Nghiên cứu xây dựng mô hình in silico để sàng lọc các phân tử nhỏ có khả năng ức chế pd l1 (phối tử chết theo chương trình)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƢỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒN LÊ THÙY TRÂM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH IN SILICO ĐỂ SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ PD-L1 (PHỐI TỬ CHẾT THEO CHƢƠNG TRÌNH) LUẬN VĂN THẠC SĨ DƢỢC HỌC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƢỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒN LÊ THÙY TRÂM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH IN SILICO ĐỂ SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ PD-L1 (PHỐI TỬ CHẾT THEO CHƢƠNG TRÌNH) NGÀNH: DƢỢC LÝ – DƢỢC LÂM SÀNG MÃ SỐ: 8720205 LUẬN VĂN THẠC SĨ DƢỢC HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS THÁI KHẮC MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Nghiên cứu xây dựng mô hình in silico để sàng lọc phân tử nhỏ có khả ức chế PD-L1 (phối tử chết theo chƣơng trình) đƣợc tiến hành cơng khai, dựa cố gắng thân dƣới hƣớng dẫn GS.TS Thái Khắc Minh Các số liệu kết nghiên cứu đề tài hồn tồn khơng chép sử dụng kết nghiên cứu tƣơng tự Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm tính trung thực nội dung nghiên cứu Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2021 Tác giả luận văn Đoàn Lê Thùy Trâm i NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH IN SILICO ĐỂ SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ PD-L1 (PHỐI TỬ CHẾT THEO CHƢƠNG TRÌNH) Học viên: Đoàn Lê Thùy Trâm/ Giảng viên hƣớng dẫn: GS TS Thái Khắc Minh Đặt vấn đề Hệ miễn dịch hàng rào bảo vệ thể khỏi tác nhân gây hại Phức hợp PD1/PD-L1 chốt điểm miễn dịch quan trọng đƣợc ứng dụng vào điều trị thử nghiệm lâm sàng dạng kháng thể đơn dòng nhiều năm trở lại Tuy nhiên, hạn chế liệu pháp kháng thể nhƣ tác dụng phụ liên quan đến miễn dịch (irAEs), dƣợc động học chi phí cao làm hạn chế việc ứng dụng Do đó, việc tìm thuốc hóa dƣợc, phân tử nhỏ giúp khắc phục hạn chế liệu pháp kháng thể đơn dòng Nghiên cứu đƣợc thực với mục tiêu sàng lọc từ sở liệu để tìm phân tử nhỏ có tiềm ức chế PD-L1 Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu Cơ sở liệu 21.800.167 chất từ ZINC, MBHC, DB; Cấu trúc tinh thể PD-L1 (PDB ID: 5NIU) 58 chất ức chế PD-L1 từ sáng chế để xây dựng mơ hình pharmacophore Nghiên cứu xây dựng mơ hình 3D-pharmacophore MOE 2015.10, sàng lọc pharmacopore ZINCPharmer MOE 2015.10, docking phân tử LeadIT 2.1.8, mô động lực học GROMACS 2020.2 tính tốn lƣợng gắn kết tự g_mmpbsa 5.1.2 Kết bàn luận Mô hình pharmacophore điểm gồm vịng thơm, nhóm kỵ nƣớc trung tâm mang điện tích dƣơng có khả sàng lọc tốt chất tiềm ức chế PD-L1 Từ 21.800.167 chất từ sở liệu (DrugBank, MBHC, ZINC), qua mơ hình 3D - pharmacophore đánh giá ADME thu đƣợc 2668 chất Các chất đƣợc tiến hành docking thành công vào khoang gắn kết Điểm số docking dao động khoảng từ -45,3840 kJ/mol đến -13,1230 kJ/mol Nghiên cứu chọn chất để mơ động lực học tính tốn lƣợng gắn kết tự Kết luận kiến nghị ZINC90632186 chất tiềm nhất, có khả ức chế PD-L1 Các kết từ nghiên cứu đƣợc tiếp tục thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro để tìm chất thực ức chế đƣợc PD-L1 i IN SILICO SCREENING FOR SMALL MOLECULES INHIBITORS AGAINST PD-L1 (PROGRAMMED CELL DEATH PROTEIN LIGAND 1) Author: Le Thuy-Tram Doan/ Supervisors: Prof PhD Khac-Minh Thai Background Immunotherapy is a revolutionary in cancer treatment, especially in advanced stage, combined with radiotherapy and/or chemotherapy PD-1/PD-L1 is an important checkpoint, has been applied in treatment and is being continued in clinical trial in the form of monoclonal antibodies in the recent years However, the disadvantages of therapeutic antibodies may limit their applications due to immune-related adverse effects (irAEs), poor