Sàng lọc các phân tử nhỏ có khả năng ức chế hoạt tính interleukin 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - LÊ THANH DUY SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ HOẠT TÍNH INTERLEUKIN-2 LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - LÊ THANH DUY SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ HOẠT TÍNH INTERLEUKIN-2 NGÀNH: DƯỢC LÝ VÀ DƯỢC LÂM SÀNG MÃ SỐ: 8720205 LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS THÁI KHẮC MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2021 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Lê Thanh Duy iii SÀNG LỌC CÁC PHÂN TỬ NHỎ CĨ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ HOẠT TÍNH INTERLEUKIN-2 Học viên: Lê Thanh Duy Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Thái Khắc Minh TÓM TẮT Đặt vấn đề: Interleukin-2 cytokin đóng vai trị quan trọng với hệ miễn dịch, có hướng phát triển thuốc chất đồng vận Interleukin-2 chất ức chế Interleukin-2Rα, nhiên số lượng cịn nhiều độc tính Đề tài thực hiên nhằm thiết kế cấu trúc phân tử nhỏ có khả ức chế Interleukin-2 thơng qua mơ hình sàng lọc ảo mơ động học phân tử Đối tượng phương pháp: Đối tượng thử nghiệm đề tài gồm 21.800.167 chất từ sở liệu ZINC Purchasable (ZINC), MayBrigde HitCreator, DrugBank cấu trúc tinh thể Interleukin-2 (mã PDB: 1M48) tải từ ngân hàng liệu Protein Data Bank Các chất khảo sát đánh giá ADME thơng qua SwissADME, sau tiến hành docking phân tử phần mềm LeadIT 2.1.8, mô động học phân tử Gromacs 2020.2 tính tốn lượng gắn kết tự g_mmpbsa 5.1.2 Gromacs 2018.1 Kết bàn luận: Quá trình sàng lọc 3D-Pharmacophore thu 10.112 chất thông qua đánh giá ADME thu 678 chất thoả mãn để tiếp tục tiến hành docking Thơng qua q trình docking, đề tài chọn chất có điểm số docking âm tương tác với acid amin quan trọng tiến hành mơ động lực học tính tốn lượng gắn kết tự Kết cho thấy khả gắn kết tốt với với thụ thể IL-2 gồm phân tử DB07813, ZINC24881462, ZINC79907123, ZINC40287043, ZINC58171180 Trong đó, dẫn chất ZINC58171180 ổn định phần lớn thời gian mơ động lực học có khả tạo liên kết hydro bền vững suốt trình mơ phỏng, có kết tính tốn lượng tự tốt iv dẫn chất khảo sát Kết nghiên cứu cho thấy dẫn chất ZINC58171180 dẫn chất tiềm để khảo sát thêm khả ức chế thụ thể IL-2 : Nghiên cứu ứng dụng mơ hình in silico để sàng lọc cấu trúc phân tử nhỏ có khả ức chế hoạt tính IL-2 Các phân tử nhỏ có khả ức chế IL-2 thu từ trình sàng lọc in silico thử nghiệm in vitro để xác định hoạt tính sinh học SCREENING SMALL-MOLECULE WITH POTENTIAL IL-2 INHIBITORS Duy Le Thanh Supervisors: Prof Minh Thai Khac Background: Interleukin-2 is a cytokine that plays an important role in the immune system Currently, there are two directions of drug development, which are Interleukin-2 agonists and inhibitors of Interleukin-2Rα, but the quantity is still very small and toxic Design of small molecular structures capable of inhibiting Interleukin-2 through virtual screening model and molecular kinetics simulation Methods: With 21.800.167 substances from the databases ZINC Purchasable (ZINC), MayBrigde HitCreator, DrugBank and crystal structure Interleukin-2 (PDB code: 1M48) from the Protein Data Bank The investigated