Nghiên cứu tương tác của các hợp chất có trong cây xạ đen (Celastrus Hindsii Benth) và cây an xoa (Helicteres Hisuta Loureiro) với miền Tyrosine kinase của thị thể EGFR bằng phương pháp in silico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THỊ THU THANH

NGHIÊN CỨU TƢƠNG TÁC CỦA CÁC HỢP CHẤT CÓ TRONG

CÂY XẠ ĐEN (Celastrus Hindsii Benth) VÀ CÂY AN XOA

(Helicteres Hirsuta Loureiro) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE

CỦA THỤ THỂ EGFR BẰNG PHƢƠNG PHÁP in silico

Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí

Mã số: 8440119

Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. VŨ THỊ NGÂN

TS. DIỆP THỊ LAN PHƢƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng

được công bố trong các công trình khác.

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm hóa học tính toán

và Mô phỏng (LCCM), Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn.

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin trân trọng cảm ơn PGS.

TS. Vũ Thị Ngân và TS. Diệp Thị Lan Phương đã luôn tận tâm truyền đạt tri

thức, hướng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.

Em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy Cô giáo trong Bộ môn Hóa học,

Khoa Khoa học Tự nhiên và Bộ môn Sư phạm Tự nhiên, Khoa Sư phạm,

Trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho chúng em những kiến thức khoa

học giá trị.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô, anh chị học viên cao

học, nghiên cứu sinh trong Nhóm Hóa học tính toán và Mô phỏng đã nhiệt

tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình học tập và thực

hiện luận văn.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ở bên cạnh

động viên và giúp đỡ để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

Tác giả

Võ Thị Thu Thanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài....................................................................................... 1

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................... 3

3. Mục tiêu đề tài .......................................................................................... 6

4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................ 7

5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 7

6. Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 7

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................. 8

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 9

1.1. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử – Phương pháp phiếm hàm

mật độ............................................................................................................ 9

1.1.1. Mô hình Thomas – Fermi ................................................................ 9

1.1.2. Các định lý Hohenberg-Kohn.......................................................... 9

1.1.3. Các phương trình Kohn-Sham....................................................... 10

1.1.4. Một số phiếm hàm trao đổi............................................................ 12

1.1.5. Một số phiếm hàm tương quan ...................................................... 13

1.1.6. Một số phương pháp DFT thường dùng........................................ 14

1.2. Phương pháp docking phân tử ............................................................. 15

1.2.1. Thuật toán docking ........................................................................ 16

1.2.2. Các hàm đánh giá.......................................................................... 23

1.2.3. Các tương tác thường gặp giữa phối tử và protein....................... 30

1.2.4. Các phần mềm docking phân tử .................................................... 34

1.3. Quy trình thực hiện nghiên cứu ........................................................... 35

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU................... 38

2.1. Các hợp chất thiên nhiên trong cây Xạ đen ......................................... 38

2.1.1. Phân loại khoa học ........................................................................ 39

2.1.2. Sự phân bố và đặc điểm sinh thái.................................................. 39

2.1.3. Một số nghiên cứu về thành phần hóa học và hoạt tính sinh học

của các hợp chất cây Xạ đen ................................................................... 40

2.1.4. Các hợp chất trong cây Xạ đen ..................................................... 41

2.2. Các hợp chất thiên nhiên trong cây An xoa ......................................... 44

2.2.1. Phân loại khoa học ........................................................................ 44

2.2.2. Sự phân bố và đặc điểm sinh thái.................................................. 45

2.2.3. Một số nghiên cứu về thành phần hóa học và hoạt tính sinh học

của các hợp chất trong cây An xoa ......................................................... 45

2.2.4. Các hợp chất trong cây An xoa ..................................................... 47

2.3. Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì - Epidermal growth factor receptor

(EGFR)........................................................................................................ 50

2.3.1. Cấu trúc thụ thể EGFR.................................................................. 50

2.3.2. Mối quan hệ của EGFR với các loại ung thư................................ 50

2.4. Cơ sở của các liệu pháp điều trị ung thư nhắm đích EGFR................. 55

2.5. Miền tyrosine kinase của thụ thể EGFR (EGFR-TK).......................... 56

2.6. Chất ức chế phân tử nhỏ trị các bệnh ung thƣ có liên quan đến

EGFR.......................................................................................................... 58

2.6.1. Gefitinib ......................................................................................... 58

2.6.2. Erlotinib......................................................................................... 59

2.6.3. Lapatinib........................................................................................ 59

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 61

3.1. Thiết kế mô phỏng docking phân tử các phân tử nhỏ vào EGFR-TK. 61

3.1.1. Docking phân tử khi sử dụng điện tích Gasteiger và Kollman cho

protein...................................................................................................... 61

