2. HÓA DƯỢC VÀ THIẾT KẾ THUỐC HỢP LÝ

Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 45 HÓA DƯC VÀ THIẾT KẾ THUỐC HP LÝ Mục tiêu - Trình bày trình nghiên cứu mối liên quan đònh lượng cấu trúc tác dụng - Trình bày mô hình ‘pharmacophore’, trình ‘docking’ sàng lọc máy tính - Trình bày ứng dụng vi tính hóa dược - Trình bày trình thiết kế thuốc hợp lý 2.1 ỨNG DỤNG VI TÍNH TRONG HÓA DƯC Vi tính phương tiện hữu hiệu hóa dược đại quan trọng hai trình khám phá phát triển thuốc 2.1.1 Các phương pháp tính toán liệu cấu dạng tính chất phân tử Có nhiều phép toán thực mô hình mô tả phân tử bao gồm việc sử dụng chương trình thuật toán để tính toán liệu cấu trúc tính chất phân tử Thí dụ tính toán lượng phân tử nguyên tử có xếp khác không gian (cấu dạng), thay đổi cấu trúc để đạt mức lượng tối thiểu tính toán liệu tính chất hóa lý điện tích, moment lưỡng cực, nhiệt tạo thành Chi tiết thuật toán phức tạp nhiên có vài nguyên lý quan trọng giải thích trình diễn Các phương pháp sử dụng máy điện toán để tính toán liệu cấu trúc tính chất phân tử chia làm nhóm: học phân tử học lượng tử 2.1.1.1 Phương pháp học phân tử Trong học phân tử, phương trình sử dụng theo luật vật lý ứng dụng vào hạt nhân (proton neutron) nguyên tử phân tử mà không quan tâm đến điện tử Về bản, phân tử xem khối cầu (nguyên tử) liên kết với đường cong hay lò xo (liên kết) Các phương trình ứng dụng từ học cổ điển dùng để tính toán tương tác khác lực liên kết hình thành từ kéo dãn liên kết, thay đổi góc liên kết, lượng xoắn tương tác không liên kết Các tính toán cần phải có số liệu thông số xây dựng chương trình số liệu có khả mô tả tương tác khác nhóm nguyên tử Năng lượng tính toán phương pháp học phân tử ý nghóa số tuyệt đối hữu ích so sánh cấu dạng khác phân tử Phương pháp học phân tử nhanh không chiếm nhiều thời gian máy tính so với phương pháp học lượng tử Nhược điểm phương pháp không tính toán tính chất điện tử nên tác động điện tử tính đến phép toán Chương trình MM2 phần mềm mô tả mô hình phân tử dựa phương pháp học phân tử 2.1.1.2 Phương pháp học lượng tử Cơ học lượng tử sử dụng vật lý lượng tử để tính toán tính chất phân tử có tính toán đến tương tác điện tử hạt nhân phân tử Không giống học phân 46 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý tử, nguyên tố không xem khối cầu Để thuận tiện cho việc tính toán, giá trò ước lượng xây dựng Đầu tiên, hạt nhân xem chuyển động Điều hợp lý chuyển động điện tử nhanh so với chuyển động hạt nhân Khi điện tử xem chuyển động xung quanh hạt nhân cố đònh lượng hạt nhân mô tả riêng biệt với lượng điện tử Thứ hai thừa nhận điện tử chuyển động độc lập với nhau, ảnh hưởng electron hạt nhân giá trò trung bình Phương pháp học lượng tử chia làm phương pháp ‘ab initio’ ‘semi-empirical’ Phương pháp ‘ab initio’ tính toán chi tiết, nghiêm ngặt không cần liệu hay thông số chứa sẵn chương trình Nhược điểm phương pháp tốn nhiều thời gian để tính toán tùy thuộc vào mức độ xử lý máy tính cũnh áp dụng phân tử nhỏ (10-100 nguyên tử) Phương pháp semi-empirical tính toán nhanh xác Tuy nhiên phương pháp áp dụng cho phân tử lớn Hiện có nhiều chương trình semi-empirical MINDO/3, MNDO, MNDO-d, AM1, PM3 Các phương pháp ngày nhanh nhờ sử dụng thêm giá trò ước lượng thông số chứa máy vi tính 2.1.1.3 Lựa chọn phương pháp Sự lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào yếu tố cần tính toán kích thước phân tử Phương pháp ‘ab initio’ bò giới hạn phân tử chứa hàng chục nguyên tử, phương pháp ‘semi-empirical’ tính toán phân tử chứa hàng trăm nguyên tử phương pháp học phân tử tính toán phân tử chứa hàng ngàn nguyên tử Phương pháp học phân tử thường sử dụng cho tính toán sau: - Tối thiểu hóa lượng - Xác đònh cấu dạng bền vững - Tính toán lượng cho cấu dạng đặc biệt - Tạo cấu dạng khác - Nghiên cứu chuyển động phân tử Phương pháp học lượng tử thường ứng dụng để tính toán: - Năng lượng hệ số orbital phân tử - Nhiệt tạo thành cấu dạng đặc biệt - Điện tích nguyên tử phần tính toán dựa vào hệ số orbital - Khả tích tónh điện - Moment lưỡng cực - Các trạng thái trung gian không gian lượng - Năng lượng cắt đứt liên kết 47 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 2.1.2 Vẽ cấu trúc hóa học Phần mềm vẽ cấu trúc hóa học không cần thiết phải kèm theo phương pháp tính toán chúng thường kết hợp với phần mềm mô tả mô hình phân tử Hiện nay, nhiều phần mềm ChemDraw, ChemWindow, Isis Draw giúp cho vẽ công thức hóa học nhanh đẹp Công thức hóa học phần sử dụng phần mềm ChemDraw H3C O C O O OH 2-Acetoxy-benzoic acid Chemical Properities Boiling Point: 640.91 [K] Analysis Melting Point: 432.56 [K] Fomular: C9H8O4 Critical Temp: 797.61 [K] Exact Mass: 180.04 Critical Pres: 35.77 [Bar] Mol Wt.: 180.16 Critical Vol: 481.50 [cm3/mol] m/e: 180.04 (100.0%), Gibbs Energy: -526.60 [kJ/mol] 181.05 (10.3%), Log P: 1.21 182.05 (1.3%) MR: 43.29 [cm3/mol] Elem.Anal: C, 60.00; Henry's Law: 7.27 H, 4.48; Heat of Form: -671.58 [kJ/mol] O, 35.52 CLogP: 1.0235 CMR: 4.4576 ChemNMR H-1 Estimation ChemNMR C-13 Estimation O O 168.0 O 2.08 O O 16.9 O 154.7 7.28 OH11.0 7.57 121.3 123.5 134.1 8.10 172.0 OH 130.5 125.2 7.28 Cấu trúc aspirin phân tích, dự đoán tính chất từ chương trình ChemDraw 7.0 Một số phần mềm vẽ cấu trúc liên kết với phần mềm khác có khả tính toán nhanh số tính chất cấu trúc Thí dụ cấu trúc chất vẽ ChemDraw Ultra tên hóa học theo IUPAC tìm công thức phân tử, phân tử lượng, khối lượng xác, phân tích nguyên tố lý thuyết Ngoài ra, thông số phổ 1H, 13 C NMR, điểm chảy, điểm đông, giá trò logP, độ khúc xạ, nhiệt tạo thành dự đoán 2.1.3 Cấu trúc không gian chiều Các phần mềm mô hình mô tả phân tử cho phép xây dựng cấu trúc không gian chiều phân tử máy tính Các phần mềm sử dụng Chem3D, Alchemy, Sybyl, Hyperchem, ChemX, CAChe, MOE… Mô hình 3D xây dựng từ nguyên tố liên kết Tuy nhiên, cấu trúc không gian 3D chuyển đổi từ cấu trúc 2D cách tự động Thí dụ cấu trúc chiều chất vẽ từ ChemDraw copy dán qua chương trình Chem3D kết cấu trúc chiều chất hình thành cách tự động H3C O C O O OH 2D 3D Aspirin từ cấu trúc chiều chuyển sang cấu trúc chiều từ ChemDraw 7.0 sang Chem 3D 7.0 48 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 2.1.4.Tối thiểu hóa lượng (Energy minimization) Một vẽ cấu trúc 3D chất trình tối thiểu hóa lượng phải thực trình vẽ cấu trúc độ dài liên kết, góc liên kết góc xoắn không phù hợp Một số tương