng cách dưới 1,5 Å, có thể khẳng định tính chính xác của quy trình docking đã thực hiện Điểm số docking của ligand đồng kết tinh cũng được sử dụng để lựa chọn các hợp chất có khả năng ức chế ACE Quá trình re-dock được thực hiện theo các bước như mô tả trong Hình 2.2.
Bước 1: Tách phối tử đồng kết tinh lisinopril của tinh thể ACE, xây dựng file pdbqt.
Bước 3: Tiến hành dock phối tử đã tách ra vào protein bằng phần mềm Autodock.
Bước 4: Sử dụng phần mềm Discovery Studio để biểu diễn phức hợp protein-phối tử sau khi dock, tiến hành loại bỏ protein và các phân tử không cần thiết, chỉ giữ lại cấu hình ligand có kết quả tối ưu nhất.
Bước 5: Tính toán RMSD giữa phối tử đồng kết tinh khi được tách ra và sau khi thực hiện re-dock bằng phần mềm Chimera
Hình 2.2 Minh họa quá trình re-dock lisinopril đồng kết tinh Chuẩn bị protein
Cấu trúc tinh thể của ACE được tải từ Protein Data Bank (pdb: 1O86, độ phân giải 2,0 Å), bao gồm phân tử nước, phối tử đồng kết tinh lisinopril và các phân tử nền Sử dụng phần mềm Discovery Studio 2020 Client, các hydro được thêm vào và tối ưu hóa, sau đó gắn trường lực Kollman và xây dựng file pdbqt bằng phần mềm Autodock Tools 1.5.6.
Các phối tử được tải về từ cơ sở dữ liệu Pubchem đã được tối ưu hóa năng lượng bằng phần mềm Avogadro, sử dụng phương pháp Gradient liên hợp Sau đó, chúng được chuyển đổi sang định dạng file pdbqt thông qua phần mềm Autodock Tools.
Tiến hành docking sử dụng phần mềm Autodock với kích thước hộp tìm kiếm 60x70x50 Å, khoảng cách giữa các ô lưới là 0,375 Å Tọa độ trục được thiết lập là x=41.62, y=31.97, z=46.62, dựa trên vị trí của ion Zn2+ và một số axit amin quan trọng tại vị trí hoạt động.
Phần mềm Autodock giúp xác định cấu hình liên kết tối ưu thông qua việc đánh giá năng lượng tự do liên kết ∆G và số lượng tương tác vật lý Kết quả của quá trình docking được đánh giá dựa trên ba tiêu chí chính: điểm số docking, khả năng tương tác và RMSD (độ lệch bình phương trung bình gốc).
Trong mô phỏng docking, năng lượng liên kết thấp hơn cho thấy sự gần gũi với trạng thái tự nhiên của phức hợp Hàm tính điểm của thuật toán docking dựa trên các tham số và hệ số theo lý thuyết xác định Năng lượng được tính toán bao gồm đặc tính năng lượng nội tại của phối tử, năng lượng tự do xoắn, và các tương tác giữa các phân tử như năng lượng Van der Waals, năng lượng liên kết hydro, năng lượng từ desolvat và năng lượng tĩnh điện Mỗi loại tương tác được gán một miền giá trị, và kết quả cuối cùng phản ánh mức độ tương tác mạnh hay yếu giữa phối tử và enzyme.
Quy trình docking được áp dụng để sàng lọc các hợp chất flavonoid từ cơ sở dữ liệu Pubchem, sau khi kết quả re-dock của lisinopril xác nhận tính hợp lý của phương pháp Kết quả protein docking sẽ được lựa chọn dựa trên các tiêu chí cụ thể.
1 Điểm số docking thấp hơn kết quả re-dock lisinopril
2 Cấu dạng có RMSD thấp nhất
3 Tạo liên kết tốt với các axit amin tại vị trí hoạt động
Phân tích kết quả bằng phần mềm Discovery Studio cho phép tìm hiểu sự tương tác giữa các phối tử và cấu trúc tinh thể của ACE Công cụ này cung cấp hình ảnh trực quan 2D và 3D về các tương tác giữa phối tử và các axit amin tại trung tâm hoạt động của protein.
