CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5 MỐI LIÊN QUAN GIỮA CẤU TRÚC HÓA HỌCVÀTÁC DỤNG SINH HỌC
HỌC
Mối liên quan tồn tại hay có thể tồn tại giữa cấu trúc hóa học và tác dụng sinh học của các hợp chất hữu cơ đã từ lâu thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tìm kiếm các chất thuốc và tìm hiểu cơ chế tác dụng của các loại thuốc [3].
Trong nhiều thập kỷ qua, việc phát triển các thuốc mới, dựa trên các hợp chất thiên nhiên hoặc tổng hợp được biết có tác dụng dược lý qua sàng lọc, rồi biến đổi cấu trúc của “các chất dẫn đường” đó dựa trên giả thuyết “Sự tương tự về mặt cấu
trúc thường dẫn đến sự giống nhau về tác dụng.” Các nghiên cứu theo hướng này phát minh ra nhiều loại thuốc có giá trị như kháng sinh bán tổng hợp, các sunfamit, thuốc sốt rét [3,8].
Tuy nhiên, chỉ ở một số loại thuốc hạn chế mới có thể xác định rõ ràng mối liên quan cấu trúc - tác dụng dược lý. Có thể nhận thấy rằng vấn đề liên quan cấu trúc - tác dụng rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, trong những năm gần đây, người ta chú ý xem xét mối tương quan giữa ba yếu tố: Cấu trúc hóa học - tính chất lý hóa tác dụng sinh học. Ta thấy rằng ở tất cả các giai đoạn chuyển vận của một chất có hoạt tính sinh học, lý hóa tính đóng vai trị rất quan trọng. Mối liên quan giữa lý hóa tính với tác dụng giúp ta hiểu được cơ chế tác dụng và giải thích cơ chế tác dụng dễ dàng hơn. Ngày nay, khi đã hiểu rõ hơn về cấu trúc chất thụ cảm (receptor) hay chức năng của enzym can thiệp vào quá trình sinh bệnh, các phân tử này thường được dùng như mục tiêu để thiết kế thuốc là những chất có tác dụng như là chất chủ vận (agonists) của chất thụ cảm hoặc ức chế enzym [3,8].
Khoảng 30 năm trở lại đây khi máy tính điện tử được sử dụng rộng rãi thì phương pháp QSAR (Quantitative structure - Activity Relationships ) nghiên cứu về mối liên quan định lượng cấu trúc - tác dụng đã phát triển và đã thu được kết quả đáng kể. Mục tiêu của phương pháp này là tìm cách xác lập mối liên quan giữa các thơng số cấu tạo, các tính chất lý hóa và tác dụng sinh học của một dãy chất, nhằm tìm được chất có tác dụng sinh học tối đa và giải thích được cơ chế tương tác với chất thụ cảm [8,53,54]
Q trình có thể gây ra tác dụng sinh học được trình bày theo sơ đồ sau đây:
Liều dùng → Hấp thụ → Phân bố, chuyển hóa, thải trừ → Tương tác thuốc – Chất thụ cảm → Tác dụng sinh học
Thuốc chịu nhiều quá trình biến đổi như đã nêu trong sơ đồ trên. Khi xem xét tác dụng của thuốc, cần chú ý tất cả các giai đoạn của sự vận động của thuốc trong cơ thể. Có thể thấy rằng mối liên quan QSAR bao gồm nhiều thông số phản ánh con đường mà chất thuốc trải qua từ nơi chỉ định đến chất thụ cảm và tuơng tác thuốc với các trung tâm hoạt động. Hai phương pháp nghiên cứu QSAR là:
Phương pháp nghiên cứu mối tương quan tác dụng sinh học với các thơng số hóa lý của các chất nghiên cứu, là mơ hình nhiều tham số hay cịn được gọi là mơ
hình C. Hansch [6, 8,33,34,55]
Phương pháp nghiên cứu mối tương quan cấu trúc - tác dụng dựa trên giả thiết là tác dụng sinh học của một phân tử là tổng đóng góp tác dụng của các nhóm thế trong phân tử và đóng góp của khung phân tử, là mơ hình tốn cộng tính hay cịn được gọi là mơ hình Free - Wilson [6,8,26,53,54].
