Trong nghiên cứu này, tổng cộng 200 dẫn chất thuộc 8 nhóm cấu trúc với hoạt tính ức chế plasmepsin II in vitro được thu thập và tiến hành xây dựng mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính ức chế enzym bằng thuật toán bình phương tối thiểu từng phần tích hợp trong phần mềm MOE.
Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 MƠ HÌNH 2d-QSAR CÁC CHẤT ỨC CHẾ ENZYM PLASMEPSIN II CỦA PLASMODIUM FALCIPARUM Thái Khắc Minh*, Nguyễn Thị Hà Ngân*, Hứa Ngọc Minh Tuyền*, Nguyễn Văn Minh Nhựt*, Đoàn Cao Sơn** TÓM TẮT Mở đầu: Plasmepsin II – enzym tham gia q trình tiêu hóa hemoglobin Plasmodium falciparum xem mục tiêu phát triển thuốc điều trị sốt rét Nhiều nhóm hợp chất có khả ức chế Plasmepsin II in vitro công bố nhiên chưa có nghiên cứu so sánh tác dụng nhóm chất Đối tượng phương pháp nghiên cứu: Trong nghiên cứu này, tổng cộng 200 dẫn chất thuộc nhóm cấu trúc với hoạt tính ức chế Plasmepsin II in vitro thu thập tiến hành xây dựng mối quan hệ định lượng cấu trúc hoạt tính ức chế enzym thuật tốn bình phương tối thiểu phần tích hợp phần mềm MOE Kết bàn luận: Nghiên cứu 2D QSAR xây dựng mơ hình để dự đốn khả ức chế plasmepsin II có với giá trị R2 = 0,77, RMSE = 0,43 (tập xây dựng mơ hình gồm 70 chất) dựa vào thơng số mô tả phân tử R2 = 0,60, RMSE = 0,60 (tập xây dựng mơ hình gồm 94 chất) dựa vào thông số mô tả phân tử Hai mơ hình QSAR xây dựng ứng dụng tập hợp 1.127 chất kháng sốt rét, kết dự đoán cho thấy nhóm chất có khả ức chế plasmepsin II in silico có khả sử dụng cho nghiên cứu đích tác động Plasmepsin II Kết luận: Nghiên cứu 2D QSAR chất ức chế plasmepsin II cho nhìn tổng thể mo61u quan hệ cấu trúc – hoạt tính chất ức chế enzym plasmepsin II Kết nghiên cứu giúp thiết kế cấu trúc có khả ức chế plasmepsin II hiệu mục đích cuối thiết kế thuốc kháng sốt rét Từ khóa: Plasmepsin II, sốt rét, P falciparum, QSAR, chất ức chế enzym ABSTRACT 2D-QSAR STUDIES ON PLASMODIUM FALCIPARUM PLASMEPSIN II INHIBITORS Thai Khac-Minh, Nguyen Thi Ha Ngan, Hua Ngoc Minh Tuyen, Nguyen Van Minh Nhut , Doan Cao Sơn* Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 18 - Supplement of No - 2014: 324 - 328 Introduction: Malaria and the antimalarial drug resistance are current serious problems Numbers of new targets for antimalarial drugs are being studied, one of them is plasmepsin II - an enzyme in hemoglobin degradation process of Plasmodium falciparum Several structural groups that inhibit plasmepsin II in vitro have been reported, however there is no research for comparing the efficiency of them Material and methods: A total of 200 compounds belonging structural groups with plasmepsin II in vitro inhibitory activity was collected and carried out 2D QSAR study using partial least square algorithm in MOE package Results and discussion: Two 2D QSAR models was build and results with predictive parameters R2 = 0.77, RMSE = 0.43 and R2 = 0.60, RMSE = 0.60, respectively A dataset containing 1,127 antimalarial ∗ Khoa Dược, Đại học Y Dược TP Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: TS Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 324 ** Viện Kiểm nghiệm Thuốc TW Email: thaikhacminh@gmail.com Chuyên Đề Dược Học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 Nghiên cứu Y học compounds were screened for Plasmepsin II via using two QSAR models Predictive results indicated that five chemcial structures could be used for further study aimed at design of new Plasmepsin inhibitors Conclusion: 2D QSAR modelling on plasmepsin II inhibitors provided an overview on activity as well as chemical structures The results of this study could be used for designing high-affinity new plasmepsin II inhibitors and resulted in the new antimalarial drugs Keywords: Plasmepsin II, malaria, Plasmodium falciparum, QSAR, enzyme inhibitor ĐẶT VẤN ĐỀ Xây dựng mơ hình QSAR Enzym Plasmodium falciparum plasmepsin II (Pf PM II) – enzym khơng bào tiêu hóa Pf, đóng vai trò quan trọng q trình giải độc hem Plasmodium falciparum (Pf).1, 2-3 Với 18 cấu trúc tinh thể protein công bố ngân hàng sở liệu protein (Protein Data Bank) nhiều nhóm cấu trúc chất ức chế PfPM II, PfPM II đích tác động có nhiều quan tâm Nhiều nhóm hợp chất có khả ức chế PfPM II in vitro công bố Trong nghiên cứu này, chất ức chế PfPM II thu thập tiến hành xây dựng mơ hình mối quan hệ định lượng cấu trúc hóa học tác dụng ức chế enzym QSAR với mục đích định hướng thiết kế chất có khả tác động tốt PfPM II Quá trình tiến hành xây dựng mơ hình QSAR MOE (http://www.chemcomp.com) tiến hành bao gồm (i) Xây dựng cấu trúc; (ii) Tính tốn thông số mô tả phân tử; (iii) Phân chia tập hợp (tập liệu ban đầu chia làm phần bao gồm tập huấn luyện chứa 80% tập liệu phần lại tập kiểm tra phương pháp phân chia ngẫu nhiên); (iv) Lựa chọn thông số thông số mô tả phân tử; (v) Xây dựng mơ hình QSAR chất ức chế PfPM II thuật tốn bình phương tối thiểu phần PLS; (vi) Đánh giá mơ hình QSAR; (vii) Ứng dụng mơ hình 2D QSAR PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở liệu Tổng cộng 200 chất ức chế PfPM II thuộc nhóm cấu trúc thu thập từ 13 báo khoa học(6,4) Cấu trúc hóa học gồm nhóm allophenylnorstatin (67 chất)(6,9) ,amin bậc (66 chất)(5,10), exo-3-amino-7-azabicyclo(2.2.1)heptan (7 chất)(15) ,benzimidazol (10 chất)(12) ,phân tử kép “primaquin – statin” (6 chất)(11), hydrazinhydrazid (6 chất)(1) ,chalcon (25 chất)(14,16) statin nghịch đảo (12 chất bao gồm dạng đồng phân (R,R), (S,S) pepstatin A chứa cấu trúc hydroxyethylamin statin)(4) Tổng cộng 172 chất có IC50 lựa chọn từ tập liệu ban đầu để tiến hành nghiên cứu 2D QSAR Cơ sở liệu chia thành tập hợp theo phương pháp xác định IC50 chi tiết trình bày Bảng Chuyên Đề Dược Học Bảng 1: Đặc điểm hai tập liệu để xây dựng mơ hình 2D QSAR Tập liệu Tập sở liệu Tập sở liệu Phương pháp Dùng chất có Dùng chất phát xác định IC50 màu (CRET) huỳnh quang (FRET) Tổng số chất 70 102 pIC50 4,17 – 8,01 4,00 – 8,22 Tập nội 56 75 Tập ngoại 14 19 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Mơ hình QSAR nhóm chất có IC50 xác định phương pháp CRET Trên sở liệu 70 chất, sau lọc thô tiến hành QSAR Contingency kết hợp PCA, thơng