bioavailability and cost Thus, inhibitors of the PD-1/PD-L1 by small molecules may be a promising alternative for cancer immunotherapy Objective is virtual screening model for potential small – molecule inhibitors against PD-L1 Material and Method Database of 21,800,167 substances from ZINC, MBHC, DB; Crystal structures of PD-L1 (PDB ID: 5NIU) and 58 PD-L1 inhibitors from patents for building pharmacophore models Research on building 3D-pharmacophore models by MOE 2015.10, pharmacopore screening on ZINCPharmer and MOE 2015.10, molecular docking with LeadIT 2.1.8, dynamic simulation by GROMACS 2020.2 and calculation of free binding energy using g_mmpbsa 5.1.2 Results and Discussion We performed a five-point pharmacophore model including aromatic rings, hydrophobic groups and positively charged center has the ability to screen well for potential PD-L1 inhibitors From 21,800,167 substances from databases (DrugBank, MBHC, ZINC), through 3D – pharmacophore model and evaluating ADME, 2668 substances were obtained These substances are successfully docking into the mounting cavity The docking score ranges from -45.3840 kJ/mol to 13.1230 kJ/mol The study selected substances to perform molecular dynamic simulation and calculate the free binding energy Conclusion ZINC90632186 is the most potent, capable of inhibiting PD-L1 The results from this study can be further tested for bioactivity in vitro to find substances that actually inhibit PD-L1 v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iv DANH MỤC VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU .1 Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHỐT KIỂM SOÁT MIỄN DỊCH 1.2 TỔNG QUAN VỀ PD-L1 VÀ CÁC CHẤT ỨC CHẾ PD-L1 1.3 THIẾT KẾ THUỐC HỢP LÝ 10 1.4 ỨNG DỤNG SÀNG LỌC ẢO .21 Chƣơng ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.2 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .24 2.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 Chƣơng KẾT QUẢ .41 3.1 KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D PHARMACOPHORE TRÊN PHỐI TỬ .41 3.2 KẾT QUẢ SÀNG LỌC IN SILICO .42 3.3 ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC .54 3.4 KẾT QUẢ TÍNH TỐN NĂNG LƢỢNG TỰ DO 63 Chƣơng BÀN LUẬN 65 4.1 BÀN LUẬN VỀ KẾT QUẢ SÀNG LỌC .65 4.2 SO SÁNH VỚI CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC .67 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 79 DANH MỤC VIẾT TẮT TNLS : Thử nghiệm lâm sàng APCs : Tế bào trình diện kháng nguyên TCR : T cell recepter PD-1 : Programmed cell death protein PD-L1 : Programmed cell death protein ligand CTLA-4 : Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen GITR : Glucocorticoid-induced tumor necrosis factor family related gene KIRs : Killer immunoglobulin-like receptors LAG-3 : Lymphocyte-activation gene TIM-3 : T cell immunoglobulin mucin DCs : Dendritic cells – Tế bào đuôi gai In silico : Thực máy tính In vitro : Thực ống nghiệm irAEs : Tác dụng phụ liên quan đến miễn dịch MOE : Molecular Operating Environment PDB : Protein Data Bank (ngân hàng protein) DB : Drugbank Database (Ngân hàng thuốc) MBHC : Thƣ viện hợp chất Maybrigde HitCreator IUPAC : International Union Of Pure and Applied Chemistry (Hiệp hội Quốc tế Hóa học túy ứng dụng) SMPPII : Small molecule protein-protein interaction inhibitor (Phân tử nhỏ ức chế tƣơng tác protein-protein) i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các phân tử chốt kiểm sốt miễn dịch Bảng 1.2 Một số chất ức chế tƣơng tác PD-1/PD-L1 Bảng 2.3.Danh sách phần mềm đƣợc sử dụng 23 Bảng 2.4 Tập xây dựng mơ hình 3D  Pharmacophore 26 Bảng 2.5 Các tiêu chí sàng lọc ADME 31 Bảng 2.6 cầu tiêu chí sàng lọc ADME 33 Bảng 3.7 Kết xây dựng mơ hình A001 41 Bảng 3.8 Kết sàng lọc 3D – Pharmacophore 43 Bảng 3.9 Kết sàng lọc ADME 44 Bảng 3.10 Kết chất thu đƣợc sau sàng lọc ảo 48 Bảng 3.11 Tần