tác không liên kết bất thường xuất (có nghóa nguyên tử phần khác phân tử chiếm khoảng trống không gian) Quá trình tối thiểu hóa lượng thường thực chương trình học phân tử cách tính toán lượng cấu dạng lúc đầu, sau thay đổi độ dài liên kết, góc liên kết, góc xoắn để tạo cấu dạng Năng lượng cấu dạng tính toán để xem cấu dạng có bền cấu dạng cũ hay không Nếu cấu dạng khởi điểm vốn không bền thay đổi nhỏ độ dài liên kết hay góc liên kết tạo thay đổi lớn lên lượng toàn cấu dạng, kết có khác biệt lớn lượng (∆E) Chương trình ghi nhận điều này, tiếp tục thực trình thay đổi Chương trình ghi nhận thay đổi dẫn đến cấu dạng bền vững thay đổi không ảnh hưởng đến lượng toàn cấu dạng Cuối cùng, cấu dạng tìm đáp ứng điều kiện thay đổi độ dài liên kết, góc liên kết, góc xoắn cấu dạng làm thay đổi lượng cấu dạng giới hạn cho phép (10 -2, 10-3, 10-4, 10-5 kcal/mol tùy yêu cầu) – cấu dạng đạt mức lượng tối thiểu Chương trình hiểu cấu trúc bền vững chương trình tự động dừng lại 2.1.5 Quan sát cấu trúc 3D Cấu trúc 3D phân tử xoay cấu trúc theo trục khác (xyz) để nghiên cứu cấu dạng cấu trúc góc độ khác Cấu trúc biểu diễn dạng đònh dạng khác nối đôi hình trụ (cylindrical bonds), cấu trúc dây (wire frame), que (sticks), hình cầu kết hợp que (ball and stick), lắp đầy không gian (space filling) Cấu trúc 3D aspirin trục khác Ball and Stick Cylindrical bonds Wire frame Sticks Cấu trúc 3D aspirin dạng đònh dạng khác Space filling Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 49 Có dạng đònh dạng khác biết đònh dạng rubăng (ribbon) thích hợp cho việc biểu diễn cho cấu trúc protein Cấu trúc enzym phosphodiesterase trình bày dạng ribbon sildenafil dạng stick (PDB 2h42) 2.1.6 Tính chất phân tử Có nhiều tính chất cấu trúc 3D tính toán công thức 3D xây dựng tối ưu hóa lượng Thí dụ lượng steric (do bố trí nguyên tử không gian) tính toán phần trình tối ưu hóa lượng Năng lượng steric thể mức thay đổi lượng phân tử liên kết căng dãn hay co lại, góc liên kết hay góc xoắn bò biến dạng, tương tác không liên kết tăng lên nguyên tử gần lại với không gian, tương tác lưỡng cực Năng lượng steric hữu hiệu để so sánh cấu dạng khác cấu trúc so sánh lượng steric phân tử khác Các tính chất khác cấu trúc dự đoán nhiệt tạo thành, moment lưỡng cực, mật độ điện tích, khả tích tónh điện, mật độ electron, số liên kết, điện tích phần, khả phân cực, tần số rung động 2.1.6.1 Điện tích phần Electron hóa trò phân tử không cố đònh nguyên tố mà electron chuyển động xung quanh toàn phân tử Tuy nhiên, electron lại tập trung gần nguyên tử điện âm nguyên tử tích điện dương phân bố không đều, kết số phần phân tử tích điện dương phần khác tích điện âm 2.1.6.2 Khả tích tónh điện phân tử Một cách để khảo sát phân bố điện tích phân tử xem phân tử thể thống bao gồm nguyên tử liên kết đơn lẻ Do xác đònh phần phân tử giàu nghèo điện tử Khả tích tónh điện phân tử quan trọng kỹ thuật 3D-QSAR CoMFA (phân tích trường phân tử so sánh) Điều hữu dụng việc xác đònh giải thích trường hợp phân tử 50 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý có cấu trúc khác liên kết với điểm tác động vùng tích điện tương ứng Khả tích tónh điện phân tử (Molecular electrostatic potentials - MEPs) tính toán cách cho phân tử proton thăm dò (proton probe) vò trí khác không gian xung quanh phân tử Năng lượng liên kết đầu dò proton vò trí khác xác đònh tương tác proton với điện tích phần nguyên tử Một cách khác, MEP tính toán dựa học lượng tử cách tính toán với orbital phân tử Khả tích tónh điện phân tử aspirin tính toán phương pháp semi-empirical AM1 Khả tích tónh điện histamin Một thí dụ ứng dụng MEP thiết kế thuốc đề cập đến thiết kế dãy dẫn chất cromakalim vòng thơm chứa nhóm cyano –CN thay vòng pyridin Đây nghiên cứu nhóm dẫn chất cromakalin có tác dụng hạ huyết áp khác dược động học Để lại hoạt tính, điều quan trọng dò vòng vào phải có tính chất, đặc tính vòng thơm cũ Do đó, MEP hệ thống vòng đôi (bicyclic) tính toán so sánh với vòng thơm ban đầu (IV) Phân tích so sánh vùng có khả tích điện âm vùng có khả tạo liên kết hydro xung quanh phân tử Kết trình phân tích xác đònh hệ thống vòng (III) có tính chất tích tónh điện với (IV) lựa chọn để thiết kế dãy dẫn chất (II) O NC O OH CH3 CH3 O thay dổi vòn g N Cromakalim Sự thay đổi vòng cromakalim O (II) OH CH3 CH3 51 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý N NC O CH3 CH3 O (III) CH3 CH3 (IV) Mô hình hệ thống vòng đôi nghiên cứu MEP cromakalim 2.1.6.3 Orbital phân tử Các orbital chất tính toán cách sử dụng học lượng tử Thí dụ ethen cho 12 orbital phân tử Orbital phân tử chia làm loại vân đạo phân tử đầy cao (highest occupied molecular orbital HOMO) vân đạo phân tử trống thấp (lowest unoccupied molecular orbital LUMO) Nghiên cứu orbital HOMO LUMO đặc biệt quan trọng thuyết orbital phân tử orbital quan trọng cho khả phản ứng phân tử Thí dụ người ta sử dụng thuyết orbital HOMO, LUMO để giải thích cho khả tương tác ketanserin lên thụ thể serotonin Ketanserin chất đối vận (antagonist) thụ thể serotonin có lực liên kết lớn so với liên kết bình thường Để giải thích cho lực liên kết này, người ta cho liên kết với chuyển đổi điện tích xảy hệ thống vòng fluorobenzoyl thiếu hụt điện tử ketanserin với tryptophan giàu điện tử điểm liên kết thụ thể serotonin Để kiểm tra điều này, lượng HOMO LUMO tính toán cho mô hình phức hợp vòng indol tryptophan vòng fluorobenzoyl ketanserin HOMO hệ thống phức hợp indol-flourobenzoyl tập trung cấu trúc indol LUMO tập trung nhóm fluorobenzoyl, điều cho thấy xảy chuyển đổi điện tích Đối với chất đối vận khác phân chia rõ ràng orbital HOMO LUMO trường hợp ketanserin vòng indol bao gồm dạng orbital O H2N CHC OH CH2 O O N N N H Ketanserin hệ vòn g indol giàu điện tử F hệ vòn g fluorobenzoyl thiếu điện tử HN Tryptophan Cấu trúc ketanserin chứa hệ vòng fluorobezoyl thiếu điện tử tryptophan chứa vòng indol giàu điện tử 2.1.6.4 Chuyển dòch quang phổ Có thể tính toán mức độ chuyển dòch quang phổ hồng ngoại (infrared IR) tử ngoại (ultravilolet UV) phân tử Phổ IR lý thuyết chất tạo tính toán không chắn phổ xác phù hợp với phổ thực tế Tuy nhiên vò trí hấp thu đặc hiệu xác đònh hữu ích thiết kế thuốc Thí dụ, hoạt tính penicillin liên quan đến vò trí chuyển động dãn dài nhóm carbonyl khung β-lactam phổ IR Tính toán số sóng lý thuyết cấu trúc β-lactam sử dụng việc nhận dạng chất cho tác động trước