Nội dung bài có mục tiêu đề cập về: Xây dựng mô hình 3D pharmacophore ức chế CYP3A4 và ứng dụng trong sàng lọc các chất có khả năng ức chế CYP3A4. Nghiên cứu tập hợp dữ liệu 12 chất ức chế mạnh CYP3A4 với pIC50 ≥ 5 (IC50 ≤ 10 µM) được sử dụng để xây dựng mô hình pharmacophore bằng phần mềm MOE.
Trang 1MÔ HÌNH 3D-PHARMACOPHORE CỦA CÁC CHẤT ỨC CHẾ ENZYM
CYTOCHROM P450 3A4
Thái Khắc Minh*, Đoàn Cao Sơn**
TÓM TẮT
Mở đầu: Enzym cytochrom P450 3A4 (CYP3A4) là enzym liên quan đến quá trình chuyển hóa thuốc Chất
ức chế enzym CYP3A4 có khả năng gây ra các tương tác thuốc-thuốc khi phối hợp trong điều trị
Mục tiêu: Xây dựng mô hình 3D pharmacophore ức chế CYP3A4 và ứng dụng trong sàng lọc các chất có
khả năng ức chế CYP3A4
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Tập hợp dữ liệu 12 chất ức chế mạnh CYP3A4 với pIC 50 ≥ 5 (IC 50
≤ 10 µM) được sử dụng để xây dựng mô hình pharmacophore bằng phần mềm MOE.
Kết quả và bàn luận: Mô hình 3D-pharmacophore của chất ức chế enzym CYP3A4 gồm có 1 trung tâm
nhận liên kết hydro và 3 trung tâm kỵ nước với 12/12 chất thỏa mãn mô hình, độ chồng phủ = 6,3157; tính chính xác = 1,00
Kết luận: Mô hình có thể ứng dụng để sàng lọc tương tác thuốc-thuốc mà không cần tính toán phức tạp,
mang lại thông tin về nguy cơ chuyển hóa bởi CYP3A4, khả năng ức chế enzym này và độc tính liên quan đến tương tác thuốc với khả năng ức chế kênh hERG và P-glycoprotein
Từ khóa: Cytochrom P450, Pharmacophore, chất ức chế enzym, tương tác thuốc
ABSTRACT
3D-PHARMACOPHORE MODELLING FOR CYTOCHROME P450 3A4 INHIBITORS
Thai Khac Minh, Doan Cao-Son
* Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 18 - Supplement of No 2 - 2014: 342 - 346
Background : Cytochrome P450 3A4 (CYP3A4) is an enzyme involved in drug metabolism process
CYP3A4 inhibitors are able to cause drug-drug interaction in combination therapy
Objectives : The aim of this is study was to develop a 3D-pharmacophore for CYP3A4 inhibitors and apply
this models in virtual screening for CYP3A4 inhibitors
Materials and methods : A dataset of 12 highly CYP3A4 inhibitors with pIC 50 ≥ 5 (IC 50≤ 10 µ M) was used to establish build the 3D pharmacophore model using the MOE software
Results and Discussion : The 4-point pharmacophore of CYP3A4 inhibitors consists of hydrogen-bond
acceptor (Acc) and three hydrophobe features (Hyd) were resulted in the accuracy scoring of 100% (12/12 compound) for actives and overlap scoring of 6.3157
Conclusion: This pharmacophore model could be applied to screen the compounds having drug-drug
interactions and provide information about the risk of metabolism by CYP3A4, enzyme inhibitory activity and toxicity related to hERG channel and P-glycoprotein
Key words : Cytochrome P450, Pharmacophore, enzyme inhibitor, drug interactions
ĐẶT VẤN ĐỀ
Chuyển hóa thuốc là quá trình sinh lý không
thể thiếu, điều khiển số phận dược động học của các tác nhân trị liệu, biến đổi sinh học các phân
tử không phân cực, thân dầu (thuốc) thành các
Trang 2phân tử phân cực hơn, thân nước hơn (chất
chuyển hóa), để có thể dễ dàng đào thải khỏi cơ
thể Các phản ứng của quá trình này được chia
