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

Nghiên cứu thuốc điều trị ung thư mới hiện nay đang là mối quan tâm hàng đầu của thế giới. Một trong số các mục tiêu phân tử đáng chú ý là enzym Histon Deacetylase 2 (HDAC2). Hiện nay, khoa học máy tính ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tìm kiếm và phát triển thuốc mới.

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 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 Phạm Thế Hải1, Đào Thị Kim Oanh1, Đoàn Việt Nga2, Bùi Thanh Tùng2, Lê Thị Thu Hường2* Đại học Dược Hà Nội, 13-15 Lê Thánh Tông, Hà Nội, Việt Nam Khoa Y dược, Đại học Quốc gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam *Tác giả liên lạc: ltthuong1017@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu thuốc điều trị ung thư mối quan tâm hàng đầu giới Một số mục tiêu phân tử đáng ý enzym Histon Deacetylase (HDAC2) Hiện nay, khoa học máy tính ngày sử dụng rộng rãi tìm kiếm phát triển thuốc Trong nghiên cứu này, mơ tả mảnh cấu trúc ISIDA tính toán dựa khung cấu trúc acid hydroxamic, nhằm xây dựng mơ hình tốn học mơ tả mối tương quan định lượng cấu trúc hoạt tính ức chế HDAC2 (QSAR) áp dụng kỹ thuật hồi quy tuyến tính đa biến (MLR) thuật giải di truyền Kết quả, chúng tơi xây dựng thành cơng ba mơ hình QSAR ba tập hợp mảnh cấu trúc, có hệ số xác định R2 > 0.70 Từ mơ hình này, mảnh cấu trúc quan trọng xác định ứng dụng thiết kế dẫn chất acid hydroxamic có hoạt tính ức chế HDAC2 Kết nghiên cứu góp phần định hướng cho q trình tổng hợp thử hoạt tính tìm kiếm liệu pháp điều trị ung thư Từ khóa: Histone deacetylase 2, mối tương quan định lượng cấu trúc hoạt tính (QSAR), mơ tả phân tử ISIDA, hồi quy tuyến tính đa biến (MLR), Acid hydroxamic APPLICATION OF IN SILICO FRAGMENT AND DATA ANALYSIS (ISIDA) APPROACHES FOR THE DESIGN OF NOVEL HYDROXAMIC ACIDS TARGETING HDAC2 Pham The Hai1, Dao Thi Kim Oanh1, Doan Viet Nga2, Bui Thanh Tung2, Le Thi Thu Huong2* Hanoi University of Pharmacy, 13-15 Le Thanh Tong, Hanoi, Vietnam VNU School of Medicine and Pharmacy, 144 Xuan Thuy, Cau Giay, Hanoi, Vietnam * Corresponding authour: ltthuong1017@gmail.com ABSTRACT Finding a new treatment for cancer is one of the most interested fields for pharmaceutical research worldwide Enzyme histone deacetylase (HDAC2), being a member of HDAC class I appear to be an important druggable target This study focused on rational design of novel HDAC2 inhibitors using molecular descriptors derived from ISIDA fragmentor methodology Quantitative structure-activity relationship was explored to develop mathematical models able to predict HDAC2 inhibitory bioactivity of acid hydroxamic derivatives Multiple linear regression (MLR) algorithm implemented in STATISTICA 8.0 was used for model development Consequently QSAR models were obtained showing acceptable performance r2 > 0.70 for further use Based on these models 10 important fragments attributing to better inhibitory potency were identified Finally several novel hydroxamic derivatives were designed and screened for HDAC2 inhibitory activity Keywords: Histone Deacetylase 2, Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR), molecular descriptors ISIDA, multiple linear regression (MLR), acid hydroxamic TỔNG QUAN Theo thống kê tổ chức Y tế giới (WHO), ung thư trở thành bệnh giết người hàng đầu giới, với khoảng 14 triệu ca phát 8,2 triệu trường vong năm Tại Việt Nam, khoảng 150-200 nghìn người phát ung thư, 70.000 trường 52 hợp năm hợp tử có bị tử Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học vong Một số đích phân tử nhiều có cấu trúc đơn giản, dễ tổng nhà khoa học phát có liên quan đến hợp có nhóm -NHOH tạo phức bền bệnh ung thư enzyme histone deacetylase với Zn+ trung tâm hoạt động HDAC2 (HDAC2) HDAC2 enzym quan trọng Cục quản lý thực phẩm dược phầm Hoa thuộc HDAC nhóm I tham gia vào q trình Kỳ (FDA) phê duyệt acid chép, kiểm soát trạng thái acetyl hoá hydroxamic ức chế HDAC điển hình có ảnh hưởng đến chu trình chết, vòng đời vorinostat (thường gọi SAHA) vào năm trình sinh trưởng tế bào Nhiều 2006 sử dụng điều trị u lympho da tế nghiên cứu cho thấy HDAC2 biểu bào Bên cạnh đó, với cấu trúc 2mức nhiều loại ung thư: ung thư vú, ung oxoindoline khung cho vị thư đại tràng, ung thư dày, biểu mơ tế bào, trí nhóm khóa hoạt động giúp nhận diện bề ung thư biểu mơ phổi Chính vậy, tìm kiếm mặt amino aicd enzyme lựa hợp chất có khả ức chế HDAC2 chọn định hướng thiết kế hợp chất chiến lược tiềm nghiên có nhóm kết thúc acid hydroxamic tính cứu thuốc điều trị ung thư khả thi tổng hợp điều kiện thí Trong nhóm chất ức chế HDAC2, nghiệm Việt Nam acid hydroxamic nhóm chất quan tâm Bảng Cấu trúc khung hydroxamic (nhóm kết thúc) khung 2-oxoindoline (nhóm khóa hoạt động) Nhóm nhận diện cố định Khung 2-oxoindoline acid hydroxamic Ngày nay, để đường nghiên cứu phát triển thuốc điều trị ung thư tiết kiệm hiệu quả, nhà khoa học cần phải ứng dụng tiến cơng nghệ thơng tin trí tuệ nhân tạo Xây dựng mơ hình tương quan định lượng cấu trúc – hoạt tính (QSAR) giúp sàng lọc, dự đốn xác hoạt tính sinh học hợp chất mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến MLR sử dụng phổ biến Để thiết lập mơ hình này, bắt buộc cấu trúc hóa học phải chuyển đổi, mã hóa thành tham số phân tử Kỹ thuật thiết kế dựa mảnh cấu trúc (FBDD- Fragment based drug design)-mô tả phân tử ISIDA (In SIlico design and Data Analysis) kỹ thuật mới, có tính linh hoạt khả ứng dụng khơng để tính tốn cấu trúc xây dựng mơ hình sàng lọc, dự đốn mà cịn để tổ hợp cơng thức hố học mới, từ tìm số hợp chất có hoạt tính mạnh nhất, tiền đề cho nghiên cứu tổng hợp tương lai dựng mơ hình bao gồm 45 hợp chất có cấu trúc acid hydroxamic ức chế HDAC2 với giá trị IC50 (được chuyển đổi thành lgIC50, đơn vị μM) thu thập từ báo khoa học nước quốc tế cơng bố Hoạt tính xác định điều kiện thí nghiệm (sử dụng Kit định lượng Bioscence Các giá trị IC50 ứng với hợp chất hiệu chỉnh, lấy giá trị trung bình sau loại bỏ giá trị nằm ngồi khoảng giới hạn [giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (SD)] Phương pháp: Mơ hình QSAR biểu diễn mối tương quan định lượng cấu trúc tác dụng sinh học hợp chất biểu thức toán học, có cơng thức tốn học: Y = a1x1 + a2x2+…+ anxn Trong nghiên cứu này, Y