bắt đầu tổng hợp cấu trúc 52 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 2.1.7 Phân tích cấu dạng 2.1.7.1 Năng lượng tối thiểu cục lượng tối thiểu toàn phần Năng lượng Quá trình tối thiểu hóa lượng thu cấu dạng cấu trúc 3D bền Tuy nhiên cấu trúc thu cấu trúc bền vững Điều xảy trình tối thiểu hóa lượng dừng lại đạt đến cấu dạng bền vững thứ cấu dạng gần với cấu dạng lúc ban đầu Quá trình minh hoạ hình sau với cấu dạng bền vững cách biệt với cấu dạng có mức lượng cao rào cản lượng Cấu dạng ban đầu Năng lượng tối thiểu cục Năng lượng tối thiểu tồn phần Năng lượng tối thiểu cục toàn phần Nếu cấu dạng 3D ban đầu có mức lương hình trình tối thiểu hóa lượng dừng lại mức lượng cấu dạng đạt đến cấu dạng bền bững có nghóa mức lượng tối thiểu cục Tại điểm này, thay đổi cấu trúc dẫn đến thay đổi nhỏ lượng trình tối thiểu hóa lượng kết thúc Để vượt qua rào cản lượng đạt đến cấu dạng bền vững thay đổi cấu trúc phải diễn với gia tăng lượng đáng kể điều không thực chương trình tối thiểu hóa lượng Do để tìm cấu dạng bền vững cần thiết phải tạo cấu dạng phân tử so sánh lượng ‘steric’ cấu dạng Có phương pháp tiến hành trình động lực học phân tử (molecular dynamics) quay bước liên kết (stepwise rotation of bonds) 2.1.7.2 Động lực học phân tử Có thể tạo cấu dạng khác cấu trúc cách sử dụng nguyên lý học phân tử (MM2) với chương trình động lực học phân tử Các phân tử gia nhiệt đến nhiệt độ 800-900 K Dó nhiên máy tính bò đốt cháy Chương trình làm cho cấu trúc với thay đổi nối nối dãn dài, nối quay tròn tương tự cấu trúc gia nhiệt Kết hàng rào lượng cấu dạng khác vượt qua Trong trình này, cấu trúc ‘gia nhiệt’ nhiệt độ cao (900 K) thời gian đònh (thí dụ picro giây) sau ‘làm lạnh’ đến 300 K khoảng thời gian khác (10 picro giây) để đưa cấu trúc cuối Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 53 Quá trình tự động lặp lại nhiều lần tùy theo mong muốn để có nhiều cấu dạng khác cần thiết Các cấu trúc ghi nhận lại, tối thiểu hóa lượng xác đònh lượng ‘steric’ Bằng cách thực trình này, cấu dạng với khác biệt lượng tìm cấu dạng bền cấu dạng ban đầu Thí dụ cấu trúc chiều butan vẽ ChemDraw, chuyển sang Chem3D tối thiểu hóa lượng Bởi cách thức vẽ cấu trúc, trình tối thiểu hóa lượng dừng lại mức lượng cục với cấu dạng ‘gauche’ có mức lượng ‘steric’ 3,038 kcal/mol Chương trình động lực học phân tử tạo cấu dạng khác tạo cấu dạng trans hoàn toàn so le mà sau tối ưu hóa có mức lượng ‘steric’ 2,175 kcal/mol Như vậy, cấu dạng trans bền cấu dạng mức lượng tối thiểu cục với mức chênh lệch lượng khoảng kcal/mol Thực tế vấn đề giải hiệu quay bước liên kết Động lực học phân tử thường sử dụng việc tạo cấu dạng khác phân tử với cấu trúc không cho phép quay bước liên kết hệ thống vòng, cấu trúc cần phải phân tích lâu trình phân tử có cấu trúc lớn Thí dụ cấu trúc dạng xoắn thuyền cyclohexan cấu trúc xoắn thuyền sau trình tối thiểu hóa lượng ‘Gia nhiệt’ phân tử chương trình động lực học phân tử tạo cấu dạng khác bao gồm cấu dạng ghế bền vững 2.1.7.3 Quay bước liên kết Mặc dù trình động lực học phân tử tạo cấu dạng khác nhiên không đảm bảo xác đònh tất cấu dạng có cấu trúc Quá trình hệ thống tạo cấu dạng khác cách xoay liên kết đơn góc khác Thí dụ 13 cấu dạng butan tạo cách xoay tự động liên kết 30o lần Năng lượng ‘steric’ cấu dạng tính toán phát cấu dạng bền vững cấu dạng trans hoàn toàn so le dạng bền cấu dạng cis che khuất Trong trình này, tối thiếu hóa lượng không can phải thực cho cấu dạng muốn xác đònh cấu dạng bền hay không bền Các phần mềm tự động xác đònh tất nối đơn xoay cấu trúc Liên kết đến nguyên tử hydro đến nhóm methyl loại trừ xoay liên kết không tạo thay đổi cấu dạng có ý nghóa Một liên kết xoay xác đònh, chương trình tạo tất cấu dạng có với xoay liên kết góc đònh thiết lập người điều khiển (thí dụ 10 o, 30o, 45o…) Số lượng cấu dạng tạo phụ thuộc vào số liên kết xoay góc xoay Thí dụ cấu trúc với liên kết xoay phân tích với độ xoay tăng dần 10 o tạo 46656 cấu dạng Cấu trúc với liên kết xoay, thay đổi 30 o tạo 20736 cấu dạng Thông thường trình tạo 1000 cấu dạng khoảng giây Tuy nhiên vấn đề quan trọng hiệu thu xác đònh lần xoay liên kết thời điểm để đảm bảo cho tính đại diện quản lý số lượng cấu dạng tạo 54 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Quá trình hiệu tùy thuộc vào thông tin yêu cầu Thí dụ cần xác đònh cấu dạng bền vững chương trình tự động lọc bỏ cấu dạng mà có dạng che khuất gần che khuất Chương trình lọc bỏ cấu dạng vô lý (nonsense) Các cấu dạng vô lý xuất nguyên tử chiếm vò trí không gian Các cấu dạng gia tăng trình xoay liên kết thực chương trình phân tích trình xoay khác diễn phân tử (sự trùng lắp) Khi cấu dạng tạo ra, cấu dạng xếp thành bảng xếp theo thứ tự độ bền Các cấu dạng bền vững tối thiếu hóa lượng so sánh 2.1.8 Docking 2.1.8.1 Docking thủ công Mô tả phân tử (molecular modeling) dùng để lắp hay gắn (dock, fit) phân tử (ligand) vào mô hình điểm tác động hay điểm gắn kết (binding site, active site) mục tiêu tác động (receptor, enzym) không gian chiều Nếu nhóm liên kết ligand điểm gắn kết xác đònh, người điều khiển chương trình xác đònh liên kết tồn ligand điểm gắn kết mục tiêu tác động Khi khoảng cách liên kết lý tưởng (thường ≤ Å cho liên kết hydro) liên kết xác đònh chương trình docking vận hành Ngoài liên kết khác liên kết ion, liên kết van der Waals, liên kết bề mặt… Chương trình chuyển cấu trúc phân tử ligand xung quanh điểm liên kết cố gắng tìm dạng phức hợp gắn kết có mức lượng bền Trong trình docking, nhóm liên kết ligand điểm gắn kết liên kết với khoảng cách vùng giới hạn đònh lúc ban đầu Cả ligand mục tiêu tác động giữ nguyên cấu dạng ban đầu trình nên trình gắn cứng Một ligand gắn cứng thành công trình docking, trình tối ưu hóa khả gắn kết diễn Quá trình giống trình tối thiểu hóa lượng thực dạng phức hợp mục tiêu ligand Các dạng cấu dạng khác ligand docking cách lượng liên kết xác đònh dạng cấu dạng gắn kết tốt 2.1.8.2 Docking tự động Quá trình docking tự động thực chương trình ChemX, FlexX, Dock, Gold… chương trình tự đònh cách thức dock ligand Đầu tiên, cấu trúc tinh thể tia X protein xác đònh (tìm kiếm protein data bank) nạp vào máy tính Các acid amin túi liên kết (binding pocket) giữ lại biểu hình, phần lại che giấu (cấu trúc phần giấu cất không cho biểu hình việc phân tích quan sát dễ dàng hơn) Quá trình cho biết acid amin tạo liên kết với ligand thông