Mô hình 3D-Pharmacophore của các chất ức chế enzym cytochrom P450 3A4

Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 342 MÔ 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 pIC50 ≥ 5 (IC50 ≤ 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 pIC50 ≥ 5 (IC50 ≤ 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 * Bộ môn Hóa Dược – Khoa Dược – Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh; ** Viện Kiểm nghiệm Thuốc TW Tác giả liên lạc: TS. Thái Khắc Minh ĐT: 0909. 680. 385 Email: thaikhacminh@gmail.com Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược Học 343 phân 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 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 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 Computing Group Inc., Canada, Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 344 ww.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. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược Học 345 Truy 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). A B C 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 Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 346 chế kênh ion kali hERG, vừa ức chế enzym CYP3A4: amiodaron, terfenadin (Hình 5). A B C Hình 5. Terfenadin (pIC50 hERG = 7,25, pIC50 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