Nội dung bài viết có mục tiêu thiết lập mô hình biểu diễn sự liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính kháng ung thư PC3-MM2 của các hợp chất coumarin nhờ kết hợp giữa phương pháp thống kê cổ điển và phương pháp xử lý dữ liệu hiện đại bằng công nghệ trí tuệ nhân tạo (mạng nơron nhân tạo - ANN).
Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CÁC DẪN XUẤT NOVOBIOCIN LÊN HOẠT TÍNH KHÁNG TẾ BÀO UNG THƯ TUYẾN TIỀN LIỆT PC3-MM2 Nguyễn Trương Công Minh*, Lê Thị Xuân Thảo*, Nguyễn Thị Mai*, Bùi Thọ Thanh** TÓM TẮT Mở đầu: Ung thư tuyến tiền liệt đặc biệt phổ biến dòng tế bào ung thư PC3-MM2 bệnh lý ác tính thường thấy hệ sinh sản nam giới với tỷ lệ mắc bệnh tử vong xếp sau ung thư phổi Việc nghiên cứu hợp chất kháng ung thư có nguồn gốc tự nhiên, với hoạt tính vượt trội so với hợp chất cũ, điển hình novobiocin, mở khả điều trị hiệu an toàn cho dạng ung thư Mục tiêu: Thiết lập mơ hình biểu diễn liên hệ chặt chẽ cấu trúc hóa học hoạt tính kháng ung thư PC3-MM2 hợp chất coumarin nhờ kết hợp phương pháp thống kê cổ điển phương pháp xử lý liệu đại cơng nghệ trí tuệ nhân tạo (Mạng nơron nhân tạo – ANN) Phương pháp nghiên cứu: khảo sát cấu trúc 23 dẫn xuất novobiocin, kèm theo liệu sẵn có hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 (IC50) Sau thực tính toán xử lý liệu thống kê phần mềm bao gồm: Hyperchem 8.0.10, PaDel-Descriptor 2,17 MathLab R2012a Kết quả: phương pháp ANN 3-2-1 xác định mối liên hệ chặt chẽ (R2 = 88%) hoạt tính kháng ung thư PC3-MM2 với thơng số cấu trúc ảnh hưởng quan trọng bao gồm: ALogP2, minHBint7 Weta1,mass Kết luận: Hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 hợp chất novobiocin khảo sát có tương quan mật thiết với thông số cấu trúc sàng lọc phương pháp thống kê cổ điển ALogP2, minHBint7 Weta1,mass Kết hợp với mô ANN cho thấy mơ hình phi tuyến 3-2-1 giải thích 88% yếu tố cấu trúc giữ vai trò quan trọng định đến hoạt tính kháng ung thư hợp chất Từ khóa: ANN, PC3-MM2, hoạt tính kháng ung thư, novobiocin ABSTRACT THE CORRELATION BETWEEN THE STRUCTURE AND ANTICANCER ACTIVITY AGAINST BREAST CANCER CELL PC3-MM2 OF NOVOBIOCIN COMPOUNDS Nguyen Truong Cong Minh, Le Thi Xuan Thao, Nguyen Thi Mai, Bui Tho Thanh * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 19 - Supplement of No - 2015: 354 - 360 Background: Prostate cancer is particularly common in cancer cell line PC3-MM2 which is a malignant disease in the reproductive system of males with high morbidity and mortality ranked after lung cancer The studying of the prostate cancer resistance compounds of natural origin, especially novobiocin, is included with activity superior to the known compounds; It will open up the possibility of effective and safer treatment for this kind of cancer Objects: Setting the model showing quantitative relationship between chemical structure and anticancer activity against PC3-MM2 of 23 novobiocin derivative by conjugating between simple statistical methods and artificial intelligence technology (Artificial Neural Network – ANN) Methods: structuring 23 novobiocin derivatives, together with