tin chưa có trình phân tích nhằm tìm trung tâm có khả liên kết quan trọng thực [nghóa trung tâm cho liên kết hydro (hydro bond donor), trung tâm nhận liên kết hydro (hydro bond acceptor), acid, base, trung tâm tích điện, hệ thống vòng thơm] Khi tất trung tâm xác đònh, vò 59 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý đònh Cấu trúc: chưa xác đònh (NMR, Docking, tìm kiếm sở liệu…) Thiết kế thuốc dựa vào giả thuyết (Thiết kế ‘de novo’, Docking…) hay thiết kế thuốc dựa vào nhóm mang hoạt tính sinh học (Tìm kiếm sở liệu, QSAR…) Tạo cấu trúc 3D, Hóa tin học (Tìm kiếm chất giống nhau, sàng lọc hợp lý, HTS) 2.2.1 Thiết kế thuốc trình tạo chất khởi nguồn 2.2.1.1 Trường hợp cấu trúc mục tiêu chưa xác đònh Trong thời gian đầu trình khám phá thuốc, nhà khoa học có thông tin mối quan hệ cấu trúc tác dụng (SAR) Ở khởi điểm này, phương pháp thử nghiệm sàng lọc phải thực nhanh chóng nhóm nghiên cứu HTS (High-Throughput Screening – Sàng lọc đầu vào cao) Các nhà hóa dược học phải nhanh chóng tiếp tục tổng hợp chất dựa chất khởi nguồn sàng lọc theo nguồn khác theo thông tin có Dẫn chất sàng lọc chất hóa học thương mại (ngân hàng hóa chất), hợp chất tự nhiên, chất tổng hợp nhóm nghiên cứu Các nhà hóa dược học phải lựa chọn dẫn chất để sàng lọc HTS Thay sàng lọc ngẫu nhiên toàn chất, nhà hóa dược lựa chọn tập hợp chất đại diện cho đa dạng tính chất lý hóa để đưa vào sàng lọc nhằm tìm chất khởi nguồn Mục tiêu trình phân tích lựa chọn thử nghiệm số chất để thu thật nhiều thông tin tập hợp chất thử nghiệm Bất kỳ trường hợp nào, giảm số lượng chất thử nghiệm, ngoại trừ giảm số lượng chất thừa tập hợp, ảnh hưởng quan trọng đến hiệu trình nghiên cứu chi phí liên quan Hiện nay, thiết kế thí nghiệm hợp lý hữu ích việc tối đa hóa tính đa dạng cấu trúc tập hợp sàng lọc để tìm nhiều chất khởi nguồn Phương pháp tập hợp có trình tự (hierarchical clustering) khác biệt tối đa so sánh với phương pháp ngẫu nhiên để nghiên cứu hiệu đa dạng cấu trúc liệu 3D Sự sàng lọc thực cách sử dụng dấu vân tay 2D với mô tả phân tử có giá trò so sánh phương pháp có lựa chọn hợp lý với phương pháp ngẫu nhiên Khi cấu trúc chất khởi nguồn tìm ra, phương pháp nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm chất có cấu trúc tương tự (2D, 3D) với chất khởi nguồn tìm kiếm Trong tìm kiếm tiếp theo, cấu trúc chọn lựa từ liệu có chứa nhóm đại diện cho cấu trúc chất khởi nguồn ban đầu Các cấu trúc mang thử nghiệm hoạt tính sinh học Khi cấu trúc chất khởi nguồn chất tương ứng tìm ra, bước nghiên cứu tính chất không gian điện tử chất khởi nguồn Chất khởi nguồn ban đầu phải lựa chọn từ nhóm chất có khác nhiều cấu trúc hóa học tương tác với mục tiêu tác động với điểm gắn kết Bằng cách so sánh tính chất không gian điện tử chất khởi nguồn, nhóm chức cho đònh hoạt tính sinh học (pharmacophore) xác đònh Mô hình ‘pharmacophore’ thông thường gồm 3-5 nhóm ‘pharmacophore’ khoảng cách chúng (cũng góc kích thước không gian khác) xác đònh 60 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Trong trình xác đònh ‘pharmacophore’, có bước thực Đầu tiên bước phân tích cấu dạng Thực vậy, hoạt tính sinh học thuốc cho phụ thuộc vào cấu dạng cấu dạng có mức lượng tối thiểu Chỉ cấu dạng cho có hoạt tính sinh học liên kết với mục tiêu tác động điểm gắn kết Việc tìm cấu dạng có hoạt tính sinh học nhóm chất nhiệm vụ hóa dược tin học (pharmcoinformatics) Một điểm cần ý cấu dạng mang hoạt tính sinh học không cần thiết phải xác đònh với mức lượng thấp thiết cấu dạng có mức lượng cao Có nhiều thành công sử dụng phương pháp để xác đònh cấu dạng mang hoạt tính sinh học Trong bước thứ 2, cấu dạng tính toán tính chất điện tử không gian Mục tiêu tác động (thụ thể, enzym, DNA…) nhận phân tử có chứa tính chất cần thiết cho khả gắn kết chuyên biệt gắn kết chặt hay không Quá trình nhận diễn khoảng cách vừa đủ lớn trình tự thành lập phức hợp liên kết cuối Tại khoảng cách vừa đủ lớn, trường tónh điện cấu trúc 3D xung quanh phân tử đóng vai trò chủ yếu trình nhận dạng khoảng cách gần bề mặt liên kết tính chất khác phân tử khả tạo liên kết hydro khả kỵ nước đóng vai trò quan trọng Để thực trình phân tích này, khả liên kết phân tử sử dụng bao gồm (i) khả tích tónh điện phân tử (Molecular Electrostatic Potential – MEP), (ii) khả thân dầu phân tử (Molecular Lipophilic Potential – MLP) khả liên kết kỵ nước (Hydrophobic Interaction Potential – HINT), (iii) khả trường tương tác phân tử (Molecular Interaction Fields Potential – MIP – trường mô tả thay đổi lượng liên kết phân tử môi trường hóa học khác nước, CH, nitơ; GRID chương trình thường sử dụng để sàng lọc trường này) Dựa mô tả 3D tính chất điện tử không gian cấu trúc quan tâm, mô hình ‘pharmacophore’ xác đònh Các mô tả ‘pharmacophore’ cần thiết cho việc xác đònh chất có hoạt tính, không hoạt tính chất tương tự có hoạt tính thấp Hiện chương trình máy tính tự động thực trình xác đònh ‘pharmacophore’ phát triển Thiết kế thuốc trường hợp chưa xác đònh cấu trúc mục tiêu tác động Khi nhóm ‘pharmacophore’ phần xác đònh bước tìm kiếm chất có chứa nhóm ‘pharmacophore’ phương pháp tìm kiếm ngân hàng liệu 3D Điều kiện tiên cho hiệu việc tìm kiếm số lượng lớn liệu cấu trúc 3D phần mềm thích hợp để thực Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 61 trình tìm kiếm Cơ sở liệu 3D chất thường sử dụng sở liệu cấu trúc Cambrigde Cơ sở liệu chứa cấu trúc nhiễu xạ tia X nhiễu xạ neutron 230.000 chất bao gồm chất có cấu trúc nhỏ polyme Ngoài có nhiều sở, ngân hàng liệu cấu trúc 3D khác Các sở liệu cấu trúc 3D thương mại thường thích hợp cho việc sử dụng chương trình tìm kiếm 3D với khả cung cấp chất từ 1mg đến 1g chất liệu Ngoài ra, nhà nghiên cứu tạo sở liệu cấu trúc 3D cách chuyển dạng từ cấu trúc 2D sang cấu trúc 3D Có nhiều phần mềm ứng dụng sử dụng cho việc chuyển từ cấu trúc 2D sang 3D CONCORD (sử dụng để chuyển dạng 400.000 chất có cấu trúc 2D Viện ung thư quốc gia Hoa Kỳ) Ngân hàng sở liệu ngày có thêm nhiều chất áp dụng thành công nhiều công trình nghiên cứu Cơ sở liệu thiết kế thuốc tìm đòa www.ccc unierlangen.de/services/nci.html 2.2.1.2 Trường hợp cấu trúc mục tiêu tác động xác đònh Sự phát triển sinh học phân tử có tác động ảnh hưởng mạnh đến trình khám phá thuốc Khả tạo lượng lớn protein tinh khiết giúp xác đònh cấu trúc nhiều mục tiêu tác động cách chụp cấu trúc tinh thể tia X cộng hưởng từ hạt nhân NMR Trong