BỆNH ALZHEIMER VÀ VAI TRÒ CỦA BETA-SECRETASE
BỆNH ALZHEIMER
1.1.1 Sơ lược về bệnh Alzheimer
Bệnh Alzheimer, được đặt tên bởi bác sĩ Alois Alzheimer vào năm 1907, lần đầu tiên được mô tả tại cuộc họp của Hiệp hội các nhà tâm thần học ở Tübingen, Đức, khi ông theo dõi một bệnh nhân nữ 50 tuổi tên là Auguste trong 5 năm Bà Auguste gặp phải các triệu chứng như rối loạn giấc ngủ, hoang tưởng và suy giảm trí nhớ cho đến khi qua đời Đây là một dạng bệnh mất trí nhớ với các triệu chứng chủ yếu liên quan đến sự suy giảm trí nhớ.
Báo cáo của Alois Alzheimer đã chỉ ra sự hiện diện của các mảng bám và đám xơ rối trong mô não, dẫn đến việc Kraepelin đặt tên bệnh Alzheimer trong lần tái bản thứ 8 của cuốn Tâm thần học vào năm 1910.
Giữa năm 1909 và 1911, Alois Alzheimer đã công bố thêm ba trường hợp tương tự như phát hiện ban đầu vào năm 1906, cùng với một trường hợp biến thể (Josef F.) chỉ có mảng bám Ông chỉ ra rằng mảng bám và đám xơ rối là biểu hiện của các giai đoạn khác nhau trong cùng một quá trình phát triển bệnh lý.
Sau hơn 10 năm được phát hiện, bệnh Alzheimer đã trở thành một trong những bệnh lý phổ biến nhất trong nhóm bệnh sa sút trí tuệ, với số lượng bệnh nhân báo cáo tăng nhanh chóng trong thập kỷ qua.
Theo thống kê của Hiệp hội Alzheimer thế giới năm 2015, tỷ lệ mắc bệnh Alzheimer tăng theo độ tuổi, từ khoảng 5% ở người dưới 75 tuổi lên tới 40-50% ở những người trên 85 tuổi Bệnh Alzheimer không chỉ gây ra gánh nặng tài chính lớn cho việc điều trị mà còn ảnh hưởng nặng nề đến sức khỏe thể chất và tinh thần của bệnh nhân cũng như người thân của họ.
Các dân tộc khác nhau có tỷ lệ mắc bệnh khác nhau, với người da trắng có tỷ lệ mắc bệnh thấp hơn so với người Mỹ gốc Phi và Tây Ban Nha Người châu Á cũng có tỷ lệ mắc bệnh thấp hơn ở nhiều khu vực Một số nghiên cứu cho thấy yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ mắc bệnh, ví dụ như người Nhật sống tại Mỹ có tỷ lệ mắc bệnh cao hơn so với người Nhật sống ở Nhật Bản.
Tăng huyết áp tâm thu và tăng cholesterol máu sẽ có nguy cơ cao bị Alzheimer hơn những người bình thường
Hội chứng Down: người bị chứng này sẽ bị Alzheimer khi sống đến 40 tuổi và những và mẹ sinh con bị Down sẽ có nguy cơ cao bị Alzheimer [1]
Yếu tố di truyền đã được xác nhận là nguyên nhân gây bệnh Alzheimer, đặc biệt trong 5% trường hợp bệnh nhân mắc Alzheimer khởi phát sớm Các biến đổi nhiễm sắc thể di truyền theo kiểu gen trội, tự thân, nhưng trong gia đình có người mang biến dị nhiễm sắc thể, tuổi khởi phát bệnh và biểu hiện triệu chứng vẫn có sự khác biệt.
Biến đổi gen của protein tiền chất amyloid (APP) trên nhiễm sắc thể 21 đã được ghi nhận ở bệnh nhân Alzheimer khởi phát sớm có tính chất gia đình Những biến đổi này diễn ra gần đầu và phần cuối của chuỗi peptid, ảnh hưởng đến quá trình dị hóa APP, dẫn đến việc tăng sản xuất amyloid β, đặc biệt là dạng có 42 acid amin, gây chết nơ ron Ngoài ra, các biến đổi trên preseniline 1 và preseniline 2 cũng góp phần làm tăng sản xuất protein Aβ42.
Có ba kiểu gen được xác định là có khả năng gây ra bệnh Alzheimer khởi phát muộn, trong đó gen Apolipoprotein E (ApoE) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình tổng hợp.
Protein ApoE có ba loại chính: ApoE2, ApoE3 và ApoE4 Trong đó, ApoE4 được xác định là có khả năng làm tăng lắng đọng protein Aò, dẫn đến sự thay đổi trong quá trình kết tập của các Amyloid, tạo ra các mảng lắng đọng gây suy giảm chức năng thần kinh Gen ApoE mang allele ΨF4 xuất hiện ở 50% bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer.
Ngoài các nguyên nhân trên, còn một số yếu tố khác dẫn đến hình thành AD
Nhiễm độc nhôm có thể liên quan đến sự gia tăng lắng đọng protein Amyloid β và số lượng đám rối sợi thần kinh trong não của bệnh nhân Alzheimer.
