Nội dung bài có mục tiêu đề cập về: Xây dựng mô hình 3D pharmacophore ức chế CYP3A4 và ứng dụng trong sàng lọc các chất có khả năng ức chế CYP3A4. Nghiên cứu tập hợp dữ liệu 12 chất ức chế mạnh CYP3A4 với pIC50 ≥ 5 (IC50 ≤ 10 µM) được sử dụng để xây dựng mô hình pharmacophore bằng phần mềm MOE.
Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 MƠ HÌNH 3D-PHARMACOPHORE CỦA CÁC CHẤT ỨC CHẾ ENZYM CYTOCHROM P450 3A4 Thái Khắc Minh*, Đồn Cao Sơn** TĨM TẮT Mở đầu: Enzym cytochrom P450 3A4 (CYP3A4) enzym liên quan đến q trình chuyển hóa thuốc Chất ức chế enzym CYP3A4 có khả gây tương tác thuốc-thuốc phối hợp điều trị Mục tiêu: Xây dựng mơ hình 3D pharmacophore ức chế CYP3A4 ứng dụng sàng lọc chất có khả ức chế CYP3A4 Đối tượng phương pháp nghiên cứu: Tập hợp liệu 12 chất ức chế mạnh CYP3A4 với pIC50 ≥ (IC50 ≤ 10 µM) sử dụng để xây dựng mơ hình pharmacophore phần mềm MOE Kết bàn luận: Mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế enzym CYP3A4 gồm có trung tâm nhận liên kết hydro trung tâm kỵ nước với 12/12 chất thỏa mãn mơ hình, độ chồng phủ = 6,3157; tính xác = 1,00 Kết luận: Mơ hình ứng dụng để sàng lọc tương tác thuốc-thuốc mà khơng cần tính tốn phức tạp, mang lại thơng tin nguy chuyển hóa CYP3A4, khả ức chế enzym độc tính liên quan đến tương tác thuốc với khả ức chế kênh hERG P-glycoprotein Từ khóa: Cytochrom P450, Pharmacophore, chất ức chế enzym, tương tác thuốc ABSTRACT 3D-PHARMACOPHORE MODELLING FOR CYTOCHROME P450 3A4 INHIBITORS Thai Khac Minh, Doan Cao-Son * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 18 - Supplement of No - 2014: 342 - 346 Background : Cytochrome P450 3A4 (CYP3A4) is an enzyme involved in drug metabolism process CYP3A4 inhibitors are able to cause drug-drug interaction in combination therapy Objectives : The aim of this is study was to develop a 3D-pharmacophore for CYP3A4 inhibitors and apply this models in virtual screening for CYP3A4 inhibitors Materials and methods : A dataset of 12 highly CYP3A4 inhibitors with pIC50 ≥ (IC50 ≤ 10 µ M) was used to establish build the 3D pharmacophore model using the MOE software Results and Discussion : The 4-point pharmacophore of CYP3A4 inhibitors consists of hydrogen-bond acceptor (Acc) and three hydrophobe features (Hyd) were resulted in the accuracy scoring of 100% (12/12 compound) for actives and overlap scoring of 6.3157 Conclusion: This pharmacophore model could be applied to screen the compounds having drug-drug interactions and provide information about the risk of metabolism by CYP3A4, enzyme inhibitory activity and toxicity related to hERG channel and P-glycoprotein Key words : Cytochrome P450, Pharmacophore, enzyme inhibitor, drug interactions thể thiếu, điều khiển số phận dược động học ĐẶT VẤN ĐỀ tác nhân trị liệu, biến đổi sinh học phân Chuyển hóa thuốc q trình sinh lý khơng tử khơng phân cực, thân dầu (thuốc) thành * Bộ mơn Hóa Dược – Khoa Dược – Đại học Y Dược TP Hồ Chí Minh; ** Viện Kiểm nghiệm Thuốc TW Tác giả liên lạc: TS Thái Khắc Minh ĐT: 0909 680 385 Email: thaikhacminh@gmail.com 342 Chuyên Đề Dược Học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 phân tử phân cực hơn, thân nước (chất chuyển hóa), để dễ dàng đào thải khỏi thể Các phản ứng q trình chia thành nhóm: phản ứng pha I (oxy hóa) thêm vào loại bớt nhóm chức làm tăng tính phân cực hợp chất phản ứng pha II (liên hợp) thêm phần thân nước vào phân tử thân dầu để tăng tính tan nước Hầu hết thuốc trị liệu đào thải qua chuyển hóa oxy hóa pha I(3) Do đó, enzym pha I, đặc biệt Cytochrom P450 (CYP) với vai trò quan trọng chuyển hóa thuốc trở thành tiêu điểm nghiên cứu 50 năm qua, nhằm xác định đặc điểm chuyển hóa thuốc thể tạo thuốc tăng tính bền chuyển hóa, tránh đường sinh chất chuyển hóa gây độc tương tác thuốc-thuốc chuyển hóa Ở người, có 57 gen CYP khác phân thành 18 họ CYP, 43 phân họ(4) Phân họ CYP3A chiếm gần 40% tổng số enzym CYP gan, chịu trách nhiệm đào thải 50% thuốc sử dụng Phân họ gồm có đồng phân: CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7 CYP3A4 đồng phân tìm thấy nhiều gan số mô khác ruột non Cơ chất enzym CYP3A4 đa dạng, từ phân tử có kích cỡ nhỏ acetaminophen (KLPT 151 Da) lớn cyclosporin A (KLPT 1201 Da), thuộc nhiều nhóm trị liệu khác thuốc tim mạch (ví dụ: diltiazem), kháng sinh (ví dụ: clindamycin), kháng virus (ví dụ: delavirdin), thuốc tác động lên thần kinh trung ương (ví dụ: midazolam, reboxetin)…(3) CYP3A4 vừa có lợi vừa gây hại cho thể, cụ thể (i) Biến đổi phân tử thành dễ tan nước hơn, dễ đào thải khỏi thể, khử độc thuốc thể Ví dụ: codein, diazepam, paclitaxel, thuốc kháng HIV…; (ii) Gây hại số trường hợp Ví dụ: CYP3A4 biến đổi acetaminophen thành sản phẩm chuyển hóa mang độc tính, thường loại bỏ nhanh enzym khử độc khác, nguy hiểm sử dụng liều lớn Hoạt tính enzym dễ bị ảnh hưởng số tác nhân ức chế cảm ứng, Chuyên Đề Dược Học Nghiên cứu Y học làm thay đổi sinh khả dụng thuốc dẫn tới tương tác thuốc-thuốc (DDI) có hại, ảnh hưởng mạnh đến tính an tồn hiệu điều trị thuốc thơng qua ức chế chuyển hóa ảnh hưởng đến protein không mục tiêu khác kên ion kali hERG bơm ngược họ ABC Do đó, enzym cytochrom P450 3A4 những mục tiêu tác động sinh học cần xem xét kĩ lưỡng trình phát triển thuốc Trong nghiên cứu này, mơ hình 3Dpharmacophore chất có hoạt tính chất ức chế enzym Cytochrom P450 3A4 xây dựng ứng dụng sàng lọc chất có khả ức chế nzym Cytochrom P450 3A4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở liệu Tập hợp 27 hợp chất xác định giá trị IC50 thực nghiệm hoạt tính ức chế enzym CYP3A4()2 IC50 sử dụng để xếp hạng dãy hợp chất mà có hiệu lực ức chế cao (IC50 < 10 µM), trung bình (10 µM < IC50 < 100 µM), thấp (IC50 > 100 µM), tương ứng với nguy tương tác thuốc-thuốc cao, trung bình, thấp.