Hợi chứng suy giảm miễn dịch mắc phải được gọi tắt là AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome), do virus HIV (human immunodeficiency virus) gây ra. Sự suy giảm miễn dịch ở người được phát hiện ở Mỹ năm 1981, lây lan rất nhanh và đến nay đã trở thành "căn bệnh thế kỷ" trên toàn thế giới.
HIV là các Retrovirus cĩ mã hĩa di truyền thuợc họ Retroviridae với hai loại chính là HIV loại 1 (HIV-1) và HIV loại 2 (HIV-2), trong đĩ HIV-1 gây ra 98% sự lây lan cịn HIV-2 chỉ phở biến ở vùng Tây châu Phi, ít lây lan ra thế giới. Vì vậy, HIV-1 được xem như là nguyên nhân chính gây nên AIDS.
HIV-1 được chia thành 3 nhĩm là M (main), O (outlier), nhĩm N (new) trong đĩ hơn 90% sự lây nhiễm của HIV thuợc nhĩm M. Trong nhĩm M gồm các phân nhĩm A, B, C, D, F, G, H, J, K và nhiều dạng tái tở hợp khác (circulating recombinant form-CRF). Các phân nhĩm khác nhau chủ yếu ở cấu trúc của các protein vỏ và đặc trưng cho sự truyền nhiễm theo khu vực địa lý. Đây là mợt đặc điểm đáng lưu ý trong các nghiên cứu để tìm ra thuốc điều trị cho các bệnh nhân HIV/AIDS theo từng khu vực.
Virus HIV -1 cĩ đường kính khoảng 100 nm và được bao quanh bởi màng lipoprotein. Mỗi hạt virus chứa 72 phức hợp glycoprotein được gắn vào màng lipid này, và mỗi phức hợp là mợt trimer gồm mợt glycoprotein ngoại bào gp120 và mợt protein xuyên màng gp41. Liên kết giữa gp120 và gp41 lỏng lẻo và do đĩ gp120 cĩ thể được phân tán tự do ra xung quanh. Glycoprotein gp120 cĩ thể được phát hiện trong huyết thanh cũng như mơ bạch huyết của bệnh nhân HIV. Trong quá trình sinh trưởng, virus cĩ thể gắn thêm các protein của vật chủ từ màng của tế bào vật chủ vào lớp lipoprotein của virus, ví dụ các protein HLA lớp I và II, hoặc các protein kết dính như ICAM-1 giúp virus gắn vào tế bào đích. Protein p17 được gắn vào mặt trong của màng lipoprotein. Kháng nguyên lõi p24 chứa 2 bản sao của HIV-1 RNA. HIV-1 RNA là mợt phần của phức hợp protein-nucleic acid, gồm nucleoprotein p7 và men sao chép ngược p66 (RT).
Hình 1.1: Cấu trúc virus HIV.
HIV lây nhiễm tế bào T mang gen CD4 trên bề mặt của chúng. Sự lây nhiễm của virus phụ thuợc vào sự hợp nhất của màng tế bào và virus, quá trình gây ra gián
dụng enzyme sao chép ngược biến đởi mã gen của virus HIV là RNA thành DNA. Sau đĩ enzyme integrase sẽ giúp cho DNA của virus HIV được hình thành trong DNA của tế bào bị nhiễm. Khi tế bào cố gắng tạo ra protein mới thì đồng thời tạo ra virus HIV mới. Mỗi lần nguyên liệu gen của virus được đặt vào trong nhân của tế bào, nĩ điều khiển tế bào sản xuất ra virus HIV mới. Những sợi DNA đã nhiễm virus trong nhân riêng và các enzyme đặc biệt tạo ra mợt loại nguyên liệu gen bở sung gọi là mRNA (tạo ra virus mới).Các mRNA chỉ định tạo ra các protein nhiễm mới từ nhân tế bào tới nơi tạo ra tế bào. Mỗi mRNA tương ứng với mợt khối protein cĩ sẵn để tạo ra mợt phần của virus và mỗi sợi mRNA được xử lý thì cĩ mợt chuỗi protein được tạo ra. Qúa trình này tiếp tục cho đến khi sợi mRNA bị biến đởi được đưa tới các protein bị nhiễm mới để tạo ra virus. Cuối cùng là sự tở hợp của virus mới. Các chuỗi dài protein được cắt bởi mợt enzyme virus được gọi là protease thành các protein nhỏ hơn. Các protein này giữ các chức năng khác nhau, mợt số trở thành nguyên tố cấu trúc của virus mới, trong khi số khác trở thành enzyme giống như enzyme sao chép ngược. Mỗi khi các phần nhỏ của virus được tở hợp lại, chúng thoát ra khỏi tế bào chủ và tạo ra virus mới. Sau đĩ virus bước vào giai đoạn trưởng thành và trong giai đoạn này virus cĩ thể lây nhiễm. Với sự tở hợp mới sinh và phát triển, virus cĩ khả năng lây nhiễm cho tế bào mới và từ mợt tế bào cĩ thể sản sinh ra nhiều virus mới.