2.3.2 Nghiên cứu các đặc điểm giống thuốc
Quy tắc Lipinski 5 giúp so sánh các hợp chất có đặc tính giống và không giống thuốc, dựa trên khả năng liên kết của phối tử sau khi docking, cho thấy hiệu quả tốt hơn lisinopril đồng kết tinh Để một hợp chất có thể phát triển thành thuốc uống, nó cần tuân thủ đủ 4 tiêu chí của quy tắc này.
- Trọng lượng phân tử: MW < 500 Dalton
- Số lượng nhóm cho liên kết hydro (Số lượng các nhóm
- Số lượng nhóm nhận liên kết hydro (Bao gồm nguyên tử O và N): HBA < 10
- Hệ số phân bố octanol/nước: LogP < 5 [46]
Công cụ pkCSM trực tuyến (http://biosig.unimelb.edu.au/pkcsm/prediction) hỗ trợ đánh giá quy tắc Lipinski 5 Các công thức SMILES của phối tử được lấy từ cơ sở dữ liệu Pubchem (www.pubchem.ncbi.nlm.nih.gov) và sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho pkCSM Sau khi chọn lọc các hợp chất giống thuốc, quá trình phân tích các thông số dược động học và độc tính sẽ được thực hiện để đưa ra kết quả cuối cùng.
2.3.3 Nghiên cứu các đặc tính dược động học và độc tính (ADMET)
Công cụ trực tuyến pkCSM cho phép dự đoán các đặc tính dược động học và độc tính dựa trên công thức SMILES của các hợp chất Kết quả bao gồm các thông số về hấp thu như tính tan trong nước, tính thấm màng Caco2 và hấp thu ở ruột, cùng với phân bố, chuyển hóa và thải trừ Tính hấp thu thuốc ở ruột người (HIA) được phân loại thành ba mức: hấp thu kém (0-20%), hấp thu vừa (20-70%) và hấp thu tốt (70-100%) Tính thấm qua màng Caco2 được coi là cao nếu log Papp lớn hơn 0.9, trong khi hợp chất có khả năng thấm qua hàng rào máu não nếu logBB lớn hơn 0.3 Ngoài ra, các hợp chất cũng được lựa chọn dựa trên tính không có độc tính của chúng.
Thực hiện dự đoán tính giống thuốc và các thông số ADMET bằng công cụ trực tuyến pkCSM
Bao gồm 2 bước: nhập công thức SMILES của hợp chất làm dữ liệu đầu vào, sau đó chọn ADMET để tính toán đầy đủ các thông số
Hình 3.1 Minh họa quá trình sàng lọc in silico
3.1.1 Đánh giá quy trình docking
Trước khi tiến hành sàng lọc các hợp chất, việc re-dock phối tử đồng kết tinh vào vị trí hoạt động của mục tiêu là cần thiết để xác định độ lệch bình phương trung bình gốc (RMSD), từ đó đánh giá tính phù hợp của các thông số docking Sử dụng phần mềm Chimera để đánh giá sự tương đồng về cấu dạng, giá trị RMSD được xác định là 1.012 Å, nhỏ hơn 1.5 Å, cho thấy kết quả docking phân tử vào mục tiêu là đáng tin cậy (Hình 3.2).
Hình 3.2 RMSD của lisinopril đồng kết tinh trước và sau khi re-dock
Kết quả docking của lisinopril cho thấy năng lượng liên kết ∆G đạt -8,4 kCal/mol, với việc lisinopril tạo liên kết hydro với các axit amin His353, Ala354, và Tyr523 Ngoài ra, nó còn hình thành các liên kết π-cation và π-sigma bền vững với Lys511, His383, Glu411 cùng ion kẽm tại vị trí hoạt động Điểm số docking -8,4 kCal/mol sẽ được sử dụng làm cơ sở để sàng lọc các hợp chất tiềm năng.
Hình 3.3 Minh họa hai chiều các tương tác của lisinopril tại vị trí hoạt động.
3.1.2 Tìm kiếm các chất tiềm năng từ kết quả docking
