Trong nghiên cứu này, mô hình mô tả phân tử docking và mô hình 3D-pharmacophore được thực hiện nhằm tìm ra các đặc trưng cấu trúc cần thiết cho một chất ức chế new delhi metallo-β-lactamase-1 cũng như dự đoán các chất có tiềm năng ức chế new delhi metallo-β-lactamase-1.
Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số * 2018 Nghiên cứu Y học XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐỐN HOẠT TÍNH ỨC CHẾ NEW DELHI METALLO-β-LACTAMASE-1 NDM-1 Hà Thị Kiều Oanh*, Võ Viết Việt*, Đinh Văn Toàn*, Nguyễn Tuấn Huy*, Lê Quốc Hưng*, Mai Thành Tấn*, Thái Khắc Minh* TÓM TẮT Mở đầu: New Delhi metallo-β-lactamase-1 (NDM-1) thuộc phân lớp metallo-β-lactamase (MBL) vi khuẩn Enterobacteriaceae tiết để đề kháng kháng sinh Enzym bất hoạt hầu hết loại kháng sinh β-lactam bao gồm carbapenem cách xúc tác thủy phân liên kết amid gây nên tình trạng đa kháng thuốc kháng sinh đ{ng lo ngại Vì vậy, c{c hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phát triển chất ức chế New Delhi metallo-β-lactamase-1 để khôi phục hoạt tính kháng sinh Trong nghiên cứu này, mơ hình mơ tả phân tử docking mơ hình 3D-pharmacophore thực nhằm tìm c{c đặc trưng cấu trúc cần thiết cho chất ức chế New Delhi metallo-β-lactamase-1 dự đo{n chất có tiềm ức chế New Delhi metallo-β-lactamase-1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu: Mơ hình mơ tả phân tử docking xây dựng cơng cụ FlexX tích hợp LeadIT Kết phân tích dựa kết hợp điểm số docking v| mơ hình tương tác ligand interactions MOE Mơ hình 3D-pharmacophore xây dựng tập 12 chất có hoạt tính mạnh Tập đ{nh gi{ gồm 483 chất sử dụng để kiểm tra độ tin cậy mơ hình Kết bàn luận: Kết mơ hình docking chất ức chế NDM-1 khoang gắn kết nghiên cứu cho thấy acid amin Asn220, His250, His122, Gln123 acid amin quan trọng khoang gắn kết Mô hình pharmacophore đề xuất l| mơ hình điểm gồm điểm cho liên kết hydro, điểm nhận liên kết hydro, vị trí vòng thơm, vị trí cho liên kết với kim loại với khả dự đo{n l| 90,24% Mơ hình docking 215 chất th a mơ hình 3D-pharmacophore điểm dự đo{n chất có khả ức chế NDM-1 Kết luận: Kết mơ hình docking cho thấy vị trí acid amin quan trọng, vai trò liên kết hydro, ion, π-π, cation-π tương t{c ligand với protein Mô hình pharmacophore xây dựng có khả dự đo{n tốt chất ức chế NDM-1 tiềm năng, góp phần làm giảm công sức thời gian nghiên cứu q trình khám phá thuốc Từ khóa: New Delhi metallo-β-lactamase-1 (NDM-1), Metallo-β-lactamase (MBL), Mơ hình mơ tả phân tử docking, Mơ hình 3D-pharmacophore ABSTRACT PREDICTION MODELS FOR POTENTIAL NEW DELHI METALLO-Β-LACTAMASE-1 INHIBITORS Ha Thi Kieu Oanh, Vo Viet Viet, Dinh Vam Toan, Nguyen Tuan Huy, Le Quoc Hung, Mai Thanh Tan, Thai Khac Minh * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Supplement Vol 22 - No 1- 2018: 403 - 407 Introduction: New Delhi metallo-β-lactamase-1 (NDM-1) is a subclass metallo-β-lactamase (MBL), produced by Enterobacteriaceae for antibiotic resistance This enzyme inactivated most β-lactam antibiotics, including the carbapenems, by hydrolyzing the C−N bond of their β-lactam ring, conferring resistance against these drugs to bacteria To date, most drug design in this area has been focused on developing an NDM-1 *Khoa Dƣợc, Đại học Y Dƣợc Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: PGS TS Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 Chuyên Đề Dƣợc Email: thaikhacminh@ump.edu.vn 403 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số * 2018 inhibitor to restore the efficacy of these drugs against NDM-1 In this study, the docking and 3D-pharmacophore models were generated to figure out the structure(s) of a potential New Delhi metallo-β-lactamase-1 inhibitor, and to predict the efficacy of potential inhibitors Materials and Methods: The FlexX application in the LeadIT 2.0.2 software was used to conduct the docking process The results were analyzed based on both the docking scores obtained and the interaction models (ligand interactions) in MOE Twelve compounds with strongest predicted inhibitory effects representing different chemical structures were selected as the database for the design of the pharmacophore models The testing set of 483 compounds was used to validate the predictive capacity of the models Results and Discussion: The docking results suggested that the amino acids Asn220, His250, His122, Gln123 were important amino acids in the binding pocket The generated five-feature pharmacophore model consisted of Aro (aromatic ring), Acc (hydrogen bond acceptor) and Don (hydrogen bond donor), ML (metal ligator) with the respective predictive capacity being 90.24% The docking models of 215 molecules matching the five-feature pharmacophore models suggested that compounds can inhibit the NDM-1 enzyme Conclusion: The docking results indicated the important amino acids and essential interactions namely hydrogen, ionic, π-π, cation-π interactions of ligand-protein Besides, generated pharmacophore models were capable of predicting compounds with potential inhibitory effects against New Delhi metallo-β-lactamase-1, greatly reducing research time and labor work during the process of discovering new drugs in the future Keyword: New Delhi metallo-β-lactamase-1 (NDM-1), Metallo-β-lactamase (MBL), Molecular docking modeling, 3D-pharmacophore modeling nỗ lực tập trung v|o lĩnh vực một, chi phí tổng MỞ ĐẦU hợp kháng sinh tốn kém(5) Nhằm phát Tổ chức Y tế Thế giới, ng|y 27 th{ng năm triển chất có khả ức chế New Delhi 2017 (World Health Organization 2017) công metallo-beta-lactamase-1, khôi phục t{c động bố danh sách nhóm vi khuẩn đe dọa sức kháng sinh carbapenem beta-lactam khoẻ ngƣời Trong đó, Enterobacteriaceae khác Nghiên cứu thực gồm nội kháng carbapenem nhóm dung: (i) Xây dựng mơ hình mơ tả phân tử vi khuẩn có mức độ ƣu tiên h|ng đầu docking chất ức chế NDM-1; (ii) Xây Enterobacteriaceae tiết enzym thủy giải kháng dựng mơ hình 3D-pharmacophore chất sinh New Delhi metallo-beta-lactamase-1 ức chế NDM-1; (iii) Ứng dụng mơ hình sàng lọc (NDM-1) có khả bất hoạt kháng sinh ảo 7024 thuốc từ thƣ viện DrugBank mạnh nhóm beta-lactam(1,7) Hậu vi ĐỐI TƢỢNG– PHƢƠNGPHÁP NGHIÊNCỨU khuẩn đa đề kháng kháng sinh nặng nề, tác động xấu đến sức khỏe ngƣời, kinh tế, Mơ hình mơ tả phân tử docking dịch tễ học, ngành công nghiệp dƣợc phẩm Tổng cộng 72 chất thuộc nhóm cấu trúc biện pháp phòng chống vi khuẩn kháng đƣợc thu thập từ báo khoa học l|m sở kháng sinh Vì cần tìm giải pháp khắc liệu(6,9,10) Các chất đƣợc vẽ phần mềm (3,4) phục nhanh chóng hiệu Chem Draw Pro 12.0 đƣợc lƣu dƣới dạng Thiết kế thuốc nhắm mục tiêu New Delhi metallo-beta-lactamase-1 (NDM-1) tập trung vào hai lĩnh vực: phát triển hợp chất sử dụng với kh{ng sinh (để khôi phục lại hiệu vi khuẩn), tổng hợp kháng sinh không dễ bị NDM-1 thủy phân Hầu hết 404 database MOE Do hoạt tính sinh học IC50 có khoảng chênh lệch với nhiều nên tính to{n đƣợc đổi thành pIC50 với pIC50 = -log (IC50 (M)) để phù hợp cho việc theo dõi, so sánh Các nhóm cấu trúc sở liệu gồm nhóm dẫn chất captopril: 32 chất, từ chất khơng có hoạt Chuyên Đề Dƣợc Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số * 2018 Nghiên cứu Y học tính đến pIC50 5,82; Nhóm azolyl thioacetamid: 35 chất, pIC50 từ 4,3 đến 6,82; Nhóm cyclic boronat: chất, pIC50 từ 5,3 đến 8,4 Mơ hình 3D-Pharmacophore Tổng cộng 92 chất từ báo khoa học đƣợc thu thập l|m sở liệu(6,9,10) Tập xây dựng gồm 12 chất có hoạt tính sinh học cao có pIC50 từ 6,72 đến 8,4 tƣơng ứng với IC50 từ nM đến 0,23 µM Các tập kiểm tra gồm tập có hoạt tính sinh học tập khơng có hoạt tính sinh học Tập có hoạt tính sinh học gồm 51 chất có pIC50 từ 4,09 đến 6,48; tập khơng có hoạt tính sinh học gồm 20 chất khơng đo đƣợc IC50 cụ thể giá trị lớn Ngồi ra, dùng thêm tập ngoại khơng hoạt tính gồm 432 chất đƣợc tạo từ DecoyFinder để kiểm tra mơ hình(2,8) KẾT QUẢ Mơ hình mơ tả phân tử docking Kết docking 72 chất thuộc nhóm cấu trúc vào NDM-1 cho thấy acid amin Asn220, His250, His122, Gln123, Lys211, Glu152 có tần suất tƣơng t{c cao với chất ức chế (Hình 1) Trong Asn220 tƣơng t{c cao với tần suất 34% Trong loại liên kết đƣợc hình thành NDM-1 chất nghiên cứu, liên kết hydro chiếm tỷ lệ chủ yếu Đ}y l| liên kết quan trọng cho khả gắn vùng t{c động (Hình 2) Bên cạnh đó, tƣơng t{c vòng thơm chiếm tỷ lệ khơng nhỏ (khoảng 39% tổng số liên kết đƣợc hình th|nh) Điều cho thấy vòng thơm cấu trúc giúp tăng khả gắn kết với protein Hình 1: Tần suất tương t{c (%) acid amin chất ức chế Chuyên Đề Dƣợc Hình 2: Tỷ lệ % loại liên kết tương t{c ligand protein NDM-1 Mơ hình 3D-Pharmacophore Mơ hình pharmacophore ban đầu đƣợc xây dựng từ tập liệu 12 chất có hoạt tính sinh học cao đại diện cho khung cấu trúc khác tập liệu lớn, sau đ{nh giá chất lại khơng dùng để xây dựng mơ hình tập ngoại Kết tìm đƣợc mơ hình pharmacophore trình bày bảng 1, bảng Bảng trình b|y mơ hình điểm mơ hình điểm Trong đó, c{c yếu tố mơ hình thƣờng là: nhóm vòng thơm, nhóm tƣơng t{c với kim loại, nhóm cho liên kết hydro So sánh mơ hình xây dựng đƣợc khả dự đo{n, độ nhạy, độ đặc hiệu thấy có khác biệt Mỗi mơ hình có ƣu riêng Mơ hình có độ nhạy cao nhƣng khả dự đo{n v| độ đặc hiệu lại q thấp Ngun nhân mơ hình có thuộc tính (4 điểm đại diện cho thuộc tính, mơ hình lại l| mơ hình điểm) nên khả chọn lọc hơn, chất có hoạt tính thỏa mơ hình nhiều, chất khơng hoạt tính thỏa mơ hình nhiều có tƣơng đồng cấu trúc Vì vậy, để tăng khả chọn lọc cho mơ hình số 3, tạo mơ hình điểm c{ch tăng phạm vi tìm kiếm truy vấn, tăng dung sai bán kính tìm kiếm thuộc tính (tolerance) lên 1,3 Å thay 1,2 Å nhƣ lúc đầu Mơ hình tạo thành 3A (Bảng 3, 4) phù hợp với cách làm n|y tăng dung sai bán kính tìm kiếm lên khoảng nhỏ (0,1 Å) tạo đƣợc mơ hình có thuộc tính riêng biệt khơng bị chồng lắp hay quy cụm (Hình 3) 405 Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số * 2018 Nghiên cứu Y học Bảng 1: Thơng số mơ tả mơ hình 3D-pharmacophore Mơ hình Loại mơ hình ML/Aro/Hyd/Aro/Don