biến phụ thuộc (lgIC50), tương ứng với hoạt tính; x1, x2, … xn mô tả phân tử đặc trưng cho cấu trúc; a1, a2, an trọng số tương ứng với biến độc lập Tính tốn mơ tả phân tử ISIDA Đây bước chuyển đổi thông tin từ mảnh cấu trúc thành dãy số có khả thể đặc tính phân tử thơng qua NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP trình biến đổi toán học logic Phần mềm NGHIÊN CỨU Nguyên liệu: Cơ sở liệu (CSDL) cho xây ISIDA Fragmentor 2015 phát triển 53 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Phịng thí nghiệm Hóa học, Viện Hóa học, Đại học Strasbourg, Pháp có nhiều đặc điểm trội tính linh hoạt cao Cơ chế hoạt động phần mềm biểu diễn cấu trúc với kí hiệu dán nhãn theo quy định lưu tệp cấu trúc SDF để Kỷ yếu khoa học phần mềm nhận biết Các mảnh cấu trúc biểu diễn thông qua chế mô tả theo màu (ký hiệu, tính thân dầu, độ pH,…) đảm bảo liên quan màu sắc tính chất hóa học; gán nhãn dựa giá trị điện đặc tính dược học Hình 1: Biểu diễn cơng thức N-(5- ydroxypyridin-2-yl) acetamide theo chương trình tơ màu gắn nhãn Phân tử xác định dạng phương trình hồi quy tuyến tính đa biến đồng phân, tơ màu theo nguyên tố đỉnh; giá trị r2 cần đạt 0.80; sai số tồn phương sau kết hợp với dán nhãn dựa độ âm trung bình (RMSE- root mean square điện; cuối kết hợp với đặc tính dược errors); sai số tuyệt đối (MAE-root mean học square errors); tính phù hợp hệ số tương Bước sử dụng ngôn ngữ lập trình quan (CCC-concordance correlation Pascal tìm kiếm đếm có mặt mảnh coefficient), giá trị có ý nghĩa thống kê phải cấu trúc đánh dấu phân tử Có loại cao 0.85; F phân phối Fisher, r2 mảnh cấu trúc sử dụng tìm kiếm lớn F lớn “chuỗi thẳng” “nhánh” với chiều dài từ Bên cạnh đó, độ xác mơ hình thơng đến 15 nguyên tử Với dạng tìm kiếm, qua đánh giá chéo tập TS hệ số phần mềm cho phép tìm 319 loại mảnh cấu q2LOO (hệ số leave-one-out), q2LMO (hệ số trúc khác leave-more-out) Đánh giá ngoại mơ hình MLR tập PS để Thiết kế tập huấn luyện kiểm tra Tập huấn luyện (TS-training set) bao gồm 30 kiểm tra khả dự đốn xác: phân tử (chiếm 75% CSDL) sử dụng RMSEext MAEext, CCCext rm2 (giá trị xây dựng mơ hình tập kiểm tra (PS-test ngưỡng thấp 0.5), đặc biệt giá set) với 15 phân tử lại để đánh giá khả trị Q2F1, Q2F2 Q2F3 yêu cầu không thấp dự đốn xác mơ hình 0.7 xây dựng Cuối cùng, mơ hình MLR đánh giá tương quan ngẫu nhiên tương phản Phát triển mơ hình Sử dụng kỹ thuật phân tích hồi quy tuyến tính kiểm tra ngẫu nhiên Y với hệ số r2scr đa biến (MLR-Multiple Linear Regression) q2scr Nếu đỉnh trục Y không vượt 0.3– chương trình STATISTICA v8.1 để xây 0.4 r2scr 0.05 q2scr mơ dựng mơ hình tương quan hoạt tính ức chế hình tự tương quan, biến độc lập với mô tả phân tử ISIDA không ảnh hưởng lẫn ảnh hưởng đến kết dự đốn mơ hình Đánh giá mơ hình Đánh giá nội tập TS cho biết độ khớp, độ Q trình tính tốn giá trị r2scr q2scr mạnh mơ hình thơng qua thơng số lặp lại 2.000 lần thống kê: r2- hệ số tương quan, < r2 < 1, 54 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Mơ hình MLR Đối với tập hợp mô tả phân tử, chúng tơi thu mơ hình tương ứng M1, M2, M3 với biến V1 – V24 tương ứng với Kỷ yếu khoa học