Khảo sát mô hình ức chế enzyme acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương pháp hóa tính toán sử dụng kỹ thuật protein docking

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học Khoa học Cơ bản 59 KHẢO SÁT MÔ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE BỞI CÁC DẪN XUẤT β-LACTAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN SỬ DỤNG KỸ THUẬT PROTEIN DOCKING Nguyễn Trương Công Minh*, Lê Xuân Trường*, Lê Thị Xuân Thảo* TÓM TẮT Mở đầu: Acetylcholinesterase là enzyme thủy giải acetylcholine nội sinh, có vai trò là chất dẫn truyền xung thần kinh trong hệ thần kinh trung ương và ngoại biên. Trong các chất ức chế Acetylcholinesterase, nhóm các dẫn xuất β-lactam đã được nghiên cứu tổng hợp và cho thấy có nhiều hoạt tính sinh học vượt trội đặc biệt là khả năng kháng khuẩn, kháng viêm, ngăn ngừa ung thư. Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất này sẽ mở ra triển vọng định hướng cho nhiều nghiên cứu, ứng dụng trong tương lai nhằm mục đích hỗ trợ điều trị có hiệu quả các biến chứng thần kinh mắc phải. Mục tiêu: Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương pháp hóa tính toán với kỹ thuật protein docking. Qua đó, thực hiện tiên lượng, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả ức chế enzyme, góp phần định hướng cho các nhà nghiên cứu tương lai xây dựng mô hình chất ức chế hiệu quả hơn. Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 11 dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil, sử dụng phần mềm Hyperchem 8.0.10; thiết lập mô hình tương tác ức chế với enzyme Acetylcholinesterase, đồng thời khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Autodock – Autodock vina và Statgraphics Centurion XVI. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc đến hiệu quả ức chế enzyme. Kết quả: Thiết lập được mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil, bao gồm các lực tương tác chủ yếu là: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương tác π – π và liên kết Hydrogen. Trong đó, tương tác tĩnh điện và tương tác π – π giữa chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc enzyme Acetylcholinesterase có vai trò quan trọng, quyết định hiệu quả ức chế enzyme. Tương tác π – π càng lớn, với hệ thống vòng thơm càng nhiều và tương tác tĩnh điện càng mạnh, với hệ thống nhóm thế tại vị trí para có độ âm điện càng cao thì xu hướng năng lượng tương tác ức chế và nồng độ ức chế IC50 càng thấp. Kết luận: Hoạt tính ức chế enzyme Acetylcholinesterase của các dẫn xuất có tương quan mật thiết với các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm thế, được chi phối bởi hiệu quả các lực tương tác tĩnh điện và tương tác π – π giữa chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc enzyme. Cấu trúc chất ức chế có hệ thống vòng thơm càng nhiều với các nhóm thế tại vị trí para có độ âm điện càng cao thì xu hướng có hoạt tính ức chế enzyme càng lớn. Từ khóa: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Hóa tính toán ABSTRACT MODELING INHIBITION OF ACETYLCHOLINESTERASE BY β-LACTAM DERIVATIVES USING COMPUTATIONAL CHEMISTRY METHODS WITH PROTEIN DOCKING Nguyen Truong Cong Minh, Le Xuan Truong, Le Thi Xuan Thao * Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Vol. 20 - Supplement of No 1 - 2016: 59 - 66 *Bộ môn Hóa sinh, ĐH Y Dược TP Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc : ThS. Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 01269635368 Email: [email protected] Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Chuyên Đề Khoa học Cơ bản – Y tế Công cộng 60 Background: Acetylcholinesterase is a hydrolytic enzyme of endogenous acetylcholine, acting as neurotransmitters in the central and periphery nervous system. In a group of the enzyme inhibitors, β-lactam derivatives are synthesized showing more superior biological activity, especially antibacterial, anti-inflammatory, anti-cancer. Modeling inhibition of acetylcholinesterase by these derivatives should open up prospects for more research oriented, future applications aimed at supporting the effective treatment of neurological complications. Objects: Setting model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives by computational chemistry methods and protein docking to evaluate factors of affecting enzyme inhibitory effect, contributing to the orientation for future researchers in order to build more effective inhibitor models. Methods: Building and optimizing the structures of eleven β-lactam derivatives and Donepezil, which is the comparative inhibitor, using HyperChem 8.0.10 software; Modeling interactions with acetylcholinesterase and examining the relationship between docking energy and the experiment enzyme inhibitory concentration IC50, using Autodock – Autodock vina and Statgraphics Centurion XVI softwares; Evaluating of structural factors of affecting efficiency of enzyme inhibition. Results: The result model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives and Donepezil, the comparative inhibitor, shows the interaction forces including van der Waals interaction, electrostatic interaction, π - π interaction and hydrogen binding. In particular, the electrostatic interaction and π - π interaction between inhibitors and amino acids structuring the acetylcholinesterase has an important role, affecting an effective of the enzyme inhibition. The stronger the π - π interaction is – with the structural system of more aromatic rings and the stronger the electrostatic interaction is – with the structural system of more substituents at the para position that have the highest electronegativity, the lower the docking energy value together with the experiment IC50 of acetylcholinesterase inhibitors is. Conclusion: Acetylcholinesterase inhibitory activity of β-lactam derivatives and the comparative inhibitor is closely correlated with structural factors including the aromatic ring system and the substituents, governed by the efficiency of electrostatic interactions and π - π interactions between the inhibitors with amino acid units of the enzyme. The structure of inhibitors, which has more aromatic rings with higher electronegativity of substituents at the para position, has a tendency to increase the enzyme inhibitory activity of these inhibitors. Keywords: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Computational chemistry. ĐẶT VẤN ĐỀ Cholinesterase thuộc họ enzyme xúc tác phản ứng thủy phân chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine thành Choline và acid acetic, có vai trò điều hòa quá trình sinh tổng hợp Acetylcholine trong hệ thần kinh. Enzyme này được phân loại thành: Acetylcholinesterase và Butyrylcholinesterase. Các chất ức chế AChE chủ yếu làm tăng nồng độ Acetylcholine nội sinh, thúc đẩy và duy trì phản ứng dẫn truyền xung thần kinh đến các mô và cơ quan. Căn cứ vào phương thức ức chế, chất ức chế AChE được chia thành 2 nhóm: ức chế hồi phục và không hồi phục. Chất ức chế hồi phục có nhiều ứng dụng trong liệu pháp chữa trị các hội chứng thần kinh bao gồm thoái hóa thần kinh (Alzheimer), nhược cơ, tăng nhãn áp v.v. Chất ức chế hồi phục điển hình là Donepezil, gắn kết vào tâm hoạt động anion ngoại biên trên enzyme AChE, hỗ trợ điều trị các triệu chứng và tăng cường khả năng nhận thức trên những bệnh nhân Alzheimer(6). β-lactam thuộc nhóm chất ức chế hồi phục, được nhiều nhà nghiên cứu khẳng định có các hoạt tính sinh học nổi trội như kháng khuẩn, kháng viêm, ngăn ngừa ung