đa số trường hợp, kết tinh tinh thể protein xác đònh cấu trúc protein mức độ phân giải nguyên tử số nguyên tử không xác đònh vò trí xác không gian Các sai số trung bình vò trí nguyên tử phụ thuộc vào chất lượng nhiễu xạ cấu trúc tinh thể protein Thông thường mức độ sai lệch vò trí nguyên tố khoảng 1/6 độ phân giải cấu trúc Hiện xác đònh đến độ phân giải 1.2 Å đa số protein mức độ phân giải 1.5 – 3.0 Å Cấu trúc protein tìm thấy tải xuống sử dụng ngân hàng liệu protein (Protein Data Bank) Sự phát triển ngân hàng liệu protein (nguồn: Protein data bank) 62 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý (A) (B) (A) Tinh thể phức hợp chymotrypsin– guamerin (Nguồn: Biochimica et Biophysica Acta 1699 (2004) 285– 287); (B) Thiết bò chụp tia X tinh thể protein (nguồn: Protein Crystallography in Drug Discovery, 2004 Wiley) Phân tích tự động mật độ điện tử kết tinh nhiễu xạ tia X (nguồn: Protein Crystallography in Drug Discovery, 2004 Wiley) Mật độ điện tử xác đònh nhiễu xạ tia X cấu trúc tinh thể phức hợp Phosphodiesterase 4B cAMP Cấu trúc c-AMP thể dạng stick, liên kết hydro thể nét đứt (Nguồn: J Mol Biol 2004, 337, 355) Cấu trúc mô tính tương đồng (homology) protein sử dụng trường hợp chưa có cấu trúc 3D protein mục tiêu Kỹ thuật ‘mô tả tính tương đồng’ để tạo cấu trúc protein ‘homology’ dựa cấu trúc 3D protein có so sánh trình tự xếp acid amin protein cần tạo cấu trúc mô tính tương đồng ‘homology’ Hiện có nhiều phần mềm có khả tạo cấu trúc ‘homology’ Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 63 Cấu trúc ‘homology’ xác có trình tự acid amin giống cấu trúc protein xác đònh Cấu trúc tinh thể PDE (nhạt) cấu trúc mô tính tương đồng ‘homology’ PDE (đậm) dựa cấu trúc PDE Cấu trúc dạng stick sildenafil Khi có cấu trúc protein với độ phân giải cao, cấu trúc hợp chất có khả gắn kết với protein thiết kế cách thiết kế cấu trúc ligand gọi thiết kế ‘de novo’ Quá trình trình tạo nên phức hợp ligand protein Đó phức hợp trạng thái cân Ligand liên kết với protein phụ thuộc vào nhiều yếu tố thay đổi tương tác nguyên tử ligand, môi trường (nước, dòch tế bào) protein đích thay đổi cấu dạng ligand mục tiêu tác động Hiện có nhiều phương pháp hướng đến việc thiết kế tự động ligand cho protein đích phương pháp xây dựng ‘builder’, phương pháp lắp ghép ‘hybrid’… Mô tả phương pháp xây dựng ‘builder’ thiết kế ‘de novo’ 64 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Mô tả phương pháp lắp ghép ‘hybrid’ thiết kế ‘de novo’ Một cách tổng quát, trình thiết kế ‘de novo’ gồm phần: (i) Xác đònh giới hạn: giới hạn không gian cấu trúc hóa học đề cung cấp cho chương trình (ii) Tạo cấu trúc: cấu trúc phân tử thiết theo, nhà thiết kế phải tìm cách xếp cấu trúc, vò trí tốt đònh hướng phân tử điểm liên kết mục tiêu tác động; cố gắng tìm kiếm cấu trúc đáp ứng nhiều tốt giới hạn đặt (iii) Đánh giá cấu trúc: lực liên kết (khả liên kết)của phức hợp ligand – mục tiêu tác động đánh giá Năng lượng liên kết tự khó đánh giá phương pháp docking thường sử dụng để đánh giá khả liên kết Các hệ ‘điểm số docking chức năng’ (docking scoring function) có phạm vi từ tính toán lý thuyết với hệ thống máy tính lớn đến hệ thống dựa kinh nghiệm đơn giản Điểm số docking chức vấn đề tập trung quan tâm nghiên cứu Để thực việc nghiên cứu cách có hiệu quả, phương pháp tính toán cần nhiều thời gian (hằng hay hơn, phương pháp nghiên cứu trạng thái lượng tự hay ‘dock’ chất vào mục tiêu tác động) không sử dụng tiến hành tìm kiếm sở liệu cấu trúc hóa học kiểm tra lượng lớn phân tử dự kiến Phương pháp sử dụng thiên tốc độ cách sử dụng cách đánh giá điểm chức dựa lý thuyết đánh giá đònh lượng điểm số có giá trò thời gian thích hợp Các chức thường dùng để tạo điểm số (scoring function) lượng liên kết tự ligand-protein chức nhóm kỵ nước tiếp xúc với bề mặt mục tiêu, số lượng liên kết hydro, bề mặt phân cực bò che chắn… LUDI điểm đánh giá chức thường sử dụng phần mềm để đánh giá khả liên kết chất Trong chương trình này, toàn lượng liên kết tự xác đònh từ tính toán liên kết hydro, tương tác ion, tiếp xúc không cực, entropy bất đối xứng Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 65 2.2.2 Thiết kế thuốc trình tối ưu hóa chất khởi nguồn Khi chất khởi nguồn xác đònh bước bước tối ưu hóa cấu trúc Trong hóa dược, trình tối ưu hóa chất khởi nguồn quan tâm đến nhiều khía cạnh tối ưu hóa khả (ái lực) liên kết lên mục tiêu đích, độc tính, sinh khả dụng đường uống, tính thấm qua tế bào, khả gắn kết huyết tương, tốc độ chuyển hóa Quá trình đòi hỏi phải tổng hợp hàng loạt dãy dẫn chất chất khởi nguồn thử nghiệm hoạt tính sinh học Nguyên tắc thay đổi cấu trúc hóa học dẫn đến thay đổi (tăng giảm) hoạt tính sinh học Đây trình nghiên cứu liên quan cấu trúc tác dụng (gọi tắt SAR, Structure-Activity Relationship) Quá trình có tính lặp lại cao thường dựa sở phương pháp ‘thử sai’ 2.2.2.1 Trường hợp cấu trúc 3D protein chưa xác đònh Khi chưa có liệu cấu trúc mục tiêu tác động trình tối ưu hóa chất khởi nguồn thực nghiên cứu ‘mối quan hệ đònh lượng cấu trúc tác dụng sinh học’ (gọi tắt QSAR, Quantitave Structure-Activity Relationships) QSAR xây dựng mối tương quan hoạt tính sinh học chất với thông số (hay tham số) tính chất mô tả cấu trúc phân tử Mục tiêu nghiên cứu QSAR tìm mô hình thích hợp có khả dự đoán đáng tin cậy cho dẫn chất Các phương pháp nghiên cứu QSAR thừa nhận: (i) Tất dẫn chất nghiên cứu gắn kết liên kết không hóa trò với mục tiêu sinh học (protein, thụ thể, enzym, DNA…) (ii) Dẫn chất có cấu trúc tương tự có đònh hướng không gian điểm gắn kết mục tiêu tác động (iii) Động lực học hệ thống bỏ qua Hiện có phương pháp sử dụng để nghiên cứu QSAR 2D-QSAR 3D-QSAR Tùy thuộc vào sở liệu chất nghiên cứu mà lựa chọn phương pháp thích hợp 2D-QSAR QSAR nghiên cứu liên quan hoạt tính sinh học chất có cấu trúc tương tự với thông số xác đònh hay đo Những thông số mô tả tính chất chất có ảnh hưởng đến tác động sinh học Có yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng sinh học (i) khả thân dầu [thông số thường dùng đại diện cho hệ số phân bố P (partition coefficient) số thân dầu π (lipophilic subtituent constant)], (ii) hiệu ứng không gian [hằng số lập thể Taft E s (Taft steric constant), khúc xạ phân tử mol MR (molar refractivity)], (iii) hiệu ứng điện tử [hằng số Hammett σ] Nghiên cứu bắt đầu vào thập niên 60 nghiên cứu mở đường Hansch-Fujita