Tìm thuốc tiềm năng đa thụ thể cho bệnh thoái hóa thần kinh

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Nguyễn Quốc Thái TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8/2018 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm Viện trưởng: Đơn vị thực hiện: PTN Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Nguyễn Quốc Thái ………………… ……………… TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8/2018 Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC II CÁC TÀI LIỆU KHOA HỌC ĐÃ XUẤT BẢN 13 III CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 14 IV HỘI NGHỊ, HỘI THẢO 14 V FILE DỮ LIỆU 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 CÁC PHỤ LỤC 19 PHỤ LỤC 1: 19 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mô phân tử định hướng thực nghiệm MỞ ĐẦU Bệnh Alzheimer lần phát cách 100 năm, phải 70 năm trước ghi nhận bệnh thần kinh phổ biến nhất, nguyên nhân gây chết người liên quan đến bệnh thần kinh [1] Bệnh Alzheimer trình rối loạn thần kinh suy giảm nhận thức nơron thần kinh [2] Nguyên nhân bệnh Alzheimer vấn đề lớn chưa hiểu rõ Có nhiều giả thuyết nguyên nhân gây bệnh Alzheimer chia thành nhóm sau [3]: cân tế bào, gen phân tử Hiện có nhiều thuốc khác phát triển dựa giả thuyết riêng biệt Giả thuyết xem lâu đời cho bệnh Alzheimer giả thuyết cholinergic [4], cho nguyên nhân gây bệnh Alzheimer suy giảm tổng hợp acetylcholine qua khớp nối thần kinh Hầu hết thuốc phát triển dựa giả thuyết nhằm mục đích ức chế acetylcholinesterase tacrine, xem thuốc cho điều trị bệnh AD, cịn có thuốc khác alsodonepezil, galantamine, and rivastigmine [5], thuốc không điều trị bệnh mà dừng mức điều trị triệu chứng bệnh Những chứng thực nghiệm gần phần lớn ủng hộ cho giả thuyết amyloid [2] (sự cân phân tử), Giả thuyết cho nguyên nhân gây bệnh Alzheimer hình thành mảng amyloid beta (Aβ) péptit não Có nhiều cơng trình nghiên cứu ức chế ngưng tụ Aβ xóa mảng sợi Aβ/oligomer Aβ thuốc tiềm [6-8] Chú ý trạng thái oligomer Aβ độc tính sợi Aβ trưởng thành [9, 10] Tuy nhiên, mối quan hệ độc tính Aβ Aβ khác chưa hiểu rõ [11] Bởi Aβ hình thành từ việc bị chia cắt amyloid precursor protein (APP) enzyme β-secretases (BACE-1) γ-secretases, cách điều trị bệnh Alzheimer cách ngăn chặn hình thành Aβ, theo giả thuyết này, phát triển phương pháp điều trị dựa ức chế tác dụng enzyme βsecretases [12] (BACE-1) γ-secretases [13] Xét yếu tố cân gen, có nhiều gen cho thấy làm tăng nguy mắc Alzheimer, nhiên gen apolipoprotein E (APOE) [14, 15], biểu thị protein thụ thể (nuclear receptor) [16], gen quan trọng APOE người có biến thể alen, APOE2, APOE3, APOE4 có APOE4 tồn mức cao bệnh Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mô phân tử định hướng thực nghiệm nhân Alzheimer [17], đột biến APOE4 ảnh hưởng đến q trình xóa chuỗi Aβ in não, liên quan đến tích tụ Aβ, gia tăng khả mắc bệnh AD sớm [18, 19] Peroxisome proliferator activated receptors có loại [16] (alpha, beta and delta) kí hiệu PPARα, PPARβ PPARγ Trong số chúng, PPARγ thường thấy não người bệnh Alzheimer [20], đánh giá có khả phản ứng điều chỉnh [21] cân gen PPARγ agonist khơng làm giảm mảng Aβ mà cịn giảm viêm snap thần kinh [22, 23].Vì