available data on the activity against cancer cell line PC3-MM2 (IC50) The next step is the calculation and processing statistical data by the software include: * Bộ mơn Hố Sinh, Khoa Y, Đại học Y Dược TPHCM Tác giả liên lạc: ThS Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 01269635368 354 Email: congminh.ngtruong@gmail.com Chuyên Đề Răng Hàm Mặt Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 Nghiên cứu Y học Hyperchem 8.0.10, PaDel-Descriptor 2,17 and Matlab R2012a Results: 3-2-1 ANN method identified close relationship (R2 = 88%) between activity against PC3-MM2 cancer with structural parameters which have important influences including ALogP2, minHBint7 and Weta1.mass Conclusion: activity against cancer cell line PC3-MM2 of the novobiocin compounds closely correlated with structural parameters being screened using classical statistical methods including ALogP2, minHBint7 and Weta1,mass, Combining with ANN simulation shows 3-2-1 nonlinear model explained 88% of the structural elements which have an important role in determining antitumor activity of these compounds Key words: QSAR, ANN, novobiocin, antitumor activity nguồn gốc từ dược liệu tự nhiên với hoạt tính MỞ ĐẦU cao hơn, đồng thời hỗ trợ điều trị ung thư Ung thư tuyến tiền liệt đặc biệt phổ biến đặc biệt ung thư tuyến tiền liệt PC3-MM2 dòng tế bào ung thư PC3-MM2 bệnh lý ác tính ĐỐI TƯỢNG-PHƯƠNGPHÁP NGHIÊNCỨU thường thấy hệ sinh sản nam giới với tỷ lệ mắc bệnh tử vong xếp sau ung thư phổi Đối tượng nghiên cứu Nguy nam giới mắc ung thư tuyến tiền liệt 23 hợp chất novobiocin kèm theo hoạt tính độ tuổi 50-59 10%, nguy mắc tăng kháng tế bào ung thư PC3-MM2, xác định lên đến 70% nam giới độ tuổi 80-90(6) nồng độ ức chế 50% khả phát triển tế Coumarin thành phần hóa học phổ biến nhiều lồi thực vật, có hoạt tính kháng virus, kháng khuẩn, kháng viêm đặc biệt khả kháng ung thư Trong năm gần đây, hầu hết dẫn xuất từ coumarin, đặc biệt phải kể đến hợp chất novobiocin có mang nhóm hóa học quinolinone hay quinolone có sẵn nhiều loại thuốc tự nhiên quinine, campothecin cinchonidine thể hoạt tính sinh học ưu việt bao gồm khả kháng khuẩn, kháng viêm hoạt tính ức chế nhiều loại tế bào ung thư nhà khoa học chứng minh(7) Bhaskar Reddy Kusuma đồng nghiệp tổng hợp, nghiên cứu hoạt tính kháng tế bào ung thư tuyến tiền liệt PC3-MM2 23 hợp chất novobiocin(7), đồng thời cơng bố tạp chí Hóa Dược Hóa Sinh Hữu Cơ (Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters) vào cuối năm 2013 Dựa theo kết cơng trình trên, mục tiêu đặt cho nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng cấu trúc hợp chất novobiocin lên hoạt tính chúng, từ đặt tảng cho nhà y dược học nghiên cứu thêm nhiều cấu trúc dựa thành phần dẫn xuất novobiocin có Chuyên Đề Răng Hàm Mặt bào ung thư (IC50 M) Phương pháp tiến hành Cơ sở liệu Hình 1: Cấu trúc tổng quát hợp chất novobiocin Mô cấu trúc 23 hợp chất novobiocin phần mềm Hyperchem 8.0.10(4) theo phương pháp bán kinh nghiệm PM3(3,5) Tính tốn 17 thơng số lượng tử hợp chất Hyperchem 8.0.10 1745 thông số cấu trúc phần mềm PaDel Descriptor 2.17(2) Sử