Một trong những giai đoạn quan trọng nhất của nghiên cứu QSAR là chọn lựa các thông số liên quan đến cấu trúc có thể giải thích hoạt tính sinh học. Các thơng số này có thể chia thành các thơng số lý hóa, cấu trúc về lý thuyết [6,8]:
Mơ hình - lý hóa của tác dụng sinh học: Giả thiết tác dụng của một chất là hàm số của các thơng số lý hóa (electron, lập thể, kị nước, hệ số phân tán) và các yếu tố dự trữ về cấu trúc lý thuyết.
Hoạt tính sinh học = f( điện tử) + f( lập thể) + f(kị nước) + [f( cấu trúc) + f(lý thuyết)]
Hằng số thế Hammett ():
Là hằng số thế, thể hiện ảnh hưởng của hiệu ứng electron của nhóm thế tới hằng số của phản ứng. Thông số này chỉ ra tầm quan trọng của sự ion hóa hoặc mật độ điện tích ở trung tâm mạch hở ảnh hưởng tới vị trí hoạt động.
Tham số lập thể Taft (Es):
Phản ánh ảnh hưởng của hiệu ứng khơng gian gây ra bởi nhóm thế đối với phản ứng. Tốc độ phản ứng càng giảm nếu Es càng âm.
Hệ số phân bố (P):
Chứng tỏ là một thông số đặc biệt có ích trong việc phản ánh cách di chuyển của một chất thuốc qua các mơ tới vị trí tác dụng. Hansch và cộng sự, qua phân tích nhiều dãy chất hữu cơ, đã đi đến kết luận là để xác định QSAR thì hệ thống dung mơi thích hợp nhất là hệ octanol-nước. Đối với hệ dung môi này, được tính theo cơng thức: P = Coctanol/(1-)Cnước, trong đó α là mức độ phân tán của hoạt chất trong nước (tính từ hằng số ion hóa), Coctanol và C nước là nồng độ của hoạt chất trong octanol và nước. Hệ số P nói lên tính ưa dầu hay ưa nước của phân tử: nếu P>1: ưa dầu, P<1: ưa nước.
Tham số kị nước (π):
của phân tử hoạt chất như sau: π = logPX - logPH, trong đó PX là hệ số phân bố của hợp chất thế và PH là hệ số phân bố của hợp chất không thế.
Hằng số π phản ánh sự tham gia của nhóm thế vào sự tạo thành liên kết kị nước của chất thuốc với chất thụ cảm hay liên kết với huyết thanh.
Mô men lưỡng cực (μ):
Việc đưa mơ men lưỡng cực vào phương trình hồi quy phản ánh sự kiện giữa phân tử hữu cơ nhỏ hơn và chất thụ cảm có phân tử sinh học lớn xác định những liên kết giữa các phân tử dạng lưỡng cực - điện tích (trên chất thụ cảm) lưỡng cực.