ML/Aro/Hyd/Aro/ML ML/Aro/Don/Acc&ML Don/Acc/ML/Aro/Aro Số thành phần 5 Bán kính thành phần 2,7/1,4/1,78/1,07/1,85 2,7/1,4/1,78/1,07/1,85 1,76/2,59/1,06/1,35 1,6/1,23/1,14/1,17/1,22 Bảng 2: Thơng số đ{nh gi{ mơ hình 3D-pharmacophore Mơ hình Tập kiểm tra Tập có hoạt tính (51 chất) Tập khơng hoạt tính (432 chất) 30 (58,82%) 115 (26,62%) 31 (60,78%) 135 (31,25%) 41 (80,39%) 275 (63,66%) 23 (52,94%) 27 (6,25%) Đánh giá Khả dự đoán Độ nhạy Độ đặc hiệu 71,84% 58,82% 73,38% 67,70% 60,78% 68,75% 40,99% 80,39% 36,34% 90,27% 52,94% 94,68% Bảng 3: Thơng số mơ tả mơ hình pharmacophore 3A Mơ hình 3A Loại mơ hình ML/Aro/ML/Don/Acc&ML Số thành phần Bán kính thành phần 1,76/2,59/1,91/1,06/1,35 Bảng 4: Thơng số đ{nh gi{ mơ hình pharmacophore 3A Mơ hình 3A Tập kiểm tra Tập có hoạt tính (51 chất) Tập khơng hoạt tính (432 chất) 35 (68,63%) 157 (36,34%) Đánh giá Khả dự đoán Độ nhạy 63,15% 68,63% Độ đặc hiệu 63,65% có hoạt tính sinh học Nhƣng c{c chất khơng có hoạt tính sinh học thỏa mơ hình kh{ nhiều (31,25% v| 36,34%) Mơ hình độ nhạy thấp c{c mơ hình kh{c (52,94%) nhƣng không thấp nhiều Hơn nữa, độ đặc hiệu khả dự đo{n lại cao (94,68% 90,27%) lớn mơ hình lại Vì vậy, lựa chọn mơ hình cho sàng lọc áo Hình 3: Mơ hình pharmacophore 3A tập xây dựng gồm 12 chất Mơ hình gồm điểm: Một điểm đại diện cho nhóm nhận liên kết hydro (Acc); Hai điểm đại diện cho nhóm vòng thơm, vòng liên hợp π (Aro); Một điểm đại diện cho nhóm cho liên kết hydro (Don); Một điểm đại diện cho nhóm cho liên kết với kim loại (ML) BÀN LUẬN C{c mơ hình đƣợc sử dụng để sàng lọc ảo 7024 thuốc từ ngân hàng DrugBank (http://www.Drugbank.ca) Hình 4: Mơ hình pharmacophore số tập xây dựng gồm 12 chất Trong mơ hình xây dựng đƣợc (mơ hình 1, 2, 3, 3A, 4) Mơ hình 3A v| mơ hình có độ nhạy tốt Dự đo{n 60,78% v| 68,63% c{c chất 406 Từ ngân hàng liệu DrugBank gồm 7024 chất, tiến hành sàng lọc mơ hình pharmacophore đƣợc 215 chất thỏa mơ hình Tiến hành docking 215 chất s|ng lọc đƣợc với NDM-1 v| đ{nh gi{ khả gắn kết Chuyên Đề Dƣợc Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số * 2018 Nghiên cứu Y học Từ kết docking chọn 32 chất điểm số docking âm (nhỏ -25 kJ/mol), tiếp tục đ{nh gi{ tƣơng t{c ligand-protein, để tìm chất có khả liên kết với acid amin quan trọng NDM-1 nhƣ Asn220, His250, Lys211, Gln123, His122 Tổng cộng chất phù hợp đƣợc chọn là: 438-DB00438, 446202DB01831, AGF-DB07351, BJP-DB07466, FLXDB02046, G23-DB07806, N2G-DB08237, N4DDB08242 Cả chất có điểm số docking âm -27 kJ/mol v| tƣơng t{c với acid amin quan trọng nhƣ nêu đồng cấu trúc NDM-1 với enzym MBL khác Những chất có hoạt tính sinh học NDM-1 đa phần có hoạt tính MBL Vì vậy, đƣợc tiếp tục phát triển, nghiên cứu thêm chất có khả ức chế rộng rãi enzym thuộc phân nhóm KẾT LUẬN Nghiên cứu x}y dựng đƣợc mơ hình mô tả phân tử docking enzym New Delhi metallo-beta-lactamase 1, mơ hình 3Dpharmacophore ứng dụng mơ hình 3Dpharmacophore để sàng lọc ảo 7024 thuốc từ thƣ viện DrugBank Mơ hình mơ tả phân tử docking cho thấy tầm quan trọng acid amin khoang gắn kết: Asn220, His250, His122, Gln123 Cấu trúc vòng thơm cấu trúc góp phần tăng thêm {i lực gắn kết ligand với protein Ngồi chất có khả tạo liên kết với Asn220 v| His250 thƣờng chất có khả gắn kết mạnh, hoạt tính sinh học cao Mơ hình pharmacophore xây dựng đƣợc l| mơ hình điểm gồm vị trí vòng