- Yếu tố nhiễm trùng (virus chậm) giống như bệnh creutzfeld-Jakob
Rối loạn chuyển hoá có thể dẫn đến phản ứng oxy hoá quá mức, làm gia tăng số lượng gốc tự do Những gốc tự do này được cho là liên quan đến sự kết hợp và lắng đọng protein Aβ, gây ra cái chết cho tế bào thần kinh Ngoài ra, sự giảm lưu lượng máu não và rối loạn sinh tổng hợp các yếu tố dinh dưỡng thần kinh cũng được giả định đóng vai trò quan trọng trong cơ chế gây bệnh Alzheimer.
Rối loạn trí nhớ là triệu chứng sớm và phổ biến nhất của bệnh Alzheimer, thường tiến triển theo quy luật Ribot, trong đó thông tin mới dễ bị quên hơn so với thông tin cũ Bệnh nhân có khả năng nhớ rõ các sự kiện từ nhiều năm trước nhưng lại quên những điều xảy ra chỉ vài phút trước Ở giai đoạn nặng, họ có thể mất cả trí nhớ lâu năm, bao gồm những kỷ niệm thời thơ ấu, tên của người phối ngẫu, và những hoạt động đã từng làm.
1.1.4.2 Rối loạn ngôn ngữ giác quan
Bệnh Alzheimer thường gây ra những triệu chứng phổ biến, trong đó có rối loạn định hướng không gian và thời gian Nhiều bệnh nhân gặp khó khăn trong việc nhận biết bên trái và bên phải Rối loạn ngôn ngữ có thể xuất hiện sớm, thể hiện qua việc giảm tính trôi chảy và lưu loát khi giao tiếp, cũng như hiện tượng nói lặp từ, sử dụng ngôn ngữ không phù hợp và ngập ngừng trong lời nói.
1.1.4.3 Các thay đổi về cảm xúc
Các biểu hiện như đờ đẫn, lo âu và dễ bị kích thích thường gặp ở bệnh nhân dưới 59 tuổi Khoảng 75% bệnh nhân Alzheimer cũng trải qua các triệu chứng bàng quan, trầm cảm và vô cảm Nhiều người cho rằng trầm cảm là một triệu chứng phổ biến và thường xuất hiện sớm trong quá trình phát triển của bệnh Alzheimer.
Alzheimer - khi mà bệnh nhân vẫn còn duy trì được khả năng tự nhận thức về bệnh của mình [1], [2], [21], [58]
1.1.4.4 Mất tri giác về bệnh
VAI TRÒ CỦA BETA-SECRETASE TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH
1.2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BỆNH ALZHEIMER
Alzheimer chủ yếu phát sinh do sự xuất hiện của hai loại tổn thương trong não: mảng bám amyloid β (Aβ) ở ngoại bào và đám rối sợi thần kinh (NTFs) ở nội bào Những tổn thương này dẫn đến suy giảm chức năng của tế bào thần kinh và gây chết tế bào thần kinh.
Sự thoái hoá thần kinh thường bắt đầu từ 20-30 năm trước khi người bệnh xuất hiện bất kỳ triệu chứng lâm sàng nào Các thay đổi bệnh lý có thể quan sát thấy ở khắp vỏ não và các cấu trúc lân cận, đặc biệt là tại vùng đồi thị.
Alzheimer được gây ra bởi sự tích tụ protein amyloid β với cấu trúc gấp nếp bất thường, tạo thành các mảng amyloid Những vi sợi amyloid này được xem là có độc tố, làm rối loạn cân bằng ion canxi trong tế bào và kích hoạt quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis) Tuy nhiên, mật độ và vị trí của mảng bám amyloid không liên quan đến triệu chứng hoặc mức độ nghiêm trọng của bệnh Alzheimer.
Nghiên cứu cho thấy nồng độ amyloid β trong dịch não tủy giảm khoảng 25 năm trước khi bệnh khởi phát Sự tích tụ amyloid β trong não xảy ra khoảng 15 năm trước khi có triệu chứng, dẫn đến suy giảm ký ức xuất hiện 10 năm trước triệu chứng Cuối cùng, suy giảm nhận thức diễn ra khoảng 5 năm trước khi triệu chứng xuất hiện.
Bệnh Alzheimer được xem là một rối loạn liên quan đến sự phosphoryl hóa quá mức của protein tau, một protein có vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc vi ống sợi trục thông qua việc liên kết với tubulin Sự thay đổi này trong protein tau có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của bệnh Alzheimer.
Protein tau tách khỏi vi ống dẫn đến quá trình phosphoryl hóa bất thường, gây ra sự xoắn lại của các vi ống và hình thành các đám rối sợi thần kinh (NFTs) Những sợi này ảnh hưởng đáng kể đến chức năng nội bào.
Sơ đồ 1.1 Sơ đồ bệnh sinh chứng sa sút trí tuệ
- Gen gây co địa dễ bị bệnh
- Yếu tố biểu sinh: tuổi già, chấn thương sọ não, trí tuệ…
- Nhiễm độc (nhôm, gốc tự do…)
- Gen gây cơ địa dễ bị bệnh (ApoE4)
Aβ (Aβ42) Đám rối sợi xoắn kép- Tau Sự kết tập Aβ
Các mảng lão suy - viêm thần kinh Nền não trước và các hạt nhân ở thân não
Thiếu hụt chất dẫn não truyền thần kinh
Chứng sa sút trí tuệ
1.2.2 Sự hình thành mảng bám amyloid do β-secretase
Mảng bám Aβ hình thành từ sự phân giải protein tiền chất amyloid (APP), một glycoprotein xuyên màng dài 770 acid amin, chủ yếu xuất hiện trong các khớp thần kinh của neuron APP được phân cắt bởi ba enzym chính: α-secretase, β-secretase và γ-secretase, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành mảng bám này.