mơ hình vân tay cấu trúc đại diện cho mảnh cấu trúc mã hoá thành tham số nhận giá trị ứng với xuất chúng phân tử Hình Các mảnh cấu trúc quan trọng lựa chọn mơ hình M1, M2 M3 phản ánh mối tương quan định lượng cấu trúc hoạt tính sinh học ức chế enzyme HDAC2 cao 0.14 (M2) q2(scr) cao Đánh giá mơ hình QSAR 0.34 với mơ hình M1; kết chứng tỏ  Đánh giá nội tập TS Các giá trị thực nghiệm kết dự đốn mơ hình khơng mơ tả tương quan ngẫu mơ hình MLR cho tập TS đưa nhiên biến độc lập biến phụ thuộc bảng Xét tổng quát Ngồi ra, mơ hình có ý nghĩa thống mơ hình cho giá trị r2 lớn 0.70 kê giá trị CCC khơng thấp 0.85 mơ hình xây dựng đạt độ tuyến Từ chứng tỏ độ mạnh, ổn định độ khớp tính tốt mơ hình M3 cho giá trị cao cao mô hình MLR 0.82 Giá trị q2LOO mơ hình M1  Đánh giá ngoại tập PS (Bảng 3) 0.76 thay đổi biến từ V2 –V8 theo Dựa tiêu thông số đánh giá xu hướng kéo dài mạch C, tăng dần độ bất nêu, ba mơ hình đạt u cầu chí bão hịa, thêm ngun tố có độ âm điện giá trị Q2 cao, mơ hình M3 cho kết tốt cao Cl, O, N, S ta mơ hình M2, M3 với Q2F1, Q2F2, Q2F3 0.80, với q2LOO tương ứng tăng 0.01 0.04 Bên 0.79, 0.82 Các giá trị chứng tỏ khả cạnh đó, thơng số kiểm tra ngẫu nhiên Y cho dự đoán tốt mơ hình mơ hình mơ hình M1, M2, M3 với giá trị r2(scr) M3 Bảng Các thơng số đánh giá chéo độ thích hợp mơ hình tuyến tính tập TS r2 Q2LOO RMSE MAE CCC r2(scr) q2(scr) F M1 0.81 0.76 0.52 0.41 0.89 0.13 -0.34 17.8 M2 0.79 0.77 0.49 0.38 0.85 0.14 -0.31 18.5 M3 0.82 0.80 0.54 0.43 0.90 0.13 -0.35 19.0 55 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng Tính tốn khả dự đốn mơ hình tuyến tính tập PS Q2F1 Q2F2 Q2F3 RMSEext MAEext CCC M1 0.77 0.78 0.81 0.39 0.31 0.84 M2 0.76 0.79 0.76 0.40 0.32 0.80 M3 0.80 0.79 0.82 0.37 0.29 0.85 cầu nối dựa cấu trúc cố định nhóm Giải thích chế Đây bước quan trọng để từ định hướng gắn với kẽm acid hydroxamic nhóm thiết kế hợp chất Cả ba mơ hình M1, sườn 2- oxoindoline để tăng cường khả M2, M3 xây dựng tập mảnh cấu gắn kết hoạt tính ức chế HDAC2 Tổ trúc khác cho kết tốt, từ ta hợp mảnh cấu trúc để tạo thành hoàn toàn tìm biến có ảnh hưởng hợp chất tự động Thuật tới hoạt tính sinh học Hình mơ tả giải di truyền giúp tạo hàng nghìn hợp mảnh cấu trúc sử dụng mô chất Các khung cấu trúc hình QSAR Các mảnh có hệ số nhận giá trị lọc lần thứ việc kiểm tra âm yếu tố tăng cường hoạt động ức chế xem công bố chưa cách (giảm giá trị IC50) Ngược lại, hệ số có giá trị tìm cấu trúc đồng dạng theo SMILES dương ứng với mảnh cấu trúc làm giảm trang web https://scifinder.cas.org/ Bước lọc hoạt tính ức chế thứ hai dự đốn hoạt tính (IC50) Ứng dụng thiết kế hợp chất hợp chất thiết kế mơ hình xây dựng Sử dụng phần mềm dự đốn hoạt tính Kết hợp mơ hình, 10 mảnh cấu trúc giữ ISIDA Fragmentor2015 tính tốn mơ tả vai trị quan trọng đóng góp vào hoạt phân tử thay vào mơ hình M1, M2 tính ức chế HDAC2 bao gồm V2, V3, V8, V9, M3, lấy trung bình cộng kết dự đốn V10, V11, V14, V17, V18, V22 (Hình 2) Đây Từ cấu trúc tính tốn, lọc mảnh cấu trúc sử dụng thiết cấu trúc có giá trị IC50 dự đoán tốt khả thi kế nhóm nhận diện (nhóm khóa hoạt động) tổng hợp (bảng 4) Bảng Các khung cấu