số mơ tả lựa chọn trình bày Bảng tương quan chúng tương quan với giá trị hoạt tính ức chế enzym PfPM II trình bày Bảng Các mơ hình xây dựng từ chỉnh hợp thông số phương pháp bình phương tối thiểu phần có R2 RMSE chấp nhận nên không thực loại chất gây 325 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 Nghiên cứu Y học nhiễu PCA Kết thu mơ hình có khả dự đốn tốt, mơ hình tốt gồm thơng số chiral_u, PEOE_VSA+3, logP(o/w) (mơ hình 1) Phương trình QSAR (1): pIC50 CRET = 1,448*(Chiral_u) – 0,322* (PEOE_VSA+3) + 0,498* (logP(o/w)) + 6,009 kết trình bày bảng Ba mơ hình lại, gồm mơ hình có thơng số chiral_u hai mơ hình hai thơng số, có khả dự đốn tốt với r2m R2 > 0,5, RMSE < 0,6 Cả ba mơ hình có thơng số chiral_u Điều thể vai trò quan trọng số trung tâm chiral tự (chiral_u) với hoạt tính ức chế PfPM II Bảng 2: Thông số mô tả sử dụng cho tập hợp Thông số mô tả phân tử a_nO PEOE_VSA+3 PEOE_VSA-2 KierA3 SlogP_VSA4 logP(o/w) Chiral_u Ý nghĩa Số nguyên tử O Tổng diện tích bề mặt VDW có điện tích vùng (0,15 ; 0,20) Tổng diện tích bề mặt VDW có điện tích vùng (-0,15 ; -0,10) Chỉ số hình dạng điều chỉnh α3 Tổng diện tích bề mặt VDW có vùng (0,1 ; 0,15) Log hệ số phân bố octanol/nước (bao gồm hydro ẩn) Số trung tâm chiral tự Bảng 4: Kết mơ hình QSAR Tập huấn Đánh giá Tập kiểm Toàn sở chéo tra liệu luyện N (số chất) 56 56 14 70 RMSE 0,369 0,418 0,451 0,429 2 R /Q 0,818 0,766 0,801 0,769 rm 0,744 0,742 0,570 0,722 r’m 0,576 0,507 0,562 ∆r m 0,168 0,063 0,160 0,660 0,539 0,642 Mô hình có khả dự đốn tốt với bình phương hệ số tương quan trung bình điều tồn tập xây dựng mơ hình 0,642 chỉnh > 0,5, Δr m = 0,16 < 0,2 Sai số giá trị dự đoán giá trị thực nghiệm tồn tập xây dựng mơ hình RMSE = 0,429 < 0,5, hệ số R2 = 0,769 > 0,5(10) Từ hệ số thông số mô tả phương trình cho thấy số trung tâm bất đối phân tử nhiều hoạt tính ức chế PfPM II mạnh phân tử mang tính kỵ 326 nước làm tăng khả ức chế PfPM II Bảng 3: Mối tương quan thông số xây dựng mơ hình QSAR tập CRET STT Tên a_nO PEOE_VSA+ 0,58 PEOE_VSA3 0,19 2 7 KierA3 0,62 0,26 0,16 0,25 SlogP_VSA4 -0,24 -0,33 -0,69 -0,09 logP(o/w) 0,04 -0,28 -0,52 0,44 0,7 Chiral_u 0,69 pIC50 CRET 0,57 0,39 0,67 0,65 -0,69 -0,13 0,16 0,49 0,70 -0,45 0,15 0,85 Mô hình QSAR nhóm chất có IC50 xác định phương pháp FRET Trên sở liệu 102 chất, sau lọc thô tiến hành QSAR Contingency kết hợp PCA, thông số mô tả lựa chọn trình bày Bảng tương quan chúng tương quan với giá trị hoạt tính ức chế enzym PfPM II trình bày Bảng Bảng 5: Thông số mô tả phân tử lựa chọn cho tập hợp FRET Thông số mô tả phân tử Rings PEOE_VSA+2 PEOE_VSA-0 KierA2 SMR_VSA1 Ý nghĩa Số cấu trúc vòng Tổng diện tích bề mặt Van der Waals có điện tích vùng (0,1 ; 0,15) Tổng diện tích bề mặt Van der Waals có điện tích vùng (0,00 ; 0,05) Chỉ số hình dạng α2 Tổng diện tích bề mặt Van der Waalsvới Ri vùng (0,11 ; 0,26) Sử dụng thông số mơ tả để xây dựng phương trình 2D QSAR phương pháp bình phương tối thiểu phần, mơ hình thu có Q2=0,446 XRMSE cao (0,813) với số chất tập huấn luyện 82 chất Kết Q2 cải thiện cách loại trừ chất có cấu