dụng công cụ thống kê Statgraphics Centurion XVI 16.1.18(12), phân tích lựa chọn mơ hình hồi quy thơng số cấu trúc tính tốn với hoạt tính (IC50) kháng tế bào ung 355 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 thư PC3-MM2 tương ứng hợp chất Trên sở sàng lọc thơng số cấu trúc đặc trưng có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt tính 23 hợp chất Sử dụng phần mềm Math-Lab R2012a (7.14.0.739)(8) khảo sát tương quan cấu trúc – hoạt tính phương pháp Mạng Nơron Nhân Tạo (ANN)(1,9,9), đồng thời đề nghị cấu trúc dẫn xuất novobiocin có hoạt tính IC50 tối ưu số cấu trúc lựa chọn phương pháp phân tích tương quan đa biến (điều kiện p < 0,05) Các mơ hình hồi quy tương ứng với giá trị MSE: MƠ HÌNH BIẾN CẤU TRÚC MSE CD C = minHBint7; D = -minHdsCH 0,082 ACI CDEF CDEFH KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Ý nghĩa thơng số cấu trúc có liên quan ALogP2 Thuộc loại biến cấu trúc mơ tả tính chất ưa dầu hóa chất thơng qua việc khảo sát phân tách hợp chất hóa học pha: pha nước pha dầu(10,11) Phân tử có tính háo nước tăng ALogP2 giảm minHBint7 Thuộc thơng số cấu trúc mô tả trạng thái topo điện tử tập hợp nhóm liên kết hydrogen phân tử(10,11) Phân tử có nhóm liên kết hydrogen mạnh minHBint7 tăng Weta1.mass Thuộc nhóm biến cấu trúc 3D mơ tả trọng lượng kích thước khơng gian tập hợp nguyên tử phân tử, tính đơn vị khối lượng phân tử(10,11) Phân tử có phân tử khối lớn Weta1.mass lớn Sàng lọc thông số cấu trúc Statgraphics Centurion XVI 16.1.18 0,074 0,067 0,063 MSE: Sai số bình phương trung bình Sử dụng phương pháp ANN để thiết lập mơ hình tương quan phi tuyến tương ứng biến cấu trúc lựa chọn mơ hình hồi quy nêu với hoạt tính Log(IC50) 23 hợp chất novobiocin Bảng 1: Giá trị hoạt tính IC50 LOG(IC50) 23 hợp chất novobiocin PC3-MM2 STT X = N; R1|R IC50 LOG(IC50) (M) 4,91 0,26 5,75 0,69 -0,59 0,76 8,48 0,93 12,47 1,10 6,05 0,78 5,49 0,74 29,76 1,47 3,95 0,60 10 0,68 -0,17 11 1,41 0,15 Sau tối ưu hóa cấu trúc 23 hợp chất novobiocin tính tốn thơng số cấu trúc phần mềm Hyperchem 8.0.10 PaDel Descriptor 2.17, mơ hình hồi quy thể tương quan cấu trúc hoạt tính IC50 hợp chất novobiocin, với hệ số tương quan (R) sai số bình phương trung bình (MSE) thiết lập phần mềm Statgraphics Centurion XVI 16.1.18 dựa sở thông 356 A = ALogP2; C = minHBint7; I = -Weta1,mass C = minHBint7; D = -minHdsCH; E = -maxsssN; F = -ETA_BetaP_s C = minHBint7; D = -minHdsCH; E = -maxsssN; F = -ETA_BetaP_s; H = -MLFER_BH Chuyên Đề Răng Hàm Mặt Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 12 14,12 1,15 13 1,78 0,25 14 2,08 0,32 15 1,33 0,12 16 1,54 0,19 X R1 Nghiên cứu Y học 2,23 0,35 18 2,46 0,39 19 1,93 0,29 20 1,75 0,24 1,74 0,24 22 1,75 0,24 23 2,40 0,38 Mơ hình tương quan phi tuyến theo ANN Lần lượt sử dụng trường hợp mơ hình hồi quy CD, ACI, CDEF, CDEFH tương ứng với thông số cấu trúc lựa chọn bao gồm: ALogP2, minHBint7, Weta1.mass, minHdsCH, maxsssN, ETA_BetaP_s, MLFER_BH để thiết lập tương quan phi tuyến với hoạt tính Log(IC50) phương pháp Mạng nơron nhân tạo R 17 21 Kết thu mơ hình ANN 3-2-1 dựa thông số cấu trúc: ALogP2, minHBint7, Weta1,mass