trúc đề xuất cho thiết kế STT Cấu trúc Dự đoán IC50 (μM) 4a 0,30018 5a 1,11231 6a 4,62709 56 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Từ khung thiết kế, thấy cấu trúc có tác dụng ức chế HDAC2 tốt (có giá trị IC50 dự đốn thấp 0,3μM) 4a Kỷ yếu khoa học khung acid hydroxamic nhằm tạo số khung dẫn xuất mới, dự đốn có tác dụng ức chế mạnh HDAC2 Đặc biệt nghiên cứu đề xuất khung cấu trúc dẫn chất 4a với hoạt tính mạnh, có đặc điểm hố học khơng q khó để tổng tợp, tiền đề cho nghiên cứu tìm kiếm hợp chất dẫn đường tương lai Lời cảm ơn Nghiên cứu thực khuôn khổ Đề tài khoa học công nghệ cấp ĐHQGHN, mã số QG.16.24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Như vậy, dựa sở lý thuyết mô tả mảnh cấu trúc ISIDA, nghiên cứu xây dựng thành công mô hình QSAR có khả dự đốn giá trị IC50 ức chế hoạt động enzyme HDAC2 Ngoài nghiên cứu tổ hợp 10 mảnh cấu trúc TÀI LIỆU THAM KHẢO C CHOUDHARY, et al., Lysine acetylation targets protein complexes and co-regulates major cellular functions Science 325 (2009) 834 M DOKMANOVIC, et al., Histone deacetylase inhibitors: overview and perspectives Molecular Cancer Research 67 (2007) 3145 P ZHU, et al., Induction of HDAC2 expression upon loss of APC in colorectal tumorigenesis Cancer cell (2004) 455 J SONG, et al., Increased expression of histone deacetylase is found in human gastric cancer APMIS 113 (2005) 264 B.H HUANG, et al., Inhibition of histone deacetylase increases apoptosis and p21Cip1/WAF1 expression, independent of histone deacetylase Cell Death and Differentiation 12 (2005) 395 A.C BORCZUK, et al., Non-Small-Cell Lung Cancer Molecular Signatures Recapitulate Lung Developmental Pathways American Journal of Pathology 163 (2003) 1949 D.T.M DUNG, et al., Exploration of novel 5'(7')-substituted-2'-oxospiro[1,3]dioxolane-2,3'indoline-based N-hydroxypropenamides as histone deacetylase inhibitors and antitumor agents Arabian Journal of Chemistry 10 (2015) 465 D.T.M DUNG et al., Novel 3-substituted-2-oxoindoline-based N-hydroxypropenamides as Histone Deacetylase Inhibitors and Antitumor Agents Medicinal Chemistry 11(2015) 725-735 P CHUN, et al., Synthesis and Importance of Bulky Aromatic Cap of Novel SAHA Analogs for HDAC Inhibition and Anticancer Activity Bulletin of the Korean Chemical Society 32 (2011) 1891 M.J LAI, et al., Synthesis and Biological Evaluation of 1-Arylsulfonyl-5-(Nhydroxyacrylamide) indoles as Potent Histone Deacetylase Inhibitors with Antitumor Activity in Vivo Medicinal Chemistry 55 (2012) 3777 57 ... mặt amino aicd enzyme lựa hợp chất có khả ức chế HDAC2 chọn định hướng thiết kế hợp chất chiến lược tiềm nghiên có nhóm kết thúc acid hydroxamic tính cứu thuốc điều trị ung thư khả thi tổng hợp. .. SMILES dương ứng với mảnh cấu trúc làm giảm trang web https://scifinder.cas.org/ Bước lọc hoạt tính ức chế thứ hai dự đốn hoạt tính (IC50) Ứng dụng thiết kế hợp chất hợp chất thiết kế mơ hình xây... tổng hợp điều kiện thí Trong nhóm chất ức chế HDAC2, nghiệm Việt Nam acid hydroxamic nhóm chất quan tâm Bảng Cấu trúc khung hydroxamic (nhóm kết thúc) khung 2-oxoindoline (nhóm khóa hoạt động)