(1) Giá trị IC50 (µM) chuyển đổi thành giá trị pIC50 = -lg(IC50) để sử dụng Tập hợp liệu gồm có 12 chất tổng số 27 chất có hoạt tính ức chế enzym mạnh với pIC50 ≥ (IC50 ≤ 10 µM), chất khơng có hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 với pIC50 < (IC50 > 100 µM), lại chất có hoạt tính ức chế enzym trung bình Các chất có hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 mạnh tập hợp sử dụng làm sở liệu xây dựng mơ hình pharmacophore Cấu trúc chiều chất xây dựng phần mềm Sybyl - Tripos http://tripos.com Sau xây dựng cấu trúc 2D, cấu trúc tối thiểu hóa lượng (EM) động lực học phân tử (MD) để xác định cấu dạng có mức lượng tối thiểu tồn phần Xây dựng mơ hình 3D Pharmacophore Sử dụng phần mềm MOE để xây dựng truy vấn 3D pharmacophore (Chemical Computing Group Inc., Canada, 343 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 ww.chemcomp.com) Các thông số xác định bao gồm: (i) Chọn nhập cấu dạng (Conformation Import); (ii) Chọn độ chồng phủ hoạt tính (Active Coverage) n 0,9 (tối thiểu truy vấn pharmacophore phải liên quan tới 90% tổng số phân tử đưa vào, giá trị mặc định); (iii) Giới hạn số yếu tố pharmacophore = 5; (iv) Phân cụm truy vấn (Query Cluster) = 1,25 (giá trị mặc định chương trình) đặc trưng cho giá trị rmsd (đơn vị Å) sử dụng để phân cụm truy vấn ưu tiên theo điểm chồng phủ điểm xếp loại nhóm nhận liên kết hydro (Acc) Sự diện nhiều nhóm kỵ nước phù hợp với mơ hình cơng bố trước đây.(1,3) Tìm hợp chất thỏa mãn mơ hình 3Dpharmacophore Mơ hình pharmacophore xây dựng từ chất có hoạt tính mạnh tiến hành tìm kiếm các hợp chất thỏa mãn mơ hình tập hợp chất khơng có hoạt tính tập hợp liệu khơng dùng xây dựng mơ hình chương trình Tìm kiếm pharmacophore (Pharmacophore Search) phần mềm MOE hình Hình Tìm hợp chất có cấu dạng thỏa mãn mơ hình 3D-pharmacophore KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế enzym enzym CYP3A4 Mơ hình pharmacophore CYP3A4 trình bày Hình xây dựng từ 12 chất ức chế enzym CYP3A4 mạnh tập hợp liệu Kết mơ hình xây dựng có 12/12 chất thỏa mãn mơ hình, độ chồng phủ =6,3157; tính xác = 1,00; số lượng yếu tố mơ hình với với nhóm kỵ nước (Hyd) 344 Hình Mơ hình 3D-pharmacophore CYP3A4 chất ức chế enzym CYP3A4 Khối cầu màu xanh dương thể trung tâm nhận liên kết hydro F4:Acc, khối cầu màu xanh thể trung tâm kỵ nước F1:Hyd, F2:Hyd F3:Hyd Khoảng cách điểm trung tâm mơ hình xác định Å Trung tâm nhận liên kết hydro (F4:Acc) nguyên tử O N Trung tâm tạo liên kết hydro với acid amin phân cực (Glu374, Arg372, Arg105, Arg106…) cấu trúc CYP3A4 Mơ hình có nhiều trung tâm kỵ nước thích hợp tạo tương tác kỵ nước, xếp chồng vòng thơm với acid amin phenylalanin (Phe57, Phe108, Phe213, Phe214, Phe304,…) khoang gắn kết thân dầu phần lớn enzym Trong nhóm chất khơng có hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 tập hợp liệu có hai chất triazolam (pIC50 = 3,84 hay IC50 = 145,17 µM) trimethoprim (pIC50 = 3,61 hay IC50 = 243,13 µM) thỏa mãn mơ hình pharmacophore CYP3A4 Hai chất có trung tâm F4:Acc ngun tử N, khơng phải nguyên tử O hầu hết chất ức chế Chuyên Đề Dược Học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 Nghiên cứu Y học Truy vấn pharmacophore sở liệu chất ức chế hERG Mô hình pharmacophore CYP3A4 sử dụng để tìm hợp chất có cấu dạng thỏa mãn mơ hình từ tập hợp liệu chất ức chế hERG – tập hợp khơng dùng để xây dựng mơ hình, kết cho thấy 45 chất (trên tổng số 69 