1.2.2. Protease của HIV-1 (gọi tắt là HIV-1 protease) [5]
HIV-1 protease là mợt enzyme khơng thể thiếu trong chu trình sống của virus. Protease cần thiết để phân cắt các tiền chất polyprotein virus gag và gag-pol thành những protein cấu trúc và chức năng trong quá trình trưởng thành của virus. Các nghiên cứu cho thấy, khi ức chế hoạt tính của protease hoặc gây đợt biến trên gen mã hĩa cho protease, các hạt virus được hình thành nhưng khơng cĩ khả năng xâm nhiễm vào tế bào vật chủ. Với vai trị đặc biệt quan trọng như trên, HIV-1 protease là mợt trong các đích nghiên cứu nhằm tìm ra loại thuốc ngăn chặn sự nhân lên của HIV.
Navia và tập thể tại phịng thí nghiệm Mecrk là nhĩm đầu tiên tạo được cấu trúc tinh thể của HIV-1 protease vào năm 1989, kể từ đĩ cấu trúc của protease đã được nghiên cứu rợng rãi cả về chức năng, tính đặc hiệu cơ chất cũng như sự liên kết với các chất ức chế. HIV-1 protease là mợt 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 đợng nằm ở giữa dimer. Trung tâm hoạt đợng của enzyme bao gồm 6 amino axit Asp25 –Thr26 –Gly27 ở mỗi monomer. Vai trị của các amino axit trên được giả thiết như sau: liên kết hidro cĩ cường đợ mạnh của Thr26 và Thr26’ cĩ tác dụng làm ởn định hình dạng của trung tâm hoạt đợng. Gly27 và Gly27’ cĩ chức năng chứa và ràng buợc chất nền ở mợt vị trí. Nhĩm COO- của Asp25 và Asp25’ sẽ tương tác với chất nền. [11] Bên cạnh đĩ, Asp29 và asp30 cĩ vai trị giữ trạng thái ởn định dimer và chất nền ức chế. Như vậy ngoài sự tương tác qua liên kết hidro với các amino axit ở trung tâm hoạt đợng, 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 cịn cĩ hai phần của phiến hairpin được gọi là flap cĩ thể di chuyển mợt khoảng cách lên đến 7Ao khi enzyme kết hợp với chất nền.
Hình 1. 3: Cấu trúc khơng gian 3 chiều của dimer protease HIV -1.
1.2.2.2. Chức năng của HIV-1 protease
Protease là enzyme khơng thể thiếu cĩ vai trị quan trọng trong quá trình nhân bản của HIV-1. Nĩ cắt phân tử polyprotein (gag, gag-pol) thành các protein cấu trúc, cĩ chức năng cần thiết cho virus trưởng thành. 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 cĩ khối lượng phân tử bé p2, p1 và p6 cĩ vai trị 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.