trúc nằm ngồi khơng gian toàn cấu trúc sở liệu, đó, thuật tốn PCA áp dụng để loại cấu trúc gây nhiễu kết trình bày hình Sau loại chất gây nhiễu (6, 15, 18, 25, 40, 62, 84, 102) tập Chuyên Đề Dược Học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 liệu Mơ hình thu có Q2 = 0,609, XRMSE = 0,596 với số chất tập huấn luyện 75 chất Khi loại thêm chất gây nhiễu kết RMSE tăng lên Q2 giảm nên không tiến hành loại tiếp Tập liệu sau loại chất gây nhiễu dùng để xây dựng mơ hình 2D QSAR Phương trình QSAR xây dựng gồm thơng số Phương trình QSAR (2): pIC50 FRET = 1,434*(Rings) – 0,531*( PEOE_VSA-0) + 3,574*( KierA2) -1,473*( SMR_VSA1) + 3,105 Mơ hình QSAR (Bảng 7) có khả dự đốn trung bình với bình phương hệ số tương quan trung bình điều chỉnh tập xây dựng mơ hình Nghiên cứu Y học đốn giá trị thực nghiệm RMSE > 0,5, Δr2m = 0,252 > 0,2.(10) Từ phương trình kết luận chất có số hình dạng α2 (KierA2) lớn có hoạt tính ức chế PfPM II cao Bảng 7: Kết mơ hình QSAR Tập huấn Đánh giá luyện chéo N (số chất) RMSE 2 R /Q rm r’m ∆r m 75 0,572 0,648 0,572 0,319 0,253 0,446 75 0,617 0,593 0,574 Toàn Tập kiểm sở tra liệu 19 94 0,529 0,602 0,665 0,603 0,590 0,581 0,405 0,329 0,185 0,252 0,498 0,455 < 0,5, sai số giá trị pIC50 tiên Hình 1: Đồ thị phân bố chất tập FRET theo thành phần từ PCA Các chất gây nhiễu loại bỏ ký hiệu hình tam giác tập ứng dụng có khả ức chế PfPM II gồm Bảng 6: Mối tương quan thông số xây dựng dẫn xuất acid cholic, dẫn xuất bisquinolin mơ hình QSAR tập FRET cloroquin, dẫn xuất 9-N azithromycin STT Tên Rings 1 dẫn xuất alkyl hóa bis-ure bis-thioure Các PEOE_VSA+2 0,17 nhóm chất nên thử nghiệm hoạt tính PEOE_VSA-0 0,21 0,25 ức chế PfPM II để khẳng định độ xác KierA2 -0,25 0,55 0,21 nghiên cứu Kết sàng lọc mơ hình 2D SMR_VSA1 0,08 -0,19 -0,36 -0,27 QSAR cho thấy chất có số trung tâm bất đối pIC50 FRET 0,46 0,04 -0,05 0,02 0,22 tự giá trị diện tích bề mặt Van der Ứng dụng mơ hình Waals có điện tích khoảng 0,15 – 0,20 từ 40 Tập hợp 1.127 chất nghiên cứu – 80 chất có khả ức chế PfPM II tác dụng kháng sốt rét ứng dụng mơ KẾT LUẬN hình xây dựng Kết nhóm chất Nghiên cứu 2D QSAR sử dụng 172 chất ức Chuyên Đề Dược Học 327 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ Số * 2014 chế PfPM II in vitro làm tập xây dựng đưa hai mơ hình dự đốn hoạt tính ức chế PfPM II Mơ hình QSAR xây dựng tập hợp 70 chất gồm thông số mô tả chiral_u, PEOE_VSA+3, logP(o/w) có khả dự đốn tốt với R2 > 0,5, RMSE < 0,5 Mơ hình QSAR xây dựng tập hợp 94 chất gồm thơng số mơ tả rings, KierA2, PEOE_VSA-0, SMR_VSA1 có khả dự đốn khơng tốt với giá trị tồn tập R2 > 0,5 < 0,5 RMSE > 0,5 Kết sử dụng để tìm kiếm chất có khả ức chế PfPM II TÀI LIỆU THAM KHẢO 328 Ahmed W et al (2010) Characterisation of hydrazides and hydrazine derivatives as novel aspartic protease inhibitors J Enz Inhib Med Chem., 25(5), 673–678 Asojo OA, et al (2003) Novel uncomplexed and complexed structures of plasmepsin II, an aspartic protease from Plasmodium falciparum J Mol Biol., 327(1), 173-181 Boss C et al (2006) Achiral, Cheap, and Potent Inhibitors of Plasmepsins