thành 2 nhóm: các phản ứng pha I (oxy hóa)
thêm vào hoặc loại bớt một nhóm chức năng làm
tăng tính phân cực hợp chất và các phản ứng
pha II (liên hợp) thêm phần thân nước vào phân
tử thân dầu để tăng tính tan trong nước Hầu hết
các thuốc trị liệu hiện nay được đào thải qua
chuyển hóa oxy hóa pha I(3) Do đó, các enzym
pha I, đặc biệt là Cytochrom P450 (CYP) với vai
trò quan trọng trong chuyển hóa thuốc đã trở
thành tiêu điểm nghiên cứu trong hơn 50 năm
qua, nhằm xác định đặc điểm chuyển hóa của
thuốc trong cơ thể và tạo ra các thuốc mới tăng
tính bền chuyển hóa, tránh các con đường sinh
ra các chất chuyển hóa gây độc hoặc tương tác
thuốc-thuốc do chuyển hóa Ở người, có ít nhất
57 gen CYP khác nhau và được phân thành 18
họ CYP, 43 phân họ(4) Phân họ CYP3A chiếm gần
40% tổng số enzym CYP ở gan, chịu trách nhiệm
đào thải hơn 50% các thuốc được sử dụng Phân
họ này gồm có 3 đồng phân: CYP3A4, CYP3A5,
CYP3A7 CYP3A4 là đồng phân tìm thấy nhiều
nhất ở gan và một số mô khác như ruột non Cơ
chất của enzym CYP3A4 này rất đa dạng, từ các
phân tử có kích cỡ nhỏ như acetaminophen
(KLPT 151 Da) cho đến lớn như cyclosporin A
(KLPT 1201 Da), thuộc nhiều nhóm trị liệu khác
nhau như thuốc tim mạch (ví dụ: diltiazem),
kháng sinh (ví dụ: clindamycin), kháng virus (ví
dụ: delavirdin), thuốc tác động lên thần kinh
trung ương (ví dụ: midazolam, reboxetin)…(3)
CYP3A4 vừa có lợi vừa gây hại cho cơ thể, cụ thể
là (i) Biến đổi các phân tử thành dễ tan trong
nước hơn, dễ đào thải khỏi cơ thể, khử độc thuốc
trong cơ thể Ví dụ: codein, diazepam, paclitaxel,
thuốc kháng HIV…; (ii) Gây hại trong một số
trường hợp Ví dụ: CYP3A4 biến đổi
acetaminophen thành sản phẩm chuyển hóa
mang độc tính, thường được loại bỏ nhanh bởi
các enzym khử độc khác, nhưng nguy hiểm nếu
sử dụng liều lớn Hoạt tính của enzym dễ bị ảnh
hưởng bởi một số tác nhân ức chế hoặc cảm ứng,
làm thay đổi sinh khả dụng của thuốc cũng như dẫn tới tương tác thuốc-thuốc (DDI) có hại, ảnh hưởng mạnh đến tính an toàn và hiệu quả điều trị của thuốc thông qua ức chế sự chuyển hóa và ảnh hưởng đến các protein không mục tiêu khác như kên ion kali hERG và các bơm ngược họ ABC Do đó, enzym cytochrom P450 3A4 là một trong những những mục tiêu tác động sinh học cần được xem xét kĩ lưỡng trong quá trình phát triển thuốc Trong nghiên cứu này, mô hình 3D-pharmacophore của các chất có hoạt tính chất ức chế enzym Cytochrom P450 3A4 được xây dựng
và ứng dụng trong sàng lọc các chất có khả năng
ức chế nzym Cytochrom P450 3A4
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Cơ sở dữ liệu
Tập hợp 27 hợp chất đã được xác định giá trị
IC50 thực nghiệm về hoạt tính ức chế enzym CYP3A4()2 IC50 được sử dụng để xếp hạng các dãy hợp chất mà có hiệu lực ức chế cao (IC50 < 10
µM), trung bình (10 µM < IC50 < 100 µM), thấp (IC50 > 100 µM), lần lượt tương ứng với nguy cơ tương tác thuốc-thuốc cao, trung bình, thấp.(1)
Giá trị IC50 (µM) được chuyển đổi thành giá trị pIC50 = -lg(IC50) để sử dụng Tập hợp dữ liệu này gồm có 12 chất trên tổng số 27 chất có hoạt tính ức chế enzym mạnh với pIC50 ≥ 5 (IC50 ≤ 10