Hoạt tính của HIV-1 protease bị ức chế bởi pepstatin A giống như các protease aspartyl khác. Khi ức chế hoạt tính của protease hoặc gây đợt biến trên gen mã hĩa cho protease, các hạt virus được hình thành nhưng khơng đĩng gĩi phù hợp để tạo thành thể virus trưởng thành, nên chúng khơng cĩ khả năng xâm nhiễm vào tế bào vật chủ. Ngoài ra, HIV-1 protease cịn đĩng vai trị trong quá trình phát sinh bệnh. Khi chuyển vào tế bào người hoặc virus, HIV-1 protease gây đợc và cắt nhiều protein của vật chủ như actin, Bcl2 và procaspase 8. Các nghiên cứu cũng khẳng định, sử dụng các chất ức chế protease cĩ thể ngăn chặn hiện tượng tự diệt do protease HIV-1 gây nên.
1.2.3. Các chất ức chế protease kháng virus
Chất ức chế HIV-1 protease được thiết kế thành cơng dựa trên cấu trúc tinh thể X –ray của HIV -1 protease kết hợp với mơ hình peptit. Cấu trúc tinh thể của HIV -1 protease kết hợp với mơ hình peptit khơng dễ bị thủy phân đã gợi ý cho việc thiết kế các chất ức chế protease sau này. Việc phân tích cấu trúc tinh thể của protease với mơ hình hexapeptit đã chỉ ra rằng sự tương tác của chất ức chế với protease bao gồm 2 yếu tố quan trọng: liên kết hidro và tương tác kỵ nước. Chuỗi nguyên tử chính của peptit chất ức chế liên kết hidro với phần 25 -29 trong mợt chuỗi và đoạn polipeptit gồm phần 48-50 trong chuỗi cịn lại, chuỗi bên của chất ức chế nằm trong phần đối xứng của protease. Cấu trúc cơ bản của chất ức chế thường tạo liên kết hidro với asp29 và asp30. Dựa vào cấu trúc và kiến thức về tương tác giữa peptit và protease cĩ thể thiết kế chất ức chế kháng virus. [11]
Vai trị của chất ức chế protease là chịu trách nhiệm phân cắt chuỗi polypeptid gag và gag-pol của virus thành những chuỗi nhỏ hơn cĩ chức nǎng cho phép virus HIV hoàn thiện. Quá trình phân cắt và hoàn thiện diễn ra trong giai đoạn cuối cùng của vịng đời HIV. Chất ức chế enzyme protease giải phĩng ra các mảnh virus bị nhiễu loạn về cấu trúc và khơng gây nhiễm. Chất ức chế protease cĩ tác dụng trên cả tế bào nhiễm HIV cấp và mạn tính. [13]
Hình 1.4: Cấu tạo phân tử Saquinavir
Saquinavir là mợt trong những chất đầu tiên được nghiên cứu và cấp phép sử dụng trong việc điều trị HIV. Tên hệ thống của saquinavir là: (2S)-N-[(2S,3R)-4- [(3S)-3-(tert-butylcarbamoyl)-decahydroisoquinolin-2-yl]-3-hydroxy-1-phenylbutan -2-yl] 2-(quinolin-2-ylformamido)butanediamide. Saquinavir là mợt chất ức chế protease với các hoạt đợng chống lại HIV-1 protease. HIV-1 protease là mợt 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 liên kết với trung tâm hoạt đợng của protease và ức chế sự hoạt đợng của enzyme. Ức chế này ngăn cản sự phân cắt của polyproteins virus dẫn đến sự hình thành các virus khơng sinh trưởng được nữa. Saquinavir ức chế cả HIV-1 và HIV-2 protease.
Saquinavir đã được chế thành sản phẩm thương mại: mợt loại viên nang gel cứng, cĩ tên thương mại Invirase, kết hợp với ritonavir để tăng khả năng sinh học của saquinavir; mợt loại sản phẩm dạng viên nang mềm gel saquinavir, với tên thương mại Fortovase. Cả hai loại sản phẩm thường được sử dụng trong liệu pháp kháng retrovirus hoạt tính cao (HAART: highly active antiretroviral therapy).
Hình 1.5: Cấu tạo phân tử của Ritonavir.