suất biểu liên kết hydro ligand DB03916 với protein PDL1 thời gian mô MDs 50ns 57 Bảng 3.12 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC89864841 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 58 Bảng 3.13 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC91312677 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 59 Bảng 3.14 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC84604166 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 60 Bảng 3.15 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC90632186 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 61 Bảng 3.16 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC78262976 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 62 ii Bảng 3.17 Tần suất biểu liên kết hydro ligand ZINC39356574 với PD-L1 thời gian mô MDs 50ns 63 Bảng 3.18 Kết tính tốn lƣợng tự 63 Bảng 4.19 So sánh luận văn nghiên cứu với nghiên cứu khác 69 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc PD-L1 (PDB ID: NIU) Hình 1.2 Mơ hình tƣơng tác PD-1 PD-L1 .7 Hình 1.3 Q trình xây dựng mơ hình 3D–pharmacophore thực công cụ Pharmacophore Elucidation phần mềm MOE [57] .12 Hình 2.3 Phức hợp PD-L1 ligand đồng kết tinh BMS-1001 .24 Hình 2.4 Quy trình xây dựng mơ hình 3Dpharmacophore phối tử 25 Hình 2.5 Quy trình sàng lọc ảo in silico 29 Hình 2.6 Mơ hình BOILED-Egg 32 Hình 2.7.Quy trình thực gắn kết phân tử 34 Hình 2.8 Khoang xúc tác protein PD-L1 (PDB:5NIU) ligand đồng kết tinh BMS-1001 khoang 36 Hình 3.9 Mơ hình pharmacophore điểm A001 với Aro: vịng thơm, Hyd: nhóm kỵ nƣớc Cat: trung tâm mang điện tích dƣơng (A) gióng hàng 10 chất tập xây dựng lên mơ hình A001 (B) 42 Hình 3.10 Tóm tắt kết sàng lọc in silico 43 Hình 3.11 Mơ hình BOILED-Egg chất thỏa đánh giá ADME 45 Hình 3.12 Kết re-docking ligand BMS-1001 vào protein (PDB ID: 5NIU) A: Tái tạo liên kết B: Cấu trúc 3D ligand đồng kết tinh BMS-1001 trƣớc (màu xám) sau (màu vàng) docking 46 Hình 3.13 Biểu đồ tỷ lệ phân bố điểm số docking chất 47 Hình 3.14 Tƣơng tác DB03916 với acid amin khoang xúc tác 50 Hình 3.15 Tƣơng tác ZINC89864841 với acid amin khoang xúc tác 50 Hình 3.16 Tƣơng tác ZINC91312677 với acid amin khoang xúc tác 51 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh IC50 STT Chất TLTK (nM) 37 24,1 38 39 10,4 40 1,8 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn [59] Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh IC50 STT Chất TLTK (nM) 41 18,1 42 5,8 43 1,9 44 3,4 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn [59] Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh IC50 STT Chất TLTK (nM) 45 0,2 46 2,9 47 2.5 48 10.9 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn [59] Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh IC50 STT Chất TLTK (nM) 49 50 < 10 51 < 10 52 < 10 53 < 10 [59] [60] [61] 54 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn < 10 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh IC50 STT Chất TLTK (nM) 55 < 10 56 < 10 57 < 10 58 < 10 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn [61] Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh Phụ lục Kết đánh giá mơ hình 3D – Pharmacophore theo thang điểm MOE/GH - Đánh giá 697 mơ hình 3D – Pharmacophore theo thang điểm MOE đƣợc lƣu trữ tại: https://drive.google.com/file/d/1hiqvlAhalPWY1LAcyxSZcy8EVg90O7H/view?usp=sharing - Đánh giá 21 mô hình 3D – Pharmacophore điểm đƣợc trình bày bảng sau: Mô TP FN FP TN Se Sp Acc Ya hình Điểm GH A001 54 4 255 0.93 0.98 0.97 0.93 0.91 A002 52 12 247 0.90 0.95 0.94 0.81 0.79 A003 56 36 223 0.97 0.86 0.88 0.61 0.60 A004 56 27 232 0.97 0.90 0.91 0.67 0.67 A005 52 252 0.90 0.97 0.96 0.88 0.86 A009 51 10 249 0.88 0.96 0.95 0.84 0.82 A010 55 21 238 0.95 0.92 0.92 0.72 0.72 A011 56 20 239 0.97 0.92 0.93 0.74 0.73 A013 56 22 237 0.97 0.92 0.92 0.72 0.72 A014 55 20 239 0.95 0.92 0.93 