tương tác ức chế các enzym phân hủy carbohydrates của nhóm hợp chất thiên nhiên mới trong can thiệp điều trị đái tháo đường type 2

BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TƯƠNG TÁC ỨC CHẾ CÁC ENZYM PHÂN HỦY CARBOHYDRATES CỦA NHÓM HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN MỚI TRONG CAN THIỆP ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TYPE Mã số: Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Trương Công Minh Tp Hồ Chí Minh, Tháng 04/ Năm 2018 BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TƯƠNG TÁC ỨC CHẾ CÁC ENZYM PHÂN HỦY CARBOHYDRATES CỦA NHÓM HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN MỚI TRONG CAN THIỆP ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TYPE Mã số: Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) Tp Hồ Chí Minh, Tháng 04/ Năm 2018 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU Chức danh trình thực nhiệm vụ Đơn vị công tác Chủ nhiệm đề tài Đại học Y Dược TP HCM PGS TS Lê Xuân Trường Thành viên Đại học Y Dược TP HCM ThS Lê Thị Xuân Thảo Thành viên Đại học Y Dược TP HCM PGS TS Bùi Thọ Thanh Thành viên Trường Đại học Khoa học Tự Họ tên, học hàm học vị ThS Nguyễn Trương Công Minh nhiên, TP.HCM MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan 1.2.1 Tổng quan mơ hình hóa phân tử - docking phân tử 1.2.2 Các khái niệm docking 1.2.3 Các hướng tiếp cận kỹ thuật docking phân tử 1.2.4 Thuật tốn tìm kiếm hàm đánh giá 1.2.5 Sàng lọc ảo (Virtual screening) 12 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Đối tượng nghiên cứu 24 2.2 Phương pháp nghiên cứu 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ BÀN LUẬN 27 3.1 Kết 27 3.2 Bàn luận 32 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG - HÌNH Bảng 1: Mơ hình ức chế enzym Alpha-amylase tương ứng với lượng gắn kết 27 Eb loại tương tác cho hợp chất ức chế 27 Bảng 2: Mơ hình ức chế enzym Alpha-glucosidase tương ứng với lượng 29 gắn kết Eb loại tương tác cho hợp chất ức chế 29 Bảng 3: Tương quan lượng gắn kết Eb (kcal/mol) IC50 (µM) 32 hợp chất ức chế 32 Hình Các kiểu mơ hình khác dẫn xuất 1, 3, 4-Oxadiazoles Hình Phức hợp docking protein-ligand .3 Hình Biểu đồ docking phân tử ligand protein Hình Phân tử nhỏ gắn kết vào túi thụ thể protein Hình Các túi/hốc thụ thể gắn kết với ligand Hình Sơ đồ thuật tốn tìm kiếm Hình Sơ đồ hàm đánh giá 12 Hình 8: Mơ hình tĩnh điện phức hợp chất ức chế – enzyme 33 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Thông tin chung - Tên đề tài: TƯƠNG TÁC ỨC CHẾ CÁC ENZYM PHÂN HỦY CARBOHYDRATES CỦA NHÓM HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN MỚI TRONG CAN THIỆP ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TYPE - Mã số: - Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Trương Công Minh Điện thoại: 01269635368 Email: congminh.ngtruong@gmail.com - Đơn vị quản lý chun mơn: mơn Hóa Sinh, Khoa Y, Đại học Y Dược TP.HCM - Thời gian thực hiện: từ tháng 6/2017 đến tháng 6/2018 Mục tiêu Góp phần hiểu rõ thêm chế ức chế enzym đái tháo