sau: 2 Mơ hình R liệu 23 hợp chất R liệu kiểm tra (6 hợp chất) Mse liệu kiểm tra ANN 3-2-1 88.00 % 94,10% 0,019 Giá trị Log(IC50) thực nghiệm Log(IC50) tính tốn ANN 3-2-1 Bảng 2: Giá trị Log(IC50) thực nghiệm Log(IC50) tính tốn ANN 3-2-1 Log(IC50) THUCNGHIEM ALogP2 minHBint7 Weta1,mass Log(IC50) TINHTOAN SAI SỐ 0,69 1,75 2,51 0,26 0,65 0,04 -0,59 10,96 2,51 0,30 -0,59 0,93 1,17 2,62 0,17 0,97 -0,04 1,10 0,05 2,53 0,15 1,08 0,02 0,78 4,87 2,52 0,28 0,57 0,21 0,74 0,94 2,55 0,36 0,73 0,01 1,47 0,47 0,84 0,40 1,51 -0,04 -0,17 0,059 0,88 0,35 0,22 -0,05 0,15 0,58 2,40 0,31 0,22 -0,07 1,15 0,75 0,57 0,39 0,98 0,17 0,25 1,84 2,53 0,35 0,22 0,03 0,32 0,08 1,35 0,39 0,54 -0,22 0,35 0,41 0,96 0,38 0,22 0,13 0,39 0,079 2,59 0,48 0,24 0,15 0,28 0,094 0,88 0,38 0,53 -0,25 0,24 0,50 0,95 0,52 0,22 0,02 0,38 0,56 0,84 0,32 0,16 0,22 0,76* 2,84 2,76 0,24 0,47* 0,29 0,60* 3,00 2,60 0,24 0,46* 0,14 Chuyên Đề Răng Hàm Mặt 357 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 Nghiên cứu Y học Log(IC50) THUCNGHIEM ALogP2 minHBint7 Weta1,mass Log(IC50) TINHTOAN SAI SỐ 0,12* 4,78 2,61 0,25 0,22* -0,10 0,19* 5,15 2,58 0,42 0,22* -0,03 0,24* 0,48 2,68 0,17 0,22* 0,02 0,24* 1,41 0,85 0,36 0,22* 0,02 MSE (DỮ LIỆU KIỂM TRA) 0,019 Log(IC50)*: hoạt tính liệu kiểm tra Đánh giá tương quan cấu trúc – hoạt tính 23 hợp chất novobiocin kháng tế bào ung thư PC3-MM2 Mơ hình ANN 3-2-1 đưa mức độ xu hướng ảnh hưởng thông số cấu trúc ALogP2, minHBint7, Weta1.mass lên hoạt tính Log(IC50) (hình 4) Vùng diện tích có màu đỏ lớn hoạt tính kháng ung thư cao: Ảnh hưởng ALogP2 lên hoạt tính Log(IC50) Ảnh hưởng minHBint7 lên hoạt tính Log(IC50) Ảnh hưởng Weta1,mass lên hoạt tính Log(IC50) Hình 2: Xu hướng ảnh hưởng biến cấu trúc lên hoạt tính kháng ung thư Log(IC50) 358 Chuyên Đề Răng Hàm Mặt Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 Nghiên cứu Y học Như hoạt tính kháng ung thư tăng tương ứng với thay đổi biến cấu trúc sau: BIẾN CẤU TRÚC ALogP2 minHBint7 Weta1,mass XU HƯỚNG ẢNH HƯỞNG Có giá trị gần 4, hoạt tính tăng Càng lớn, hoạt tính tăng Càng nhỏ, hoạt tính tăng KHOẢNG GIÁ TRỊ TỐI ƯU 3,5 < ALogP2 < 5,0 >2 < 0,2 Dự đoán cấu trúc dẫn xuất novobiocin có hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 cao 23 hợp chất novobiocin tổng hợp Trong 23 hợp chất novobiocin tổng hợp, chọn hợp chất điển hình có hoạt tính kháng ung thư cao (IC50 = 0,258 M) để khảo sát (hình 3): Hình 4: Cấu trúc dẫn xuất novobiocin dự đốn có hoạt tính IC50 (PC3-MM2) < 0,258 M Dữ liệu biến cấu trúc ALogP2, minHBint7, Weta1.mass: ALogP2 4,98 minHBint7 2,62 Weta1,mass 0,21 Hoạt tính IC50 tính tốn là: IC50 = 0,126 μM KẾT LUẬN Hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 hợp chất novobiocin có tương quan với thông số cấu trúc phân tử dẫn xuất novobiocin, so sánh dựa mơ hình tương quan phi tuyến thiết lập phương pháp Mạng Nơron Nhân Tạo (ANN 3-2-1) Hình 3: Cấu trúc dẫn xuất novobiocin có IC50 (PC3MM2) = 0,258 M Dữ liệu biến cấu trúc ALogP2, minHBint7, Weta1.mass: ALogP2 3,00 minHBint7 2,60 Weta1,mass 0,24 Vậy để tăng hoạt tính dẫn xuất cần tăng giá trị ALogP2, giảm