sàng lọc tìm kiếm một số hợp chất thiên nhiên có tác dụng hạ đường huyết hướng điều trị tiểu đường tuýp 2 sử dụng phương pháp in silico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

NGUYỄN HOÀI THU

SÀNG LỌC TÌM KIẾM MỘT SỐ HỢP
CHẤT THIÊN NHIÊN CÓ TÁC DỤNG
HẠ ĐƯỜNG HUYẾT HƯỚNG ĐIỀU TRỊ
TIỂU ĐƯỜNG TUÝP 2 SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP IN SILICO
LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC

HÀ NỘI 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

NGUYỄN HOÀI THU

SÀNG LỌC TÌM KIẾM MỘT SỐ HỢP
CHẤT THIÊN NHIÊN CÓ TÁC DỤNG HẠ
DƯỜNG HUYẾT HƯỚNG ĐIỀU TRỊ TIỂU
ĐƯỜNG TUÝP 2 SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP IN SILICO

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC
CHUYÊN NGÀNH :
CÔNG NGHỆ DƯỢC PHẨM VÀ BÀO CHẾ THUỐC
MÃ SỐ : 8720202

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THỊ THU HƯỜNG
TS. PHẠM THẾ HẢI

HÀ NỘI 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn, tôi đã nhận được
sự giúp đỡ tận tình của thầy cô hướng dẫn, các giảng viên, kỹ thuật viên của
bộ môn Hóa Dược. Với tất cả lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được
bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô.
Tôi xin cảm ơn thầy TS. Lê Thị Thu Hường và TS. Phạm Thế Hải là
người trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình, tạo điều kiện thuận lợi và động
viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn thầy cô, kỹ thuật viên bộ môn Hóa Dược đã giúp đỡ và tạo
điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn sự quan tâm của ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại
học, các thầy cô trường Đại học Dược Hà Nội đã truyền đạt kiến thức và tạo
điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới người thân trong gia đình
và bạn bè, những người luôn động viên giúp đỡ tôi trong cuộc sống và học
tập.

Hà Nội, ngày 23 tháng 04 năm 2020
HỌC VIÊN

NGUYỄN HOÀI THU


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... 10
ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................... 1
PHẦN 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 3
1.1. KHÁI QUÁT VỀ BỆNH ĐÁI THÁO ĐƯỜNG ................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa ........................................................................................ 3
1.1.2. Phân loại bệnh Đái tháo đường ........................................................ 3
1.1.3. Một số thống kê dịch tễ .................................................................... 4
1.2. CÁC THUỐC ĐIỀU TRỊ ĐTĐ2 ..................................................................... 5
1.3. HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN – SỰ LỰA CHỌN QUAN TRỌNG CHO ĐTĐ 2 ......... 8
1.4. MÔ HÌNH IN SILICO TRONG NGHIÊN CỨU TÌM KIẾM THUỐC MỚI ............... 11
1.4.1. Mô hình liên quan định lượng cấu trúc – tác dụng sinh học .......... 13
1.4.2. Mô phỏng protein docking ............................................................. 15
1.5. SÀNG LỌC ẢO TÌM KIẾM THUỐC MỚI ĐIỀU TRỊ ĐTĐ2 .............................. 17
1.5.1. Ức chế đồng thời enzyme α-Amylase và α-Glucosidase ............... 19
1.5.2. Kích hoạt peroxisome proliferator gamma (PPARγ) ..................... 23
1.5.3. Dipeptidyl peptidase IV (DPP-IV) ................................................. 25
1.5.4. Ức chế glycogen synthase kinase 3β (GSK-3β) ............................ 28
PHẦN 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 31
2.1. CƠ SỞ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU ................................................................... 31
2.1.1. Cơ sở dữ liệu các hợp chất thiên nhiên .......................................... 32
2.1.2. Cơ sở dữ liệu dùng để sàng lọc hoạt tính có hoạt tính dùng để xây
dựng mô hình QSAR ................................................................................ 31

2.1.3. CẤU TRÚC TINH THỂ TIA X CỦA CÁC PROTEIN DÙNG TRONG NGHIÊN CỨU
DOCKING ...................................................................................................... 36
2.2. CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN ....................................................................... 39
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................... 39
2.3.1. Thiết lập mô hình QSAR dự đoán hoạt tính trên các đích ĐTĐ2.. 39
2.3.2. Sàng lọc in silico các hợp chất thiên nhiên hướng tác dụng trên
đích ĐTĐ 2 ............................................................................................... 42
PHẦN 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................. 45
3.1. SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN HƯỚNG ỨC CHẾ ĐỒNG
THỜI Α-AMYLASE VÀ Α-GLUCOSIDASE ........................................................... 45

3.1.1. Mô hình dự đoán tác dụng ức chế α-amylase và α-glucosidase .... 45
3.1.2. Thiết lập và đánh giá mô hình protein docking các đích α-amylase
và α-glucosidase ....................................................................................... 47
3.1.3. Sàng lọc chất ức chế đồng thời α-amylase và α-glucosidase ......... 48
3.2. SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN HƯỚNG HOẠT HÓA
PEROXISOME PROLIFERATOR GAMMA (PPARΓ) ............................................ 54