đường tuýp (T2D) đồng thời đánh giá hiệu ức chế nhóm hợp chất có nguồn gốc tự nhiên so sánh với hợp chất ức chế tổng hợp (Acarbose) Nội dung Khảo sát mơ tương tác ức chế enzym phân hủy Carbohydrates bao gồm Alphaglucosidase Alpha-amylase nhóm hợp chất thiên nhiên chiết xuất từ loài thực vật Aframomum melegueta thuộc họ gừng, sử dụng làm dược liệu phổ biến Việt Nam giới Từ góp phần hiểu rõ thêm chế ức chế enzym T2D đồng thời đánh giá hiệu ức chế nhóm hợp chất có nguồn gốc tự nhiên so sánh với hợp chất ức chế tổng hợp (Acarbose) Kết đạt (khoa học, đào tạo, kinh tế-xã hội, ứng dụng ): - Cơng bố tạp chí nước: Tạp chí Y học TP.HCM, xuất năm 2018 Hiệu kinh tế - xã hội đề tài mang lại - Góp phần cung cấp số kiến thức quan trọng chế ức chế enzym phân hủy Carbohydrates hợp chất thiên nhiên mới, hỗ trợ điều trị đái tháo đường tương lai, đồng thời mở triển vọng định hướng cho nhiều nghiên cứu, ứng dụng tương lai nhằm mục đích can thiệp có hiệu rối loạn đường huyết giảm thiểu biến chứng gây CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hóa học lý thuyết nói chung phương pháp tính hóa lượng tử nói riêng áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu hoạt động enzyme ứng dụng chẩn đoán điều trị bệnh ngày phát triển Thành công lĩnh vực định hướng cho việc tiếp cận phương pháp chữa trị mới, sử dụng cơng cụ hóa tính tốn để điều chỉnh, can thiệp vào q trình diễn thể sống bao gồm hoạt động enzyme, giúp tiên lượng điều trị bệnh trúng đích, hạn chế nguy hiểm, rủi ro khơng mong muốn Các phương pháp tính tốn lý thuyết nghiên cứu hoạt động enzyme bổ sung hồn thiện, vấn đề nghiên cứu góp phần cải tiến phương pháp có vai trị quan trọng, đặc biệt lĩnh vực y sinh học phân tử, đưa hóa tính tốn tiếp cận gần đến ứng dụng thực hành lâm sàng Đái tháo đường rối loạn mạn tính [1], có thuộc tính sau: tăng glucose máu, kết hợp với bất thường chuyển hoá carbohydrate, lipid protein Bệnh gắn liền với xu hướng phát triển bệnh lý thận, đáy mắt, thần kinh bệnh tim mạch hậu xơ vữa động mạch Đái tháo đường Type (T2D) đặc trưng khiếm khuyết chức tế bào beta, giảm hoạt tính insulin gen, gây nên tình trạng tăng đường huyết thời kỳ hậu mãn kinh [1] Bên cạnh hướng tiếp cận điều trị ngăn chặn rối loạn đường huyết thời kỳ hậu mãn kinh, giảm thiểu biến chứng gây ra, số phương pháp gần áp dụng nhằm kiểm soát, giảm lượng đường hấp thu cách gây ức chế enzym phân hủy Carbohydrates chủ yếu Alpha-glucosidase Alpha-amylase [2] Đồng thời, xu hướng thay tác nhân ức chế tổng hợp tác nhân ức chế có nguồn gốc tự nhiên ngày trọng để hạn chế đến mức tối đa tác dụng phụ không mong muốn Mục tiêu nghiên cứu Góp phần hiểu rõ thêm chế ức chế enzym đái tháo đường tuýp đồng thời đánh giá hiệu ức chế nhóm hợp chất có nguồn gốc tự nhiên [7, 8] so sánh với hợp chất ức chế tổng hợp (Acarbose) 1.2 TỔNG QUAN 1.2.1 Tổng quan mơ hình hóa phân tử - docking phân tử Mơ hình hóa phân tử cơng cụ đắc lực phục vụ nghiên cứu, giảng dạy, đồng thời hỗ trợ khám phá tượng, khái niệm hóa học Mơ hình hóa thuật ngữ mơ tả