µM), 3 chất không có hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 với pIC50 < 4 (IC50 > 100 µM), còn lại là các chất có hoạt tính ức chế enzym trung bình Các chất có hoạt tính ức chế enzym CYP3A4 mạnh của tập hợp trên được sử dụng làm cơ sở
dữ liệu xây dựng mô hình pharmacophore Cấu trúc 3 chiều của các chất được xây dựng bằng phần mềm Sybyl - Tripos http://tripos.com Sau khi xây dựng cấu trúc 2D, các cấu trúc sẽ được tối thiểu hóa năng lượng (EM) và động lực học phân tử (MD) để xác định cấu dạng có mức năng lượng tối thiểu toàn phần
Xây dựng mô hình 3D Pharmacophore
Sử dụng phần mềm MOE để xây dựng và truy vấn 3D pharmacophore (Chemical
Trang 3ww.chemcomp.com) Các thông số xác định
bao gồm: (i) Chọn nhập cấu dạng
(Conformation Import); (ii) Chọn độ chồng
phủ hoạt tính (Active Coverage) n là 0,9 (tối
thiểu truy vấn pharmacophore phải liên quan
tới 90% trong tổng số phân tử đưa vào, đây
cũng là giá trị mặc định); (iii) Giới hạn số yếu
tố pharmacophore = 5; (iv) Phân cụm truy vấn
(Query Cluster) = 1,25 (giá trị mặc định của
chương trình) đặc trưng cho một giá trị rmsd
(đơn vị Å) sử dụng để phân cụm các truy vấn
ưu tiên theo điểm chồng phủ và điểm xếp loại
Tìm các hợp chất thỏa mãn mô hình
3D-pharmacophore
Mô hình pharmacophore xây dựng từ các
chất có hoạt tính mạnh sẽ được tiến hành tìm
kiếm các các hợp chất thỏa mãn mô hình này
trong tập hợp các chất không có hoạt tính và
trong các tập hợp dữ liệu không dùng trong
xây dựng mô hình bằng chương trình Tìm
kiếm pharmacophore (Pharmacophore Search)
ở phần mềm MOE như hình 1
Hình 1 Tìm các hợp chất có cấu dạng thỏa mãn mô
hình 3D-pharmacophore
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Mô hình 3D-pharmacophore của chất ức
chế enzym enzym CYP3A4
Mô hình pharmacophore CYP3A4 trình
bày ở Hình 2 được xây dựng từ 12 chất ức chế
enzym CYP3A4 mạnh trong tập hợp dữ liệu
Kết quả mô hình xây dựng được có 12/12 chất
thỏa mãn mô hình, độ chồng phủ =6,3157; tính
chính xác = 1,00; số lượng các yếu tố trong mô
hình bằng 4 với với 3 nhóm kỵ nước (Hyd) và
1 nhóm nhận liên kết hydro (Acc) Sự hiện diện của nhiều nhóm kỵ nước phù hợp với các
mô hình đã công bố trước đây.(1,3)
Hình 2 Mô hình 3D-pharmacophore CYP3A4 của
chất ức chế enzym CYP3A4 Khối cầu màu xanh dương thể hiện trung tâm nhận liên kết hydro F4:Acc, khối cầu màu xanh lá cây thể hiện trung tâm kỵ nước F1:Hyd, F2:Hyd và F3:Hyd Khoảng cách giữa các điểm chính giữa của các trung tâm trong mô hình được xác định bằng Å
Trung tâm nhận liên kết hydro (F4:Acc) có thể là nguyên tử O hoặc N Trung tâm này có thể tạo liên kết hydro với các acid amin phân cực (Glu374, Arg372, Arg105, Arg106…) của cấu trúc CYP3A4 Mô hình này có nhiều trung tâm kỵ nước thích hợp tạo tương tác kỵ nước, xếp chồng vòng thơm với các acid amin phenylalanin (Phe57, Phe108, Phe213, Phe214, Phe304,…) trong khoang gắn kết thân dầu phần lớn của enzym
Trong nhóm các chất không có hoạt tính
ức chế enzym CYP3A4 của tập hợp dữ liệu 2 chỉ có hai chất là triazolam (pIC50 = 3,84 hay
IC50 = 145,17 µM) và trimethoprim (pIC50 = 3,61 hay IC50 = 243,13 µM) thỏa mãn mô hình pharmacophore CYP3A4 Hai chất này có trung tâm F4:Acc là nguyên tử N, không phải
