Lê thị vân anh nghiên cứu sàng lọc các hợp chất tự nhiên tiềm năng có tác dụng ức chế kinase bám dính tiêu điểm (fak) khóa luận tốt nghiệp dược sĩ

BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI LÊ THỊ VÂN ANH NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TIỀM NĂNG CÓ TÁC DỤNG ỨC CHẾ KINASE BÁM DÍNH TIÊU ĐIỂM (FAK) KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ HÀ NỘI - 2023 BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI LÊ THỊ VÂN ANH 1801022 NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TIỀM NĂNG CĨ TÁC DỤNG ỨC CHẾ KINASE BÁM DÍNH TIÊU ĐIỂM (FAK) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thu Hằng Ths Nguyễn Văn Phương Nơi thực hiện: Bộ môn Dược liệu Khoa Dược liệu - DHCT HÀ NỘI – 2023 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, với kính trọng lịng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Thu Hằng – Trưởng môn Dược liệu, Trường Đại học Dược Hà Nội Cô người truyền cảm hứng niềm đam mê nghiên cứu dược liệu cho tôi, sẵn sàng dành thời gian công sức để dạy cho kiến thức q giá, ln động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi khơng học từ cô tri thức quý báu, mà cịn học từ lịng nhiệt huyết, tinh thần trách nhiệm thái độ nghiêm túc cần thiết làm nghiên cứu khoa học Những điều trở thành hành trang vơ giá hành trình tương lai Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc tới Ths Nguyễn Văn Phương – Giảng viên Bộ môn Dược liệu, Trường Đại học Dược Hà Nội, người thầy đồng hành, quan tâm giúp đỡ động viên tơi suốt q trình nghiên cứu môn Sự giúp đỡ thầy có ý nghĩa vơ to lớn tơi q trình thực khóa luận Thầy dành nhiều thời gian tâm huyết để tận tình hướng dẫn, chia sẻ cho kiến thức, kỹ kinh nghiệm q giá Qua đó, tơi trưởng thành nhiều sau quãng thời gian thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô anh chị công tác Bộ môn Dược liệu tạo điều kiện cho tơi q trình thực khóa luận Cảm ơn đồng hành, chia sẻ động viên từ bạn sinh viên học tập nghiên cứu khoa học môn giúp vượt qua khó khăn để hồn thành khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Dược Hà Nội phịng ban tồn thể q thầy giáo tạo điều kiện tốt cho trình học tập nghiên cứu khoa học trường Cuối cùng, tơi xin đặc biệt cảm ơn gia đình, bạn bè người thân yêu chỗ dựa tinh thần to lớn, động viên học tập sống Trong trình thực khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận nhận xét góp ý từ thầy bạn bè để khóa luận hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2023 Sinh viên Lê Thị Vân Anh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kinase bám dính tiêu điểm (FAK) 1.1.1 Khái niệm kinase kinase bám dính tiêu điểm (Focal adhesion kinase-FAK) 1.1.2 Cấu trúc kinase bám dính tiêu điểm (FAK) 1.1.3 Chức sinh học kinase bám dính tiêu điểm (FAK) 1.1.4 Các chất ức chế FAK 1.2 Tổng quan mối quan hệ định lượng cấu trúc - tác dụng (Quantitative Structure-Activity Relationship-QSAR) hợp chất 1.2.1 Lịch sử phát triển QSAR 1.2.2 Đại cương QSAR 1.2.3 Các bước xây dựng mơ hình QSAR 10 1.3 Tổng quan docking phân tử (molecular docking) 12 1.3.1 Đại cương 12 1.3.2 Các bước thực docking phân tử 12 1.4 Ứng dụng phương pháp sàng lọc ảo kỹ thuật docking phân tử nghiên cứu phát triển thuốc 13 CHƯƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14 2.1 Nguyên vật liệu, thiết bị 14 2.1.1 Cơ sở liệu 14 2.1.2 Phần mềm sử dụng 14 2.2 Nội dung nghiên cứu 14 2.3 Phương pháp nghiên cứu 14 2.3.1 