chất) thỏa mãn mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế enzym CYP3A4 Trong 45 chất này, số chất có liệu thực nghiệm xác định giá trị IC50 hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 Mibefradil (pIC50 CYP3A4 = 7,05), terfenadin (pIC50 CYP3A4 = 5,62), verapamil (pIC50 CYP3A4 = 5,08) chất ức chế enzym CYP3A4 mạnh thỏa mãn mơ hình pharmacophore CYP3A4 Chỉ có diltiazem (pIC50 CYP3A4 = 4,6), quinidin (pIC50 CYP3A4 = 4,01) chất ức chế yếu có cấu dạng thỏa mãn mơ hình pharmacophore CYP3A4 (Hình 3) Terfenadin Verapamil mibefradil Diltiaze Quinidin Hình Mơ hình 3D-pharmacophore CYP3A4 cấu dạng số hợp chất ức chế hERG Mối liên quan mơ hình 3Dpharmacophore chất ức chế kênh ion kali hERG chất ức chế enzym CYP3A4 Quan sát hai mơ hình pharmacophore hERG(5) mơ hình pharmacophore CYP3A4 cho thấy hai mục tiêu tác động (kênh ion kali hERG, enzym CYP3A4) thường gắn kết với hợp chất thỏa mãn mơ hình pharmacophore với nhiều yếu tố kỵ nước có lực gắn kết cao với phân tử hợp chất kỵ nước (Hình 4) Chuyên Đề Dược Học A B C Hình Hai mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế kênh ion kali hERG (A), chất ức chế enzym CYP3A4 (B) phối hợp mơ hình (C) Các khối cầu màu xanh biểu diễn trung tâm kỵ nước, khối cầu màu xanh dương biểu diễn trung tâm nhận liên kết hydro, khối cầu màu cam biểu diễn trung tâm vòng thơm/vòng liên hợp π Phân tích cho thấy hai trung tâm nhận liên kết hydro hai mơ hình pharmacophore khơng trùng Trung tâm nhận liên kết hydro (F4 hai mơ hình) nguyên tử N+ chất ức chế kênh hERG chất ức chế enzym CYP3A4 hầu hết nguyên tử O Một đặc điểm bật gióng hàng hai mơ hình pharmacophore trung tâm kỵ nước F1 mơ hình pharmacophore CYP3A4 trùng khớp với trung tâm kỵ nước F2 mơ hình pharmacophore hERG Trung tâm kỵ nước F2 (chất ức chế CYP3A4) gần kề với F3 (chất ức chế kênh hERG) (Hình 4C) Khi phối hợp hai mơ hình thành mơ hình (Hình 4C) dò tìm chất tập hợp liệu xác định amiodaron có cấu dạng thỏa mãn mơ hình pharmacophore chung loại bỏ hai trung tâm nhận liên kết hydro Trong trình truy vấn pharmacophore, hợp chất cấu dạng thỏa mãn hai mơ hình mơ hình pharmacophore hERG(5) pharmacophore CYP3A4 xây dựng bao gồm: (i) Các chất ức chế CYP3A4 biết: Ketoconazol, itraconazol, indinavir, nelfinavir; (ii) Các chất ức chế kênh ion kali hERG biết: Astemizol, desmethylastemizol, pearlstein-10, E4031, MK-499, thioridazin, halofantrin, pearlstein-1, pearlstein-7, pearl-stein-6, domperidon, clozapin, olanzapin, trifluoperazin, mesoridazin, bepridil; (iii) Chất vừa ức 345 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 chế kênh ion kali hERG, vừa ức chế enzym CYP3A4: amiodaron, terfenadin (Hình 5) cho trình phát triển thuốc nhằm loại trừ chất có khả ức chế enzym CYP3A4 tránh khả tương tác chéo với enzym khác KẾT LUẬN A B C Hình Terfenadin (pIC50 hERG = 7,25, pIC50 CYP3A4 = 5,62) thỏa mãn mơ hình 3D-pharmacophore – cấu dạng thỏa mãn mơ hình 3D-pharmacophore hERG (A) cấu dạng thỏa mãn mơ hình 3Dpharmacophore CYP3A4 (B) Khi thuốc có khả gắn kết với hai mục tiêu kênh ion kali hERG enzym CYP3A4, thuốc có tác động ức chế kênh ion kali hERG bình thường khơng gây độc tính chuyển hóa enzym CYP3A4; sử dụng chung với thuốc ức chế enzym CYP3A4 dẫn tới nguy giảm chuyển hóa thuốc có khả ức chế kênh kali hERG, tăng nồng độ thuốc tập trung kênh hERG vượt giới hạn an toàn, gây tác dung phụ nguy hiểm kéo dài khoảng QT, nguy xoắn đỉnh.