Hình 1.2 Quá trình phân giải APP tạo ra Amyloid β
APP được phân cắt bởi β-secretase và α-secretase, tương ứng với hai con đường amyloidogenic và non-amyloidogenic Phân cắt bởi α-secretase chiếm hơn 90% trong cơ thể con người, nhưng stress oxy hóa làm giảm hoạt tính của α-secretase, dẫn đến tăng cường biểu hiện và kích hoạt β-secretase Sản phẩm từ phân cắt α-secretase là sAPPα và C83, có vai trò quan trọng trong dẫn truyền thần kinh tại synap, trong khi β-secretase tạo ra sAPPβ và C99.
Sản phẩm C83 và C99 được cắt bởi γ-secretase, một phức hợp đa enzyme bao gồm presenilin 1 và 2, mà đột biến của presenilin liên quan đến bệnh Alzheimer di truyền Khi C99 bị tác động bởi γ-secretase, nó tạo ra hai phân đoạn không hòa tan là Aβ40 và Aβ42, trong đó Aβ42 có tính chất độc hại hơn và được sản xuất nhiều hơn so với Aβ40.
Các monomer kết tụ thành oligomer, bao gồm dimer và trimer, là các chất độc thần kinh Những oligomer này không tan và bám quanh tế bào thần kinh, dẫn đến sự hình thành các mảng amyloid beta.
Hình 1.3 Quá trình tích tụ Aβ thành các oligomer
In addition to Amyloid beta, the intracellular domain of the amyloid precursor protein (AICD) also disrupts communication between neurons during the progression of Alzheimer's disease.
1.2.3 Sự hình thành đám rối sợi thần kinh (NFTs) do protein Tau
1.2.3.1 Protein Tau và phosphoryl hóa quá mức protein Tau
Protein Tau là một loại protein liên kết chủ yếu có mặt trong hệ thần kinh trung ương và ngoại vi, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các vi ống của tế bào thần kinh Vi ống là yếu tố thiết yếu để duy trì cấu trúc neuron, hỗ trợ vận chuyển trong sợi trục và đảm bảo sự dẻo dai của synap.
Protein Tau có 6 đồng phân, phụ thuộc vào ba hoặc bốn vị trí liên kết với tubulin, được điều chỉnh bởi trạng thái phosphoryl hóa Đồng phân Tau dài nhất có khoảng 79 vị trí phosphoryl hóa, trong khi protein Tau bình thường có khoảng 30 vị trí Sự phosphoryl hóa của protein Tau tương tác với tubulin, giúp ổn định sự lắp ráp vi ống Ở người trưởng thành, protein Tau trải qua quá trình dephosphoryl hóa để duy trì sự ổn định của vi thể và cân bằng nội môi tế bào.
Trong não khỏe mạnh, quá trình phosphoryl hóa Tau được cân bằng bởi O-GlcNAcyl hóa Tuy nhiên, các yếu tố liên quan đến bệnh Alzheimer, bao gồm môi trường và di truyền, có thể gây ra tình trạng thiếu glucose hoặc giảm chuyển hóa glucose, dẫn đến sự suy giảm O-GlcNAcyl Kết quả là, quá trình phosphoryl hóa Tau gia tăng, góp phần vào sự phát triển của bệnh.
1.2.3.2 Quá trình hình thành đám rối sợi thần kinh (NFTs)
Protein Tau bị phosphoryl hóa quá mức không còn gắn kết bền vững với tubulin, dẫn đến việc chúng tách rời khỏi vi ống và hình thành oligomer Quá trình này tạo ra các kẹp đôi xoắn ốc (PHFs), và PHFs sau đó kết hợp với các sợi thẳng để hình thành đám rối sợi thần kinh (NFTs).
CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA BETA-SECRETASE
Chúng tôi tiến hành phân tích cấu trúc BACE1 được công bố bởi tác giả Hong L và cộng sự, với mã số 1M4H và 1SGZ, được lưu trữ trong ngân hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank).
BACE-1 là một protein màng loại I gồm 501 axit amin, chủ yếu có mặt trong bộ máy Golgi và được phát hiện vào năm 1999 Protein này hoạt động hiệu quả nhất ở pH từ 4,5 đến 5,5, với hai tâm aspartate xúc tác là Asp32 và Asp228 nằm giữa đầu N và đầu C.
BACE-1 có một vòng kẹp gọi là nắp, bao gồm 11 acid amin nằm giữa Val67 và Glu77, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của túi liên kết Nắp này là khu vực linh hoạt nhất của enzyme và tồn tại ở hai cấu dạng khác nhau Một trong các cấu dạng của enzyme được gọi là dạng đóng, trong đó nhóm hydroxyl của Tyr71 có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của enzyme.