substances will be assessed for ADME through SwissADME, then conduct molecular docking using LeadIT 2.1.8 software, simulate molecular kinetics using Gromacs 2020.2 and calculate free binding energy using g_mmpbsa 5.1 and Gromacs 2018.1 Results and Conclusions: The 3D-Pharmacophore screening process obtained 10.112 substances and through the ADME evaluation obtained 678 satisfactory substances to continue docking Through the docking process, the project selected substances with the most negative docking scores and interactions with important amino acids, simulated dynamics and calculated free binding energies The results v show that the ability to bind well to the IL-2 includes the DB07813, ZINC24881462, ZINC79907123, ZINC40287043, ZINC58171180 molecules In which, derivative ZINC58171180 is stable in most of the time of dynamic simulation and is capable of forming stable hydrogen bonds during simulation, having the best free energy calculation results Research results show that ZINC58171180 derivative is a potential derivative to further investigate its ability to inhibit IL-2 The study applied an in silico model to screen small molecular structures capable of inhibiting IL-2 activity Small molecules capable of inhibiting IL-2 obtained from in silico screening were tested in vitro for biological activity vi LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn thầy Thái Khắc Minh dẫn em tận tình, động viên theo sát em trình em thực đề tài này, có nhiều thiếu sót thầy ln thơng cảm bỏ qua cho em, điều giúp em ln cố gắng để khơng phụ lòng thầy Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô môn Dược Lý, Dược Lâm Sàng dạy nhiều kiến thức, hướng dẫn động viên chúng em thời gian học tập trường Trong trình học tập có nhiều lỗi lầm thầy ln bỏ qua tha thứ cho em Em xin cảm ơn quý Thầy Cô hội đồng chấm luận văn dành thời gian xem bài, phản biện góp ý chỉnh sửa để luận văn em hoàn thiện Cảm ơn em Cơng Luận, Hồng Tùng giúp đỡ anh nhiều, anh tưởng tượng anh hồn thành đề tài khơng có hai em bên cạnh Cảm ơn Huyền Nga, Minh Nguyên Bạn bên cạnh, động viên, an ủi để hồn thành đề tài thời gian Cảm ơn bạn lớp Cao học Dược lý – Dược lâm sàng 2019-2021 đồng hành hỗ trợ suốt năm học vừa qua Cảm ơn ba mẹ, chị hai em út bên cạnh vii MỤC LỤC Lời cam đoan i Danh mục chữ viết tắt ii Danh mục hình iii Danh mục bảng iv ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan Interleukin .3 1.2 Tổng quan Interleukin-2 1.3 Giới thiệu mơ hình sàng lọc ảo 11 1.4 Mơ hình 3D–Pharmacophore .12 1.5 Mơ hình gắn kết phân tử 14 1.6 Mô hình mơ động lực học phân tử 15 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu .19 2.2 Đối tượng nghiên cứu .20 2.3 Phương pháp nghiên cứu 21 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36 3.1 Mơ hình 3D-Pharmacophore xây dựng dựa phối tử 36 3.2 Xây dựng mô hình docking phân tử 37 3.3 Kết sàng lọc in silico thư viện .40 3.4 Kết mơ hình mơ động lực học phân tử .49 viii 3.5 Kết tính tốn lượng gắn kết tự .55 CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN 57 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 60 PHỤ LỤC 66 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3D Dimensions chiều IL-2 Interleukin-2 