Tên hệ thống của ritonavir là: 1,3-thiazol-5-ylmethyl N-[(2S,3S,5S)-3- hydroxy-5-[(2S)-3-methyl-2-{[methyl({[2-(propan-2-yl)-1,3-thiazolyl]methyl}) carbamoyl] amino} butanamido] -1,6-diphenylhexan-2-yl]carbamate. Ritonavir được sản xuất bởi Abbott với tên thương mại là Norvir. Ritonavir khơng hoạt đợng theo cơ chế kháng virus mà tác dụng của ritonavir là ức chế enzyme chính và làm các chất ức chế khác chuyển hĩa tốt hơn. Vì tác dụng của ritonavir như vậy nên ritonavir được dùng với liều thấp và nâng cao hiệu quả lâm sàng đối với các thuốc ức chế protease HIV khác. Ban đầu ritonavir được nghiên cứu để làm chất ức chế protease HIV. Đây là mợt trong những chất ức chế phức tạp nhất. Ritonavir hiếm khi được sử dụng riêng cho hoạt đợng kháng virus mà thường sử dụng rợng rãi nhằm tăng cường khả năng hoạt đợng của các chất ức chế khác Cụ thể hơn, ritonavir được sử dụng để ức chế mợt enzyme gan thường chuyển hĩa các chất ức chế protease, cytochrome P450 3A4 (CYP3A4). Khám phá này đã gĩp phần làm giảm đáng kể các tác dụng phụ và cải thiện hiệu quả của chất ức chế và HAART, lần đầu tiên được cơng bố trong mợt bài báo trên Tạp chí AIDS vào năm 1997 bởi Đại học Liverpool. Tuy nhiên việc sử dụng ritonavir cùng các chất ức chế khác cũng cĩ những nhược điểm: nĩ ảnh hưởng đến hiệu quả của các loại thuốc khác rất
1.2.3.3. Indinavir [13], [22]
Hình 1.6: Cấu tạo phân tử Indinavir
Tên hệ thống của Indinavir là: (2S)-1-[(2S,4R)-4-benzyl-2-hydroxy-4-{[(1S,2R)-2- hydroxy-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl]carbamoyl}butyl]-N-tert-butyl-4-(pyridin-3- ylmethyl)piperazine-2-carboxamide. Indinavir được sản xuất dưới tên thương mại là Crixivan. Indinavir là mợt chất ức chế protease được sử dụng trong liệu pháp kháng retrovirus hoạt tính cao (HAART) để điều trị nhiễm HIV và AIDS.
Hiện nay, indinavir dần dần được thay thế bằng loại thuốc mới để sử dụng thuận tiện hơn và ít cĩ khả năng bị virus kháng thuốc, chẳng hạn như lopinavir hoặc atazanavir.
Indinavir thường mất tác dụng mợt cách nhanh chĩng sau khi dùng thuốc và do đĩ địi hỏi bở sung liều lượng rất chính xác sau tám tiếng để ngăn chặn HIV hình thành đợt biến kháng thuốc gây trở ngại với các thuốc ức chế protease khác.
Hình 1.7: Cấu tạo phân tử của nelfinavir
Tên hệ thống của nelfinavir là: (3S,4aS,8aS)-N-tert-butyl-2-[(2R,3R)-2- hydroxy-3-[(3-hydroxy-2-methylphenyl)formamido]-4-(phenylsulfanyl)butyl]- decahydroisoquinoline -3-carboxamide. Nelfinavir cĩ tên thương mại là Viracept là mợt trong các loại thuốc được gọi là thuốc ức chế protease và giống như các thuốc chế protease khác thường được sử dụng kết hợp với các thuốc kháng retrovirus. Nelfinavir được phát triển bởi Dược phẩm Agouron liên doanh với Japan Tobacco. Cục Quản lý dược và thực phẩm Mỹ (FDA: Food and Drug Administration) chấp thuận cho sử dụng điều trị vào ngày 14 tháng ba năm 1997. Nelfinavir nên được sử dụng cùng với thức ăn. Hoạt tính của Nelfinavir tăng 2,5 đến 5 lần khi dùng với thức ăn. Nelfinavir là mợt chất ức chế HIV-1 protease và HIV-2 protease. Nelfinavir cĩ tác dụng tương tự như nhưng chất ức chế protease khác, ngoài ra nelfinavir cịn cĩ ưu điểm là làm giảm sự đề kháng chéo.