Phương pháp xây dựng đánh giá mơ hình QSAR 14 2.3.2 Phương pháp ứng dụng mơ hình QSAR để sàng lọc 23 2.3.3 Docking phân tử 23 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 25 3.1 Kết xây dựng đánh giá mơ hình QSAR 25 3.1.1 Phương pháp rừng ngẫu nhiên hồi quy ( Random Forest RegressionRF) 25 3.1.2 Phương pháp vectơ hỗ trợ (Support vector regression – SVR) 26 3.1.3 Phương pháp hồi quy tuyến tính (Linear Regression) 26 3.1.4 Phương pháp hồi quy Lasso (Lasso Regression) 27 3.1.5 Phương pháp hồi quy Ridge (Ridge Regression) 28 3.1.6 Phương pháp hồi quy XGBoost (XGBoost Regression) 28 3.1.7 Phương pháp mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) 29 3.1.8 Lựa chọn mơ hình tốt 30 3.2 Ứng dụng mơ hình QSAR để sàng lọc 31 3.3 Kết docking phân tử 31 3.4 Bàn luận 34 3.4.1 Về ứng dụng mơ hình QSAR kỹ thuật docking phân tử nghiên cứu phát triển thuốc 34 3.4.2 Về kết xây dựng đánh giá mơ hình 35 3.4.3 Về kết docking phân tử 36 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN CSDL EGFR FAK LBVS MAE MSE Artificial neural networks (Mạng nơron nhân tạo) Cơ sở liệu Epidermal growth factor receptor (Yếu tố tăng trưởng biểu bì) Focal adhesion kinase Ligand Based Virtual Screening (Sàng lọc tảng hợp chất) Mean Absolute Error (Sai số tuyệt đối trung bình) Mean Squared Error (Sai số bình phương trung bình) MET Methionin MLP Multilayer Perceptron PDGF Platelet-derived growth factor PDB Protein data base QSAR STT SBVS SVR Quantitative structure-activity relationship (Mối quan hệ cấu trúc-tác dụng) Số thứ tự Structure Based Virtual Screening (Sàng lọc tảng cấu trúc) Support vector regression (Vectơ hỗ trợ) TLTK Tài liệu tham khảo TSPT Tham số phân tử DANH MỤC CÁC BẢNG STT Kí hiệu 3.1 3.2 3.3 Tên bảng Thông số thống kê mơ hình xây dựng tập kiểm tra Kết sàng lọc CSDL2 mơ hình M2 Ái lực liên kết với FAK hợp chất tiềm Trang 30 31 32 DANH MỤC CÁC HÌNH STT Kí hiệu Tên hình 1.1 Cấu trúc miền FAK 2 1.2 Cấu trúc miền FAK FERM 1.3 Cấu trúc miền FAK kinase 4 1.4 Cấu trúc miền FAT FAK 5 2.1 Thuật toán Random Forest 16 2.2 Thuật tốn XGBoost 20 2.3 22 3.1 Mơ hình chế hoạt động ANN Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp Random Forest 3.2 10 3.3 11 3.4 12 3.5 13 3.6 14 3.7 Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp mạng nơron nhân tạo ANN 30 15 3.8 Tương tác TAE – 226 với FAK 33 16 3.9 Tương tác hợp chất 35 với FAK 33 17 3.10 Tương tác hợp chất 50 với FAK 34 18 3.11 Tương tác hợp chất 52 với FAK 34 Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp SVR Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp Linear Regression Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp hồi quy Lasso Kết dự đoán mơ hình theo phương pháp Ridge Regression Kết dự đốn mơ hình theo phương pháp hồi quy XGBoost Trang 25 26 27 27 28 29 ĐẶT VẤN ĐỀ Kinase bám dính tiêu điểm (Focal adhesion kinase - FAK) protein tyrosine kinase có vai trị kiểm sốt phản ứng tế bào (di chuyển, hình thái, tăng sinh tế bào sống tế bào) kích thích integrins, cytokin, chemokin, yếu tố tăng trưởng [30],[58] Sự biểu mức FAK ghi nhận số khối u [12],[44],[47] Các nghiên cứu kinase bám dính tiêu điểm (FAK) mục tiêu phân tử đầy hứa hẹn để phát triển loại thuốc chống ung thư hệ [14] Tính đến thời điểm có 12 chất ức chế FAK giai đoạn thử nghiệm lâm sàng khác phát triển nhiều công ty dược phẩm Pfizer, Novartis, GSK, Alchem Lab, Verastem Inc, Boehringer Ingelheim Centaurus