0.73 0.72 A015 56 21 238 0.97 0.92 0.93 0.73 0.73 A016 56 21 238 0.97 0.92 0.93 0.73 0.73 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh A018 55 27 232 0.95 0.90 0.91 0.67 0.67 A019 52 18 241 0.90 0.93 0.92 0.74 0.73 A020 52 25 234 0.90 0.90 0.90 0.68 0.66 A021 55 35 224 0.95 0.86 0.88 0.61 0.60 A022 55 14 245 0.95 0.95 0.95 0.80 0.80 A023 56 48 211 0.97 0.81 0.84 0.54 0.52 A024 55 19 240 0.95 0.93 0.93 0.74 0.74 A026 56 47 212 0.97 0.82 0.85 0.54 0.53 A027 56 32 227 0.97 0.88 0.89 0.64 0.64 Phụ lục Đánh giá ADME 2668 chất Truy cập đƣờng dẫn: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1R5k5C8eSSAIR0U_FTMzYfQxcmZT8rs O2/edit?usp=sharing&ouid=102518870255478033556&rtpof=true&sd=true Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh Phụ lục Kết docking thành công 2668 chất Truy cập đƣờng dẫn: https://drive.google.com/drive/folders/1yRid72QBGDyB74pKr11HjOv_ENw83ng?usp=sharing Phụ lục Kết điểm số docking tƣơng tác 50 chất c điểm số docking tốt Điểm số docking Liên kết hydro -45,3840 Met115, Ala121, Asp122 -42,7520 Phe19, Ala121, Asp122 -38,0050 Asp122, Ile116 -37,6630 Asp122, Ala121 -37,4120 Gln66, Ala121, Asp122 -37,3650 Ala18, Phe19, Ala121, Asp122 STT Cấu trúc Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Liên kết -H Tyr56, Asp12 Ala121, Met115 Liên kết  Tyr56 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh -37.1750 Phe19, Ala121, Asp122 -36,9530 Asn63, Ala121, Asp122 -36,4890 Asp122, Tyr123, Arg125 10 -36,4150 Ala121, Asp122 -36,2950 Asp61, Asn63, Ala121, Asp122, Tyr123, Arg125 12 -36,1270 Asp61, Asn63, Asp122, Tyr123, Arg125 13 -36,0570 Asp122 -36,0280 Asn63, Ile116, Asp122 11 14 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Ala121 Tyr56 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh -35,9210 Phe19, Ala121, Asp122 16 -35,8500 Phe19, Ala121, Asp122 Tyr56 17 -35.8470 Ala121, Asp122 Met11 18 -35,8370 Ser117, Gly119, Ala121 Ala52, Phe19, Gly119 19 -35,7060 Met115, Asp122 20 -35,5050 Asn63, Ala121, Asp122 21 -35,4340 Ala121, Asp122 22 -35,4020 Asp122 -35,3840 Ala121, Asp122, Lys124, Arg125 15 23 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Tyr56 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh 24 -35,3000 Ala121 25 -35,1590 Gln66, His69, Ala121, Asp122, Tyr123, Arg125 26 -35,1540 Asp122 -35,0490 Asp61, Asp122, Arg125 28 -35,0270 Asn63, Val76, Arg82, Asp122 29 -34,9020 Asp122 Tyr56 30 -34,8980 Asn63, Asp122 Phe19 31 -34,8570 Asp122 Phe19 27 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Phe19 Tyr56 Tyr56 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh 32 -34,7560 Asn63, Gln66, Ala121, Asp122 33 -34,7510 Ala121, Asp122 34 -34,6310 Asp122 -34.6010 Asn63, Gln66, Asp122, Tyr123 35 36 -34,4340 37 -34, 3650 38 -34, 3500 39 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn -34,3490 Ala18, Phe19, Asp122, Tyr123 Glu58, Asp61, Asn63, Gln66, Tyr123 Asn63, Ala121, Asp122, Lys124, Arg125 Phe19, Ala121, Asp122, Arg125 Tyr56 Ala121 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh -34,2510 Asp122, Tyr123 41 -34,1340 Gln66, Asp122, Tyr123 42 -34,1330 Ala121, Asp122 Tyr56 43 -34,0970 Asp122, Arg125 Tyr56 44 -34,0680 Gln66, Asp122 Tyr56 45 -33,9880 Asn63, Val76, Asp122 46 -33,9120 Asp122 47 -33,8940 Gln66, Ala121, Asp122, Tyr123, Lys124 48 -33,8930 Phe19, Asp122 40 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn Asp12 Met11 Tyr56 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh 49 50 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn -33,8920 Asp61, Asn63, Asp122, Arg125 -33,8770 Gln66, Ala121, Asp122, Tyr123, Arg125 Arg125 Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh Phụ lục Kết chạy động học phân tử (MD) Truy cập đƣờng dẫn : https://drive.google.com/drive/folders/1CclygPClPkyrla5xTZRyzEztkCyXIFYa?us p=sharing Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn