Trong đề tài này nhằm nghiên cứu khả năng gắn kết của các chất tương đồng BCP với phức hợp TOP-I:ADN và xây dựng mô hình phân loại các chất tương đồng BCP có khả năng ức chế TOP-I bằng phương pháp máy vector hỗ trợ SVM. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm rõ nội dung chi tiết của đề tài nghiên cứu này.
THIẾT KẾ THUỐC HỢP LÝ TRONG NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ỨC CHẾ TOPOISOMERASE-I CỦA CÁC CHẤT TƯƠNG ĐỒNG BENZO[C]PHENATHRIDIN Thái Khắc Minh*, Huỳnh Thị Ngọc Phương*, Nguyễn Thúy Quyên*, Đỗ Thị Ngọc Mai*, Bùi Quang Huynh* TÓM TẮT Mở đầu: Trong năm gần enzym topoisomerase, enzym cần thiết cho hoạt động chép, phiên mã tái tổ hợp ADN, trở thành mục tiêu đầy hứa hẹn việc nghiên cứu tổng hợp thuốc kháng ung thư Trong số hợp chất thể hoạt tính ức chế topoisomerase, nhiều chất tương đồng tổng hợp họ alkaloid benzo[c]phenanthridin (BCP) nghiên cứu Trong đó, chất ethoxidin, NK-109 topoval (ARC 111) chất có tiềm sử dụng hóa trị liệu ung thư Mục tiêu: Nghiên cứu khả gắn kết chất tương đồng BCP với phức hợp TOP-I:ADN xây dựng mơ hình phân loại chất tương đồng BCP có khả ức chế TOP-I phương pháp máy vector hỗ trợ SVM Phương pháp: Phương pháp mơ hình mơ tả phân tử docking phương pháp máy học SVM sử dụng sở liệu chất tương đồng BCP với hoạt tính ức chế TOP-I Kết quả: Sử dụng chương trình mơ tả phân tử DOCK 6.2, khả gắn kết mức độ phân tử dẫn chất BCP với phức hợp DNA:TOP-I phân tích Hệ thống vòng tất dẫn chất BCP có khả tạo liên kết π-π với Guanin G11 ADN nằm vị trí song song xen vào cặp base G11/C112 A113/T10 cấu trúc ADN hạn chế khả tạo thành phức hợp DNA TOP-I Kết docking cho thấy chất tương đồng BCP có xu hướng gắn kết với DNA TOP-I Phương pháp máy vector hỗ trợ SVM sử dụng với mục đích xây dựng mơ hình dự đoán phân loại 73 chất tương đồng BCP hoạt tính kháng TOP-I Mơ hình SVM tốt xây dựng gói SVM - e1071 R với thông số tối ưu hàm kernel (C=4, γ=0,25) thông số mô tả xác định phương pháp rừng ngẫu nhiên RF Mơ hình SVM có khả dự đoán 93% chất tập huấn luyện 87% chất tập hợp kiểm tra Ngồi ra, mơ hình đánh giá lại tập hợp thử ngoại (không dùng để xây dựng mô hình) cho độ 89% (dự đốn 8/9 chất) tập hợp ứng dụng cho độ 80% (dự đốn 8/10 chất) Mơ hình SVM xây dựng chứng tỏ khả phân loại xác chất có hoạt tính (80-100% tùy tập hợp) Kết luận: Mơ hình docking cho thấy chất tương đồng BCP có xu hướng gắn kết mạnh với ADN TOP-I cần thực thử nghiệm xác định mức độ gắn kết với ADN enzym riêng rẽ để khẳng định lại kết Mơ hình phân loại SVM áp dụng sàng lọc, phân loại chất tương đồng BCP dựa tác dụng sinh học chất tương đồng BCP tổng hợp Từ nghiên cứu này, cấu trúc BCP thiết kế, tổng hợp thử tác dụng với mục tiêu tìm kiếm chất có tác dụng ức chế TOP-I kháng ung thư mạnh Từ khóa: Kháng ung thư, topoisomerase, benzo[c]phenanthridin, thiết kế thuốc, docking, máy vector hỗ trợ, SVM, phân loại * Bộ mơn Hóa Dược – Khoa Dược - Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh Địa liên hệ: TS.DS Thái Khắc Minh ĐT: 0909 680 385 1Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT Email: thaikhacminh@gmail.com ABSTRACT RATIONAL DRUG DESIGN OF BENZO[C]PHENANTHRIDINE DERIVATIVES WITH TOPOISOMERASE-I INHIBITORY ACTIVITY Khac Minh Thai, Huynh Thi Ngoc Phuong, Nguyen Thuy Quyen, Do Thi Ngoc Mai, Bui Quang Huynh * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 14 - Supplement of No - 2010: 6-14 Background: For recent years, the topoisomerases are promising antitumor drug targets for design new anticancer novels Among the compounds expressing a topoisomerase-targeting activity, the alkaloid family of benzo[c]phenanthridine (BCP) is well known including nitidine, fagaronine, chelerythrine, sangunarine… Ethoxidine, NK-109 and topoval (ARC 111), BCP synthetic analogues, are expressed as potential agents using in cancer chemotherapy Objective: Aims of this research are the molecular modeling study of the interaction between BCP analogues and DNA-TOP-I complexes as well as design the support vector machine SVM model for classification BCP compounds with topoisomerase-I inhibitory property Method: Both ligand-based and structure-based approaches are applied on a series of BCP with antitopoisomerase activity For the ligand-based design, the machine learning method namely support vector machine (SVM) is used to classify and to predict BCP compounds Results: Based on crystal structure of DNA:TOP-I complex, 53 BCP derivatives were successfully docked into the complex by DOCK 6.2 program Docked BCP:DNA:TOP-I complexes indicated that BCPs tend to establish strong interaction with DNA more than TOP-I The interaction between BCP analogues and DNA:TOP-I complex was also analysized The best SVM model based on 73 BCP analogues was built from the SVM-e1071 package in R with the optimal settings of the Kernel (C = 4, γ = 0.25) The final SVM model with total accuracy of 93% for training set of 58 compounds was archived using a set of descriptors identified out of a large set via a random forest algorithm Moreover, the power for SVM classifier was validated internally by a test set of 15 compounds This SVM model gained the overall accuracy up to 87% and the Matthews correlation coefficient (MCC) of 0.71 For two external test sets, 89% and 80% BCP compounds, respectively, were correctly predicted The SVM model has proved its ability to classify correctly BCP analogues that have a positive activity, with an accuracy from 80 to 100% overall Conclusion: These in silico models including molecular modeling and SVM clasification could be applied to search and to design the new analogues of BCPs which express highly topoisomerase I inhibitory activity Keywords: anticancer, topoisomerase, benzo[c] phenanthridine, drug design, docking, support vector machine, SVM, classification gốc tổng hợp kháng ung thư sử dụng ĐẶT VẤN ĐỀ có chế kháng topoisomerase-2 Sự xuất dòng tế bào ung thư amsacrin, asulacrin, mitoxantron, loxoxantron, kháng thuốc thúc đẩy nhà khoa học tìm piroxantron…, kháng topoisomerase-1 kiếm khơng ngừng tác nhân kháng ung (TOP-1) topotecan, irrinotecan…(4,5,6) thư Trong năm gần đây, Trong số hợp chất thể tác động topoisomerase-ADN (TOP-ADN) - enzym kháng TOP-ADN, nhóm alcaloid cần thiết cho hoạt động chép, phiên mã benzo[c]phenanthridin (BCP) biết đến tái tổ hợp ADN bình thường tế bào - trở nhiều Nhiều cơng trình nghiên cứu thực thành mục tiêu đầy hứa hẹn để tìm đường tổng hợp BCP cho việc tìm kiếm phát triển thuốc thiên nhiên (fagaronin, nitidin… Hình 1) đáp kháng ung thư (1,10,15) Nhiều thuốc nguồn Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT ứng cho việc nghiên cứu chế tác động mức độ phân tử chúng (6,14) Bên cạnh chất tương đồng BCP tổng hợp nghiên cứu độc tính tế bào khả ức chế TOP-ADN Trong số chất tương đồng tổng hợp này, ARC-111 NK109 (Hình 1) hai ứng viên tiềm sử dụng hóa trị liệu ung thư (12) Bên cạnh ethoxidin, dẫn chất 12-ethoxy BCP, thể độc tính tế bào có ý nghĩa thử nghiệm in vitro dòng tế bào ung thư máu (leukemia) người Những thử nghiệm sinh hóa cho thấy ethoxidin có lực gắn kết với ADN khả ức chế TOP1 đáng kể, vai trò nhóm 12ethoxy cho cần thiết tác động ức chế TOP-1 phân tử (6) Các nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc chất tương đồng BCP độc tính tế bào cho thấy chức amid lactam đóng vai trò quan trọng làm tăng sinh khả dụng hợp chất (1) Với mục tiêu tìm hiểu thêm chế tác động mức độ phân tử thiết kể tổng hợp chất tương đồng BCP chống ung thư mạnh, phương pháp thiết kế thuốc hợp lý ứng dụng nghiên cứu chất tương đồng BCP hoạt tính kháng topoisomerase-I (TOP-I) Nghiên cứu kết hợp phương pháp (i) phương pháp dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động nghiên cứu mơ hình mơ tả phân tử docking (ii) phương pháp dựa vào cấu tử ligand phân loại chất có hoạt tính ức chế TOP-I máy vector hỗ trợ SVM Kết từ nghiên cứu ứng dụng để dự đốn hoạt tính sinh học chất tương đồng BCP định hướng tổng hợp chất tương đồng BCP có tác dụng kháng ung thư mạnh Từ đó, chất tương đồng BCP lựa chọn để tổng hợp thử nghiệm độc tế bào khả ức chế enzym TOP-I OH H3CO O H3CO OCH3 N H3CO CH3 Cl O N H3CO fagaronin CH3 Cl nitidin N OC2H5 O OCH3 B H3CO D H3CO C N CH3 CH3SO3 O O A OCH3 H3CO N H3CO CH3 HSO4 N H3CO O OH ethoxidin NK109 O ARC-111 CH3 N CH3 Hình Cấu trúc hóa học dẫn chất chất tương đồng BCP có hoạt tính ức chế TOP-I tương đối (relative effective concentration - REC) ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU dẫn chất thử nghiệm topotecan (một Cơ sở liệu chất chứng minh có hiệu TOPTổng cộng 82 chất tương đồng BCP với hoạt I) Chỉ số hoạt tính TOP-I topotecan tính TOP-I thu thập từ cơng trình ấn định (10, 14) Dựa hoạt tính nghiên cứu La Voie cộng (8, 10, 14, 18, TOP-I, chất phân làm nhóm hoạt tính 19) Hoạt tính TOP-I chất mạnh yếu topotecan Các chất có đánh giá dựa vào số thể ức chế hoạt tính mạnh so với topotecan cho giá trị trình tách ADN gián tiếp thơng qua TOP-I (TOPchỉ số hoạt tính TOP-I nhỏ 1, ngược I-mediated DNA cleavage) Chỉ số hoạt tính lại, dẫn chất có hoạt tính yếu cho giá trị lớn TOP-I biểu nồng độ hiệu Đồng thời, giá trị hoạt tính ức chế 3Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT TOP-I giá trị độc tính tế bào (IC50) dòng tế bào ung thư RPMI8402 53 chất tương đồng BCP thu thập (10,14) Phương pháp dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động – Mơ hình mơ tả phân tử docking Docking phương pháp thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động, nghiên cứu khả gắn kết hay nhiều phân tử thuốc (hay cấu tử, ligand) lên mục tiêu tác động (thụ thể, enzym hay protein, ADN) khơng gian chiều Chương trình DOCK 6.2 sử dụng để tiến hành thí nghiệm (2) Cấu trúc tinh thể tia X cuả ADN:TOP1:Indenoisoquinolein (pdb 1SC7) trình bày Hình có độ phân giải 3Å tải máy tính từ ngân hàng sở liệu protein (protein data bank http://www.pdb.org) (16, 17) Điểm tác động phức hợp ADN:TOP1 (pdb 1SC7) xác định tất acid amin acid nucleic phạm vi khơng gian 6Å tính từ trung tâm phân tử indenoisoquinolein(16) phân loại Hàm kernel diện loại (9, 13, 21), loại tương ứng với tham số khác nhau, nghiên cứu sử dụng hàm RBF kernel, với cặp tham số (C γ) Trình tự tiến hành xây dựng mơ hình phân loại SVM (7, 21) trình bày Hình bao gồm bước (i) Chuẩn bị sở liệu (cấu trúc hoạt tính sinh học), (ii) Tính tốn thơng số mơ tả phân tử (sử dụng phần mềm Dragon), (iii) Lựa chọn thông số mô tả phân tử, (iv) Xử lý sở liệu (tập hợp huấn luyện, kiểm tra), (v) Xây dựng mơ hình phân loại SVM (xác định thơng số hàm Kernel tối ưu bao gồm giá trị [C, γ], độ đúng, độ xác, đánh giá chéo Leave-oneout, hệ số tương quan Matthews MCC), (vi) Đánh giá lại mơ hình tập hợp kiểm tra, tập hợp bên ngồi khơng dùng xây dựng mơ hình, (vii) Ứng dụng mơ hình phân loại chất có hoạt tính ức chế TOP-I Chuẩn bị sở liệu (Cấu trúc hố học 2D - Hoạt tính sinh học) Tính tốn thơng số mơ tả phân tử Phần mềm Dragon Lựa chọn thông số mô tả phân tử phương pháp: mRMR, GA, RF Xử lý sở liệu Quy đổi tỷ lệ, phân chia tập hợp Hình Cấu trúc tinh thể phức hợp ADN:TOPI:Indenoisoquinolin MJ-II-38 (pdb 1SC7) Phương pháp dựa vào cấu tử ligand – Phân loại chất có hoạt tính ức chế TOP-I phương pháp máy học SVM Máy vector hỗ trợ SVM phương pháp máy học có giám sát sử dụng dự đoán phân loại định lượng (13, 17) SVM giải hai trường hợp, tuyến tính khơng tuyến tính hàm kernel, phương pháp thống kê khác, hàm phụ thuộc vào số tham số mà giải tham số xem thực Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT Phân loại máy vector hỗ trợ Chọn tham số tối ưu (C, γ) cho SVM Độ đúng, độ xác, giá trị MCC Đánh giá – So sánh – Ứng dụng Hình Tiến trình xây dựng mơ hình phân loại máy vector hỗ trợ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Mơ hình mơ tả phân tử docking Khả gắn kết BCP TOP-I mức độ phân tử Các chất ức chế hoạt động cuả enzym TOP-I chia làm nhóm (1, 15) Thứ nhóm chất kìm hãm (suppressor) hoạt tính enzym TOP-I Nhóm chất ức chế hoạt động enzym TOP-I không làm bền trạng thái trung gian cuả phức hợp DNA:TOP-I Các chất nhóm kìm hãm hoạt động TOP-I thường gắn kết với ADN làm cho TOP-I nhận diện điểm gắn kết chuyên biệt ADN kết ức chế thành lập phức hợp TOP-I ADN Cơ chế kìm hãm hoạt động theo chế tương tranh (thuốc TOP-I cạnh tranh gắn kết chất ADN) enzym có hoạt tính khơng có chất để hoạt động Kết làm ngừng chu trình tế bào Thứ hai nhóm gây độc TOP-I (poison) Nhóm bao gồm chất có tác động chống tách phức ADN:TOP-I sau TOP-I đến gắn kết cắt đoạn ADN Các chất gây độc TOP-I hoạt động theo nguyên tắc gắn kết với hai, TOP-I lẫn ADN, phức hợp ADN:TOP-I liên kết đồng hóa trị, bền hóa phức làm vỡ sợi kép ADN Sự diện sợi ADN đơn nhận diện tín hiệu làm ngừng chu trình tế bào Kết cuối hủy bào.8 Trong nghiên cứu này, sau tiến hành docking, phức hợp ADN:TOP-I:BCP phân tích khả gắn kết với phức hợp hay ADN riêng lẻ Tổng số 53 chất tương đồng BCP docking thành công vào phức hợp Điểm số gắn kết thay đổi từ -57.57 kcal/mol đến -36.27 kcal/mol Tất cấu dạng cấu trúc phức hợp phân tích so sánh nhằm giải thích mối liên quan cấu trúc hóa học tác dụng sinh học Phân tích kết docking cho thấy tất chất tương đồng BCP có khả tạo liên kết π-π với Guanin G11 Hệ thống vòng chất tương đồng BCP có xu hướng nằm vị trí song song xen vào cặp base G11/C112 A113/T10 cấu trúc ADN hạn chế khả gắn kết ADN với TOP-I (với ATGC tên 5Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT nucleotid) Kết docking cho thấy nhóm chất tương đồng BCP có xu hướng cản trở không gian tạo liên kết bề mặt với ADN nhiều khả gắn kết với TOP-I Điều giải thích cấu trúc ‘cứng’ hệ thống vòng khả chèn vào cấu trúc ADN Bên cạnh đó, số chất tương đồng BCP có khả tạo liên kết với TOP-I acid amin Asn352, Arg364, Asn722, Glu356, Lys425 Tuy nhiên, kết docking cho thấy xu hướng gắn kết rõ rệt hợp chất ADN nhiều TOPI Kết cho thấy đa số chất 53 chất tương đồng BCP tiến hành docking hoạt động theo chế kìm hãm hoạt tính TOP-I (suppressor) Ứng dụng Nghiên cứu docking đồng thời tiến hành với số chất tương đồng BCP tổng hợp (19) Chất K7511-NP22 với cấu trúc trình bày hình 4A có độc tính tế bào IC50 = 2.0 μM 5.97 μM dòng tế bào ung thư KB-3-1 L1210 Mơ hình docking cho thấy chất có khả gắn kết tốt với phức hợp TOPI:DNA K7511-NP22 có khả tạo liên kết ππ song song liên kết cation-π với adenin Khả gắn kết TOP-I chất thể liên kết hydro với Arg364 Lys432, nhiên hai liên kết tương đối yếu Khả gắn kết mức độ phân tử K7511NP22 dùng giải thích cho khả ức chế hoạt động TOP-I cách cạnh tranh với TOP-I việc hình thành phức hợp với ADN, cản trở hoạt động TOP-I việc tiếp cận gắn kết với ADN làm ngừng trình chép, phiên mã tái tổ hợp ADN Mơ hình gắn kết mức độ phân tử không gian chiều K7511-NP22 với phức hợp ADN:TOP-I trình bày Hình 4B mơ hình tương ứng thể khả gắn kết không gian chiều trình bày Hình 4C (hình tạo chương trình MOE (11)) (B) (C) (A) Hình (A) Cấu trúc chất K7511-NP22 ; (B) Mơ hình gắn kết mức độ phân tử không gian chiều K7511-NP22 với phức hợp ADN:TOP-I; (C) Mô hình biểu diễn khả gắn kết 2D K7511-NP22 với phức hợp ADN:TOP-I chéo thông số >90% 103 thơng số Mơ hình phân loại chất tương đồng lại áp dụng vào thuật toán (i) mRMR: BCP ức chế TOP-I phù hợp tối đa, dư thừa tối thiểu - MaxXây dựng mơ hình SVM Relevance, Min-Redundancy, (ii) thuật toán di Cơ sở liệu gồm 82 chất phân chia truyền GA - genetic algorithm, (iii) “rừng ngẫu thành tập hợp (20) bao gồm (i) Tập hợp huấn nhiên” - RF - Random Forest) Kết cho thấy luyện dùng để xây dựng mơ hình có 58 chất, (ii) thơng số lựa chọn từ phương pháp RF (Bảng 1) Tập hợp kiểm tra có 15 chất, (iii) Tập hợp đánh cho kết phân loại ổn định tốt giá có chất khơng sử dụng xây dựng mơ phương pháp lựa chọn lại Đồng thời, hình Để lựa chọn thông số tương quan tốt lợi điểm sử dụng thông số mô tả từ RF mô tả cấu trúc liên quan đến hoạt tính sử dụng thơng số mơ tả phân tử khả sinh học, bước chọn lọc tiến hành Từ phân loại tốt sử dụng 10 thông số 2032 thông số mơ tả phân tử tính tốn từ từ mRMR 16 từ GA Bên cạnh đó, mơ hình phần mềm Dragon (3), thơng số chứa tồn SVM sử dụng thơng số mơ tả từ RF có số vector giá trị loại bỏ lại 533 thơng số Tiếp hỗ trợ sử dụng thấp tập hợp thông theo, 420 thông số loại bỏ có: (i) 80% số lại dẫn chất tập hợp chứa giá trị 0, (ii) giá trị độ lệch chuẩn nhỏ 0,5, (iii) hệ số tương quan Bảng Thông số mô tả phân tử chọn lọc từ phương pháp RF sử dụng để xây dựng mơ hình SVM phân loại Nhóm thơng số Thơng số hình học Topo Thơng số dựa vào đếm nối cấu trúc Chỉ điểm tần suất 2D Tên thông số Mô tả thông số D/Dr05 Chỉ số khoảng cách/vòng bậc D/Dr06 Chỉ số khoảng cách/vòng bậc MPC06 Số lượng điểm phân tử bậc 06 MPC08 Số lượng điểm phân tử bậc 08 MPC10 Số lượng điểm phân tử bậc 10 F05[C-C] Tần suất C-C khoảng cách Topo 05 F08[N-O] Tần suất N-O khoảng cách Topo 08 Trong trình xây dựng mơ hình SVM (13), việc xác định thông số tối ưu cho hàm kernel quan trọng nhằm hạn chế lỗi phân loại Thuật toán dò tìm Grid sử dụng nghiên cứu với mục đích xác định thơng số tối ưu hàm kernel cho lỗi Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT đánh giá chéo phân loại nhỏ Cặp 0,7 tập hợp : huấn luyện, kiểm tra thông số (C=4, γ=0,25) cho kết lỗi đánh giá đánh giá ngoại Theo số nghiên cứu, chéo thấp (0,17) độ cao mơ hình có hệ số MCC > 0,4 xem mô xác định sử dụng để xây dựng mơ hình có khả dự đốn (9) Mơ hình xây hình Từ kết trên, thông số mô tả phân dựng đánh giá tập hợp đánh giá tử xác định từ phương pháp RF (Bảng 1) (gồm chất không sử dụng để xây dựng thông số tối ưu hàm kernel (C=4, γ=0,25) mơ hình) cho kết phân loại 8/9 chất, sử dụng để xây dựng mơ hình SVM tương ứng với 89% chất tập hợp Phân tích kết cho thấy mơ hình có khả cách sử dụng phần mềm SVM - e1071 R Kết trình bày Bảng cho thấy mơ hình phân loại xác chất có hoạt tính ức chế TOP-I mạnh yếu SVM có khả phân loại 93% chất topotecan ứng dụng thực tế tập hợp huấn luyện 87% chất tập hợp kiểm tra Hệ số tương quan cho chất có cấu trúc tương đồng BCP khác MCC mơ hình ổn định trì mức Bảng Mơ hình phân loại SVM dựa vào thông số mô tả phân tử xác định phương pháp RF Đánh giá Tập huấn luyện Tập kiểm tra Tập đánh giá Tập ứng dụng TP TN FP FN 13 41 2 10 4 Độ tập hợp 0,93 0,87 0,89 0,80 Độ chất có hoạt tính Độ chất khơng hoạt tính Độ xác chất có hoạt tính Độ xác chất khơng hoạt tính Hệ số tương quan Matthews MCC 0,87 0,95 0,87 0,95 0,82 0,60 1,00 1,00 0,83 0,71 1,00 0,80 0,80 1,00 0,80 0,71 1,00 1,00 0,60 0,65 Với TP TN số lượng hợp chất có hoạt tính khơng có hoạt tính dự đốn từ mơ hình FP FN số lượng hợp chất khơng có hoạt tính có hoạt tính mơ hình dự đốn sai Ứng dụng mơ hình phân loại SVM Mơ hình SVM đánh giá mức độ xác khả ứng dụng tập hợp 10 dẫn chất BCP tổng hợp năm 2008-2009 nhóm nghiên cứu La Voie cộng (4, 5) Trong 10 dẫn chất này, chất có hoạt tính mạnh topotecan, chất khơng hoạt tính Kết trình bày Bảng cho thấy mơ hình phân loại 8/10 chất tập hợp đạt độ 80% Bên cạnh đó, độ xác chất có hoạt tính 100% Giá trị cho thấy mơ hình có khả phân loại xác chất có hoạt tính chất khơng có hoạt tính Điều hồn tồn phù hợp với mục tiêu nghiên cứu tìm kiếm chất có khả ức chế TOP-I để phát triển thành thuốc kháng ung thư có khả sử dụng điều trị 7Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT Từ chất khởi nguồn ethoxidin (hình 1), việc đưa thêm vào khung BCP nguyên từ N có khả làm gia tăng điện tích âm nhóm ethoxy C12, hy vọng tìm chất tương đồng BCP với tác động ức chế topoisomerase-1 mạnh Tổng cộng 12 cấu trúc tương đồng BCP thiết kế ứng dụng vào mơ hình để dự đốn hoạt tính ức chế TOP-I Kết cho thấy 12 chất tương đồng BCP thiết kế dự đốn có khả ức chế TOP-I mạnh topotecan Trong số hợp chất này, có dẫn chất 12-ethoxy BCPs Nhóm 12-ethoxy khung BCPs cho cần thiết việc định hướng vào rãnh nhỏ (small groove) ADN ngăn cản TOP-I tiến đến vị trí gắn kết chúng ADN (6, 10) Các chất dự đốn có khả ức chế TOP-I ưu tiên tổng hợp thử nghiệm in vitro tác dụng sinh học bao gồm tác động ức chế TOP-1 độc tính dòng tế bào ung thư KẾT LUẬN Thiết kế thuốc hợp lý với hỗ trợ máy tính dược tinh học chuyên ngành Hóa Dược ứng dụng thành công nghiên cứu phát triển thuốc Trong nghiên cứu này, Sử dụng chương trình mô tả phân tử DOCK 6.2, khả gắn kết mức độ phân tử chất tương đồng BCP với phức hợp ADN:TOP1 phân tích Kết cho thấy cấu trúc tương đồng BCP có xu hướng gắn kết với ADN TOP1 cần thực thử nghiệm xác định mức độ gắn kết với ADN enzym riêng rẽ để khẳng định lại kết Phương pháp máy vector hỗ trợ SVM sử dụng với mục đích xây dựng mơ hình dự đốn phân loại 73 chất tương đồng benzo[c]phenanthridine hoạt tính kháng topoisomerase I Mơ hình SVM tốt xây dựng gói SVM - e1071 R với thông số tối ưu hàm kernel (C=4, γ=0,25) Ngồi ra, mơ hình đánh giá lại tập hợp thử ngoại (gồm chất không dùng để xây dựng mơ hình) cho độ 89% (dự đoán 8/9 chất) tập hợp ứng dụng cho độ 80% (dự đốn 8/10 chất) Mơ hình chứng tỏ khả phân loại xác chất có hoạt tính (80100% tùy tập hợp) Kết chứng tỏ mơ hình có khả phân loại chất có khả ức chế TOP-I dãy chất tương đồng BCP Mơ hình ứng dụng thực tế để dự đốn hoạt tính ức chế TOP-I cấu trúc tương đồng BCP trước tổng hợp, góp phần vào việc tìm kiếm chất có hoạt tính kháng TOP-I tốt để phát triển thành thuốc kháng ung thư có khả sử dụng điều trị Kết nghiên cứu ứng dụng để thiết kế cấu trúc tương đồng BCP có hoạt tính sinh học cao Ứng dụng phương pháp thiết kế thuốc hợp lý giúp giảm chi phí nghiên cứu tìm thuốc loại bỏ từ đầu chất dự Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT đốn khơng có hoạt tính, tăng tỷ lệ thành cơng đồng thời rút ngắn thời gian tìm kiếm chất có hoạt tính kháng TOP-I Bên cạnh ý nghĩa khoa học, đề tài xây dựng protocol thực trình docking cách kết nối chương trình miễn phí ứng dụng triển khai qui mơ phòng thí nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 Choi I, Kim C, Choi S (2007) Binding mode analysis of topoisomerase inhibitors, 6-arylamino-7-chloroquinazoline-5,8-diones, within the cleavable complex of human topoisomerase I and DNA Arch Pharm Res., 30(12): 1526-35 DOCK 6.2 UCSF, http://dock.compbio.ucsf.edu/ DOCK_6/index.htm Dragon® (2009): The sofltware for calculating molecular descriptors, www.talete.mi.it/ Feng, W.; Satyanarayana, M.; Cheng, L.; Liu, A.; Tsai, Y.-C., Liu, L F.; LaVoie, E.J (2008) Synthesis of N-substituted 5-[2(N-alkylamino)ethyl]dibenzo[c,h][1,6]-naphthyridines as novel topoisomerase I-targeting anti-tumor agents Bioorg Med Chem., 16: 9295–9301 Feng, W.; Satyanarayana, M.; Tsai, Y.-C.; Liu, A A.; Liu, L F.; LaVoie, E J 11-Substituted 2,3-dimethoxy- 8,9 methylenedioxybenzo[i]phenanthridine derivatives as novel topoisomerase I-targeting agents Bioorg Med Chem 2008, 16, 8598-8606 Fleury, F.; Sukhanova, A.; Ianoul, A.; Devy, J.; Kudelina, I.; Duval, O.; Alix, A J P.; Jardillier, J C.; Nabiev, I (2000) Molecular determinants of site-specific inhibition of human DNA topoisomerase I by fagaronine and ethoxidine Relation to DNA binding J Biol Chem., 275: 3501-9 Hsu, C.-W.; Chang, C.-C.; Lin, C.