Nghiên cứu xây dựng mô hình 2D QSAR và docking trên các chất cấu trúc adamantyl ức chế 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase 1

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2D QSAR VÀ DOCKING<br /> TRÊN CÁC CHẤT CẤU TRÚC ADAMANTYL<br /> ỨC CHẾ 11-Β HYDROXYSTEROID DEHYDROGENASE 1<br /> Thái Khắc Minh*, Nguyễn Thị Thanh Lan*<br /> <br /> TÓMTẮT<br /> Mở đầu và mục tiêu: Hội chứng chuyển hóa là yếu tố chính làm gia tăng nguy cơ bệnh tim mạch và<br /> đái tháo đường typ 2. Tuy vậy, hội chứng này vẫn chưa được chính thức công nhận là một chỉ định điều trị<br /> và các phương pháp điều trị hiện nay chỉ có thể làm giảm triệu chứng của từng rối loạn chuyển hóa riêng lẻ.<br /> Trong những năm gần đây, 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 (11-β-HSD1), enzym quan trọng trong<br /> hoạt động glucocorticoid tại mô, được chứng minh là một đích tác động tiềm năng trong điều trị hội chứng<br /> chuyển hóa. Trong đề tài này, mô hình 2D QSAR và docking trên nhóm dẫn chất adamantyl được xây dựng<br /> nhằm xác định tương tác của các chất ức chế với acid amin tại khoang gắn kết của 11-β-HSD1, đồng thời<br /> sàng lọc, dự đoán các chất có khả năng ức chế 11-β-HSD1.<br /> Đối tượng - phương pháp nghiên cứu: Mô hình 2D QSAR được xây dựng dựa trên thuật toán bình<br /> phương tối thiểu từng phần PLS trên cơ sở dữ liệu tập gồm 174 dẫn chất adamantyl carbonyl với giá trị<br /> hoạt tính sinh học IC50. Công cụ FlexX/LeadIT được sử dụng để nghiên cứu mô hình mô tả phân tử<br /> docking. Mô hình 2D QSAR và docking sau khi xây dựng được ứng dụng để sàng lọc trên thư viện gồm<br /> 64229 chất để tìm ra những chất có tiềm năng ức chế tốt enzym 11-β-HSD1.<br /> Kết quả: Nghiên cứu xây dựng được mô hình 2D QSAR trên nhóm dẫn chất adamantyl với giá trị R2<br /> là 0,74. Các giá trị đánh giá mô hình cho thấy mô hình có khả năng dự đoán đúng và sai số giữa giá trị dự<br /> đoán và giá trị thực nghiệm nhỏ hơn 0,5. Mặt khác, phân tích kết quả docking trên cấu trúc 11-β-HSD1 cho<br /> thấy các acid amin đóng vai trò quan trọng trong việc gắn kết với ligand bao gồm Ser170, Tyr177, Tyr183.<br /> Kết quả ứng dụng mô hình 2D QSAR và docking trên thư viện 64229 chất cho thấy nhiều hợp chất<br /> diterpenoid được dự đoán có tác dụng ức chế tốt cũng như khả năng gắn kết tốt với enzym 11-β-HSD1.<br /> Kết luận: Khả năng dự đoán của mô hình 2D QSAR và mô hình docking trong nghiên cứu có sự<br /> tương quan với nhau. Mô hình adamantyl carbonyl có khả năng dự đoán tốt. Dựa trên các kết quả thu<br /> được, nghiên cứu đề nghị bán tổng hợp và thiết kế các cấu trúc diterpenoid tiềm năng để tiếp tục thử hoạt<br /> tính ức chế enzym 11-β-HSD1 in vitro và in vivo.<br /> Từ khóa: 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase, hội chứng chuyển hóa, adamantyl carbonyl.<br /> ABSTRACT<br /> 2D QSAR MODEL AND MOLECULAR DOCKING STUDY ON ADAMANTYL DERIVATIVES<br /> AS 11-Β-HYDROXYSTEROID DEHYDROGENASE 1 INHIBITORS<br /> Thai Khac Minh, Nguyen Thi Thanh Lan<br /> * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 2- 2019: 327 – 333<br /> <br /> Background and objectives: The metabolic syndrome is a major factor that increases the risk of<br /> cardiovascular disease and type 2 diabetes. However, it has not been recognized as a therapeutic indication<br /> by regulatory authorities, and all current treatments only improve the individual features of the metabolic<br /> <br /> *<br /> Khoa Dược, Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh<br /> Tác giả liên lạc: PGS. TS. Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 Email: thaikhacminh@uphcm.edu.vn<br /> <br /> Chuyên Đề Dược 327<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019<br /> <br /> syndrome. Recently, 11-β-hydroxysteroide dehydrogenase 1 (11-β-HSD1), a crucial enzyme in<br /> glucocorticoid action, has been demonstrated as a prospective target in metabolic syndrome treatment. In<br /> this study, 2D QSAR models and molecular docking on adamantyl derivatives were utilized to analyze<br /> interactions among inhibitors and amino acids of the binding site in 11-β-HSD1 structure and predict novel<br /> 11-β-HSD1 inhibitors.<br /> Materials and methods: 2D QSAR models were developed by Partial Least Squares algorithm in<br /> MOE on 174 adamantyl carbonyl compounds. FlexX/LeadIT was used for molecular docking. 2D QSAR<br /> models and docking were applied for screening a 64229 compounds library aimed at identifying innovative<br /> 11-β-HSD1 inhibitors.<br /> Results and discussions: In term of ligand-based design, the 2D QSAR model were generated with R2<br /> of 0.74. Validation results showed that developed model had high predictive ability, and the deviations<br /> between predicted values and experimental values were lower than 0.5. Docking results indicated that<br /> amino acids played a significant role in binding site were Ser170, Tyr177, and Tyr183. Subsequently, 2D<br /> QSAR models and docking were applied on a 64229 compounds library and the results showed that several<br /> diterpenoids were predicted to inhibit 11-β-HSD1 with low IC50 values and low docking scores.<br /> Conclusions: Predictability of the 2D QSAR models and docking models in this study were correlated<br /> together. Based on the results, we proposed semi-synthesizing and designing potential diterpenoids to<br /> conduct in vitro and in vivo assessment for 11-β-HSD1 inhibition.<br /> Key words: 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase, metabolic syndrome, adamantyl carbonyl.<br /> ĐẶT VẤNĐỀ cứu với mong muốn tìm ra phương pháp điều<br /> trị mới cho các rối loạn của HCCH. Trong đó<br /> Hội chứng chuyển hóa (HCCH) được định không thể không kể đến các chất ức chế<br /> nghĩa là tập hợp các bất thường về chuyển hóa enzym 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase 1<br /> bao gồm béo bụng, đề kháng insulin, rối loạn (11-β-HSD1). Đây được xem là nhóm chất đối<br /> dung nạp glucose, tăng huyết áp và rối loạn kháng cortisol tiềm năng nhất cho điều trị đái<br /> lipid huyết(10,13). HCCH là yếu tố chính làm gia tháo đường typ 2 và béo phì(1,8). Nhiều nhóm<br /> tăng nguy cơ bệnh tim mạch và đái tháo cấu trúc khác nhau được chứng minh có khả<br /> đường typ 2, ước tính khoảng 80% bệnh nhân năng ức chế enzym 11-β-HSD1 ở người như<br /> đái tháo đường typ 2 ở mức cần phải điều trị dẫn chất của acid glycyrrhetinic(3), adamantyl,<br /> HCCH. Bên cạnh đó, béo phì, thường kết hợp<br /> quinolyl benzamid(9), triazol, thiazolon, sulfon,<br /> với béo bụng (một đặc trưng của HCCH), sulfonamid, piperidin(4,11,15), các chất có cấu<br /> cũng là yếu tố nguy cơ hàng đầu của đái tháo<br /> trúc khác. Tuy nhiên, cho đến nay, không có<br /> đường typ 2, HCCH, bệnh tim mạch, đột quỵ<br /> nhiều nghiên cứu thiết kế thuốc trên enzym<br /> và một số loại ung thư(6,14,16). Tuy vậy, hội 11-β-HSD1 được công bố. Cụ thể, chỉ có một<br /> chứng này vẫn chưa được chính thức công vài ví dụ của chất ức chế 11-β-HSD1 được<br /> nhận là một chỉ định điều trị và các phương thiết kế hợp lý như nghiên cứu của nhóm tác<br /> pháp điều trị hiện tại chỉ có thể giảm triệu giả Lee và cộng sự năm 2008, nhóm nghiên<br /> chứng của từng rối loạn chuyển hóa riêng lẻ. cứu của Yang năm 2009, nhóm tác giả Lagos<br /> Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu và cộng sự năm 2014. Trong nghiên cứu này,<br /> đã chứng minh hoạt động glucocorticoid tại mô hình 2D QSAR