thư(2,3,5) v.v, là nguồn nguyên liệu chính trong tổng hợp Hóa Dược. Năm 2014, Karthikeyan Elumalai và cộng sự đã tổng hợp và xác định thành công nồng độ ức chế IC50 của các dẫn xuất β-lactam(4), mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai, Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học Khoa học Cơ bản 61 phát triển và ứng dụng các dẫn xuất này trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Tiếp nối hướng nghiên cứu của Karthikeyan Elumalai, đề tài được tiến hành với mục đích xây dựng mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất này, đồng thời đưa ra những dự đoán về hiệu quả ức chế phù hợp với số liệu thực nghiệm, song song đó xác định các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc đến khả năng ức chế enzyme. ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Enzyme Acetylcholinesterase và 11 dẫn xuất β-lactam với chất ức chế so sánh Donepezil, đã được tác giả Karthikeyan Elumalai nghiên cứu tổng hợp và xác định hoạt tính ức chế bằng thực nghiệm, IC50 (M). Phương pháp tiến hành Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 3D của 11 dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil bằng phần mềm Hyperchem 8.0.10 theo phương pháp bán kinh nghiệm PM3. Thiết lập mô hình tương tác ức chế với enzyme Acetylcholinesterase bằng phần mềm Autodock – Autodock vina(1). Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc đến hiệu quả ức chế enzyme. Cơ sở dữ liệu Hình 1: Cấu trúc Acetylcholinesterase. Cấu trúc Acetylcholinesterase (Hình 1) và 11 dẫn xuất β-lactam (Hình 2) với hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 (M) (Bảng 1). Hình 2: Cấu trúc tổng quát của các dẫn xuất β- lactam với nhóm thế R. Phương pháp Hóa tính toán – mô phỏng cấu trúc phân tử 3D Hóa tính toán mô phỏng cấu trúc phân tử dựa trên nền tảng các định luật vật lý, cho phép nghiên cứu các tính chất hóa học – hiện tượng xảy ra trong hóa học thông qua việc tính toán trên máy tính. Hóa tính toán gồm 2 mô hình mô phỏng cấu trúc phân tử: mô hình cơ học phân tử và mô hình cơ học lượng tử. Cả hai đều tập trung thực hiện các tính toán cơ bản giống nhau bao gồm: năng lượng, tối ưu hóa hình dạng, tần số dao động. Mô hình cơ học lượng tử được sử dụng trong đề tài để xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc phân tử của các dẫn xuất chất ức chế, trong đó phương pháp bán kinh nghiệm PM3 đơn giản hóa việc tính toán bằng cách chỉ biểu diễn các điện tử hóa trị trong nguyên tử cấu thành, áp dụng rộng rãi cho hệ cấu trúc chứa các nguyên tử bao gồm: H, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, Br và I. Phân tích hồi quy Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI 16.1.18, với công cụ phân tích tương quan đa biến (Multiple-Variable Analysis (Correlations)), khảo sát sự tương quan giữa năng lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, có ý nghĩa thống kê với p<0.05. Phương pháp Protein docking Phương pháp Protein docking hay còn gọi là Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Chuyên Đề Khoa học Cơ bản – Y tế Công cộng 62 mô phỏng tương tác giữa một phân tử ligand và đại phân tử protein nhằm dự đoán vị trí tạo liên kết ưu đãi, hình thành phức hợp protein – ligand bền vững. Sự định hướng thuận lợi của ligand trên protein được biểu diễn thông qua độ bền liên kết hoặc ái lực gắn kết giữa 2 phân tử, sử dụng các hàm tính điểm (scoring functions). Bản chất của quá trình mô phỏng tương tác chính là tối ưu hóa hình dạng 2 phân tử protein – ligand cũng như liên kết giữa chúng sao cho năng lượng tự do toàn hệ thống đạt cực tiểu(1). Sử dụng phương pháp Protein docking trong phần mềm Autodock – Autodock vina để khảo sát mô hình tương tác ức chế giữa các dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil với Acetylcholinesterase, nhằm mục đích cung cấp các thông tin quan trọng về năng lượng gắn kết enzyme và loại lực tương tác điển hình như: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương tác π – π và lực liên kết Hydrogen. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc các dẫn xuất chất ức chế Cấu trúc 11 dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil được xây dựng và tối ưu hóa bằng phần mềm Hyperchem 8.0.10, sử dụng phương pháp bán kinh nghiệm PM3 Bảng 1: Cấu trúc 3D tối ưu và giá trị hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 của 11 dẫn xuất β-lactam và hợp chất ức chế so sánh Donepezil STT Hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 (M) Cấu trúc 3D tối ưu R 1 phenyl 8,7 2 4-pyridyl 1,5 STT Hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 (M) Cấu trúc 3D tối ưu R 3 4-flurophenyl 0,11 4 3-flurophenyl 0,82 5 4-chlorophenyl 0,36 6 3-chlorophenyl 1,2 7 3-nitrophenyl 2,6 8 2-nitrophenyl 4,4 9 2-chlorophenyl 3,1 10 3-pyridyl 2,8 11 2-furyl 5,1 DONEPEZIL 0,14 Mô hình tương tác ức chế Acetylcholinesterase Sử dụng phần mềm Autodock – Autodock vina lần lượt thiết lập mô hình tương tác ức chế với enzyme Acetylcholinesterase của 11 cấu trúc Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học Khoa học Cơ bản 63 dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil đã được tối ưu bằng phương pháp Protein docking với thuật toán gen Lamarck (Lamarckian Genetic Algorithm). Kết quả docking cung cấp các thông tin về năng lượng gắn kết (kcal/mol) và loại lực tương tác ứng với mỗi dẫn xuất chất ức chế (Bảng 2). Bảng 2: Mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase tương ứng với năng lượng gắn kết Eb và loại tương tác cho mỗi dẫn xuất chất ức chế STT MÔ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE Eb (KCAL/MOL) LOẠI TƯƠNG TÁC 1 -6,4 Liên kết Hydrogen với ARG 417. Tương tác van der Waals với ARG 534 – ALA 412 – TYR 503 – ASN 535 – GLU 413 – ASN 317. 2 -7,0 Tương tác π – π với TRP 286. Tương tác van der Waals với LEU – TYR – ARG. 3 -7,7 Tương tác van der Waals với ARG 475 – ILE 471 – TYR 479 – GLU 491 – ARG 478. 4 -7,3 Tương tác van der Waals với ARG 475 – ILE 471 – TYR 479. 5 -7,6 Tương tác van der Waals với ARG 534 – ASN 533 – ALA 412 – GLY 416. Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Chuyên Đề Khoa học Cơ bản – Y tế Công cộng 64 STT MÔ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE Eb (KCAL/MOL) LOẠI TƯƠNG TÁC 6 -7,4 Tương tác van der Waals với PRO 235 – HIS 405 – PRO 537 – GLY 234 – PRO 410 – ASN 233 – PRO 312. 7 -7,0 Liên kết Hydrogen với ASN 233. Tương tác van der Waals với PRO 235 – VAL 239 – THR 238. 8 -6,9 Liên kết Hydrogen với ARG 475. Tương tác van der Waals với GLU 468 – LEU 515 – TYR 479. 9 -6,9 Tương tác van der Waals với LEU 515 – ARG 475 – TYR 479 – ILE 471. 10 -7,0 Tương tác van der Waals với ALA 530 – ASN 533 – ARG 534 – ARG 417 – GLY 416. 11 -6,6 Liên kết Hydrogen với ASN 533. Tương tác van der Waals với TYR 503 – GLY 416 – ALA 520 – ALA 530 – ARG 534 – GLN 413. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học Khoa học Cơ bản 65 STT MÔ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE Eb (KCAL/MOL) LOẠI TƯƠNG TÁC DONEPEZIL -7,5 Tương tác π – π với TRP 286. Tương tác van der Waals với LEU 76 – TYR 341 – PHE 286 – PHE 235 – ASN 283. Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết Eb và hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 đối với từng dẫn xuất chất ức chế được trình bày trong Bảng 3, kết quả cho thấy có sự tương quan khá mật thiết (R2 = 85,3%) giữa năng lượng gắn kết enzyme và hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 của các dẫn xuất chất ức chế. Các loại tương tác biểu diễn trong từng mô hình ức chế (Bảng 2) thể hiện vai trò ảnh hưởng quan trọng của tương tác van der Waals và tương tác π – π với các đơn vị amino acid thuộc enzyme. Bảng 3: Tương quan giữa năng lượng gắn kết Eb (kcal/mol) và IC50 (µM) đối với từng dẫn xuất chất ức chế STT Eb (Kcal/mol) IC50 (µM) 1 -6,4 8,7 2 -7 1,5 3 -7,7 0,1 4 -7,3 0,8 5 -7,6 0,4 6 -7,4 1,2 7 -7 2,6 8 -6,9 4,4 9 -6,9 3,1 10 -7 2,8 11 -6,6 5,1 Donepezil -7,5 0,1 R = 0,9 ; R 2 = 85,3% ; p<0,001 Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc đến hiệu quả ức chế enzyme Từ kết quả đạt được nêu trên, tiến hành xây dựng mô hình thế năng tĩnh điện của enzyme (Hình 3) và các dẫn xuất chất ức chế đặc trưng (Hình 4). Bề mặt Acetylcholinesterase phân bố đáng kể các tâm hoạt động mang điện tích âm có khả năng gắn kết hữu hiệu với các nhóm cấu trúc mang điện tích dương(5). Như vậy, nếu các dẫn xuất chất ức chế càng chứa nhiều nhóm chức tích điện dương, tương tác tĩnh điện giữa chất ức chế với enzyme càng mạnh thì lực gắn kết càng lớn, tương ứng với năng lượng gắn kết càng có giá trị âm. Hình 3: Mô hình thế năng tĩnh điện của Acetylcholinesterase với các tâm hoạt động anion Mô hình trên hình 4 cho thấy: dẫn xuất β- lactam hoạt tính ức chế cao nhất tương ứng với cấu trúc có mang nhóm thế vòng thơm liên kết với 1 nguyên tử Halogen (F) tại vị trí para, thể hiện tương tác tĩnh điện hữu hiệu, ưu tiên giữa nguyên tử F trên nhân thơm với hốc tâm hoạt động anion trên bề mặt enzyme. Chất ức chế so sánh Donepezil với cấu trúc 2 vòng thơm vừa có tương tác π – π xảy ra giữa hệ thống nhân thơm với đơn vị amino acid TRP 286 thuộc enzyme, vừa có tương tác tĩnh điện ưu đãi giữa hốc tâm hoạt động anion với hệ cấu trúc đa vòng trên Donepezil. Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Chuyên Đề Khoa học Cơ bản – Y tế Công cộng 66 Hình 4: Mô hình thế năng tĩnh điện của phức hợp chất ức chế – enzyme (a) Dẫn xuất β-lactam mang nhóm thế phenyl – IC50 = 8,7 µM. (b) Dẫn xuất β-lactam mang nhóm thế 4-flurophenyl – IC50 = 0.11 µM. (c) Chất ức chế so sánh Donepezil với cấu trúc 2 vòng thơm – IC50 = 0.14 µM. KẾT LUẬN Như vậy, phương pháp hóa tính toán với kỹ thuật protein docking đã xây dựng được mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh Donepezil. Mô hình này phản ánh hoạt tính ức chế enzyme của các dẫn xuất chất ức chế có tương quan mật thiết với các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm thế, được chi phối bởi hiệu quả các lực tương tác tĩnh điện và tương tác π – π giữa chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc enzyme. Cấu trúc chất ức chế có hệ thống vòng thơm càng nhiều với các nhóm thế tại vị trí para có độ âm điện càng cao thì xu hướng có hoạt tính ức chế enzyme càng lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Elander RP. (2003), “Industrial production of beta-lactam antibiotics”, Applied microbiology and biotechnology, 61(5–6), pp.385–392. 2. Elumalai K, Ali MA (2014), “Acetylcholinesterase inhibitor and cytotoxic activity of some novel acetazolamide cyclocondensed azetidinones”, Journal Of Acute Medicine 4, pp.20–25. 3. Holten KB, Onusko EM (2000), “Appropriate prescribing of oral beta-lactam antibiotics”, American Family Physician, 62(3), pp.611– 20. 4. Mirjana B, Colovic, et al. (2013), “Acetylcholinesterase Inhibitors: Pharmacology and Toxicology”, Current Neuropharmacology, 11, pp.315-335. 5. Mukesh B, Rakesh K (2011), “Molecular docking: A Review”, IJRAP, 2(6), pp.1746-1751. 6. Pohanka M (2012), “Acetylcholinesterase inhibitors; a patent review (2008–present)”, Expert Opinion on Therapeutic Patents, 22(8), pp.871–88. Ngày nhận bài báo: 20/11/2015 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 27/11/2015 Ngày bài báo được đăng: 15/02/2016