1.2.3.5. Amprenavir [13], [22]
Tên hệ thống của Amprenavir là: (3S)-oxolan-3-yl N-[(2S,3R)-3-hydroxy-4-
[N-(2-methylpropyl)(4-aminobenzene)sulfonamido]-1-phenylbutan-2-yl]carbamate.
Amprenavir là mợt chất ức chế protease đã được sử dụng để điều trị HIV từ năm
1999. Ưu điểm của thuốc đĩ là sử dụng hai lần mợt ngày thay vì cần uống sau tám
các thuốc khác do Amprenavir tương tác tốt với HIV -1 protease đồng thời cũng tương tác tốt với các chất khác. Amprenavir thường sử dụng kết hợp với liều thấp Ritonavir. Mặc dù Amprenavir sử dụng khá hiệu quả trong việc điều trị AIDS nhưng Amprenavir ngưng sản xuất vào ngày 31 Tháng 12 năm 2004, thay vào đĩ là phiên bản thuốc mới được sử dụng nhiều hơn: Fosamprenavir. Fosamprenavir chuyển hĩa thành Amprenavir trong cơ thể người nên chất ức chế này giữ nguyên những tác dụng của Amprenavir. Tuy nhiên liều dùng và khả năng dung nạp của Fosamprenavir với cơ thể người thấp hơn Amprenavir nên Fosamprenavir được sử dụng phở biến.
Hình 1.8: Cấu tạo phân tử Amprenavir
1.2.3.6. Lopinavir [13], [22]
Tên hệ thống Lopinavir là: (2S)-N-[(2S,4S,5S)-5-[2-(2,6-dimethylphenoxy) acetamido]-4-hydroxy-1,6-diphenylhexan-2-yl]-3-methyl-2-(2-oxo-1,3-diazinan-1- yl) butanamide. Lopinavir (ABT -378) là mợt trong những thuốc kháng virus thuợc thế hệ chất ức chế protease. Lopinavir thường được sử dụng kết hợp với ritonavir và cĩ tên thương mại là Kaletra (ở các nước cĩ thu nhập cao) và Aluvia (ở các nước cĩ thu nhập thấp).
Hình 1.9: Cấu tạo phân tử Lopinavir
1.2.3.7. Atazanavir [13], [22]
Tên hệ thống của Atazanavir là: methyl N-[(1S)-1-{[(2S,3S)-3-hydroxy-4- [(2S)-2-[(methoxycarbonyl)amino]-3,3-dimethyl-N'-{[4-(pyridin-2-yl)phenyl] methyl} butanehydrazido]-1-phenylbutan-2-yl]carbamoyl}-2,2-dimethylpropyl] carbamate. Atazanavir thương mại hĩa với tên là Reyataz từ năm 2003. Giống như các thuốc kháng virus khác, Atazanavir là chất ức chế protease được dùng để điều trị bệnh HIV. Atazanavir cĩ ưu thế hơn các chất ức chế protease khác ở chỗ nĩ cĩ thể được dùng mợt lần mỗi ngày (khơng địi hỏi nhiều liều mỗi ngày) và cĩ tác dụng ít hơn đến lượng lipid của bệnh nhân (lượng cholesterol và các chất béo trong máu). Giống như các chất ức chế protease khác, nĩ thường được sử dụng kết hợp với các thuốc HIV khác.
Hình 1.10: Cấu tạo phân tử của Atazanavir
Atazanavir ít cĩ khả năng kháng chéo với các chất ức chế protease khác. Khi kết hợp điều trị với ritonavir thì hiệu quả tương đương như sử dụng với lopinavir nhằm mục đích điều trị cho những bệnh nhân đã kháng thuốc. Mặc dù khi sử dụng liều lượng ritonavir tăng sẽ làm giảm lợi thế trao đởi chất của atazanavir.
1.2.3.8. Tipranavir [13], [22]
Hình 1.11: Cấu tạo phân tử của Tipranavir
Tên hệ thống của tipranavir là: N-{3-[(1R)-1-[(2R)-6-hydroxy-4-oxo-2-(2-