I, II, and IV ChemMedChem, 1, 1341-1345 Dahlgren A et al (2003) Solid-Phase Library Synthesis of Reversed-Statine Type Inhibitors of the Malarial Aspartyl Proteases Plasmepsin I and II Bioorg Med Chem., 11, 827–841 Fah C et al (2009) New organofluorine building blocks: inhibition of the malarial aspartic proteases plasmepsin II and IV by alicyclic a,a-difluoroketone hydrates Org Biomol Chem 7, 3947–3957 Gupta D et al (2010), "Mechanism-based inhibitors of the aspartyl protease plasmepsin II as potential antimalarial agents J Med Chem 53(10), 4234-4247 Hidaka K et al (2008) Antimalarial activity enhancement in hydroxymethylcarbonyl (HMC) isostere-based dipeptidomimetics targeting malarial aspartic protease plasmepsin Bioorg Med Chem 16, 10049–10060 10 11 12 13 14 15 16 Hidaka K., et al (2007) Additional interaction of allophenylnorstatine-containing tripeptidomimetics with malarial aspartic protease plasmepsin II Bioorg Med Chem Lett., 17:3048–3052 Miura T et al (2010) Improvement of both plasmepsin inhibitory activity and antimalarial activity by 2aminoethylamino substitution Bioorg Med Chem Lett., 20:4836–4839 Ojha PK, Mitra I, Das RN, Roy K (2011), Further exploring rm2 metrics for validation of QSPR models Chemometr Intell Lab 107: 194–205 Romeo S et al (2004) Plasmepsin II inhibition and antiplasmodial activity of Primaquine–Statine ‘doubledrugs’ Bioorg Med Chem Lett., 14, 2931–2934 Saify ZS et al (2012), "New benzimidazole derivatives as antiplasmodial agents and plasmepsin inhibitors: Synthesis and analysis of structure–activity relationships Bioorg Med Chem Lett., 22: 1282–1286 Silva AM., et al.(1996) Structure and inhibition of plasmepsin II, a hemoglobin-degrading enzyme from Plasmodiumfalciparum Proc Nat Aca Sci U.S.A., 93: 10034-10039 Sriwilaijaroen et al (2006) Plasmepsin II inhibitory activity of alkoxylated and hydroxylated chalcones Southeast Asian J Tropical Med Pub Health, 37(4): 607612 Steiner D, Oostenbrink C, Diederich F, Zürcher M, Gunsteren WFV (2011), "Calculation of Binding Free Energies of Inhibitors to Plasmepsin II J Comput Chem., 32(9): 1801–1812 Tiwari HK, Upadhyay S, Upadhyay RK, Rawat M, Sharma A (2011) Chalcones induced inhibition of plasmepsin II, a hemoglobin-degrading malarial aspartic protease from Plasmodium falciparum J Pharm Res., 4(4): 1253-1258 Ngày nhận báo: 11.12.2012 Ngày phản biện đánh giá báo cáo: 24.12.2012 Ngày báo đăng: 10.03.2014 Chuyên Đề Dược Học ... drugs Keywords: Plasmepsin II, malaria, Plasmodium falciparum, QSAR, enzyme inhibitor ĐẶT VẤN ĐỀ Xây dựng mơ hình QSAR Enzym Plasmodium falciparum plasmepsin II (Pf PM II) – enzym khơng bào tiêu... nhóm hợp chất có khả ức chế PfPM II in vitro công bố Trong nghiên cứu này, chất ức chế PfPM II thu thập tiến hành xây dựng mơ hình mối quan hệ định lượng cấu trúc hóa học tác dụng ức chế enzym QSAR... chọn thông số thông số mô tả phân tử; (v) Xây dựng mơ hình QSAR chất ức chế PfPM II thuật tốn bình phương tối thiểu phần PLS; (vi) Đánh giá mơ hình QSAR; (vii) Ứng dụng mơ hình 2D QSAR PHƯƠNG PHÁP