Tính trơ về dược lý của ure và thioure không thế là do độ tan lớn ở trong nước và rất ít tan trong lipid. Bằng cách đưa nhóm thế vào, làm thay đổi độ tan trong lipid thì đã thu được các hợp chất có hoạt tính cao, tác dụng lên hệ thần kinh trung ương. Qua khảo sát 12 dẫn chất ure và thioure chống co giật các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhận xét rằng việc đưa các nhóm thế phân cực vào (nghĩa là làm tăng mơ men lưỡng cực của phân tử ban đầu) cải thiện một cách đáng kể hoạt tính của nó, điều này đã gợi ra tầm quan trọng của những tương tác tĩnh điện, dạng lưỡng cực - lưỡng cực giữa ure hay thioure phân cực và liên kết peptit trong protein hay màng lipoprotein. Phương pháp sử dụng thường gặp nhất là phân tích hồi qui đa biến, được vận dụng trong hai mơ hình Hansch và Free - Wilson:
Mơ hình Hansch: giúp các nhà nghiên cứu một số hiểu biết về mối liên quan
giữa hoạt tính sinh học và các thơng số hóa lý, thể hiện qua các phương trình hồi quy: Điều đó giúp giải thích được phần nào cơ chế tác dụng của chất thử nghiệm. Khi đã có một phương trình hồi quy thích hợp thì đối với một dãy hợp chất, nhà nghiên cứu có thể lựa chọn các yếu tố cấu trúc có giá trị các thơng số thích hợp nữa để đưa vào phương trình sao cho theo tính tốn có thể có được một giá trị sinh học cao hơn, rồi từ đó tìm cách tổng hợp ra chất dự đốn đó bằng thực nghiệm. Đó cũng chính là vai trị của mơ hình Hansch trong việc góp phần định hướng cho việc tổng hợp các hợp chất có tác dụng sinh học [6,8].
Mơ hình Free-Wilson: Mơ hình này dựa trên giả thiết là tác dụng sinh học
của một phân tử là tổng đóng góp tác dụng của các nhóm thế trong phân tử và đóng góp của khung phân tử. Sự đóng góp của khung phân tử là một hằng số và là trung bình cộng của tác dụng sinh học của tất cả các hợp chất có chứa khung đó. Có thể mơ tả dưới dạng sơ đồ sau [3,6,8]:
IV
III
II
I
Tác dụng sinh học = Đóng góp của nhóm I + …+ đóng góp của nhóm IV+ đóng góp của khung phân tử.
Dạng tổng quát của mơ hình Free - Wilson được biểu diễn bằng phương trình: log(1/C) =
i
ai .xi +
trong đó: log(1/C) là tác dụng sinh học, C: nồng độ mol tối thiểu đủ gây nên tác dụng sinh học, ai là đóng góp của nhóm thế thứ i, xi = 1 nếu nhóm thế I có mặt, xi = 0 nếu nhóm thế thứ i khơng có mặt trong khung phân tử, μ là đóng góp của khung phân tử, là giá trị trung bình của tác dụng.
Số lượng các dẫn xuất cần tổng hợp theo mơ hình Free - Wilson được xác định theo công thức: P i=1 m ni + 1 trong đó : P = Số dẫn xuất cần tổng hợp Ni = Số nhóm thế ở mỗi vị trí M = Số vị trí cần thay thế
Có thể nhận thấy rằng vệc sử dụng mơ hình Free - Wilson sẽ phải tổng hợp só chất nhiều hơn so với truyền thống : n1 + n2.+…+nm+1 < n1 x n2...nm. Vì vậy tiết kiệm được nhiều thời gian thực nghiệm mà vẫn có thể dự đốn được các chất có hoạt tính sinh học cao nhất của dãy chất nghiên cứu. Các bước tiến hành nghiên cứu theo mơ hình Free – Wilson:
Chọn phân tử ban đầu có hoạt tính sinh học do kết quả nghiên cứu thăm dị
Tìm các vị trí thuận lợi trên khung phân tử có thể đưa vào các nhóm thế khác nhau. Dự kiến nhóm thế,từ đó dự kiến số chất cần tổng hợp đáp ứng với công thức nêu trên.
Tiến hành tổng hợp các chất dự kiến
Tiến hành thử nghiệm sinh học, xác định lg(1/C).
Thiết lập các phuơng trình hồi quy, tính tốn được phần đóng góp của các nhóm thế và μ.
Dự đốn các chất có tác dụng cao nhất bằng cách ghép các nhóm ở từng vị trí có phần đóng góp cao nhất.
Thử nghiệm tổng hợp chất dự đoán, thử nghiệm sinh học để xác định việc định hướng tổng hợp có đúng đắn hay không.