việc sử dụng tài ngun máy tính để xây dựng cấu trúc thực tính tốn nhằm dự đốn tính chất hóa học đặc trưng phân tử [3] Hình Các kiểu mơ hình khác dẫn xuất 1, 3, 4-Oxadiazoles Phương pháp mơ hình hóa bao gồm tất lý thuyết kỹ thuật tính tốn sử dụng lĩnh vực hóa học nói chung, hóa tính tốn nói riêng, sinh học tính tốn khoa học vật liệu, nghiên cứu hệ phân tử phạm vi kích thước nhỏ tới hệ phân tử sinh học có kích thước lớn vật liệu khối Đặc điểm chung kỹ thuật mô tả hệ phân tử cấp độ nguyên tử, với mức độ thông tin thấp đơn nguyên tử (hay nhóm nhỏ nguyên tử) Như vậy, trái ngược so với khái niệm hóa lượng tử việc thực tính tốn có kể đến hiệu ứng electron cấu trúc electron ngun tử Lợi ích phương pháp mơ hình hóa phân tử đơn giản hóa độ phức tạp hệ thống, cho phép hạt nguyên tử tham gia vào q trình mơ Trong năm gần đây, nghiên cứu thiết kế phân tử có hoạt tính nói chung phân tử thuốc nói riêng cải tiến từ phương pháp thử nghiệm – tổng hợp truyền thống đến q trình mơ sản xuất phức tạp, nhờ hỗ trợ máy tính Thiết kế phân tử thuốc thực dựa cấu trúc protein mục tiêu biết, từ khám phá hợp chất sử dụng liệu pháp điều trị thích hợp Các hướng tiếp cận thiết kế phân tử có hoạt tính phân thành nhóm bao gồm: thiết kế de novo protein docking phân tử [4, 5] (Hình 2) Hình Phức hợp docking protein-ligand “Docking” khái niệm để tạo thành phức hợp gắn kết phân tử protein phân tử ligand Nhiệm vụ trình docking dự đốn cấu trúc phức hợp sở cấu trúc cho trước phân tử ligand phân tử protein Dạng hình học phức hợp phải phản ánh cực tiểu toàn cục lượng tự gắn kết, docking mang chất tối ưu hóa lượng Vấn đề đặt cần có giải pháp gần thích hợp, thực docking khoảng thời gian không dài Đồng thời, phương pháp docking phải thỏa mãn yêu cầu độ xác, dạng hình học lập thể phù hợp mơ hình dự đốn tương tác protein – ligand 1.2.2 Các khái niệm docking Trong lĩnh vực mơ hình hóa phân tử, docking phương pháp đoán hướng tiếp cận ưu đãi phân tử gắn kết với phân tử khác, hình thành phức hợp bền, đặc trưng độ bền liên kết hay lực gắn kết phân tử sử dụng hàm đánh giá (scoring functions) [5, 6] Hai phân tử thực docking phân tử sinh học protein, acid nucleic, carbohydrate lipid Các phân tử liên kết với giữ vai trị trung tâm dẫn truyền tín hiệu Đồng thời, hướng tiếp cận tương ứng ảnh hưởng tới loại tín hiệu tạo thành Như vậy, mặt tổng quan, docking có khả dự đốn độ bền liên kết loại tín hiệu tạo thành phân tử sinh học Lợi dụng tính chất mạng nơron sinh học, mạng nơron nhân tạo tương ứng có thành phần xây dựng dựa mơ hình tốn học bao gồm khâu chính:  Khâu cộng Thơng tin đầu vào tế bào nơron tác động vào màng ngăn khác nhau, thể qua khái niệm trọng số wi, i = 1,…, m tương ứng với cường độ thông tin hay mức độ ảnh hưởng thông tin Tổng giá trị kích thích đầu vào biểu diễn hàm cộng:  Khâu tiền đáp ứng Đầu khâu cộng đưa đến khâu tiền đáp ứng c với c(t) màng ngăn tăng dần theo kích thích ε(t), biểu diễn biểu thức: Co màng ngăn trạng thái khơng kích thích, t số thời gian kích thích  Khâu tạo đáp ứng đầu Đáp