Nghiên cứu hiệu quả của thuốc kháng HIV dựa trên tương tác chất ức chế protease với HIV protease bằng lý thuyết Kohn-Sham

Phương pháp Kohn-Sham [8]

Kohn và Sham giả định đưa các obitan vào bài toán theo cách mà động năng có thể được tính đơn giản, chính xác với một phần hiệu chỉnh nhỏ sẽ được sử lý bổ. KS về nguyên tắc khác với HF ở chỗ bao hàm đầy đủ hiệu ứng trao đổi - tương quan của electron, trong khi HF từ bản chất các giả thiết ban đầu không thể dễ dàng đưa hiệu ứng tương quan này vào mà phải sử dụng phương pháp CI để tính.

Phương pháp cấu trúc electron (electronic structure) [2]

Không giống như phương pháp cơ học phân tử hay phương thức bán thực nghiệm, phương thức lượng tử ab initio không sử dụng các thông số thực nghiệm, thay vào đó, các tính toán này dựa chủ yếu vào các định luật cơ học lượng tử và một số hằng số vật lý như vận tốc ánh sáng; khối lượng, điện tích của electron và hạt nhân; hằng số Planck. Phương thức lượng tử ab initio tính toán nghiệm của phương trình Schrửdinger bằng cách sử dụng mụ̣t số phộp gần đỳng như phộp gần đỳng Born- Oppenheimer và gần đúng obitan phân tử.

Gần đúng obitan phân tử [2]

Ký hiệu x-yzG được hiểu là: mỗi hàm cơ sở của obitan nguyờn tử lừi được biểu diễn bằng x hàm Gaussian ban đầu; Còn y và z chỉ ra rằng mỗi obitan nguyên tử hóa trị bao gồm 2 hàm cơ sở, hàm cơ sơ thứ nhất là sự kế hợp tuyến tính của y hàm Gaussian ban đầu, hàm cơ sở thứ hai là sự kế hợp tuyến tính của z hàm Gaussian ban đầu.Trong trường hợp này, sự hiện diện của hai con số sau dấu gạch nối ngầm hiểu là hệ hàm cơ sở này là hệ hàm cơ sở hóa trị tách đôi. Các hệ hàm cơ sở dùng các hàm khuếch tán đóng vai trò rất quan trọng để tính toán cho các hệ có các electron nằm ở tương đối xa hạt nhân: các phân tử có cặp electron không liên kết, các anion và các hệ khác có điện tích âm, hệ ở trạng thái kích thích, hệ có thế oxy hóa thấp,.

Giới thiệu chung về HIV [5], [13]

Sự lây nhiễm của virus phụ thuộc vào sự hợp nhất của màng tế bào và virus, quá trình gây ra gián. Những sợi DNA đã nhiễm virus trong nhân riêng và các enzyme đặc biệt tạo ra một loại nguyên liệu gen bổ. Mỗi mRNA tương ứng với một khối protein có sẵn để tạo ra một phần của virus và mỗi sợi mRNA được xử lý thì có một chuỗi protein được tạo ra.

Qúa trình này tiếp tục cho đến khi sợi mRNA bị biến đổi được đưa tới các protein bị nhiễm mới để tạo ra virus. Các chuỗi dài protein được cắt bởi một enzyme virus được gọi là protease thành các protein nhỏ hơn. Các protein này giữ các chức năng khác nhau, một số trở thành nguyên tố cấu trúc của virus mới, trong khi số khác trở thành enzyme giống như enzyme sao chép ngược.

Với sự tổ hợp mới sinh và phát triển, virus có khả năng lây nhiễm cho tế bào mới và từ một tế bào có thể sản sinh ra nhiều virus mới.

Protease của HIV-1 (gọi tắt là HIV-1 protease) [5]

Navia và tập thể tại phòng thí nghiệm Mecrk là nhóm đầu tiên tạo được cấu trúc tinh thể của HIV-1 protease vào năm 1989, kể từ đó cấu trúc của protease đã được nghiên cứu rộng rãi cả về chức năng, tính đặc hiệu cơ chất cũng như sự liên kết với các chất ức chế. HIV-1 protease là một dimer, chứa hai chuỗi giống hệt nhau được sắp xếp gần như theo kiểu đối xứng, mỗi chuỗi gồm 99 axit amin và trung tâm hoạt động nằm ở giữa dimer. Vai trò của các amino axit trên được giả thiết như sau: liên kết hidro có cường độ mạnh của Thr26 và Thr26’ có tác dụng làm ổn định hình dạng của trung tâm hoạt động.