Free-Wilson Hansch Fujita đề xuất biểu hoạt tính sinh học chức phân tử mô tả Hoạt tính sinh học = f(các tham số mô tả cấu trúc phân tử) 66 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Các số liệu dùng để tạo phương trình QSAR tập hợp ma trận số mà hàng đại diện cho chất cột đại diện cho tính chất lý hóa (được gọi mô tả) Trong 2D-QSAR mô tả thường sử dụng số ð, ó, MR, E s… mà chuyển đổi từ dãy chất sang dãy chất khác Một số lượng lớn số dẫn chất thu thập Quá trình phân tích thống kê sử dụng số liệu để tìm mối quan hệ số liệu sinh học thông số mô tả chất Nghiên cứu thu mối liên hệ đònh lượng sử dụng hồi quy đa tuyến (multilinear regression MLR) Hiện có nhiều nhược điểm sử dụng phương pháp Để tránh mối liên hệ ý nghóa thống kê tương quan ngẫu nhiên, nghiên cứu 2D-QSAR cần áp dụng nguyên tắc sau: tỷ lệ chất nghiên cứu mô tả phải lớn mô tả phải tương quan với Bình phương tối thiểu phần (partial least squares PLS) sử dụng để giải vấn đề PLS giải nhiều biến số chí biến số cộng tuyến (cùng đường thẳng) PLS đặc biệt hữu dụng nhiều mô tả xem xét lúc Một lựa chọn khác sử dụng phân tích thành phần (principal component analysis PCA) kết hợp với hồi quy đa tuyến MLR PCA kỹ thuật thống kê chuyển dạng phần tập hợp số liệu tương quan chéo thành tập hợp nhỏ biến trực giao gọi thành phần (principal component – PC), mà thành phần có khả mô tả số liệu gốc Phân tích PCA dùng để mô tả hoạt tính sinh học phân tử đa dạng chứa dò vòng thơm Mục tiêu nghiên cứu xác đònh thành phần PC có liên quan tuyến tính cấu trúc hóa học với hoạt tính sinh học giúp cho nhà hóa dược học lựa chọn hợp lý dò vòng thích hợp để tổng hợp dẫn chất nhằm tối ưu hóa hoạt tính sinh học Mô hình Free-Wilson đưa năm 1964 thời điểm với mô hình Hansch sử dụng Các giá trò thò có giá trò đơn vò ứng với diện cấu trúc thứ cấp cấu trúc Giá trò thò xem tham số đơn lẻ phương trình hồi quy kiểu Hansch Điều thú vò phương pháp dùng phối hợp với phân tích Hansch Phương pháp kết hợp phối hợp ưu điểm mô hình Hansch Free-Wilson ứng dụng rộng rãi hai mô hình Các tham số tính chất lý hóa mô hình Hansch mô tả phần phân tử với phạm vi thay đổi rộng cấu trúc, biến số thò (indicator variable) mô hình Free-Wilson mã hóa tác động việc thay đổi cấu trúc mà mô tả cách khác Mối quan hệ toán học nhiều thông số hoạt tính sinh học chất xây dựng trình nghiên cứu QSAR Phương trình có từ phân tích số liệu phân tích hồi quy Giá trò số hồi quy r phân tích cho biết phù hợp tham số dùng để đưa phương trình Hansch Nếu giá trò r > 0,9 có nghóa tham số sử dụng phù hợp phương trình dự đoán xác cho cấu trúc lại tập hợp thử Phương trình Hansch dùng để dự đoán tác dụng sinh học chất có cấu trúc tương tự chất dùng để tạo phương trình Tuy nhiên, giá trò dự đoán có khác biệt với giá trò xác đònh thực nghiệm hoạt tính sinh học chất bò tác động yếu tố khác mà yếu tố không đề cập trình xây dựng phương trình Hansch Phương trình Hansch dùng để Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 67 tầm quan trọng tham số khác tác dụng thuốc Giá trò hệ số tham số phương trình Hansch nhỏ mức độ ảnh hưởng tham số nhỏ lên tác dụng sinh học chất dùng để tạo phương trình Các bước nghiên cứu 2D-QSAR Các thông số mô tả phân tử (i) Khả thân dầu Có hai thông số thường dùng để thể cho khả thân dầu chất, hệ số phân bố P số dầu π Hệ số phân bố P đại diện khả thân dầu toàn cấu trúc số dầu π liên quan đến khả thân dầu nhóm Hằng số phân bố P Trước đến điểm tác động tế bào quan thuốc phải thấm qua số màng tế bào Do số phân bố hệ dầu/nước (hay hữu cơ/nước) dùng thông số để xác đònh khả di chuyển thuốc xuyên qua màng tế bào Độ xác tương quan hoạt tính sinh học thuốc số phân bố P tùy thuộc vào hệ thống dung môi dùng để mô hình hóa màng tế bào Các dung môi hữu khác n-octanol, cloroform dầu olive dùng để đại diện cho màng tế bào (môi trường hữu cơ) nước tinh khiết dung dòch đệm dùng cho hệ môi trường nước Hệ n-octanol-nước thường lựa chọn để tiến hành nghiên cứu mô tả giống mức độ phân cực lipid Do đó, giá trò số phân bố P chất sở liệu thường giá trò xác đònh hệ phân bố n-octanol-nước Tuy nhiên, kết thu xác môi trường hữu 68 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý tương ứng trùng khớp với mức độ phân cực vùng, quan mà thuốc tác động Thí dụ n-octanol thường mang lại kết phù hợp cho thuốc hấp thu đường tiêu hóa dung môi phân cực dầu olive thường cho kết phù hợp thuốc phải thấm qua hàng rào máu não Các dung môi phân cực cloroform cho kết tốt thuốc hấp thu vùng miệng (mô mềm vùng miệng) Hằng số thân dầu hay số kỵ nước π Hằng số π phản ánh tham gia nhóm chi phối đến số phân bố xác đònh phương trình π = logPRH logPRX với PRH PRX số phân bố chất ban đầu (hợp chất mẫu, chưa có nhóm thế) số phân bố dẫn chất có nhóm X Tuy nhiên, dẫn chất có nhiều nhóm giá trò số π chất tổng giá trò π nhóm riêng lẻ (ii) Hiệu ứng điện tử Sự xếp điện tử cấu trúc thuốc cho có liên quan đến phân bố tác dụng thuốc Thuốc không phân cực thuốc phân cực dạng không ion hóa dễ dàng xuyên qua màng tế bào thuốc phân cực thuốc dạng ion hóa Hơn nữa, thuốc đến điểm tác động xếp điện tử phân tử thuốc đònh kiểu liên kết hình thành với receptor đònh hoạt tính sinh học thuốc Hammett người xác đònh hiệu ứng điện tử nhóm chức Hằng số Hammett σ Sự xếp điện tử phân tử phụ thuộc vào nhóm đẩy hút điện tử tìm thấy cấu trúc Nói cách khác, phân bố hay xếp điện tử liên quan đến hiệu ứng cảm ứng liên hợp nhóm cấu trúc Bằng cách dùng khái niệm này, số Hammett σ tính toán cho dẫn chất riêng lẻ khác phân tử acid benzoic Đầu tiên Hammett dùng số để tính toán số cân tốc độ phản ứng hóa học sau này, số dùng thông số điện tử nghiên cứu QSAR Hằng số Hammett tính toán theo phương trình σX= logKBX - logKB với KB, KBX số cân (hay số ion hóa) acid benzoic dẫn chất đơn acid benzoic Giá trò số Hammett σ thay đổi phụ thuộc vào toàn nhóm nhận cho điện tử toàn phân tử Giá trò σX KBX ngược lại, giá trò σX>0 phản ánh nhóm nhóm hút điện tử với KB < KBX (iii) Hiệu ứng không gian Hằng số lập thể Taft Es thông số dùng để mô tả mối quan hệ hình dáng, kích thước phân tử tác động sinh học Sau số lập thể Charton, số thể lập thể Verloop khúc xạ phân tử mol MR Hai thông số thường dùng để mô tả hiệu ứng không gian QSAR số lập thể Taft Es khúc xạ phân tử mol Hằng số lập thể Taft Es Taft dùng số tốc độ tương quan trình thủy phân môi trường acid este α-thế methyl ethanoate