PPARγ xem thụ thể cho điều trị bệnh Alzheimer [24] LXR (the liver X receptor), có hai đồng phân LXRα LXRβ, có vai trị gần giống PPARs Ví dụ điều trị bệnh với LXRα agonist T090131, làm giảm hình thành Aβ mẫu bệnh Alzheimer chuột [25] Tuy nhiên, T090131 làm tăng đường huyết triglyceride gan, T090131 hợp chất tiềm cho điều trị bệnh AD Dựa quan điểm này, phát triển cho điều trị bệnh với LXRα agonist không gây phản ứng phụ điều quan trọng Vì xem LXRα thụ thể cho điều trị bệnh Alzheimer [24] Bởi tồn nhiều chế trình gây nên bệnh Alzheimer, nên việc thiết kế thuốc công vào nhiều thụ thể phương pháp cho điều trị bệnh Alzheimer [26, 27] Một chiến lược cho điều trị bệnh tập trung công vào đa thụ thể riêng biệt [28-31] Một số hợp chất carbazole có khả liên kết với AChE ức chế hình thành sợ Aβ lại có lực thấp với BACE-1 phát triển [32] Sự ức chế hình thành Aβ liên quan AChE quan tâm nghiên cứu nhiều, theo Inestrosa động khẳng định kích thích AChE làm gia tăng hình thành sợi Aβ làm thay đổi q trình ngưng tụ Aβ [33] Hiện chưa có hợp chất giải đồng thời giả thuyết amyloid cân gen Hiện nay, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào nguyên nhân gây bệnh, điều thể phổ biến cho số bệnh liên quan đến thần kinh rối loạn chức mitochondrial, oxy hóa stress mức, gia tăng trạng thái neuroinflammatory, khả autophagy [34] Theo giả thuyết này, có nhiều tác giả cơng trình nghiên cứu họp chất tương tự có, phát hành hợp chất có khả cơng nhiều thụ thể tốt hơn, ví liên kết tốt vào AChEs [35] Trong nghiên cứu trước [36], sử dụng phương thức, kết hợp quy tắc Lipinski’s, phương pháp docking, phương pháp SMD để sàng lọc thô hợp chất từ ngân hàng Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm hợp chất PubChem [37], để tìm hợp chất tiềm cho điều trị bệnh AD Chúng tơi tìm hợp chất tiềm nhất, CID 16040294 (GVD, 2-[4([17] amino)phenyl]acetonitrile) and CID 9998128 (N-(1H-indazol-5-yl)-2-(6-methylpyridin2-yl) quinazolin-4-amine), hợp chất có khả liên kết tốt với thụ thể sợ Aβ , peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), retinoic X receptor α (RXRα), βand γ-secretases and acetylcholinesterase (AChE) [36] Hình Sơ đồ bước sàng lọc Trong nghiên cứu này, khẳng định thực nghiệm ống nghiệm để dự đoán đa khả ảnh hưởng CID 9998128 đến đa thụ thể cho liên quan đến bệnh Alzheimer Chúng tập trung chủ yếu vào tác dụng CID 9998128 lên thụ thể bệnh AD, cụ thể chuỗi Aβ42 (monomer, dimer), sợ Aβ42, β-secretase Tác dụng ức chế mạnh CID 9998128 nghiên cứu sợ amyloid enzyme βsecretase Kết cho thấy rằng, CID 9998128 có khả tác dụng xóa sợ Aβ42 amyloid Ái lực liên kết CID 9998128 vào đa thụ thể thực lí thuyết phương pháp SMD, trình bày đây, trình bày chi tiết Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm nghiên cứu trước [36] Vì thế, mục tiêu nghiên cứu thứ hai xác định lượng liên kết tự CID 9998128 với sợ Aβ42 β-secretase cách sử dụng phương pháp MM-PBSA Cả in vitro in silico cho thấy CID 9998128 liên kết mạnh vào thụ thể, điều cho thấy CID 9998128 ứng viên thuốc tiềm cho điều trị đa thụ thể AD Lời cảm ơn đến ICST: Viện khoa học & cơng nghệ tính tốn Tp HCM Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mô phân