giá trị Weta1.mass Giảm Weta1.mass: giảm khối lượng phân tử Tăng ALogP2: giảm tính háo nước phân tử Cấu trúc đề nghị là: Chuyên Đề Răng Hàm Mặt Kết cho thấy hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 dẫn xuất novobiocin thay đổi phụ thuộc phức tạp vào biến cấu trúc khác (hình 4) bao gồm: ALogP2, minHBint7 Weta1.mass Tuy nhiên, mơ hình ANN 3-2-1 thiết lập dự đốn 88% (R2 = 88,0%) hoạt tính kháng ung thư tương ứng với mức độ ảnh hưởng biến cấu trúc kể Nghĩa là, muốn đánh giá xác hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 dẫn xuất novobiocin cần nghiên cứu thêm ảnh hưởng môi trường xung quanh đến khả ức chế tế bào ung thư PC3-MM2 bên cạnh ảnh hưởng biến cấu trúc có liên quan 359 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Phụ Số * 2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO 360 Chtita S, Ghamali M (2013), “Prediction of biological activity of imidazo(1,2-a)pyrazine derivatives by combining DFT and QSAR results”, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 2(12) Chun Wei (2001), “PaDEL-Descriptor”, National University of Singapore “Hyperchem® Computational Chemistry”, Hypercube, Inc (1996) “Hyperchem® Release for Windows®”, Hypercube, Inc (2002) James BF, Frisch AE (1996), “Exploring Chemistry With Electronic Structure Methods 2nd Edition” Kaighn, M,E,, et al (1979), "Establishment and characterization of a human prostatic carcinoma cell line (PC-3),", Invest Urol,, 17(1), 16–23 Kusuma BR, Khandelwal A,, et al (2014), “Synthesis and biological evaluation of coumarin replacements of novobiocin as Hsp90 inhibitors”, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 22(4), 1441-1449 Mark HB, Martin TH, Howard BD (2013), “Neural Network ToolboxTM User’s Guide”, The MathWorks, Inc 10 11 12 Qin Yu, Deng H, Yan H, Zhong R (2011), “An accurate nonlinear QSAR model for the antitumor activities of chloroethylnitrosoureas using neural networks”, Journal of Molecular Graphics and Modelling, 29(6), 826-833 Rakesh Bhatia, “A Review on role of molecular descriptors in QSAR: A computational methods approach”, PharmaTutor – Pharmacy Infopedia Roberto Todeschini, Viviana Consonni (2000), “Handbook of Molecular Descriptors”, Methods and Principles in Medicinal Chemistry, 11 “Statgraphics® Centurion XVI User Manual”, StatPoint Technologies, Inc (2010) Ngày nhận báo: 30/10/2014 Ngày phản biện nhận xét báo: 30/10/2014 Người phản biện: TS.BS Lê Xuân Trường Ngày báo đăng: 10/04/2015 Chuyên Đề Răng Hàm Mặt ... 88,0%) hoạt tính kháng ung thư tương ứng với mức độ ảnh hưởng biến cấu trúc kể Nghĩa là, muốn đánh giá xác hoạt tính kháng tế bào ung thư PC3-MM2 dẫn xuất novobiocin cần nghiên cứu thêm ảnh hưởng. .. Weta1.mass lên hoạt tính Log(IC50) (hình 4) Vùng diện tích có màu đỏ lớn hoạt tính kháng ung thư cao: Ảnh hưởng ALogP2 lên hoạt tính Log(IC50) Ảnh hưởng minHBint7 lên hoạt tính Log(IC50) Ảnh hưởng. .. kháng viêm hoạt tính ức chế nhiều loại tế bào ung thư nhà khoa học chứng minh(7) Bhaskar Reddy Kusuma đồng nghiệp tổng hợp, nghiên cứu hoạt tính kháng tế bào ung thư tuyến tiền liệt PC3-MM2 23