(6) Như vậy, trình thiết kế thuốc cần tránh hợp chất thỏa mãn đồng thời hai mơ hình pharmacophore hERG CYP3A4, giúp giảm nguy tương tác thuốc-thuốc mà hậu tác dụng phụ nguy hiểm tim Một điểm cần lưu ý cấu trúc kênh ion kali hERG, enzym cytochrom bơm ngược Pglycoprotein có vị trí gắn kết với ligand linh động khả gắn kết đồng thời nhiều phân tử hợp chất.(3,6) Do đó, mơ hình pharmacophore cần kết hợp với QSAR mơ hình mơ tả phân tử docking kênh CYP3A4 giúp ích 346 Mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế enzym CYP3A4 gồm có trung tâm nhận liên kết hydro trung tâm kỵ nước Mô hình chứa trung tâm kỵ nước để phù hợp với khoang gắn kết có bề mặt kỵ nước lớn enzym CYP3A4 Mơ hình CYP3A4 có tương quan với mơ hình pharmacophore ức chế kênh ion kali hERG Mơ hình ứng dụng để sàng lọc tương tác thuốc-thuốc mà khơng cần tính tốn phức tạp, mang lại thơng tin nguy chuyển hóa CYP3A4, khả ức chế enzym TÀI LIỆU THAM KHẢO Krippendorff PL, Reichel A (2007) Optimizing Classification of Drug-Drug Interaction Potential for CYP450 Iso-Enzymes Inhibition Assays in Early Drug Discovery J Biomol Screen 12(1):92-9 Sekiguchi AH et al (2009) Prediction of Drug-Drug Interactions based on Time-Dependent Inhibition from High Throughput Screening of Cytochrome P450 3A4 Inhibition Drug Metabolite Pharmacokinetic 24(6):500–10 Vaz RJ (2008) Antitargets: Prediction and Prevention of Drug Side Effects Methods and Principles in Medicinal Chemistry 38:3-108 Preissner et al (2010) SuperCYP: a Comprehensive Database on Cytochrome P450 Enzymes Including a Tool for Analysis of Cyp-Drug Interactions Nucleic Acids Research 38:D237-D43 Thái KM, Bùi TV, Đồn CS (2012) Mơ hình 3D-pharmacophore chất ức chế kênh ion kali hERG Tạp chí Dược học, 52(11):34-37 Thai KM, Ecker GF (2007) Predictive Models for hERG Channel Blockers: Ligand-Based and Structure-Based Approaches Current Medicinal Chemistry, 14:3003-3026 Ngày nhận báo : 11.12.2012 Ngày phản biện nhận xét báo: 21.12.2012 Ngày báo đăng: 10.03.2014 Chuyên Đề Dược Học ... 3D- pharmacophore chất ức chế enzym enzym CYP3A4 Mơ hình pharmacophore CYP3A4 trình bày Hình xây dựng từ 12 chất ức chế enzym CYP3A4 mạnh tập hợp liệu Kết mơ hình xây dựng có 12/12 chất thỏa mãn mơ hình, ... Trong nghiên cứu này, mơ hình 3Dpharmacophore chất có hoạt tính chất ức chế enzym Cytochrom P450 3A4 xây dựng ứng dụng sàng lọc chất có khả ức chế nzym Cytochrom P450 3A4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU... 69 chất) thỏa mãn mơ hình 3D- pharmacophore chất ức chế enzym CYP3A4 Trong 45 chất này, số chất có liệu thực nghiệm xác định giá trị IC50 hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 Mibefradil (pIC50 CYP3A4