Interleukin-2 ADME-tox Absorption, Distribution, Hấp thu, phân bố, chuyển hóa, Metabolism, Excretion, thải trừ – độc tính Toxicity AIDS Hội chứng suy giảm miễn Acquired immune deficiency dịch mắc phải CD syndrome Thư viện hợp chất ChemDiv DB Drug Bank Database Ngân hàng thuốc IAV Influenza A virus Virus cúm A IL Interleukin IFN Interferon IUPAC International Union of Hiệp hội Quốc tế Hóa học Pure and Applied túy Hóa học ứng dụng Chemistry KD Hệ số lực liên kết MB Thư viện hợp chất Maybridge MDS Mô động học phân tử Molecular Dynamics Simulation TNF Tumor necrosis factor Yếu tố hoại tử khối u VKDT Viêm khớp dạng thấp x Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh [34] Molecular Operating Environment (MOE), (2015), Chemical Computing Group ULC, Montreal, QC, Canada: 2020 [35] Qing X Y Xiao Yin Lee (2014), Pharmacophore modeling: Advances, Limitations, And current utility in drug discovery, Journal of Receptor, Ligand and Channel Research.7, pp 81-92 [36] Raimundo B C Johan D Oslob, Andrew C Braisted, Jennifer Hyde, Robert S McDowell, Mike Randal (2004), "Integrating Fragment Assembly and Biophysical Methods in the Chemical Advancement of Small-Molecule Antagonists of IL-2:  An Approach for Inhibiting Protein−Protein Interactions", JMed Chem 47 (12), pp 3111-3130 [37] SimulationsPlus ADMET Predictor 9.5., https://www.simulations- plus.com/resource/admet-predictor-9-5-standalone-install/, ngày truy cập 04/08/2020 [38] Thanos C D Warren L DeLano, and James A Wells (2006), "Hot-spot mimicry of a cytokine receptor by a small molecule", Proc Natl Acad Sci U S A, 103 (42), pp 15422 [39] Wilson C.l (2011), "Small-Molecule Inhibitors of IL-2/IL-2R: Lessons Learned and Applied", Curr Top Microbiol Immunol 348, pp 25-59 65 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 Phụ lục Tập xây dựng tập hoạt tính 65 Phụ lục Kết đánh giá 46 mô hình 3D-Pharmacophore theo thang điểm MOE 74 Phụ lục Kết đánh giá 46 mô hình 3d-pharmacophore theo thang điểm GH 77 66 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 Phụ lục 1: Tập xây dựng, tập có hoạt tính STT Tập COMPOUND IC50 TLTK Tập 3-6 xây μM dựng 3.5 μM 0.06 μM 6,56 μM Tập 20 có μM hoạt tính 67 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn [36] Bản quyền tài liệu thuộc Thư viện Đại học Y Dược TP.Hồ Chí Minh 37 μM 26 μM 10 μM 40 μM 10 μM 68 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 30 μM 20 μM 20 μM 10 8.1 μM 11 35 μM 69 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 12 40 μM 13 0.2 μM 14 0.4 μM 15 0.6 μM 16 11,3 μM 70 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 17 46.7 μM 18 29 μM 19 23 μM 20 16 μM 21 14 μM 22 32 μM 71 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 23 48 μM 24 μM 25 11 μM 26 20 μM 27 23 μM 28 30 μM 72 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 29 80 μM 30 50 μM 31 50 μM 32 50 μM 33 60 μM 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 34 60 μM 35 57 μM 36 90 μM 37 55 μM 38 76 μM 74 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 2: Kết đánh giá 46 mô hình 3D-Pharmacophore theo thang điểm GH Mơ TP FN FP TN Se Sp Acc Ya hình Điểm GH A001 29 43 65 0,76 0,.60 0,64 0,40 0,29 A002 36 75 33 0,95 0,31 