và docking trên các chất ức<br /> mô (sự chuyển hóa qua lại giữa dạng cortison<br /> chế 11-β-hydroxysteroid dehydrogenase 1<br /> bất hoạt và dạng cortisol hoạt động) đóng vai được tiến hành trên nhóm cấu trúc adamantyl<br /> trò quan trọng trong HCCH(2,12,17). Vì thế, các carbonyl. Theo hướng thiết kế thuốc dựa vào<br /> chất đối kháng cortisol được quan tâm nghiên<br /> <br /> <br /> 328 Chuyên Đề Dược<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> ligand, nghiên cứu sẽ tiến hành xây dựng các chọn được 3 thông số mô tả là<br /> mô hình QSAR - mối liên hệ giữa cấu trúc và BCUT_SLOGP_3, logS và logP(o/w).<br /> tác động ức chế enzym 11-β-HSD1 trên cơ sở Kết quả từ cơ sở dữ liệu 138 chất xây dựng<br /> dữ liệu thu thập được. Những mô hình này có được mô hình A1 với phương trình hồi quy:<br /> thể ứng dụng để sàng lọc số lượng lớn các pIC50 = 9,12738 − 2,36024 × BCUT_SLOGP_3 +<br /> chất sẵn có trong ngân hàng dữ liệu, định 1,10662 × logS − 1,28414 × logP(o/w).<br /> hướng thiết kế nhằm tìm ra những chất có khả<br /> Mô hình có giá trị R2 = 0,68 (lớn hơn 0,5) và<br /> năng ức chế enzym 11-β-HSD1. Theo hướng<br /> RMSE = 0,46 (nhỏ hơn 0,5), chứng tỏ phương<br /> thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu, mô<br /> trình hồi quy có ý nghĩa. Tiếp theo đánh giá<br /> hình mô tả phân tử docking được sử dụng để<br /> khả năng dự đoán của mô hình thông qua kết<br /> khảo sát khả năng gắn kết của những nhóm<br /> quả đánh giá trên tập xây dựng mô hình (138<br /> cấu trúc kể trên với enzym 11-β-HSD1. Mô<br /> chất) và tập kiểm tra (36 chất) và kết quả trình<br /> hình docking cũng góp phần định hướng thiết<br /> bày ở Bảng 1.<br /> kế để tìm ra những chất ức chế tiềm năng trên<br /> Bảng 1: Kết quả mô hình QSAR và chỉ tiêu tham<br /> enzym 11-β-HSD1, ứng dụng trong phối hợp<br /> điều trị đái tháo đường typ 2 và béo phì. khảo của các tham số đánh giá<br /> Chỉ tiêu tham<br /> Tham số Kết quả Đánh giá<br /> ĐỐITƯỢNG-PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU khảo<br /> Tập huấn luyện (n=138)<br /> Mô hình 2D QSAR được xây dựng dựa R<br /> 2<br /> 0,68 > 0,6 Đạt<br /> trên thuật toán bình phương tối thiểu từng < 0,5; tốt nhất Có thể chấp<br /> RMSE 0,46<br /> phần PLS trong phần mềm MOE 0,5 Đạt<br /> 174 dẫn chất adamantyl carbonyl có giá trị < 0,5; tốt nhất Có thể chấp<br /> RMSELOO 0,47<br /> 0,5 Đạt<br /> pháp mô tả trong tài liệu(5,7,18). Mặt khác, công<br /> < 0,5; tốt nhất Có thể chấp<br /> cụ FlexX tích hợp trong LeadIT 0,47<br /> 0,2 Đạt<br /> cứu mô hình mô tả phân tử docking của hai tập ngẫu nhiên)<br /> chất này. Mô hình 2D QSAR và docking sau khi 0,55 > 0,5 Đạt<br /> xây dựng được ứng dụng để sàng lọc trên thư<br /> Δ 0,26 < 0,2 Không đạt<br /> viện gồm 64229 chất để tìm ra những chất có<br /> Tấp kiểm tra (n=36)<br /> tiềm năng ức chế tốt enzym 11-β-HSD1.<br /> 0,85 > 0,6 Đạt<br /> KẾTQUẢ < 0,5; tốt nhất<br /> RMSEpred 0,40 Đạt<br /> 0,5 Đạt<br /> adamantyl carbonyl<br /> Δ 0,13 < 0,2 Đạt<br /> Tập dữ liệu là các dẫn chất có cấu trúc<br /> CCC 0,91 ≥ 0,85 Đạt<br /> adamantyl carbonyl gồm 182 chất thu thập<br /> Đường thẳng tương quan pIC50 thực<br /> từ các bài báo khoa học. Tập hợp 182 chất<br /> nghiệm và dự đoán của tập xây dựng và tập<br /> được phân chia đa dạng thành tập xây<br /> kiểm tra theo mô hình A1 được biểu diễn<br /> dựng (146 chất) để xây dựng mô hình và<br /> trong hình 1. Đa số các chất của tập xây dựng<br /> tập kiểm tra (36 chất) để đánh giá mô hình.<br /> cũng như tập ngoại đều nằm trong khoảng ±<br /> Tập xây dựng được loại 8 chất gây nhiễu.<br /> 5% so với đường tuyến tính của tập xây dựng.