NH (NH của nhân indole) của Trp76 tồn tại liên kết hydro
Cấu dạng nắp đóng của BACE-1 xuất hiện khi enzyme này liên kết với các cơ chất, trong khi cấu dạng nắp mở được quan sát thấy ở trạng thái tự do, không có liên kết với cơ chất Trong cấu dạng mở, nắp di chuyển ra xa các trung tâm Asp xúc tác và không tạo ra liên kết hydro.
Vòng 10s là một đặc điểm quan trọng của enzyme bace-1, bao gồm chuỗi liên tục Lys9-Tyr14 và nằm trong túi S3 của β-secretase Khi vòng 10s ở trong cấu hình mở, sự liên kết giữa cơ chất và túi S3 trở nên tốt hơn.
Cấu trúc tinh thể của chất ức chế BACE1 được xác định ở độ phân giải 2A o và 2.1A o với cấu dạng nắp mở và nắp đóng [22], [23]
Hình 1.7 Cấu trúc bậc 2 cuả dạng nắp mở và nắp đóng
Hình 1.8 Cấu trúc bậc 3 của dạng nắp mở và nắp đóng
Các vị trí trong khu vực hoạt động đã được xác định với những đặc điểm riêng Cụ thể, vị trí S2 và S4 có tính thân nước, trong khi S1 và S3 chủ yếu là thân dầu.
[23], [45] BACE1 có thể chứa 8 chuỗi với vị trí S’ cho thấy có thể gắn được nhiều nhóm khác nhau nhất
MỘT SỐ CHẤT ỨC CHẾ ENZYME BETA-SECRETASE HƯỚNG ĐIỀU TRỊ ALZHEIMER ĐƯỢC NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY
CHẤT ỨC CHẾ DỰA TRÊN CẤU TRÚC
The active region of beta-secretase is divided into several binding sites labeled S4, S3, S2, S1, S1', S2', S3', and S4' Each site can accommodate various amino acids, with S1 showing a preference for Leucine, followed by Phenylalanine, Methionine, and Tyrosine The S2 site favors Aspartic acid over Asparagine and Methionine, while S3 prioritizes Isoleucine, then Valine and Leucine In the S4 site, Glutamic acid is preferred over Glutamine and Aspartic acid For S1', Methionine is the most favored, followed by Glutamic acid, Glutamine, and Alanine S2' prefers Valine, then Isoleucine and Alanine, while S3' favors Leucine over Tryptophan and Alanine Finally, the S4' site shows a preference for Aspartic acid, followed by Glutamic acid and Tryptophan.
Hình 2.1 Các vị trí hoạt động của beta-secretase
Nhánh S cho thấy sự đặc hiệu cao hơn so với nhánh S’ Qua quá trình thủy phân, một peptide gồm 8 acid amin tối ưu (Glu-Ile-Asp-Leu-Met-Val-Leu-Asp) đã được xác định Việc gắn kết memapsin 2 với các chất ức chế giúp xác định acid amin phù hợp tại 4 vị trí, với thứ tự ưu tiên như sau: S2 với acid Aspartic và acid Glutamic; S3 với Leucin và Isoleucin; S2' với Valine; và S3' với acid Glutamic và Glutamine.
OM99-2 là chất ức chế đầu tiên được phát triển dựa trên β-secretase, được báo cáo bởi Ghosh và cộng sự vào năm 2012 Chất này bao gồm tám peptide Glu-Val-Asn-Leu-Ala-Ala-Glu-Phe và thể hiện khả năng ức chế mạnh mẽ đối với enzyme BACE-1 với giá trị Ki đáng chú ý.
= 1,6 nM Phương pháp tinh thể tia X về phức hợp β-secretase OM99-2 [22], [50] đã cung cấp hiểu biết về các tương tác trong tám khu vực trên
Hình 2.2: Cấu trúc và các vị trí liên kết của OM99-2 với enzyme
Trình tự đánh số của acid amin trên cơ chất BACE-1 được xác định bởi sự phân bố của chúng ở hai bên của chuỗi phân tách, với các vị trí được đánh số từ đầu amino đến carboxy là P4, P3, P2, P1, P1’, P2’, P3’, P4’ Đặc biệt, các vị trí P1 và P3 thường có tính kị nước, trong khi P1’ thường mang điện tích âm.
Năm acid amin đầu NH2 của OM99-2 có cấu trúc mở rộng, ngoại trừ P1-Ala Vị trí S4 có tính ưa nước, tạo cấu dạng mở trong dung môi Chất ức chế với chuỗi bên P4-Glu hình thành liên kết hydro với P2-Asn và gần gũi với chuỗi Arg2 và Arg307 Vị trí S2 cũng mang tính ưa nước tương đối.
Các memapsin2 S1 và S3 có tính chất kỵ nước, với chất ức chế chứa chuỗi bên P3-Val và P1-Leu được sắp xếp gần nhau, tạo nên kết nối kị nước với enzyme Đặc biệt, P1 tương tác với Tyr71 và Phe108 Trong APP nguyên bản, acid amin P2 và P1 gần BACE-1, nơi chúng bẻ gãy Lys và Met Chuỗi bên P2-Asn tạo liên kết hydro với P4 Glu và Arg235 Việc thay thế P2-Asn bằng Lys làm giảm liên kết hydro và điện tích dương, dẫn đến giảm tương tác với Arg235 P1-Met không hiệu quả như P1-Leu.