ứng đầu hay liệu đầu biểu diễn dạng hàm tốn học khác tương ứng với dạng kích thích đầu vào khác bao gồm: Hàm logic với kích thích ngẫu nhiên: Hàm Fermi với kích thích liên tục: Hàm tuyến tính: y=kc, với k số Hàm đồng dạng: y=c Qua đặc tính khâu cộng, khâu tiền đáp ứng c khâu tạo đáp ứng α tạo nên mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo với liệu đầu y là: y = α(c) = α(c(ε)) = α(c(wTx)) = α.c(wTx) Thành phần mơ hình mạng nơron nhân tạo: Trong mạng nơron nhân tạo, nơron phân biệt với thơng qua vị trí cụ thể: - Lớp nơron đầu vào (input layer) gồm nơron nhận thông tin kích thích từ bên ngồi - Lớp nơron đầu (output layer) làm nhiệm vụ kết xuất liệu xử lý bên - Lớp nơron ẩn hay gọi lớp (hidden layer) hỗ trợ xử lý liệu thơng qua mơ hình tốn học Mỗi nơron tiếp nhận thông tin đầu vào khác nhau, với cường độ tín hiệu khác tương ứng với trọng số w khác Trong khai phá liệu, việc xác định số nơron lớp ẩn có vai trò then chốt quan trọng, định đến hiệu huấn luyện mạng Nếu số nơron số đối tượng liệu đầu vào trình huấn luyện mạng chưa hồn tồn (under-training) Ngược lại, số nơron nhiều so với số đối tượng liệu đầu vào xảy tượng “q luyện” (over-training), mơ hình mạng nơron thiết lập khơng có khả khái qt hóa dự đốn đối tượng liệu Mục đích chung kỹ thuật luyện mạng nơron dựa hàm kích thíchđáp ứng tiếp nhận số liệu đầu vào (tham số) kết xuất số liệu đầu (đáp ứng) Sự khác biệt nơron loại mạng nơron nhân tạo có liên quan tới chất hàm kích thích-đáp ứng nơron sử dụng, cấu thành nên mơ hình mạng nơron hồn chỉnh, bao gồm: Hàm giới hạn, hàm tuyến tính, hàm sigma (ví dụ: Tanghypebol) hàm sở hướng tâm (ví dụ: Gaussian) Phân loại mơ hình mạng nơron nhân tạo: Mạng nơron phân loại dựa số lớp nơron kiểu truyền thông tin:  Kiểu truyền thông tin Mạng có khả phản hồi thơng tin từ đầu nơron tới đầu vào nơron lớp thuộc lớp phía trước gọi mạng hồi tiếp (feedback network) Mạng khơng có khả phản hồi thơng tin từ đầu tới đầu vào gọi mạng truyền thẳng (feedforward network)  Số lớp nơron Mạng bao gồm lớp, vừa lớp đầu vào vừa lớp trung gian lớp đầu gọi mạng lớp (single layer network) Mạng bao gồm hay nhiều lớp ẩn gọi mạng đa lớp MLP (Multilayer perceptrons network) Nguyên tắc luyện mạng – luyện mạng MLP truyền thẳng – thuật toán lan truyền ngược: Bản chất huấn luyện mạng (network training) xác định vectơ trọng số wi nơron mạng cho mạng có khả kết xuất thông tin đầu mong muốn Để huấn luyện mạng, cần tác động vào mạng cách lặp lặp lại kích thích x(k) với k = 1,2,… Dữ liệu đầu (k) tương ứng so sánh với đáp ứng mẫu cho trước y(k) Vectơ trọng số wi với i = 1,2,…,n hiệu chỉnh theo bước huấn luyện thuật toán khác cho trị tuyệt đối sai số bình phương Ek = ( (k) - y(k))2 nhỏ Thuật toán lan truyền ngược dùng phổ biến huấn luyện mạng MLP dựa sở so sánh tín hiệu đầu (k) với đáp ứng mẫu y(k), sau hiệu chỉnh trọng số lớp đầu w(k) thành w(k+1), từ w(k+1) lại hiệu chỉnh trọng số nơron thuộc lớp trước v(k) thành v(k+1) Cứ trọng số lớp nơron đầu vào Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: enzym Alpha-amylase Alpha-glucosidase hợp chất thiên nhiên bao gồm: 6-Paradol, 6-Shagaol, 6-Gingerol Oleanolic acid với chất ức chế so sánh Acarbose, tác giả Aminu Mohammed cộng nghiên cứu tổng hợp xác định hoạt tính ức chế thực nghiệm, IC50 (M) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp sau: 2.2.1 Phương pháp học phân tử Trong phương pháp học phân tử, định luật vật lý cổ điển sử dụng để mô tả cấu trúc phân tử dạng nguyên tử liên kết với Năng lượng biểu diễn dựa tổng tồn phần đóng góp lượng kéo căng tương ứng với độ dài nối, lượng bẻ cong tương ứng với góc nối lượng xoắn tương ứng với góc xoắn, với phần đóng góp tương tác không liên kết lực van der Waals lực Coulomb: Thông thường lượng gọi lượng biến dạng phân tử, phản ánh thay đổi hình dạng thật phân tử so với hình dạng phân tử lý tưởng 2.2.2 Phương pháp học lượng tử Cơ học lượng tử mô tả phân tử dạng tương tác hạt nhân electron, theo dạng hình học phân tử thay đổi cho có lượng tổng cộng tương ứng thấp Phương trình Schrӧdinger phương trình học lượng tử Nghiệm phương trình Schrӧdinger làm sáng tỏ cấu trúc phân tử, thơng tin lượng liên kết hóa học phân tử Ψ hàm sóng mơ tả chuyển động electron, phụ thuộc vào tọa độ electron (r) thời gian (t) Ĥ toán tử Hamilton (đơn vị nguyên tử) cho biểu thức: Z điện tích hạt nhân, MA khối lượng hạt nhân A, RAB khoảng cách hạt nhân A B, rij khoảng cách electron i j, riA khoảng cách electron i hạt nhân A 2.2.3 Kỹ thuật protein docking Protein docking kỹ thuật sử dụng để dự đốn vị trí cấu hình thuận lợi mà phân tử ligand gắn kết đại phân tử protein (enzyme) Phân tử ligand cho dịch chuyển tự không gian bao quanh phân tử protein để xác định vị trí có lượng gắn kết âm cách sử dụng hàm đánh giá phương pháp tìm kiếm cực trị toàn cục khác 2.2.4 Xây dựng mơ hình, tối ưu hóa cấu trúc tính tốn thơng số cấu trúc phân tử Tính tốn thông số cấu trúc phân tử thực phần mềm: Gaussian 09w, Hyperchem 8.0.10 PaDel Descriptor 2.21 Gaussian 09w Hyperchem 8.0.10: xây dựng mơ hình – tối ưu hóa cấu trúc hợp chất phương pháp học lượng tử: bán kinh nghiệm PM3 phiếm hàm mật độ DFT, hàm sở B3LYP, tập sở 6-31G(d,p), từ tính tốn 17 thơng số cấu trúc hóa lượng tử bao gồm: Diện tích bề mặt trung bình, diện tích bề mặt tồn phần, thể tích, lượng hydrat hóa, hệ số phân bố octan nước hóa chất, số khúc xạ, hệ số phân cực, khối lượng phân tử, lượng vân đạo biên Lumo, lượng vân đạo biên Homo, chênh lệch lượng vân đạo biên, lượng tổng cộng, lượng gắn kết, sinh nhiệt, lượng điện tử, lượng core – core moment tổng cộng PaDel Descriptor 2.21: sử dụng cấu trúc phân tử tối ưu thực tính tốn 16018 thơng số cấu trúc lý hóa bao gồm nhóm thơng số cấu trúc 2D 3D 2.2.5 Xử lý liệu sàng lọc thơng số cấu trúc phép phân tích hồi quy đa biến tuyến tính Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI 16.1.18, với cơng cụ phân tích tương quan đa biến (Multiple-Variable Analysis (Correlations)), khảo sát tương quan lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, có ý nghĩa thống kê với p