-J (2008) LIBSVM: A Practical Guide to Support Vector Classification http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm Huỳnh Thị Ngọc Phương, Thái Khắc Minh (2009) Ứng dụng QSAR định hướng tổng hợp chất tương đồng benzo[c]phenanathridin có tác dụng kháng ung thư Y học Thành Phố Hồ Chí Minh, 13 (phụ 1- chuyên đề Dược): 324-330 Ji, L.; Wang, X ; Qin, L.; Luo, S.; Wang, L (2009) Predicting the Androgenicity of Structurally Diverse Compounds from Molecular Structure Using Different Classifiers QSAR Comb Sci 2009, 28(5), 542-50, Lynch, M.A.; Duval, O.; Sukhanova, A.; Devy, J.; MacKay, S.P.; Waigh, R.D.; Nabiev, I (2001) Synthesis, biological activity and comparative analysis of DNA binding affinities and human DNA topoisomerase I inhibitory activities of novel 12-alkoxy-benzo[c]phenanthridinium salts Bioorg Med Chem Lett., 11(19): 2643-2646 MOE 2007.02 Chemical Computing Group Inc., Montreal, H3A 2R7 Canada, http://www.chemcomp.com Nakanishi, T.; Suzuki, M.; Mashiba, A.; Ishikawa, K.; Yokotsuka, T (1998) Synthesis of NK109, an Anticancer Benzo[c]phenanthridine Alkaloid J Org Chem., 63: 4235-9 R (2009): The R project for statistical computing, http://.rproject.org/ 14 15 16 17 18 19 20 21 Ruchelman, A L et al (2004) Dimethoxybenzo (i)phenanthridine-12-carboxylic acid derivatives and 6Hdibenzo(c,h) (2,6)naphthyridin-5-ones with potent topoisomerase I-targeting activity and cytotoxicity Bioorg Med Chem Lett , 14: 5585-9 Scaglioni, L.; Mazzini, S.; Mondelli, R.; Dallavalle, S.; Gattinoni, S.; Tinelli, S.; Beretta, G L.; Zunino, F.; Ragg, E (2009) Interaction between double helix DNA fragments and a new topopyrone acting as human topoisomerase I poison Bioorg Med Chem., 17: 484-491 Staker BL, Feese MD, Cushman M, Pommier Y, Zembower D, Stewart L, Burgin AB (2005) Structures of three classes of anticancer agents bound to the human topoisomerase I-DNA covalent complex J Med Chem., 48: 2336-45 Staker BL, Hjerrild K, Feese MD, Behnke CA, Burgin AB Jr, Stewart L (2002) The mechanism of topoisomerase I poisoning by a camptothecin analog Proc Natl Acad Sci USA, 99: 15387-92 Thái Khắc Minh, Huỳnh Thị Ngọc Phương (2008) Ứng dụng Dược Tin Học nghiên cứu khả ức chế topoisomerase I độc tính tế bào dẫn chất benzo[c]phenanthridin Hội nghị Khoa Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ Hóa Dược Toàn Quốc, Hà nội, 1: 81-86 Thái Khắc Minh, Huỳnh Thị Ngọc Phương (2009) Dự đốn độc tính tế bào dẫn chất benzo[c]phenanthridin mơ hình QSAR Tạp chí Dược học, 49 (2): 51-54 Thai, K.-M.; Ecker, G F (2008) A Binary QSAR Model for Classification of hERG Potassium Channel Blockers Bioorg Med Chem., 16: 4107-19 Yap, C W.; Chen, Y Z (2005) Prediction of Cytochrome P450 3A4, 2D6, and 2C9 Inhibitors and Substrates by Using Support Vector Machines J Chem Inf Model., 45: 982-92 9Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT 10 Chuyên Đề Dược – YTCC – RHM – YHCT 11 ... (1) V i mục tiêu tìm hiểu thêm chế tác động mức độ phân tử thiết kể tổng hợp chất tương đồng BCP chống ung thư mạnh, phương pháp thiết kế thuốc hợp lý ứng dụng nghiên cứu chất tương đồng BCP hoạt... thành thuốc kháng ung thư có khả sử dụng i u trị Kết nghiên cứu ứng dụng để thiết kế cấu trúc tương đồng BCP có hoạt tính sinh học cao Ứng dụng phương pháp thiết kế thuốc hợp lý giúp giảm chi phí... MacKay, S.P.; Waigh, R.D.; Nabiev, I (2001) Synthesis, biological activity and comparative analysis of DNA binding affinities and human DNA topoisomerase I inhibitory activities of novel 12-alkoxy-benzo[c]phenanthridinium