để xác đònh số lập thể tốc độ trình thủy phân phụ thuộc phần lớn vào yếu tố không gian Hằng số lập thể Taft Es tính toán theo công thức Es = logk(X-CH2COOCH3) - logk(CH3COOCH3) với k số tốc độ phản ứng thủy phân, giá trò Es = X= CH3 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 69 Khúc xạ phân tử mol MR Khúc xạ phân tử mol MR xác đònh thể tích dẫn chất khả phân cực chúng MR xác đònh công thức MR = [(n2-1)M]/[(n2+2)ρ], với n số khúc xạ, M liên quan đến khối lượng phân tử ρ tỷ trọng phân tử Giá trò M/ρ phản ánh thể tích phân tử, số khúc xạ phản ánh khả phân cực hợp chất (iv) Các tham số khác Hiện có nhiều tham số khác phản ánh phần hay toàn cấu trúc hóa học phân tử áp dụng QSAR Các tham số dùng mô tả tương quan cấu trúc hóa học tác dụng sinh học thu số thành công mức độ khác 3D-QSAR Phương pháp 2D-QSAR áp dụng cho trường hợp chất lựa chọn tập hợp nghiên cứu có khác ‘xương sống’ (backbone) Các phân tích 3D-QSAR phát triển để khắc phục vấn đề 3D-QSAR mô hình đònh lượng liên quan hoạt tính sinh học phân tử với tính chất (hay thông số, tham số) tính toán không gian chiều Năm 1988, phương pháp có tên CoMFA (Comparative molecular field analysis – Phân tích trường phân tử so sánh) đề xuất mô tả tính chất phân tử trường khác trường tính toán hệ thống đường kẻ ô đặn (regular grid) Các trường thường sử dụng không gian (steric - bố trí không gian nguyên tử thường thể liên quan đến nhóm có kích thước nhỏ hay lớn), điện tử (electronic - điện tích hay khả tích điện nhóm thế) CoMSIA (Comparative Molecular Similarity Index Analysis – Phân tích số tương đồng phân tử so sánh) có ưu điểm CoMFA nghiên cứu thêm trường liên kết hydro (chia làm yếu tố nhóm cho nhận liên kết hydro), khả kỵ nước Các áp dụng phương pháp CoMFA thành công nghiên cứu hóa dược chứng tỏ giá trò phương pháp đặc biệt trường hợp 2D-QSAR thất bại Các phân tử mô tả tính chất tính toán trực tiếp từ cấu dạng cho có hoạt tính sinh học Ngoài có nhiều phương pháp khác sử dụng 3D-QSAR Cấu trúc hệ thống kẻ Một khó khăn phân tích 3D-QSAR tìm quy luật gióng hàng (so hàng, kết hàng - alignment) thích hợp cho tập hợp chất nghiên cứu (training set) có nghóa cấu dạng có hoạt tính sinh học Trong số trường hợp thí dụ chất với số lượng lớn nối có khả quay cách gióng hàng khó có chí gióng hàng Việc nghiên cứu dãy dẫn chất có cấu trúc cứng dãy dẫn chất với giới hạn cấu dạng giúp cho việc tìm hay 70 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý xác đònh cấu dạng mang hoạt tính sinh học dẫn chất linh động (nhiều nối liên kết thay đổi) Vấn đề làm giới hạn khả ứng dụng CoMFA Để khắc phục vấn đề này, phương pháp không phụ thuộc vào gióng hàng phân tử phát triển Các mô tả CoMMA (Comparative molecular moment analysis – phân tích moment phân tử so sánh), EVA, WHIM hứa hẹn cải tiến phương pháp tạo mô tả 3D độc lập với xoay chuyển, đònh hướng phân tử không gian Do phân tích không cần phải gióng hàng Các mô tả khác với mô tả dựa khung lưới bề mặt mô tả không cần phải quan tâm đến tính chất xác đònh vò trí không gian Do trình bày cấu trúc 3D mô hình kết Ngoài ra, nghiên cứu 3D-QSAR tạo nhiều biến số mà tất biến ý nghóa đến kết cuối Do chương trình GOLPE phát triển để lựa chọn thông số có ý nghóa Gióng hàng dẫn chất 1,5-diarylpyrazol có tác động ức chế cyclooxygenase (nguồn: J Med Chem 2002, 45, 4816) Mô hình kết 3D-QSAR dẫn chất 1,5-diarylpyrazol có tác động ức chế cyclooxygenase CoMFA CoMFA mô tả steric electrostatic Phần A thể cho khu vực nhóm lớn tăng tác dụng, màu B thể cho nhóm lớn vò trí giảm tác dụng Nhóm tích điện dương tăng cường tác động phần C, ngược lại khu vực D tăng cường tác dụng nhóm tích điện âm (nguồn: J Med Chem., 2002, 45, 4816) Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý 71 Tiến trình xây dựng mô hình 3D-QSAR CoMFA/CoMSIA Nguồn: Tạp chí Dược học, 2007, 47(12), 24-30 2.2.2.2.Trường hợp cấu trúc 3D protein xác đònh Khi cấu trúc protein mục tiêu xác đònh trình tối ưu hóa chất khởi nguồn dễ dàng tốn thời gian, đặc biệt cấu trúc phức hợp protein có gắn kết với ligand xác đònh Khi có cấu trúc 3D dẫn chất gắn kết với protein giúp cho nhà hóa dược dễ dàng thiết kế thay đổi cấu trúc chất khởi nguồn Ngoài việc hiểu cấu dạng mang hoạt tính sinh học, cấu trúc phức hợp protein-ligand cho phép quan sát ligand gắn kết với phân tử protein đích, tương tác hay liên kết đặc biệt quan trọng trình nhận diện phân tử xác đònh Cấu trúc phức hợp protein-ligand thu từ thí nghiệm kết tinh nhiễu xạ tia X NMR máy tính nhờ chương trình docking (khi có cấu trúc protein) Cấu trúc 3D phức hợp protein-ligand diện ngân hàng liệu protein (protein data bank) 72 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Cấu trúc 3D protein Thử nghiệm sinh học Phân tích máy tính Thiết kế ligand Tối ưu hóa chất khởi nguồn Cấu trúc 3D phức hợp protein-ligand Tổng hợp Chất khởi nguồn Quá trình thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc (structure-based drug design) Từ thông tin có từ cấu trúc phức hợp mục tiêu tác động-ligand giúp tăng cường hiệu trình tối ưu hóa cấu trúc ligand, dẫn chất hệ sau thiết kế, tổng hợp thử nghiệm hoạt tính sinh học Cấu trúc 3D phức hợp mục tiêu tác động dẫn chất ligand xác đònh lại để kiểm tra hiệu trình thiết kế Quá trình lặp lại theo vòng thiết kế, tổng hợp, thử nghiệm để cuối tạo chất có hoạt tính sinh học cao chuyên biệt cho mục tiêu tác động 2.2.3 Các phần mềm sử dụng thiết kế thuốc Sybyl, 7.2 ed SYBYL molecular modeling software, Tripos Inc.: St Louis, MO, 2008 http://www.tripos.com Molecular Operating Environment MOE 2007.06 Chemical Computing Group Inc., Montreal, H3A 2R7 Canada, http://www.chemcomp.com DOCK 6.2 UCSF, http://dock.compbio.ucsf.edu/DOCK_6/index.htm ChemDraw Ultra, 8.0, Chemical structure drawing standard, CambrigdeSoft Corporation USA, 2003 www.cambrigdesoft.com CS Chem3D Ultra, 8.0, Molecular modeling and analysis, CambrigdeSoft Corporation USA, 2003 www.cambrigdesoft.com Chimera, UCSF Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics, http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ Câu hỏi lượng giá Số lượng nhóm nhận liên kết hydro nhóm chức este A B C D E Nguyên tử đầu dò thường dùng để tính toán tham số cấu trúc 3D là: A Nguyên tử H ion hoá B Nguyên tử C ion hoá C Nguyên tử O ion hoá D Nguyên tử N ion hoá E Nguyên tử S ion hoá Pharmacophore: A vò trí không gian chiều cấu