tử định hướng thực nghiệm ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Khoa học sống Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Nguyễn Quốc Thái Thành viên nhiệm vụ: GS TSKH Mai Xuân Lý ThS Phạm Đăng Lân ThS Nguyễn Hoàng Linh ThS Phan Minh Trường CN Phạm Minh Trí Cơ quan phối hợp: Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mơ phân tử định hướng thực nghiệm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Kết mô docking Cấu trúc CID 9998128 lấy từ ngân hàng hợp chất PubChem, cấu trúc CID 9998128 chia thành dãy (block) quinazoline (block 1), indazole (block 2), and methylpyridine (block 3) functional groups (hình 1) Những kết docking cho thấy CID 9998128 bám vào đầu N amyloid beta, vị trí bám CID 9998128 vào thụ thể 2MXU, 2NAO, and 1M4H hiển thị hình Hình Cấu trúc 2D, 3D block CID 9998128 Hình Vị trí liên kết CID 9998128 vào thụ thể 2MXU, 2NAO, 1M4H Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Tìm thuốc tiềm đa thụ thể cho bệnh thối hóa thần kinh: Kết hợp mô phân tử định hướng thực nghiệm Từ hình 3, rõ ràng ta thấy CID 9998128 bám vào gần vào đầu N chuỗi amyloid beta tương tác mạnh vào nó, kết chứng minh thể phần mô động học phân tử (MD) Năng lượng liên kết CID 9998128 thụ thể 2MXU, 1M4H gần -9.7 kcal/mol (2MXU) -9.8 kcal/mol (1M4H) [41] Đối với thụ thể 2NAO, lượng liên kết -8.9 kcal/mol, nhìn chung lượng liên kết CID 9998128 vào thụ thể gần nhau, giá trị làm rõ phần MD Kết MMPB-SA Năng lượng liên kết tự Để xác định lượng liên kết tự CID 9998128 thụ thể 2MXU, 1M4H, 2NAO, thực hệ 04 quỹ đạo, tính giá trị trung bình cho lượng liên kết tự Từ bảng 1, nhận thấy lượng liên kết tự CID 9998128 với thụ thể gần nhau, thụ thể β-secretase thấp -18.8 kcal/mol Các kết so sánh với phương pháp SMD, nhận thấy CID 9998128 liên kết tốt vào thụ thể Để đánh giá khả liên kết CID 9998128 vào amyloid beta, chúng thực MD với monomer dimer, nhận thấy CID 9998128 liên kết mạnh vào thụ thể (ΔGbind = -24.8 kcal/mol, -21.8 kcal/mol), điều cho thấy CID 9998128 có khả ngăn cản hình thành sợ amyloid beta Điều hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm Bảng Năng lượng liên kết tự (kcal/mol), xác định phương pháp MMPBSA CID 9998128 vào thụ thể Aβ11-42 (2MXU), Aβ1‑42 (2NAO), monomer, dimer, and β-Secretase (1M4H) Q128 ∆Eele ∆Evdw ∆GPB ∆Gsur -TΔS ΔGbind 2MXU -7.4 ± 0.8 -43.2 ± 2.7 26.6 ± 2.2 -6.0 ± 0.3 7.7 ± 1.1 -22.4 ± 0.6 2NAO -9.1 ± 1.2 -38.9 ± 5.0 21.6 ± 4.9 -5.4 ± 0.6 8.4 ± 1.3 -23.4 ± 1.8 1M4H -17.7 ± 1.2 -32.8 ± 1.0 31.0 ± 0.8 -5.6 ± 0.1 6.3 ± 0.5 -18.8 ± 1.1 -14.2 -34.0 20.1 -4.6 7.9 -24.8 ± 1.8 5.3 ± 1.0 -21.8 ± 2.9 Aβ1−42 monomer Aβ1−42 dimer -13.7 ± 3.9 -26.6 ± 5.0 17.0 ± 2.3 -3.8 ± 0.6 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Table S7 Binding free energy of CID 9998128 to Aβ1-42 monomer The results were obtained by MMPB-SA method for models The interaction energies are measured in kcal/mol CID 9998128 models Average ∆Eele -8.6 -20.9 -17.7 -10.4 -14.8 -13.1 -11.7 -16.3 -14.6 -14.2 ∆EvdW -36.9 -33.1 -29.7 -33.6 -36.4 -32.4 -38.5 -30.9 -34.4 -34.0 ∆EPB 18.9 27.0 18.3 16.0 20.6 17.4 21.8 22.8 18.5 20.1 ∆ESA -4.9 -4.9 -4.1 -4.7 -5.1 -4.6 -5.0 -4.0 -4.8 -4.6 -T∆S 