3.1.2. Docking phân tử khi sử dụng các tham số hộp lưới AutoGrid khác

nhau ......................................................................................................... 65

3.2. Docking phân tử các hợp chất thiên nhiên trong cây Xạ đen và cây An

xoa vào EGFR-TK ...................................................................................... 69

3.2.1. Hợp chất flavonoid ........................................................................ 69

3.2.2. Hợp chất lignan ............................................................................. 77

3.2.3. Hợp chất steroid ............................................................................ 83

3.2.4. Hợp chất terpenoid ........................................................................ 87

3.2.5. Hợp chất glycoside ........................................................................ 91

3.2.6. Các hợp chất khác ......................................................................... 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ABTS 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid

AGS Human stomach gastric adenocarcinoma

(Ung thư biểu mô tuyến dạ dày ở người)

ATP Adenosine triphosphate (Phân tử mang năng lượng)

BC-1 Một dòng ung thư vú

BE Binding energy (Năng lượng liên kết)

CCRF-CEM Bệnh bạch cầu

CRC Colorectal cancer (Ung thư đại trực tràng)

Lu-1 Lung-1 (Ung thư phổi)

ED50 Effective Dose 50

(liều có hiệu quả ở 50% số đối tượng thí nghiệm)

CTCT Công thức cấu tạo

CTPT Công thức phân tử

U251 Ung thư nguyên bào thần kinh đệm

DFT Density Functional Theory (Thuyết phiếm hàm mật độ)

EGFR Epidermal Growth Factor Receptor

(Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì)

EGFR-TK Tyrosine Kinase domain of Epidermal Growth Factor

Receptor

(Miền tyrosine kinase thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì)

EMT Epithelial-mesenchymal transition

(Quá trình chuyển đổi biểu mô-trung mô)

ErbB Erythroblastic B (Họ thụ thể Erythroblastic B)

ESI-MS Electrospray ionization mass spectrometry

(Phương pháp phổ khối lượng)

EtOAc Ethyl acetate

EtOH Ethanol

FDA Food and Drug Administration

(Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Thuốc Hoa Kỳ)

GA Genetic Algorithm (Thuật toán di truyền)

GC-MS Gas chromatography–mass spectrometry

(Phương pháp kết hợp sắc kí khí với khối phổ kế)

IC50 Half-maximal inhibitory concentration

(Nồng độ ức chế tối đa một nửa)

GS Global search (Tìm kiếm toàn bộ)

HCC Hepatocellular carcinoma (Ung thư biểu mô tế bào gan)

HCT116 Một dòng tế bào ung thư biểu mô trực tràng ở người bắt

đầu từ nam giới trưởng thành

Hela Human cervix carcinoma (Ung thư biểu mô cổ tử cung)

Hep-G2 Hepatoma G2 (Một dòng ung thư gan)

Hex n-Hexane

HF Hartree Fock

HuH7 Hereafter Huh7 (Một dòng ung thư gan)

IARC International Agency for Research on Cancer

(Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế)

IBC Inflammatory Breast Cancer (Ung thư vú dạng viêm)

KLPT Khối lượng phân tử

LDL Low-density lipoprotein (Lipoprotein mật độ thấp)

LGA Lamarckian Genetic Algorithm

(Thuật toán di truyền Lamarckian)

LNCaP Lymph Node Carcinoma of the Prostate

(Ung thư tuyến tiền liệt)

LS Local search (Tìm kiếm cục bộ)

Lu-1 Một dòng ung thư phổi

Mabs Anti-EGFRs Monoclonal Antibodies

(Kháng thể đơn dòng)

MC Monte Carlo (Phương pháp Monte Carlo)

MCF-7 Michigan Cancer Foundation-7 (Một dòng ung thư vú)

MD Molecular Dynamic (Phương pháp động lực học phân tử )

MDA-MB-231

MDA-MB-468

M.D. Anderson - Metastatic Breast 231

M.D. Anderson - Metastatic Breast 468

(Các dòng tế bào ung thư vú biểu mô ở người)

n-BuOH n-Butanol

NSCLC Non Small Cell Lung Cancer

(Ung thư phổi không tế bào nhỏ)

SF Scoring Functions (Hàm đánh giá)

SK-LU-1 Human lung carcinoma (Ung thư biểu mô phổi ở người)

SK-MEL-2 Human melanoma (U ác tính ở người)

TKIs Tyrosine Kinase Inhibitors (Các chất ức chế phân tử nhỏ)

TNBC Triple-negative breast cancer (Ung thư vú bộ ba âm tính)

Kí hiệu các hợp chất thiên nhiên

F-xc/h F: flavonoid

x: số thứ tự của

hợp chất theo

abc trong nhóm

chất tương ứng.