Vị trí P1’-Ala không ảnh hưởng đến cấu trúc nắp đóng lại Chất ức chế tại P2’ dẫn đến sự quay về bề mặt của protein của P3’ và P4’ Kết quả là P3’ và P4’ ít tương tác với protease, gây ra sự thay đổi cấu trúc ở P2’, P3’ và P4’ không đáng kể ở các chất ức chế.
Tối ưu hóa OM99-2 đã được thực hiện với chất ức chế OM00-3, và cấu trúc tinh thể của BACE1 cùng phức hợp OM00-3 đã được xác định với độ phân giải 2.1 Å Chất ức chế này cho thấy giá trị Ki trong vùng hoạt động là 0,3 nM, đồng thời thể hiện hiệu lực mạnh mẽ gấp 5 lần so với OM99-2.
Chất ức chế OM00-3 có các ưu tiên vị trí cụ thể, trong đó P4 ưu tiên glutamine hơn glutamate và aspartate, P3 ưu tiên isoleucine hơn valine, P2 ưu tiên aspartate hơn asparagine, trong khi P1 ưu tiên leucine, phenylalanine và methionine, với P1 là vị trí đặc hiệu nhất Các axit hoặc gốc phân cực được ưu tiên ở P2 và P1 Đặc biệt, P2'-Valine được đưa vào chất ức chế 2, trong khi OM00-3 duy trì cấu hình của OM99-2 từ P3 đến P2', nhưng vẫn giữ hình dạng mở rộng qua P2' Cấu hình này ổn định nhờ vào liên kết hydro từ gốc carbonyl của P3 đến chuỗi bên của Arg235 và liên kết hydro giữa P4' và Tyr198.
Vì vậy, chất ức chế BACE-1 được chia làm hai loại chính:
- Chất ức chế BACE-1 giả peptide (pseudopeptide)
- Chất ức chế BACE-1 non-peptide
CÁC CHẤT ỨC CHẾ GIẢ PEPTIDE
Mục đích của thiết kế các chất ức chế mang khung peptide là cạnh tranh với các cơ chất tự nhiên của BACE-1 Trong trạng thái tự do, BACE-1 được cố định bởi một phân tử nước giữa hai tâm xúc tác Asp32 và Asp228, hỗ trợ quá trình thủy phân peptide giữa Methionine và Aspartic của APP Khi BACE1 tiếp xúc với chất ức chế, nhóm hydroxyl thay thế phân tử nước và tạo liên kết hydro chặt chẽ với axit aspartic, từ đó ngăn cản hoạt tính của BACE-1.
Hình 2.4 Cơ chế của enzyme BACE-1 cắt đứt liên kết peptid
Các chất ức chế cấu trúc peptid được phân loại theo khung tác dụng của chúng và thường có kích thước phân tử lớn.
Hình 2.5 Các khung sử dụng trong chất ức chế chứa peptid
2.2.2 Khó khăn trong thiết kế chất ức chế mang khung peptid
Ngoài cấu trúc peptide và kích thước phân tử, nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của thuốc ức chế BACE1 trong lâm sàng, bao gồm BACE-2, cathepsin D, tính thấm qua hàng rào máu não và hoạt động của bơm tống thuốc P-glycoprotein (Pgp).
BACE2, hay còn gọi là Asp1 và memapsin1, là một enzyme có độ tương đồng với BACE1 lên tới 75% về vị trí các acid amin Nghiên cứu cho thấy BACE2 có khả năng phân cắt APP, nhưng không tạo ra các mảng Aβ Thực tế, BACE2 phân cắt hiệu quả hơn trong vùng Aβ và làm suy giảm C99, tuy nhiên nó không đóng vai trò trong bệnh Alzheimer Cấu trúc của enzyme này tương tự BACE-1, dẫn đến khả năng các chất ức chế gắn vào BACE-2 thay vì BACE-1, gây giảm hoạt tính Do đó, các chất ức chế BACE-1 cần phải có độ chọn lọc cao đối với BACE-2.
Cathepsin D (CatD) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm protein, điều chỉnh quá trình chết tế bào và thủy phân cholesterol LDL, do đó việc chọn lọc CatD là rất cần thiết.
Việc ức chế enzyme CatD có thể dẫn đến các triệu chứng nghiêm trọng như co giật, mù lòa và rối loạn hệ thần kinh Do đó, việc phát triển thuốc cần đảm bảo tính chọn lọc cao đối với CatD.
Màng tế bào và tính thấm của hàng rào máu-não là yếu tố quan trọng trong phát triển chất ức chế BACE1, vì các chất ức chế này cần phải thâm nhập vào rào máu não để đạt hiệu quả tối ưu.
Một thách thức lớn trong thiết kế chất ức chế là sự hiện diện của bơm tống thuốc P-glycoprotein (Pgp), có khả năng loại bỏ chất ức chế ra khỏi tế bào Bơm tống thuốc này hoạt động bằng cách bơm ngược các chất đã được hấp thu, làm giảm nồng độ của chúng tại vị trí hoạt động và từ đó làm giảm hiệu quả tác dụng Pgp rất phổ biến trên hàng rào máu não, hạn chế khả năng đi qua của các chất là cơ chất của nó Do đó, ngay cả khi tính thấm ở hàng rào máu não đạt yêu cầu, bơm tống thuốc
Tối ưu hóa các chất ức chế chủ yếu nhằm giảm trọng lượng phân tử và tính chất peptid, đồng thời vẫn giữ nguyên các tương tác cần thiết và cải thiện các đặc tính dược động học.