Như vậy ngoài sự tương tác qua liên kết hidro với các amino axit ở trung tâm hoạt động, sự gắn kết giữa chất ức chế và protease đặc trưng bởi tương tác với asp29 và asp30 của protease [15]. Ngoài ra, HIV -1 protease còn có hai phần của phiến hairpin được gọi là flap có thể di chuyển một khoảng cách lên đến 7Ao khi enzyme kết hợp với chất nền. Cụ thể, HIV-1 protease nhận biết 9 trình tự peptide khác nhau trên polypeptide gag để tạo ra các protein cấu trúc: matrix, capsid, nucleocapsid cùng với các protein có khối lượng phân tử bé p2, p1 và p6 có vai trò trong quá trình lắp ráp và xác định hình thái của lớp vỏ trưởng thành; thủy phân polypeptide gag-pol tạo thành 3 enzyme: protease, enzyme phiên mã ngược và intergrase cần thiết cho quá trình sao chép của virus HIV và thủy phân polypeptide env thành các protein vỏ gp120 và gp41 của HIV-1.

Khi ức chế hoạt tính của protease hoặc gây đột biến trên gen mã hóa cho protease, các hạt virus được hình thành nhưng không đóng gói phù hợp để tạo thành thể virus trưởng thành, nên chúng không có khả năng xâm nhiễm vào tế bào vật chủ.

Các chất ức chế protease kháng virus

HIV-1 protease là một loại enzyme cần thiết cho sự phân cắt proteolytic của các tiền chất polyprotein của virus vào các protein chức năng cá nhân tìm thấy trong lây nhiễm HIV-1. Saquinavir đã được chế thành sản phẩm thương mại: một loại viên nang gel cứng, có tên thương mại Invirase, kết hợp với ritonavir để tăng khả năng sinh học của saquinavir; một loại sản phẩm dạng viên nang mềm gel saquinavir, với tên thương mại Fortovase. Ritonavir hiếm khi được sử dụng riêng cho hoạt động kháng virus mà thường sử dụng rộng rãi nhằm tăng cường khả năng hoạt động của các chất ức chế khác Cụ thể hơn, ritonavir được sử dụng để ức chế một enzyme gan thường chuyển hóa các chất ức chế protease, cytochrome P450 3A4 (CYP3A4).

Khám phá này đã góp phần làm giảm đáng kể các tác dụng phụ và cải thiện hiệu quả của chất ức chế và HAART, lần đầu tiên được công bố trong một bài báo trên Tạp chí AIDS vào năm 1997 bởi Đại học Liverpool. Atazanavir có ưu thế hơn các chất ức chế protease khác ở chỗ nó có thể được dùng một lần mỗi ngày (không đòi hỏi nhiều liều mỗi ngày) và có tác dụng ít hơn đến lượng lipid của bệnh nhân (lượng cholesterol và các chất béo trong máu). Bên cạnh đó Darunavir tương tác mạnh mẽ với các enzyme protease của nhiều chủng HIV, kể cả các chủng HIV thông qua kinh nghiệm điều trị bệnh nhân, đã có nhiều đột biến kháng với chất ức chế HIV.

Darunvir rất ít liên quan tương tác thuốc với các thuốc khác được sử dụng phổ biến trong điều trị HIV, chẳng hạn như các thuốc kháng retrovirus khác, thuốc ức chế bơm proton, và thuốc đối kháng thụ thể H2.

NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN

Accelrys Discovery studio là một trong những phần mềm toàn diện nhất về mô hình hóa và mô phỏng khả năng tương tác của các thuốc điều trị với các virus hiện nay. Chúng tôi sử dụng phần mềm Accelrys discovery studio 2.5 để nghiên cứu tách riêng biệt các chất ức chế protease với các amino axit quan trọng trong HIV -1 protease. Phần mềm này luôn được cập nhật, nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới và thường xuyên có phiên bản mới với các bổ sung mới, trong đó phiên bản mới nhất vừa được công bố tháng 6 năm 2009, Gaussian 09.

Phần mềm Gaussian cho phép tính toán năng lượng, cấu trúc phân tử và tần số dao động của hệ thống phân tử, cùng với rất nhiều những tính chất khác của phân tử. Phần mềm Gaussian có thể được dùng để nghiên cứu các phân tử và các phản ứng dưới các điều kiện khác nhau, bao gồm cả những hình thái bền và những hợp chất rất khó hoặc không thể quan sát được bằng thực nghiệm như là cấu trúc chuyển tiếp. Phần mềm cho phép xác định được nhiều thuộc tính phân tử trong dung môi, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, tăng cường khả năng xác định trạng thái chuyển tiếp… Các bộ hàm cơ sở cũng rất phong phú cho phép người sử dụng dễ dàng chọn phương án tính toán phù hợp với vấn đề của mình.

Ngoài ra, GaussView còn được dùng để hiển thị các kết quả tính toán của Gaussian dưới dạng đồ họa (như các cấu trúc phân tử ban đầu, các cấu trúc phân tử đã được tối ưu hóa, kiểu dao động, phổ, hệ số obitan phân tử, mật độ.