nguyên tử O như hầu hết các chất ức chế
Trang 4Truy vấn pharmacophore trên cơ sở dữ liệu
các chất ức chế hERG
Mô hình pharmacophore CYP3A4 được sử
dụng để tìm các hợp chất có cấu dạng thỏa mãn
mô hình này từ tập hợp dữ liệu các chất ức chế
hERG – tập hợp này không dùng để xây dựng
mô hình, kết quả cho thấy 45 chất (trên tổng số
69 chất) thỏa mãn mô hình 3D-pharmacophore
của chất ức chế enzym CYP3A4 Trong 45 chất
này, một số chất cũng đã có dữ liệu thực nghiệm
xác định giá trị IC50 về hoạt tính ức chế enzym
CYP3A4 Mibefradil (pIC50 CYP3A4 = 7,05),
terfenadin (pIC50 CYP3A4 = 5,62), verapamil (pIC50
CYP3A4 = 5,08) là những chất ức chế enzym
CYP3A4 mạnh cũng thỏa mãn mô hình
pharmacophore CYP3A4 Chỉ có diltiazem (pIC50
CYP3A4 = 4,6), quinidin (pIC50 CYP3A4 = 4,01) là những
chất ức chế yếu mặc dù có cấu dạng thỏa mãn
mô hình pharmacophore CYP3A4 (Hình 3)
Terfenadin Verapamil Quinidin
mibefradil Diltiaze
Hình 3 Mô hình 3D-pharmacophore CYP3A4 trong
cấu dạng một số hợp chất ức chế hERG
Mối liên quan giữa mô hình
3D-pharmacophore của chất ức chế kênh ion
kali hERG và chất ức chế enzym CYP3A4
Quan sát hai mô hình pharmacophore
hERG(5) và mô hình pharmacophore CYP3A4
cho thấy cả hai mục tiêu tác động (kênh ion kali
hERG, enzym CYP3A4) thường gắn kết với các
hợp chất thỏa mãn mô hình pharmacophore với
nhiều yếu tố kỵ nước và có ái lực gắn kết cao với
các phân tử hợp chất kỵ nước (Hình 4)
Hình 4 Hai mô hình 3D-pharmacophore của chất ức
chế kênh ion kali hERG (A), chất ức chế enzym CYP3A4 (B) và sự phối hợp của 2 mô hình này (C) Các khối cầu màu xanh lá cây biểu diễn trung tâm kỵ nước, khối cầu màu xanh dương biểu diễn trung tâm nhận liên kết hydro, khối cầu màu cam biểu diễn trung tâm vòng thơm/vòng liên hợp π
Phân tích cho thấy hai trung tâm nhận liên kết hydro của hai mô hình pharmacophore không trùng nhau Trung tâm nhận liên kết hydro (F4 ở cả hai mô hình) là nguyên tử N+ ở chất ức chế kênh hERG trong khi ở chất ức chế enzym CYP3A4 hầu hết là nguyên tử O Một đặc điểm nổi bật khi gióng hàng hai mô hình pharmacophore này là trung tâm kỵ nước F1 ở
mô hình pharmacophore CYP3A4 trùng khớp với trung tâm kỵ nước F2 ở mô hình pharmacophore hERG Trung tâm kỵ nước F2 (chất ức chế CYP3A4) cũng gần kề với F3 (chất
ức chế kênh hERG) (Hình 4C) Khi phối hợp hai
mô hình này thành một mô hình (Hình 4C) và
dò tìm các chất trong tập hợp dữ liệu thì xác định được amiodaron có cấu dạng thỏa mãn mô hình pharmacophore chung này khi loại bỏ hai trung tâm nhận liên kết hydro
Trong quá trình truy vấn pharmacophore, hợp chất cấu dạng thỏa mãn cả hai mô hình pharmacophore hERG(5) và mô hình pharmacophore CYP3A4 xây dựng được bao gồm: (i) Các chất ức chế CYP3A4 đã biết: Ketoconazol, itraconazol, indinavir, nelfinavir; (ii) Các chất ức chế kênh ion kali hERG đã biết: Astemizol, desmethylastemizol, pearlstein-10,
E-4031, MK-499, thioridazin, halofantrin, pearlstein-1, pearlstein-7, pearl-stein-6, domperidon, clozapin, olanzapin, trifluo-perazin, mesoridazin, bepridil; (iii) Chất vừa ức
Trang 5chế kênh ion kali hERG, vừa ức chế enzym