CÁC CHẤT ỨC CHẾ NON-PEPTID
Mục tiêu phát triển chất ức chế non-peptid là tạo ra các chất ức chế nhỏ hơn, không chứa peptide với đặc tính dược động học tốt hơn và khả năng thâm nhập qua hàng rào máu não Nhiều hợp chất tự nhiên đã được chứng minh có khả năng ức chế BACE1 Các nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp như sàng lọc hiệu năng cao, sàng lọc ảo và sàng lọc dựa trên các mảnh vỡ, cho thấy rằng các dị vòng chứa amin và acyl guanidine có khả năng tạo liên kết hydro với enzyme, từ đó dẫn đến việc phát triển các khung chất ức chế mới.
Acyl guanidin 2-Aminopyridin Aminoimidazol Aminohydantoin
Hình 2.6 Các khung sử dụng trong chất ức chế không peptid
2.3.1 Chất ức chế BACE-1 chứa khung acyl guanidin
Năm 2006, Cole D và cộng sự đã tiến hành sàng lọc hiệu năng cao từ một thư viện các hợp chất thông qua phản ứng chuỗi polyperase (PCR) với các đầu dò chuyển năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FREET), từ đó phát hiện hợp chất 1a chưa từng được công bố trước đây Mặc dù hợp chất này có hiệu lực ức chế thấp, nhưng nó đã mở ra hướng đi mới trong thiết kế chất ức chế BACE-1, với giá trị IC50 là 3.7 àM.
Phức hợp 1a với BACE1 có cấu trúc tinh thể cho thấy acylguanidin tạo bốn liên kết hydro với acid aspartic Asp32 và Asp228 Sự tương tác π giữa pyrrol và vòng phenyl của Tyr71 giúp ổn định vùng nắp của phức hợp này.
Vòng phenyl chiếm ưu thế tại vị trí S1 của thân dầu, trong khi nhóm para của P1-phenyl định hướng vào vị trí S3, làm tăng khả năng liên kết Tại vị trí S2, nhóm phenyl tạo liên kết π với Trp76 Ngược lại, nhóm S2’ cho phép các nhóm phân cực hơn hoặc hút điện tử gắn vào, từ đó tạo ra liên kết hydro trực tiếp.
BACE-1 hoặc thông qua phân tử nước [8] Khi thay thế phenyl trong hợp chất 1a bằng adamantyl được chất 1c cú IC50 là 0.6àM, gấp 6 lần hợp chất đầu Hợp chất
Hợp chất 1c thể hiện hoạt tính vượt trội với giá trị IC50 đạt 160 nM, nhờ vào nhóm 4-acetoxyphenoxy gắn vào phenyl P1, cho thấy nhóm phenyl đã mở rộng từ vị trí S1 đến vị trí S3, tương tự như hợp chất đầu tiên.
Hình 2.7 Công thức cấu tạo hợp chất 1a
Sơ đồ 2.1 Quy trình tổng hợp các dẫn xuất acyl guanidin
(i) diethylamin, tert-butanol, ZnCl 2 , toluene, t o phòng , 2-5 ngày
(ii) glycin, p-toluensulfonic acid, ethanol, 80°C, 3 ngày
(iii) guanidin‚ HCl, triethylamin, nhiệt độ phòng, 5 giờ
(iiii)carbonyldiimidazol, diclorometan, nhiệt độ phòng, 5h, 1H- pyrazole -1- carboximidamid, TEA, DMAP, nhiệt độ phòng, 18 giờ
(iiiii) 3-amino-1-propanol, N,N-diisopropylethylamin, diclorometan, nhiệt độ phòng, 48 giờ
Bảng 2.1 Cấu trúc hóa học và hoạt tính của các hợp chất 1c-g
Khi 2 nhóm nito ở trên phân tử acylguanidin tạo liên kết hydro quan trong với acid aspartic thì N thứ ba lại không tạo liên kết với protein Vì vậy, thay thế trên
Nhóm 3-propanol đã tạo ra hợp chất 1f và 1g có hiệu lực cao gấp 2.5 lần so với hợp chất 1a, trong đó 1f có hoạt tính tốt nhất với giá trị IC50 là 110 nM, nhưng chỉ chọn lọc 3 lần đối với BACE2 và 54 lần trên cathepsin D Cấu trúc tinh thể của 1g kết hợp với BACE1 cho thấy axit acyl guanidine liên kết với axit aspartic, trong khi sự thay thế amin tại vị trí S1 của acyl guanidine tạo ra liên kết hydro với Arg235 và Thr329.
2.3.2 Chất ức chế BACE-1 chứa khung 2-Aminopyridin
Vào năm 2007, Chessari G và các cộng sự đã công bố các hợp chất chứa khung 2-aminopyridin với khả năng ức chế enzyme BACE-1 Nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng 2-aminoquinoline 2a là một phối tử liên kết với BACE-1, tuy nhiên, giá trị ức chế của nó còn yếu với IC50 = 2mM.