C: cây Xạ đen L-xc/h L: lignan

S-xc/h S: steroid

T-xc/h T: terpenoid

G-xc/h G: glycoside H: cây An xoa

D-xc/h D: nhóm hợp chất khác

Ví dụ: F-1ch là hợp chất flavonoid đầu tiên có trong cả cây An xoa và Xạ đen.

F-2c là hợp chất flavonoid thứ hai có trong cây Xạ đen.

F-3h là hợp chất flavonoid thứ ba có trong cả cây An xoa.

Kí hiệu số thứ tự các hợp chất thiên nhiên

C/H-x

C: cây Xạ đen x: số thứ tự của hợp chất (bảng

H: cây An xoa 1 và bảng 2 phụ lục)

Ví dụ: C-1 là hợp chất số 1 trong bảng cây Xạ đen (bảng 1 phụ lục).

H-1 là hợp chất số 1 trong bảng cây An xoa (bảng 2 phụ lục).

DANH MỤC BẢNG

Số hiệu

bảng

Tên bảng Trang

2.1

Phân loại khoa học của cây Xạ đen (Celastrus hindsii

Benth)

39

2.2 Các hợp chất flavonoid trong cây Xạ đen 42

2.3 Các hợp chất steroid trong cây Xạ đen 42

2.4 Các hợp chất terpenoid trong cây Xạ đen 42

2.5 Các hợp chất khác trong cây Xạ đen 43

2.6

Phân loại khoa học của cây An xoa (Helicteres hirsuta

Loureiro)

44

2.7 Các hợp chất flavonoid trong cây An xoa 47

2.8 Các hợp chất glycoside trong cây An xoa 48

2.9 Các hợp chất lignan trong cây An xoa 48

2.10 Các hợp chất steroid trong cây An xoa 48

2.11 Các hợp chất terpenoid trong cây An xoa 49

2.12 Các hợp chất khác trong cây An xoa 49

2.1.3

Một số loại thuốc tổng hợp đang được sử dụng trong điều

trị các bệnh ung thư có liên quan đến các thụ thể họ ErbB 58

3.1

Kết quả mô phỏng docking phân tử một số hợp chất vào

EGFR-TK khi sử dụng điện tích Gasteiger và Kollman

cho protein

62

3.2

Các tương tác của một số hợp chất với EGFR-TK khi

thực hiện docking phân tử với điện tích Kollman và

Gasteiger cho protein

64

3.3

Kết quả mô phỏng docking phân tử một số hợp chất vào

EGFR-TK khi sử dụng các tham số hộp lưới AutoGrid

khác nhau

66

3.4

Các tương tác của một số hợp chất với EGFR-TK khi sử

dụng các tham số hộp lưới AutoGrid khác nhau 68

3.5

Kết quả mô phỏng docking phân tử các hợp chất

flavonoid vào EGFR-TK

70

3.6

Kết quả mô phỏng docking phân tử các hợp chất lignan

vào EGFR-TK

77

3.7

Kết quả mô phỏng docking phân tử các hợp chất steroid

vào EGFR-TK

83

3.8

Kết quả mô phỏng docking phân tử các terpenenoid vào

EGFR-TK

87

3.9

Kết quả mô phỏng docking phân tử các hợp chất

glycoside vào EGFR-TK

91

3.10

Kết quả mô phỏng docking phân tử các hợp chất khác

vào EGFR-TK

94

DANH MỤC HÌNH

Số hiệu

hình

Tên hình Trang

1.1

Sơ đồ minh họa về việc ghép một phối tử nhỏ (màu xanh lá

cây) vào protein đích (màu đen) tạo ra một phức ổn định

15

1.2 Mô tả quy trình tính toán cho SF dựa vào kiến thức 29

1.3

Quy ước màu của một số tương tác được hình thành trong các

phức phối tử – protein được sử dụng trong luận văn này

31

2.1 Hình ảnh của cây Xạ đen (Celastrus hindsii Benth) 38

2.2

Hình ảnh các loại cây dễ nhầm lẫn với cây Xạ đen (Celastrus

hindsii Benth)