thơm, vị trí liên kết với kim loại, 1vị trí cho liên kết hydro, vị trí nhận liên kết hydro Mơ hình thể khả dự đo{n cao (90,24%), s|ng lọc đƣợc 215 chất tổng số 7024 thuốc từ thƣ viện DrugBank Kết docking lại NDM-1 cho thấy chất có tiềm ức chế NDM-1 gắn kết tốt vào acid amin quan trọng đích t{c động Nghiên cứu n|y đóng góp phần vào cơng việc sàng lọc chất có tiềm ức chế NDM-1 tƣơng lai, qua khôi phục tác dụng kh{ng sinh điều trị vi khuẩn Gram }m đa đề kháng Trong trình thực hiện, vài tài liệu cho thấy tƣơng Chuyên Đề Dƣợc Lời cảm ơn: Nghiên cứu n|y tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 106-YS.05-2015.31 (cho Thái Khắc Minh) TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 Bush K, Jacoby GA (2010), "Updated functional classification of beta-lactamases", Antimicrob Agents Chemother 54 (3), pp 969976 Cereto-Massague A, Guasch L, Valls C, Mulero M, Pujadas G, Garcia-Vallve S (2012), "DecoyFinder: an easy-to-use python GUI application for building target-specific decoy sets", Bioinformatics 28 (12), pp 1661-1662 Garau G, Garcia-Saez I, Bebrone C, Anne C, Mercuri P, Galleni M, Frere JM, Dideberg O (2004), "Update of the standard numbering scheme for class B beta-lactamases", Antimicrob Agents Chemother 48 (7), pp 2347-2349 Green VL, Verma A, Owens RJ, Phillips SE, Carr SB (2011), "Structure of New Delhi metallo-beta-lactamase (NDM-1)", Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun 67 (Pt 10), pp 1160-1164 Groundwater PW, Xu S, Lai F, Varadi L, Tan J, Perry JD, Hibbs DE (2016), "New Delhi metallo-beta-lactamase-1: structure, inhibitors and detection of producers", Future Med Chem (9), pp 993-1012 Jurgen B, Ricky C, Samuel C, Michael AMD, Ian JC, Juan C, Matthew BA, James S (2016), " Structural basis of metallo-blactamase, serine-b-lactamase and penicillin-binding protein inhibition by cyclic boronates" Nature Communications, 7, 12406 Khan AU, Maryam L, Zarrilli R (2017), "Structure, Genetics and Worldwide Spread of New Delhi Metallo-beta-lactamase (NDM): a threat to public health" BioMed Central 17 (1), pp 101 Koes DR, Camacho CJ (2011), "Pharmer: efficient and exact pharmacophore search", J Chem Inf Model 51 (6), pp 1307-1314 Ningning Li, Yintong Xu, Qiang Xia (2014), " Simplified captopril analogues as NDM-1 inhibitors" Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 24 (1), pp 386-389 Zhai L, Zhang YL, Kang JS, Oelschlaeger P, Xiao L, Nie SS, Yang KW (2016), "Triazolylthioacetamide: A Valid Scaffold for the Development of New Delhi Metallo-beta-Lactmase-1 (NDM-1) Inhibitors", ACS Med Chem Lett (4), pp 413-417 Ngày nhận báo: 18/10/2017 Ngày phản biện nhận xét báo: 01/11/2017 Ng|y b|i b{o đăng: 15/03/2018 407 ... docking chất ức chế NDM-1; (ii) Xây Enterobacteriaceae tiết enzym thủy giải kháng dựng mô hình 3D-pharmacophore chất sinh New Delhi metallo-beta-lactamase-1 ức chế NDM-1; (iii) Ứng dụng mơ hình sàng... C{c mơ hình đƣợc sử dụng để sàng lọc ảo 7024 thuốc từ ngân hàng DrugBank (http://www.Drugbank.ca) Hình 4: Mơ hình pharmacophore số tập xây dựng gồm 12 chất Trong mơ hình xây dựng đƣợc (mơ hình. .. mơ hình xây dựng đƣợc khả dự đo{n, độ nhạy, độ đặc hiệu thấy có khác biệt Mỗi mơ hình có ƣu riêng Mơ hình có độ nhạy cao nhƣng khả dự đo{n v| độ đặc hiệu lại thấp Nguyên nhân mơ hình có thuộc tính