Dựa vào cấu trúc của chất 2a, vòng phenyl được xác định là phù hợp nhất với vị trí S1, dẫn đến việc thiết kế chất ức chế 2b 6-phenylethyl-2-aminopyridine Mặc dù cấu trúc của chất 2b có độ phân giải thấp, nhưng đây là bước tiếp theo trong việc phát triển chất ức chế Việc thay thế phenyl bằng gốc indol tạo ra hợp chất 2c với giá trị ức chế IC50 = 94 nM Tiếp tục tối ưu hóa hợp chất 2c, hợp chất 2d được tạo ra với sự thay thế indol bằng 3-methoxy-biaryl, mang lại hiệu lực tốt hơn (IC50 = 25 nM) để thiết kế các công thức tiếp theo dựa trên hợp chất này.
Hình 2.8 Cấu tạo một số chất ức chế chứa khung 2-aminopyridin
Sơ đồ 2.2 Quy trình tổng hợp các dẫn xuất của 2-aminopyridin
(i) aryl aldehyd, acid acetic, NaBH(OAc)3, CH2Cl2
(ii) aryl aldehyd, triethylamin, NaBH(OAc)3, CH2Cl2
(iii) 6-bromoindol , K3PO4, Pd(PPh3)4 , DMF, 100°C
Bảng 2.2 Cấu trúc hóa học và hoạt tính các hợp chất 2e-h
Hợp chất R IC50 BACE-1 (àM)
Sau đó, người ta đã phát hiện ra pyrolyl 2-aminopyridin là chất ức chế BACE-1 mạnh và có chọn lọc
2.3.3 Chất ức chế BACE-1 chứa khung Aminoimidazol
Enzyme BACE-1 thuộc hệ enzyme giống như pepsin của aspartyl protease
Cần một nhóm chức có khả năng tương tác hiệu quả với enzyme aspartic xúc tác, trong đó 2-aminoimidazol nổi bật như một chất ức chế tiềm năng nhờ vào nhóm guanidin, tạo ra tương tác tối ưu với enzyme này và các chất ức chế BACE-1 Cấu trúc của 2-aminoimidazol cũng cho phép tổng hợp nhiều dẫn xuất khác nhau, đồng thời là một cấu trúc đặc trưng.
2-Aminoimidazol tương tác với hai axit aspartic xúc tác, Asp32 và Asp228, tại trung tâm BACE-1 thông qua các liên kết tĩnh điện và hydro Hợp chất đầu tiên 3a cho thấy khả năng tiếp cận tốt với enzyme BACE-1, dẫn đến việc phát triển một loạt các hợp chất tương tự Khả năng ức chế BACE-1 của hợp chất này ở nồng độ 100 nM đạt khoảng 19.64% Để nâng cao hiệu lực ức chế BACE-1, các nghiên cứu đã dựa trên hợp chất 3a để phát triển các hợp chất mới.
Hình 2.9 Công thức cấu tạo hợp chất 3a
Sơ đồ 2.3.Quy trình tổng hợp các dẫn xuất của 2-aminoimidazol
Ghi chú: i) acetonitril, 150 o C ii) 60% hydrazin (tỷ lệ 5:1), acetonitril, 100 o C
Bảng 2.3 Cấu trúc hóa học và hoạt tính các chất ức chế 3b-m
Các hợp chất 3h, 3i, 3k và 3m đã được thử nghiệm để đánh giá khả năng giảm Aβ38, Aβ40 và Aβ42, cũng như khả năng bảo vệ tế bào thần kinh Kết quả cho thấy hợp chất 3h là mạnh nhất, với giá trị IC50 lần lượt là 15 mM, 23 mM và 19 mM cho Aβ38, Aβ40 và Aβ42, trong khi nồng độ gây độc là 25 mM.
Hợp chất 3i cho thấy tính độc hại ở nồng độ 50mM, nhưng giá trị IC50 trong việc ức chế Aβ38, Aβ40 và Aβ42 lại cao hơn 3h, với các mức tương ứng là 33, 35 và 27 mM Trong khi đó, hợp chất 3k và 3m không có hoạt tính.
Trong thử nghiệm này, hợp chất 3h là hit tiềm năng để phát triển các hợp chất tiếp theo [6], [11]
2.3.4 Chất ức chế BACE-1 chứa khung aminohydantoin
Năm 2010, Ping Zhou và cộng sự đã công bố nghiên cứu về các chất ức chế BACE-1 phân tử nhỏ có cấu trúc pyridinyl aminohydantoin Qua phương pháp sàng lọc hiệu năng cao, chất ức chế 4a chứa aminoimidazol đã được xác định với giá trị ức chế IC50 là 38 µM.
Sử dụng phương pháp SAR dẫn đến chất ức chế aminohydantoin 4b Thay thế nhúm phenyl bằng pyridine cho chất ức chế 4c với IC50 = 2.7 àM
Nghiên cứu cho thấy việc gắn nhóm thế vào vị trí số 3 của phenyl trong hợp chất 4b cải thiện hiệu lực nhờ tương tác với vị trí S3 Bằng phương pháp tinh thể tia X, Ni tơ pyridin trong hợp chất 4c đã tương tác với Trp76 tại vị trí S2.
