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-
phenylethyl)-2-propyl-3,4-dihydro-2H-pyran-5-yl]propyl]phenyl}-5-
tên thương mại là Aptivus. Tipranavir được sử dụng kết hợp với ritonavir để điều trị HIV với liều sử dụng là hai viên nang 250 mg cùng với 200 mg ritonavir hai lần mỗi ngày. Tipranavir cĩ khả năng ức chế sự sao chép của virus HIV cĩ khả năng kháng với các thuốc ức chế protease khác. Tipranavir được đề xuất sử dụng đối với những bệnh nhân khơng sử dụng được các phương pháp điều trị khác. Tipranavir đã được phê duyệt của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) ngày 22 tháng 6 năm 2005, và đã được phê duyệt để sử dụng trẻ em vào ngày 24 tháng sáu năm 2008. Giống như lopinavir và atazanavir, nĩ cĩ tác dụng rất mạnh và cĩ hiệu quả trong điều trị cho các bệnh nhân bị kháng thuốc.
1.2.3.9. Darunavir [13], [22]
Hình 1.12: Cấu tạo phân tử của darunavir
Tên của darunavir theo hệ thống (IUPAC) là [(1R,5S,6R)-2,8- dioxabicyclo[3.3.0]oct-6-yl] N-[(2S,3R)-4- [(4-aminophenyl)sulfonyl- (2- methylpropyl)amino]-3-hydroxy-1-phenyl- butan-2-yl] carbamate. Tên thương mại của darunavir là Prezista, trước đây được gọi là TMC114, là mợt loại thuốc được sử dụng để điều trị nhiễm HIV. Darunavir được xác định cơng thức do Arun K. Ghosh, nhà hĩa học tại Đại học Illinois tại Chicago . Sản phẩm thuốc từ Darunavir đã được phê duyệt của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) ngày 23 tháng 6 năm
thiết kế đặc biệt để khắc phục các nhược điểm của thế hệ chất ức chế trước. Darunavir thường ít tác dụng phụ nghiêm trọng, đồng thời Darunavir được sử dụng với liều thấp khi điều trị. Bên cạnh đĩ Darunavir tương tác mạnh mẽ với các enzyme protease của nhiều chủng HIV, kể cả các chủng HIV thơng qua kinh nghiệm điều trị bệnh nhân, đã cĩ nhiều đợt biến kháng với chất ức chế HIV. Vì vậy Darunavir được sử dụng hỗ trợ điều trị cho các trường hợp bệnh nhân HIV đã kháng thuốc.
Darunavir nhận được nhiều sự chú ý tại thời điểm phát hành, vì nĩ được lựa chọn trong điều trị đối với bệnh nhân HIV kháng thuốc. Cũng như với các thuốc kháng virus khác, darunavir khơng chữa khỏi nhiễm HIV hoặc AIDS, và khơng ngăn cản truyền HIV cho người khác. Các kết quả nghiên cứu, darunavir được cơ thể người bệnh dung nạp tốt. Darunvir rất ít liên quan tương tác thuốc với các thuốc khác được sử dụng phở 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.
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CƠNG CỤ TÍNH TỐN
2.1. NGUỒN DỮ LIỆU[21]
Protein Data Bank (PDB) là kho lưu trữ dữ liệu online về cấu trúc 3-D của các phân tử sinh học lớn như là protein và axit nucleic. Hiểu biết về hình dạng của mợt phân tử giúp chúng ta hiểu nĩ hoạt đợng như thế nào. Kiến thức này cĩ thể được sử dụng để giúp suy ra vai trị của mợt cấu trúc trong sức khỏe con người và bệnh, và trong phát triển thuốc. Các cấu trúc được lưu trữ từ các protein nhỏ và mảnh ADN phân tử phức tạp như m ribosome. Các file dữ liệu cấu trúc được đĩng gĩp từ các nhà sinh học và hĩa sinh từ khắp thế giới, cĩ thể truy cập và tải về miễn phí qua các trang web thành viên PDBe, PDBj, RCSB. Dữ liệu đưa lên Protein Data Bank đã được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite.
Dữ liệu PDB phản ánh xu hướng các nghiên cứu hiện nay trong phịng thí nghiệm trên toàn thế giới. PDB chứa nhiều cấu trúc cĩ sẵn của nhiều protein và axit nucleic trong cuợc sống, vì vậy cĩ thể vào các kho lưu trữ PDB để tìm cấu trúc ribosome, oncogene, enzyme, các loại thuốc trong đĩ cĩ rất nhiều cấu trúc về thuốc ức chế protease và HIV-1 protease.
Hiện nay, trong kho lưu trữ PDB cĩ sẵn hơn 100 cấu trúc bao gồm cả mợt số chủng di truyền của enzyme, khu phức hợp của các enzyme với nhiều loại thuốc khác nhau và các chất ức chế, và hàng chục các enzyme đợt biến. Nhìn chung, các dữ liệu về HIV-1 protease khá phở biến do HIV-1 protease là mợt trong các enzyme nghiên cứu nhiều nhất được biết đến trong y học.
Cĩ 9 loại thuốc ức chế HIV-1 protease được cấp phép sử dụng trong quá trình chữa trị HIV. Tất cả 9 cấu trúc của các thuốc này liên kết với HIV-1 protease đều cĩ sẵn tại PDB. Trong hình minh hoạ ở dưới, thể hiện sự liên kết giữa các chất ức chế protease và HIV -1 protease. HIV -1 protease được hiển thị như mợt dải ruy băng với hai chuỗi protein và các loại thuốc được hiển thị như là các mơ hình dạng khối. Tất cả các loại thuốc ức chế sẽ bắt chước mợt chuỗi protein, liên kết với
HIV-1 protease khơng thể tách chúng, để chúng vào trong trung tâm hoạt đợng của enzyme, ngăn chặn các chức năng bình thường của enzyme.
Hình 2.1:Từ trái sang phải là các chất ức chế Indinavir, Saquinavir, Ritonavir và Nelfinavir tương tác với HIV -1 protease.
2.2. PHẦN MỀM ACCERYL DISCOVERY STUDIO 2.5
Acceryls discovery studio 2.5 được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học đời sống như hĩa sinh học trong các cơng ty dược phẩm, các tở chức nghiên cứu và các trường đại học. Accelrys Discovery studio là mợt trong những phần mềm toàn diện nhất về mơ hình hĩa và mơ phỏng khả năng tương tác của các thuốc điều trị với các virus hiện nay. Acceryl discovery studio cĩ những ưu điểm như sau:
-Giao diện đồ họa về thiết kế các loại thuốc và sử dụng nghiên cứu mơ hình protein dễ sử dụng và đẹp mắt.
- Cĩ nhiều ứng dụng đạt tiêu chuẩn được thiết lập như chất xúc tác, xây dựng mơ hình … và được nhiều kết quả đã cơng bố chứng minh.
- Hỗ trợ giải quyết các bài toán trong những nghiên cứu về thuốc chữa bệnh hiện nay.
- Xây dựng và chỉnh sửa mơ hình 3D của protein, peptide và các mơ hình axit nucleic.
- Trong phần mềm thư viện cĩ dữ liệu về hàng trăm các tính chất vật lý và hĩa học dễ sử dụng và đa dạng.
Vì những ưu điểm trên của phần mềm Accerlrys discovery studio 2.5, chúng tơi lựa chọn sử dụng phần mềm này trong nghiên cứu của mình.
Chúng tơi sử dụng phần mềm Accelrys discovery studio 2.5 để nghiên cứu