0,47 0,32 0,15 A003 36 92 16 0,95 0,15 0,36 0,28 0,07 A004 37 89 19 0,97 0,18 0,38 0,29 0,08 A005 36 72 36 0,95 0,33 0,49 0,33 0,16 A006 38 98 10 0,09 0,44 0,28 0,04 A007 36 98 10 0,95 0,09 0,43 0,27 0,04 A008 37 75 33 0,97 0,31 0,48 0,33 0,15 A009 37 78 30 0,97 0,28 0,46 0,32 0,14 A010 36 72 36 0,95 0,33 0,49 0,33 0,16 A011 36 57 51 0,95 0,47 0,60 0,39 0,25 A012 36 101 0,95 0,06 0,29 0,26 0,03 A013 36 91 17 0,95 0,16 0,36 0,28 0,07 A014 36 68 40 0,95 0,37 0,52 0,35 0,19 A015 37 88 20 0,97 0,19 0,39 0,30 0,09 A016 36 94 14 0,95 0,13 0,34 0,28 0,06 A017 29 62 46 0,76 0,43 0,51 0,32 0,18 A018 36 61 47 0,95 0,44 0,57 0,37 0,23 A019 38 92 16 0,15 0,37 0,29 0,07 75 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 A020 37 94 14 0,97 0,13 0,35 0,28 0,06 A021 29 32 76 0,76 0,70 0,72 0,48 0,39 A022 34 64 44 0,89 0,41 0,53 0,35 0,20 A023 36 98 10 0,95 0,09 0,32 0,27 0,04 A024 36 99 0,95 0,08 0,31 0,27 0,04 A025 36 102 0,95 0,06 0,29 0,26 0,03 A026 36 102 0,95 0,06 0,29 0,26 0,03 A027 36 89 19 0,95 0,18 0,38 0,29 0,08 A028 34 68 40 0,89 0,37 0,51 0,33 0,17 A029 29 37 71 0,76 0,66 0,68 0,44 0,34 A030 29 15 93 0,76 0,86 0,84 0,66 0,59 A031 38 93 15 0,14 0,36 0,29 0,07 A032 28 10 35 73 0,74 0,68 0,69 0,44 0,35 A033 29 32 76 0,76 0,70 0,72 0,48 0,39 A034 28 10 25 83 0,74 0,77 0,76 0,53 0,45 A035 36 97 11 0,95 0,10 0,32 0,27 0,04 A036 36 61 47 0,95 0,44 0,57 0,37 0,23 A037 37 80 28 0,97 0,26 0,45 0,32 0,13 A038 35 21 87 0,92 0,81 0,84 0,63 0,57 A039 37 91 17 0,97 0,16 0,37 0,29 0,07 A040 36 77 31 0,95 0,29 0,46 0,32 0,14 A041 36 86 22 0,95 0,20 0,40 0,30 0,09 76 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 A042 32 87 21 0,84 0,19 0,36 0,27 0,08 A043 29 72 36 0,76 0,33 0,46 0,29 0,13 A044 27 11 29 79 0,71 0,73 0,73 0,52 0,41 A045 24 14 50 58 0,63 0,54 0,56 0,32 0,21 A046 31 91 17 0,82 0,16 0,33 0,25 0,06 77 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 3: Kết đánh giá 46 mô hình 3D-Pharmacophore theo thang điểm MOE Điểm chồng phủ (overlap scoring) Số phân tử liên quan đến mơ hình (cover) Điểm xác (accuracy scoring) A001 2.638797 1,0000 A002 2.603362 1,0000 A003 2.598817 1,0000 A004 2.597577 1,0000 A005 2.575403 1,0000 A006 2.567478 1,0000 A007 2.561063 1,0000 A008 2.548123 1,0000 A009 2.544649 1,0000 A010 2.542693 1,0000 A011 2.518352 1,0000 A012 2.514271 1,0000 A013 2.497399 1,0000 A014 2.497312 1,0000 A015 2.493168 1,0000 A016 2.489847 1,0000 A017 2.488219 1,0000 A018 2.483625 1,0000 A019 2.480614 1,0000 A020 2.475564 1,0000 A021 2.461327 1,0000 A022 2.449409 1,0000 Mơ hình 78 Tn 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 A023 2.448407 1,0000 A024 2.440923 1,0000 A025 2.438217 1,0000 A026 2.424572 1,0000 A027 2.407794 1,0000 A028 2.406073 1,0000 A029 2.399254 1,0000 A030 2.384193 1,0000 A031 2.378046 1,0000 A032 2.37359 1,0000 A033 2.369535 1,0000 A034 2.352711 1,0000 A035 2.342341 1,0000 A036 2.334223 1,0000 A037 2.330878 1,0000 A038 2.323652 1,0000 A039 2.30871 1,0000 A040 2.23768 1,0000 A041 2.211083 1,0000 A042 2.035608 1,0000 A043 2.025682 1,0000 A044 1.962455 1,0000 A045 1.928562 1,0000 A046 1.7456537 1,0000 79 Tuân thủ Luật sở hữu trí tuệ Quy định truy cập tài liệu điện tử Ghi rõ nguồn tài liệu trích dẫn