Vì vậy, các báo cáo đã nghiên cứu thiết kế và tổng hợp pyridinyl aminohydantoin 4d
Hình 2.10 Cấu trúc hóa học hợp chất 4a-d
Sơ đồ 2.4 Quy trình tổng hợp dẫn xuất của aminohydantoin
Ghi chú: (i) Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 /CuI/Triethylamin/DMF, 65 o C, 59–88%
(ii) Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 /CuI/Triethylamin/DMF, 65 o C, 87%
(iii) ArB(OH) 2 hoặc ArSnBu 3 /triphenylphosphin/Na 2 CO 3 /DME hoặc toluen, hồi lưu, 40–77%
(iiii) KMnO 4 /NaHCO 3 /MgSO 4 /H 2 O, t o phòng, 49–96%
(iiiii) N-methyl guanidin /Na 2 CO 3 /Ethanol/H 2 O, hồi lưu, 37–52%
Bảng 2.4 Cấu trúc hóa học và hoạt tính các hợp chất 4h-w
Hợp chất Ar BACE1 IC50 BACE2 IC50
CÁC CHẤT ỨC CHẾ BACE-1 GIAI ĐOẠN THỬ NGHIỆM LÂM SÀNG
Gần đây, một số loại chất ức chế BACE-1 đường uống đã bước vào thử nghiệm lâm sàng trên người
Bảng 2.8 Các chất ức chế β-seretase trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng
Thuốc Công ty GĐ thử nghiệm lâm sàng
Chất ức chế BACE1 nhỏ LY2811376, được phát triển bởi Eli Lilly, sử dụng chiến lược hóa học ghép đoạn, cho thấy tính năng dược động học (PK) và dược lực học (PD) phù hợp trong các mô hình động vật tiền lâm sàng.
Chất ức chế này đã được đưa vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 1 trên người, nhưng do sự xuất hiện của độc tố trong các nghiên cứu tiền lâm sàng dài hạn, phát triển lâm sàng của chất ức chế đã bị ngừng lại.
Ngay sau đó, Lilly giới thiệu một chất ức chế mới, LY2886721 vào giai đoạn
LY2886721, giống như LY2811376, là một chất ức chế BACE-1 dạng uống mạnh mẽ Trong giai đoạn 1 của thử nghiệm lâm sàng, 47 người tình nguyện khỏe mạnh đã tham gia, và kết quả cho thấy nồng độ Aβ40 giảm tới 74% với liều cao nhất của LY2886721 Thử nghiệm này tiếp tục với giai đoạn 2 kéo dài.
6 tháng ở 130 bệnh nhân đã được tiến hành NCT01561430) Tuy nhiên, Lilly nhưng thử nghiệm ở giai đoạn 2 do xuất hiện các vấn đề sinh hóa bất thường ở gan [37]
MK-8931, được phát triển bởi công ty dược phẩm Merck, đã hoàn thành giai đoạn 1 của thử nghiệm lâm sàng Liều uống MK-8931 giảm hơn 90% mức Aβ trong dịch não tủy Với thời gian bán hủy trong plasma khoảng 20 giờ, việc sử dụng một liều duy nhất mỗi ngày có thể duy trì nồng độ thuốc ổn định trong cơ thể.
Một nghiên cứu ngẫu nhiên, mù đôi, có đối chứng giả dược giai đoạn 1b về MK-8931 đã được thực hiện trên 32 bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer nhẹ và vừa, cho thấy thuốc này an toàn và được dung nạp tốt (NCT1496170).
Dựa trên kết quả từ giai đoạn 1 và 1b của nghiên cứu MK-8931, thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 2/3 đã được khởi động vào cuối năm 2012 Các nghiên cứu hiệu quả ở giai đoạn 3 dự kiến sẽ hoàn tất vào năm 2017 và 2018.
Chất ức chế AZD3293 do AstraZeneca phát triển đã được thử nghiệm an toàn và khả năng dung nạp trên người trẻ (18-55 tuổi) và người già (trên 55 tuổi) AZD3293 cho thấy khả năng dung nạp tốt, không ghi nhận tác dụng phụ nghiêm trọng ngay cả ở liều cao nhất 750mg Thời gian bán thải của AZD3293 dao động từ 11-20 giờ, phù hợp với liều dùng một lần trong ngày Nghiên cứu giai đoạn 1 trên bệnh nhân Alzheimer (NCT01795339) đã hoàn tất và hiện đang lên kế hoạch cho giai đoạn 2/3 với 1551 bệnh nhân.
Công ty Eisai đã phát triển E2609, một chất ức chế BACE-1 đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng E2609 có thời gian bán hủy từ 12-16 giờ, cho phép sử dụng thuốc chỉ một lần mỗi ngày Sản phẩm này đã chứng minh tính an toàn và khả năng dung nạp tốt Eisai đã hoàn tất giai đoạn 1 thử nghiệm E2609 cho bệnh nhân mắc MCI và AD nhẹ (NCT01600859) và đang lên kế hoạch cho giai đoạn 2 của thử nghiệm lâm sàng.
Vào năm 2008, CoMentis, một công ty dược phẩm, đã phát triển chất ức chế BACE-1 mới mang tên CTS-21166 Chất ức chế này đã trải qua giai đoạn 1 của thử nghiệm lâm sàng (NCT00621010) và cho thấy đặc tính dược động học tốt.