Biopharma Co Ltd Tuy nhiên, nghiên cứu phát triển thuốc trình tốn thời gian tiền bạc với tỷ lệ thất bại lớn Nhằm tiết kiệm chi phí nâng cao hiệu tìm kiếm chất dẫn đường, thiết kế thuốc với hỗ trợ máy tính (Computer - Aided Drug Design) trở thành xu hướng chủ đạo nghiên cứu phát triển thuốc giới Trong đó, xây dựng mơ hình biểu thị mối liên quan định lượng cấu trúc - tác dụng (Quantitative structure-activity relationship - QSAR) hợp chất phương pháp ứng dụng nhiều Mơ hình QSAR giúp dự đốn hoạt tính sinh học hợp chất mà khơng cần làm thực nghiệm, chúng chưa tổng hợp, nhờ giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, chi phí định hướng tổng hợp chất với hoạt tính mong muốn Cho đến nay, có nhiều nghiên cứu xây dựng mơ hình QSAR để dự đốn hoạt tính ức chế FAK hợp chất thực chất lượng mơ hình cịn chưa cao Đồng thời, chưa có nghiên cứu sàng lọc hợp chất tự nhiên tiềm ức chế FAK thực Do đó, đề tài khóa luận “Nghiên cứu sàng lọc hợp chất tự nhiên tiềm có tác dụng ức chế kinase bám dính tiêu điểm (FAK)” thực với hai mục tiêu sau: Xây dựng đánh giá mơ hình QSAR biểu thị mối quan hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính ức chế kinase bám dính tiêu điểm (FAK) hợp chất Ứng dụng mơ hình QSAR xây dựng kết hợp với kỹ thuật docking phân tử để sàng lọc hợp chất tự nhiên tiềm có tác dụng ức chế FAK CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kinase bám dính tiêu điểm (FAK) 1.1.1 Khái niệm kinase kinase bám dính tiêu điểm (Focal adhesion kinase-FAK) Kinase nhóm enzym có chức chuyển nhóm phosphat từ phân tử cao lượng (ATP) tới phân tử đích protein đặc hiệu Q trình gọi phosphoryl hóa protein Enzym kinase đặc hiệu cho việc chuyển nhóm phosphat phân tử cao lượng tới amino acid tyrosin gọi Tyrosin kinase Kinase việc phosphoryl hóa protein có tyrosin, cịn phosphoryl hóa phân tử protein có amino acid khác serin threonin Phosphoryl hóa protein kinase chế quan trọng việc truyền tín hiệu điều chỉnh hoạt động tế bào, chẳng hạn phân chia tăng trưởng Kinase bám dính tiêu điểm (Focal adhesion kinase - FAK) tyrosin kinase không thụ thể 125 kDa đóng vai trị chất trung gian q trình truyền tín hiệu xi dịng 1.1.2 Cấu trúc kinase bám dính tiêu điểm (FAK) Protein FAK có cấu trúc đa miền bao gồm ba miền: miền FERM đầu cuối N (dải 4.1, ezrin, radixin moesin), miền xúc tác trung tâm miền nhắm mục tiêu bám dính tiêu điểm đầu cuối C (FAT), xen vùng giàu prolin không đặc trưng mặt cấu trúc (hình 1.1) [37] Hình 1.1 Cấu trúc miền FAK [43] Miền FERM đầu cuối N chủ yếu tương tác với thụ thể tyrosin kinase (thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì-EGFR, thụ thể yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc từ tiểu cầu-PDGFR) [13] Các vị trí tương tác protein-protein nằm vùng đầu C, bao gồm hai vùng giàu proline (PR2-PR3) vùng nhắm mục tiêu bám dính tiêu điểm (FAT) Vùng đầu C làm trung gian liên kết với điều chỉnh hiệu ứng phân tử [64] Miền trung tâm, gọi cấu trúc ức chế tự động, liên kết đầu cuối N với miền FERM đầu cuối C với protein FAT giàu prolin Do đó, miền quan trọng hoạt động FAK [9] Tuy nhiên, hoạt động FAK bị ức chế liên kết miền FERM với miền kinase trung tâm [13], miền kích hoạt cách phosphoryl hóa PHỤ LỤC Ái lực liên kết với FAK 113 hợp chất tiềm Cấu trúc hóa học G STT ZINC ZINC000020233376 -6,8 ZINC000001060289 -7 ZINC000009406518 -6,6 ZINC000008588738 -6,6 ZINC000009406399 -7,3 ZINC000064787916 -6,9 ZINC000002114983 -7 (kcal/mol) STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) ZINC000065057983 -6,8 ZINC000065057700 -6,6 10 ZINC000065057926 -7 11 ZINC000065057986 -7,2 12 ZINC000065058052 -7,2 13 ZINC000065057792 -6,8 14 ZINC000065058051 -7 15 ZINC000065057710 -6,6 16 ZINC000065057848 -6,7 17 ZINC000065057929 -7,2 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 18 ZINC000065057790 -7,1 19 ZINC000065057708 -7,1 20 ZINC000065057933 -7,3 21 ZINC000065102732 -7,8 22 ZINC000065063286 -7,1 23 ZINC000065036749 -6,6 24 ZINC000065036674 -8 25 ZINC000008588726 -6,6 26 ZINC000064787915 -6,8 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 27 ZINC000021867582 -7,1 28 ZINC000000645832 -7 29 ZINC000002106803 -7,3 30 ZINC000008911890 -6,7 31 ZINC000020760590 -6,6 32 ZINC000033130592 -6.6 33 ZINC000033130500 -6,8 34 ZINC000009833463 -6,6 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 35 ZINC000008918593 -8,3 36 ZINC000070672511 -7 37 ZINC000001440035 -7,3 38 ZINC000001440038 -7 39 ZINC000064568532 -7,2 40 ZINC000064578410 -7 41 ZINC000064568603 -6,6 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 42 ZINC000064568573 -7,3 43 ZINC000064568533 -6,8 44 ZINC000064578497 -6,7 45 ZINC000064568572 -7,3 46 ZINC000096221390 -7,1 47 ZINC000064568526 -7 48 ZINC000064578401 -7,2 49 ZINC000064578592 -6,8 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 50 ZINC000064578466 -8,3 51 ZINC000064578575 -7,1 52 ZINC000064568566 -8,3 53 ZINC000064568597 -6,7 54 ZINC000064578754 -6,6 55 ZINC000021792814 -7,9 56 ZINC000002950776 -6,6 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 57 ZINC000064568602 -6,6 58 ZINC000064578408 -6,7 59 ZINC000035527273 -6,8 60 ZINC000064568571 -6,6 61 ZINC000008918596 -7,5 62 ZINC000008918597 -7,4 63 ZINC000065058109 -7,1 64 ZINC000065057801 -6,6 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 65 ZINC000065057800 -6,7 66 ZINC000065057716 -6,6 67 ZINC000065057911 -6,7 68 ZINC000065057989 -6,7 69 ZINC000065057913 -6,6 70 ZINC000065058124 -7 71 ZINC000002101341 -6,8 72 ZINC000064568528 -7,5 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 73 ZINC000064578399 -6,8 74 ZINC000064578590 -6,8 75 ZINC000064578407 -6,8 76 ZINC000064568596 -7,5 77 ZINC000064578598 -6,8 78 ZINC000064568601 -7,2 79 ZINC000033139333 -7 80 ZINC000033139270 -7,4 81 ZINC000033139282 -6,7 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 82 ZINC000033130447 -6,7 83 ZINC000033130368 -6,6 84 ZINC000033130408 -6,7 85 ZINC000033130601 -6,6 86 ZINC000033130511 -7,1 87 ZINC000033130458 -6,6 88 ZINC000065057992 -6,6 89 ZINC000065057788 -6,6 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 90 ZINC000033130386 -8,1 91 ZINC000033130596 -7,3 92 ZINC000033130544 -7,9 93 ZINC000033130459 -7,2 94 ZINC000033130505 -7,1 95 ZINC000033130460 -7,4 96 ZINC000020761058 -6,8 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 97 ZINC000059485868 -7,2 98 ZINC000061999345 -7,5 99 ZINC000002106942 -7,2 100 ZINC000033139284 -7,2 101 ZINC000065057988 -7,2 102 ZINC000065057935 -7,2 103 ZINC000065057932 -7,4 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 104 ZINC000065057719 -6,7 105 ZINC000065057714 -6,7 106 ZINC000065057722 -6,6 107 ZINC000065057991 -7,4 108 ZINC000065057794 -6,8 109 ZINC000065057798 -6,8 110 ZINC000033130510 -6,7 STT ZINC Cấu trúc hóa học G (kcal/mol) 111 ZINC000217806546 -6,8 112 ZINC000217806648 -7,1 113 ZINC000002137711 -7,3