38

2.3 Hình ảnh của cây An xoa (Helicteres Hirsuta Loureiro) 45

2.4 Cấu trúc dạng cartoon của EGFR-TK 57

3.1

Tương tác của một số hợp chất với EGFR-TK khi thực hiện

docking phân tử với điện tích Kollman và Gasteiger cho

protein

63

3.2a

Tương tác của F-2ch với EGFR-TK khi sử dụng các tham số

hộp lưới AutoGrid khác nhau

66

3.2b

Tương tác của một số hợp chất khác với EGFR-TK khi sử

dụng các tham số hộp lưới AutoGrid khác nhau 67

3.3

Tương tác của các hợp chất flavonoid tương tác tốt với

EGFR-TK

71

3.4

Tương tác của các hợp chất flavonoid tương tác trung bình

với EGFR-TK

75

3.5a

Tương tác của các hợp chất lignan (L-1h tới L-8h) với

EGFR-TK

78

3.5b

Tương tác của các hợp chất lignan (L-9h, L-10h) với EGFR￾TK

79

3.6 Tương tác của các hợp chất steroid với EGFR-TK 84

Số hiệu

hình

Tên hình Trang

3.7

Bộ khung cố định cyclopenta[a]phenantren của các hợp chất

steroid

85

3.8

Biểu đồ năng lượng liên kết của các hợp chất terpenenoid với

EGFR-TK

88

3.9

Tương tác của các triterpenenoid khung lupan có năng lượng

liên kết tốt với EGFR-TK

89

3.10 Tương tác của các hợp chất glycoside với EGFR-TK 92

3.11 Tương tác của các hợp chất khác với EGFR-TK 94

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, ung thư đã và đang là căn bệnh gây ra tỉ lệ tử

vong cao trên toàn thế giới. Trong y khoa, ung thư là thuật ngữ chung dùng để

mô tả một nhóm các bệnh phản ánh những sự thay đổi bất thường về sinh sản,

tăng trưởng và chức năng của tế bào một cách không kiểm soát, chúng xâm

lấn các mô hay di căn qua hệ thống bạch huyết và mạch máu. Di căn là

nguyên nhân chính gây tử vong chính do ung thư 1

.

Với sự phát triển của khoa học hiện đại, quá trình chữa trị ung thư đang

dần chuyển hướng từ việc sử dụng những phương pháp như phẫu thuật, hóa

trị, xạ trị,… gây ra các tác dụng phụ xấu cho người bệnh sang việc xác định

các thụ thể protein gây bệnh và đưa các thuốc mục tiêu tác động vào protein

đó 2-4

, từ đó thúc đẩy quá trình chết tế bào ung thư, hạn chế việc ảnh hưởng

tới các tế bào khỏe mạnh, nhờ vậy giúp nâng cao hiệu quả điều trị. Hàng trăm

phân tử sinh học trong cơ thể người được xác định liên quan đến ung thư,

trong đó có thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì (Epidermal Growth Factor

Receptor – EGFR) đã được chỉ ra có liên quan đến nhiều loại ung thư ở người

như ung thư phổi không tế bào nhỏ (Non Small Cell Lung Cancer  NSCLC)

5

, ung thư gan 6

, ung thư đại trực tràng (Colorectal cancer CRC)

7

, ung thư

nội mạc tử cung

8

,... Việc ức chế sự hoạt động của miền tyrosine kinase trong

thụ thể EGFR (Tyrosine Kinase domain of Epidermal Growth Factor

Receptor, viết tắt là EGFRTK) bởi các phân tử có kích thước nhỏ hoặc trung

bình đã được chứng minh là một phương pháp nhắm đích hiệu quả trong điều

trị ung thư 9

. Nhiều phân tử thuốc tổng hợp đã được Cơ quan Quản lý Thực

phẩm và Thuốc Hoa Kỳ (Food and Drug Administration  FDA) công nhận,

cho phép sử dụng trong quá trình điều trị ung thư có liên quan đến EGFR, tiêu

biểu như gefitinib, erlotinib, lapatinib nhưng kết quả lâm sàng cho thấy,