trúc có khả tạo liên kết với mục tiêu B nhóm chức đònh hoạt tính sinh học C vò trí đại diện cho nguyên tố có khả tạo liên kết với mục tiêu D mẫu số chung chất E nhóm chức hóa học thể liên kết hydro Chọn ý tương ứng: 73 Hóa dược thiết kế thuốc hợp lý Hiệu ứng không (steric) Electrostatic Liên kết hydro gian I Nhóm có kích thước nhỏ hay lớn II Nhóm cho liên kết hydro III Khả tích điện nhóm IV Nhóm nhận liên kết hydro B 1: I ; 2: III ; 3: II, IV C 1: III ; 2: I ; 3: I, II E 1: II, IV ; 2: III ; 3: I A 1: I ; 2: III ; 3: II, III D 1: III ; 2: II ; 3: I, IV Chọn ý tương ứng: I Thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc Cấu trúc 3D protein biết II Thiết kế thuốc dựa vào giả thuyết Cấu trúc 3D protein chưa biết III Thiết kế thuốc dựa vào nhóm mang hoạt tính Cấu trúc hoạt chất biết sinh học Cấu trúc hoạt chất chưa biết A I: 1,3 ; II: 1,4 ; III: 2,3 B I:1,4 ; II: 1,3 ; III: 2,4 C I: 1,4 ; II: 1,3 ; III: 2,3 D I: 1,3 ; II: 2,4 ; III: 2,3 E I: 2,3 ; II: 2,4 ; III: 1,3 Cấu trúc chiều protein có từ : A Cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X B Cấu trúc dung dòch nhiễu xạ tia X C Cấu trúc homology D A C E A, B C Độ xác cấu trúc protein thể thông số: A Trình tự acid amin B Độ phân giải C Độ nhiễu xạ tinh thể tia X D Độ nhiễu xạ điện tử tia X E Mật độ điện tử phân tử protein Yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến kết 3D-QSAR A Gióng hàng phân tử B Xác đònh tham số C Yếu tố steric, liên kết hydrogen, hydrophobic D Phương trình hồi quy tuyến tính E Tập hợp thử nghiệm (training set) tập hợp kiểm tra (testing set) Chương trình dùng để xác đònh cấu dạng có mức lượng tối thiểu toàn phần: A Tối thiểu hoá lượng B Động lực học phân tử C Khả tích tónh điện phân tử D Quay toàn liên kết E B D 10 Luật Lipinski có liên quan đến yếu tố: A Phân tử lượng, logP, khả thân dầu B Liên kết hydro, logP, khả thân nước C Hằng số phân bố dầu nước, liên kết hydro, trọng lượng phân tử D Phân tử lượng, khả cho nhận liên kết hydro E Cấu dạng phân tử, liên kết hydro, khả thân dầu chất khởi nguồn 59 CoMFA 69 CoMMA 70 CoMSIA 69 Docking 54 modeling 58 Pharmacophore 55 QSAR .65 SAR .59 [...]... thiết kế thuốc hợp lý đònh Cấu trúc: chưa xác đònh (NMR, Docking, tìm kiếm trên cơ sở dữ liệu…) Thiết kế thuốc dựa vào giả thuyết (Thiết kế ‘de novo’, Docking…) hay thiết kế thuốc dựa vào nhóm mang hoạt tính sinh học (Tìm kiếm trên cơ sở dữ liệu, QSAR…) Tạo cấu trúc 3D, Hóa tin học (Tìm kiếm các chất giống nhau, sàng lọc hợp lý, HTS) 2.2 .1 Thiết kế thuốc trong quá trình tạo ra chất khởi nguồn 2.2 .1.1... tính và khơng có hoạt tính Trong thiết kế trực tiếp thì nghiên cứu trực tiếp trên cấu trúc 3D của mục tiêu tác động Bốn trường hợp cơ bản trong thiết kế thuốc hợp lý Mục tiêu tác động Cấu trúc 3D: xác đònh (Tạo chất khởi nguồn) (Tối ưu hóa chất khởi nguồn - Lead optimization) Thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc Thiết kế thuốc dựa vào ligand Ligand Cấu trúc: xác Cấu trúc 3D: chưa xác đònh 59 Hóa dược và thiết. .. xứng Hóa dược và thiết kế thuốc hợp lý 65 2.2 .2 Thiết kế thuốc trong quá trình tối ưu hóa chất khởi nguồn Khi chất khởi nguồn được xác đònh thì bước kế tiếp sẽ là bước tối ưu hóa cấu trúc Trong hóa dược, quá trình tối ưu hóa chất khởi nguồn quan tâm đến nhiều khía cạnh như tối ưu hóa khả năng (ái lực) liên kết lên mục tiêu đích, độc tính, sinh khả dụng đường uống, tính thấm qua tế bào, khả năng gắn kết... việc thiết kế tự động các ligand cho các protein đích như phương pháp xây dựng ‘builder’, phương pháp lắp ghép ‘hybrid’… Mô tả phương pháp xây dựng ‘builder’ trong thiết kế ‘de novo’ 64 Hóa dược và thiết kế thuốc hợp lý Mô tả phương pháp lắp ghép ‘hybrid’ trong thiết kế ‘de novo’ Một cách tổng quát, quá trình thiết kế ‘de novo’ gồm 3 phần: (i) Xác đònh giới hạn: các giới hạn về không gian và cấu trúc hóa. .. liệu protein (protein data bank) 72 Hóa dược và thiết kế thuốc hợp lý Cấu trúc 3D của protein Thử nghiệm sinh học Phân tích trên máy tính Thiết kế ligand Tối ưu hóa chất khởi nguồn Cấu trúc 3D của phức hợp protein-ligand Tổng hợp Chất khởi nguồn mới Quá trình thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc (structure-based drug design) Từ các thông tin có được từ cấu trúc phức hợp mục tiêu tác động-ligand sẽ giúp... n-octanol-nước Tuy nhiên, kết quả thu được sẽ chính xác hơn nếu môi trường hữu cơ 68 Hóa dược và thiết kế thuốc hợp lý tương ứng hoặc trùng khớp với mức độ phân cực của vùng, cơ quan mà thuốc sẽ tác động Thí dụ như n-octanol thường mang lại kết quả phù hợp cho các thuốc được hấp thu tại đường tiêu hóa trong khi các dung môi kém phân cực hơn như dầu olive thường cho kết quả phù hợp hơn đối với các thuốc phải thấm... đồ 3D của các năng lượng liên kết này sẽ được giữ lại và khi một ligand docking vào receptor thì các nguyên tố gần nhất của mỗi điểm trên đường kẻ ô được xác đònh và năng 57 Hóa dược và thiết kế thuốc hợp lý lượng liên kết được đọc trực tiếp trên bảng này và sau đó được cộng lại để đưa ra điểm số cho quá trình gắn kết 2.1 .9 Sàng lọc tự động trên cơ sở dữ liệu các cấu trúc hóa học (Automated screening... tùy thuộc vào thơng tin hiện có của cấu trúc mục tiêu tác động (enzym, thụ thể, DNA…có hay khơng có cấu trúc tinh thể, có gắn kết với cấu tử hay khơng) cũng như cấu trúc, cấu dạng cuả các thuốc, các chất gắn kết với mục tiêu đó (trong thiết kế thuốc được gọi là ligand) Thiết kế “trực tiếp” và “gián tiếp” là 2 phương pháp ‘modeling’ chủ yếu dùng trong q trình thiết kế thuốc Phương pháp thiết kế gián tiếp... trúc hợp chất có khả năng gắn kết với protein này có thể thiết kế và cách thiết kế ra cấu trúc ligand như vậy gọi là thiết kế ‘de novo’ Quá trình này là quá trình tạo nên một phức hợp giữa ligand và protein Đó là một phức hợp ở trạng thái cân bằng Ligand liên kết với protein phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thay đổi do sự tương tác giữa các nguyên tử trong ligand, môi trường (nước, dòch tế bào) và protein... cấu trúc thuốc được cho là có liên quan đến sự phân bố cũng như tác dụng của thuốc Thuốc không phân cực và thuốc phân cực ở dạng không ion hóa sẽ dễ dàng đi xuyên qua màng tế bào hơn là thuốc phân cực và thuốc ở dạng ion hóa Hơn nữa, khi thuốc đến điểm tác động thì sự sắp xếp điện tử của phân tử thuốc sẽ quyết đònh kiểu liên kết hình thành với receptor và quyết đònh hoạt tính sinh học của thuốc đó