CYP3A4: amiodaron, terfenadin (Hình 5)
Hình 5 Terfenadin (pIC 50 hERG = 7,25, pIC 50 CYP3A4 =
5,62) thỏa mãn cả 2 mô hình 3D-pharmacophore –
một cấu dạng thỏa mãn mô hình 3D-pharmacophore
hERG (A) và một cấu dạng thỏa mãn mô hình
3D-pharmacophore CYP3A4 (B)
Khi một thuốc có khả năng gắn kết với cả hai
mục tiêu kênh ion kali hERG và enzym CYP3A4,
thuốc đó có tác động ức chế kênh ion kali hERG
nhưng bình thường không gây độc tính vì được
chuyển hóa bởi enzym CYP3A4; nhưng nếu sử
dụng chung với một thuốc ức chế enzym
CYP3A4 thì dẫn tới nguy cơ giảm chuyển hóa
thuốc có khả năng ức chế kênh kali hERG, tăng
nồng độ thuốc tập trung tại kênh hERG vượt quá
giới hạn an toàn, gây ra tác dung phụ nguy hiểm
là kéo dài khoảng QT, nguy cơ xoắn đỉnh.(6) Như
vậy, trong quá trình thiết kế thuốc cần tránh các
hợp chất thỏa mãn đồng thời hai mô hình
pharmacophore hERG và CYP3A4, giúp giảm
nguy cơ tương tác thuốc-thuốc mà hậu quả là tác
dụng phụ nguy hiểm trên tim
Một điểm cần lưu ý là cấu trúc kênh ion kali
hERG, enzym cytochrom và bơm ngược
P-glycoprotein có vị trí gắn kết với ligand rất linh
động và khả năng gắn kết đồng thời nhiều phân
tử hợp chất.(3,6) Do đó, mô hình pharmacophore
cần kết hợp cùng với QSAR và mô hình mô tả
phân tử docking trên kênh CYP3A4 sẽ giúp ích
cho quá trình phát triển thuốc mới nhằm loại trừ các chất có khả năng ức chế enzym CYP3A4 và tránh khả năng tương tác chéo với các enzym khác
KẾT LUẬN
Mô hình 3D-pharmacophore của chất ức chế enzym CYP3A4 gồm có 1 trung tâm nhận liên kết hydro và 3 trung tâm kỵ nước Mô hình chứa các trung tâm kỵ nước để có thể phù hợp với khoang gắn kết có bề mặt kỵ nước lớn của enzym CYP3A4 Mô hình CYP3A4 có sự tương quan với mô hình pharmacophore ức chế kênh ion kali hERG Mô hình có thể ứng dụng để sàng lọc tương tác thuốc-thuốc mà không cần tính toán phức tạp, mang lại thông tin về nguy cơ chuyển hóa bởi CYP3A4, khả năng ức chế enzym này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Krippendorff PL, Reichel A (2007) Optimizing Classification of Drug-Drug Interaction Potential for CYP450 Iso-Enzymes Inhibition Assays in Early Drug Discovery J Biomol Screen 12(1):92-9
2 Sekiguchi AH et al (2009) Prediction of Drug-Drug Interactions based on Time-Dependent Inhibition from High Throughput Screening of Cytochrome P450 3A4 Inhibition Drug Metabolite Pharmacokinetic 24(6):500–10
3 Vaz RJ (2008) Antitargets: Prediction and Prevention of Drug Side Effects Methods and Principles in Medicinal Chemistry 38:3-108
4 Preissner et al (2010) SuperCYP: a Comprehensive Database on Cytochrome P450 Enzymes Including a Tool for Analysis of Cyp-Drug Interactions Nucleic Acids Research 38:D237-D43
5 Thái KM, Bùi TV, Đoàn CS (2012) Mô hình 3D-pharmacophore của chất ức chế kênh ion kali hERG Tạp chí Dược học, 52(11):34-37
6 Thai KM, Ecker GF (2007) Predictive Models for hERG Channel Blockers: Ligand-Based and Structure-Based Approaches Current Medicinal Chemistry, 14:3003-3026
Ngày nhận bài báo : 11.12.2012 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 21.12.2012 Ngày bài báo được đăng: 10.03.2014