6.9 8.6 7.9 7.8 8.3 7.1 8.7 7.5 8.1 7.9 ∆Gbind -24.4 ± 6.1 -23.1 ± 4.6 -25.2 ± 1.8 -24.9 ± 3.8 -27.3 ± 3.9 -25.6 ± 2.2 -24.8 ± 4.3 -20.8 ± 5.9 -27.2 ± 1.9 -24.8 ± 1.8 Table S8 Binding free energy of CID 9998128 to Aβ1-42 dimer in MD trajectories The results were obtained by MMPB-SA method The unit of interaction energies is kcal/mol Aβ1-42 dimer /Traj Average ∆Eele ∆EvdW ∆EPB ∆ESA -T∆S ∆Gbind -20.3 -9.7 -12.3 -12.7 -13.7 ± 3.9 -20.9 -30.5 -22.4 -32.7 -26.6 ± 5.0 20.1 16.4 13.6 17.9 17.0 ± 2.3 -2.9 -4.3 -3.4 -4.7 -3.8 ± 0.6 4.9 4.0 5.7 6.8 5.3 ± 1.0 -19.1 -24.1 -18.8 -25.4 -21.8 ± 2.9 Figure S1 The fibril Aβ1-42 structure (2NAO) with five best docking modes of CID 9998128 The first amino acids are highlighted by small balls Figure S2 Time dependence of RMSD of target Aβ11-42 (2MXU)+CID 9998128 complex The arrow refers to time when the system reaches equilibrium Figure S3 Time dependence of RMSD of target Aβ1-42 (2NAO)+9998128 complex The magenta arrow refers to time when the system reaches equilibrium in trajectories 1, and (40 ns), while the green arrow – trajectory (60 ns) Figure S4 Time dependence of RMSD of target β-secretase (1M4H)+CID 9998128 complex The arrow refers to time when the system reaches equilibrium in all MD runs (60 ns) Figure S5 Time dependence of the electrostatics and van der Waals interaction energies between CID 9998128 and three targets 10 Figure S6 Per-residue distributions of the electrostatic and vdW interactions of Aβ11-42 fibril (2MXU) with CID 9998128 The results were obtained at equilibrium and averaged over chains in MD trajectories 11 Figure S7 Per-residue distributions of the electrostatic and vdW interactions of Aβ1-42 fibril (2NAO) with CID 9998128 The results were obtained at equilibrium and averaged over chains in MD trajectories 12 Figure S8 Time dependence of the number of HBs formed by CID 9998128 with target during MD simulation 13 Figure S9 Nine models of Aβ1-42 monomer, obtained by MD simulation, in the best docking mode with CID 9998128 The green sphere refers to the first amino acid of Aβ1-42 14 Figure S10 The time dependence of RMSD of Aβ1-42 monomer with CID 9998128 The arrow indicates time when the complex reaches equilibrium 15 Figure S11 Per-residue distributions of the electrostatic and vdW interactions of Aβ1-42 monomer with CID 9998128 The results were obtained at equilibrium and averaged over model for each model with trajectories 16 Figure S12 The best docking model of Aβ1-42 dimer with CID 9998128 Chain A is showed orange, chain B is showed green, while the sphere refers to the first amino acid of chain 17 Figure S13 The time dependence of RMSD of Aβ1-42 dimer in complex with CID 9998128 The magenta arrow shows time (50 ns) when the complex reaches equilibrium in all of trajectories 18 Figure S14 Per-residue distributions of the electrostatic and vdW interactions of Aβ1-42 dimer with CID 9998128 The results were obtained at equilibrium and averaged over trajectories MOVIES Movie Movement of CID 9998128 in the binding site of β-secretase at equilibrium Movie Movement of CID 9998128 around full-length 2NAO fibril during MD simulation 19