<br /> Từ tập hợp 138 chất còn lại, sau khi lọc, lựa<br /> Như vậy, mô hình 2D QSAR có thể tiếp tục<br /> <br /> <br /> Chuyên Đề Dược 329<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019<br /> <br /> được phát triển trên toàn cơ sở dữ liệu. Tiến vòng hay vòng thơm nên tạo ít liên kết với các<br /> hành trên tập 174 chất này xây dựng được mô acid amin trong khoang gắn kết Hình 4.<br /> hình A có giá trị R2 = 0,74 và RMSE = 0,45.<br /> Phương trình hồi quy mô hình A: pIC50 =<br /> 9,26323 − 2,52745 × BCUT_SLOGP_3 + 1,06363<br /> × logS − 1,19313 × logP(o/w).<br /> Đường thẳng tương quan pIC50 thực<br /> nghiệm và dự đoán của toàn tập 174 chất theo<br /> mô hình A được thể hiện trong hình 2. Mô<br /> hình A có giá trị CCC = 0,85 (đạt yêu cầu theo<br /> chỉ tiêu tham khảo(7)), chứng tỏ khả năng dự<br /> đoán của mô hình có độ tin cậy cao.<br /> Kết quả docking trên cấu trúc 11-β-HSD1 với<br /> tập adamantyl<br /> Từ PDB, lựa chọn cấu trúc 2ILT (ligand<br /> đồng kết tinh nhóm adamantyl) để docking Hình 1: Đường biểu diễn sự tương quan giữa giá<br /> với tập adamantyl carbonyl, và 3D3E (ligand trị pIC50 thực nghiệm và dự đoán theo mô hình A1<br /> đồng kết tinh nhóm benzamid) để docking tập<br /> dẫn chất quinolyl benzamid. Kết quả docking<br /> trên hai protein khá tương đương nhau. Tất cả<br /> 182 chất đều docking thành công vào khoang<br /> gắn kết của 2ILT cũng như 3D3E. Điểm số<br /> docking thay đổi từ -21,56 kJ/mol đến -1,77<br /> kJ/mol đối với 2ILT và từ -20,83 kJ/mol đến<br /> +0,11 kJ/mol với 3D3E. Đa số các phân tử<br /> docking đều tương tác với 4 acid amin Ser170,<br /> Tyr183, Tyr177, Leu126, cho thấy vai trò quan<br /> trọng của các acid amin này trong khoang gắn<br /> kết. Trong 182 chất của tập dẫn chất<br /> adamantyl carbonyl, BMCL-2010-6725-11l là<br /> Hình 2: Sự tương quan giữa pIC50 thực nghiệm và<br /> chất có điểm số docking tốt nhất (-21,56<br /> dự đoán của toàn tập theo mô hình A<br /> kJ/mol) Hình 3. Ngược lại với BMCL-2010-<br /> 6725-11l, phân tử BMCL-2010-6725-6 cấu trúc<br /> đơn giản, ít nhóm cho nhận liên kết hydro, dị<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Tương tác của BMCL-2010-6725-11l với 4 acid amin quan trọng Ser170, Tyr177, Tyr183, Leu126<br /> <br /> <br /> 330 Chuyên Đề Dược<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (A) (B)<br /> Hình 4: Vị trí của BMCL-2010-6725-6 trong khoang gắn kết (A) và tương tác với các acid amin trong khoang (B)<br /> Ứng dụng của mô hình docking và QSAR<br /> Bảng 2: Các chất được dự đoán có hoạt tính tốt theo mô hình A<br /> pIC50 IC50 dự<br /> pIC50 dự IC50 dự<br /> Tên chất Cấu trúc dự đoán Tên chất Cấu trúc<br /> đoán đoán (nM)<br /> đoán (nM)<br /> TCM11380 9,09 0,81 Effusanin-A 8,73 1,86<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TCM11397 8,94 1,15 DB06743 8,86 1,37<br /> Ginkgolid-A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TCM11312 8,90 1,26 DB08407 8,37 4,26<br /> Platensimycin<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TCM11422 8,82 1,53 TCM4277 8,96 1,08<br /> Ingenol<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Rabdoternin- 8,79 1,62 DB05013 8,36 4,41<br /> A Ingenol<br /> mebutat<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Rosthornin-C 8,79 1,63<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Chuyên Đề Dược 331<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019<br /> <br /> <br /> Tập ứng dụng để sàng lọc có 64229 chất amin, tăng khả năng gắn kết trong khoang liên<br /> bao gồm 57423 chất từ thư viện các chất phân kết của 11-β-HSD1. Mặt khác, xét về tương<br /> lập từ những bài thuốc cổ truyền Trung Hoa quan giữa điểm số docking và pIC50 thì kết<br /> (Traditional Chinese Medicine TMC database quả tương quan tương đối thấp ở cả hai cấu<br /> tcm.cmu.edu.tw) và 6806 chất từ Ngân hàng trúc (