3.2.1. Mô hình QSAR dự đoán tác dụng hoạt hóa PPARγ ...................... 54
3.2.2. Thiết lập và đánh giá mô hình protein docking PPARγ................. 56
3.2.3. Sàng lọc tìm kiếm hợp chất thiên nhiên hướng tác dụng hoạt hóa
PPARγ ...................................................................................................... 56
3.3. SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN HƯỚNG ỨC CHẾ ENZYM
DIPEPTIDYL PEPTIDASE IV (DPP-IV) ............................................................ 59

3.3.1. Mô hình dự đoán tác dụng ức chế DPP-IV .................................... 59
3.3.2. Thiết lập và đánh giá mô hình protein docking DPP-IV ............... 61
3.3.3. Sàng lọc tìm kiếm hợp chất thiên nhiên hướng tác dụng ức chế
DPP-IV ..................................................................................................... 62

3.4. SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN HƯỚNG ỨC CHẾ ENZYM
GLYCOGEN SYNTHASE KINASE 3Β (GSK-3Β)................................................. 66

3.4.1. Mô hình dự đoán tác dụng ức chế GSK-3β ................................... 66
3.4.2. Thiết lập và đánh giá mô hình protein docking GSK-3β ............... 67
3.4.3. Sàng lọc in silico các hợp chất thiên nhiên hướng tác dụng trên
GSK-3β..................................................................................................... 68
PHẦN 4: BÀN LUẬN .................................................................................... 72
4.1. VỀ QUY TRÌNH SÀNG LỌC TÌM KIẾM ỨNG VIÊN THÀNH THUỐC HƯỚNG ĐIỀU
TRỊ ĐTĐ2 BẰNG MÔ HÌNH IN SILICO .............................................................. 72

4.2. VỀ KẾT QUẢ SÀNG LỌC ẢO CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN HƯỚNG TÁC DỤNG
TRÊN ĐÍCH ĐTĐ2 .......................................................................................... 74

4.2.1. Chất ức chế đồng thời α-amylase và α-glucosidase ....................... 74
4.2.2. Chất kích hoạt peroxisome proliferator gamma (PPARγ) ............. 80
4.2.3. Chất ức chế enzym dipeptidyl peptidase IV (DPP-IV) .................. 83
4.2.4. Chất ức chế enzym glycogen synthase kinase 3β (GSK-3β) ......... 87
4.3. ƯU ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 89
4.4. NHƯỢC ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................. 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 91
KẾT LUẬN .................................................................................................. 91
KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................. .................................................93


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

Tên viết tắt
ADA

Hiệp hội Đái Tháo Đường

ĐTĐ

Đái Tháo Đường

IDF

Liên đoàn đái tháo đường quốc tế

ĐTĐ1

Đái Tháo Đường tuýp 1

ĐTĐ2

Đái Tháo Đường tuýp 2

GWAS

Nghiên cứu tương quan toàn bộ nhiễm sắc thể

TZD

Thiazolidinedione

DPP4

Dipeptidyl peptidase 4

In vitro

Mô hình tế bào

In vivo

Mô hình động vật

In humano
In silico
Virtual screening
QSAR

Mô hình trên cơ thể người
Mô hình máy tính
Quá trình sàng lọc ảo
Mô hình liên quan định lượng giữa cấu trúc và hoạt
tính sinh học

GH
SGLT2

Hormon tăng trưởng
Ức chế kênh đồng vận chuyển natri-glucose

TCN

Trước công nguyên

CSDL

Cơ sở dữ liệu

VNPD

Việt nam Natural Products Data base

GK

Glucokinase

ADME-Tox

Hấp thu, phân bố, chuyển hóa, thải trừ và độc tính

11β-HSD1

11β-H ydroxysteroid dehydrogenase type 1


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thuốc chính hiện sử dụng trong điều trị ĐTĐ2………...….....5
Bảng 1.2. Một số cây thuốc sử dụng trong dân gian điều trị ĐTĐ……..........9
Bảng 1.3. Kết quả sàng lọc chất ức chế DPP-4 từ nghiên cứu của Tanwar et
al…..................................................................................................................27
Bảng 2.1. Đặc điểm cấu trúc các protein dùng trong sàng lọc ảo……...........36

Bảng 3.1. Các thông số thống kê và đánh giá các mô hình Eq. 1và Eq.2......45
Bảng 3.2. Năng lượng gắn kết tính cho cơ chất dock lại trong α-amylase và
α-glucosidase….....................................……………………………..…..…..47
Bảng 3.3. Kết quả dự đoán bởi 2 mô hình QSAR và docking phân tử.........50
Bảng 3.4. Một số đặc điểm hoá lý cơ bản………...........................................52
Bảng 3.5. Quy tắc giống thuốc……………………........................................52
Bảng 3.6. Các tính chất ADMET, (giá trị trong ngoặc biểu diễn xác suất dự
đoán) …..........................................................................................................52
Bảng 3.7. Kiểm định sự xác hợp và đánh giá mô hình Eq. ...........................55
Bảng 3.8. Năng lượng gắn kết tính cho cơ chất dock lại trong peroxisome
proliferator gamma (PPARγ)…………….....................................................56
Bảng 3.9. Một số đặc điểm hoá lý cơ bản……..............................................58
Bảng 3.10. Quy tắc giống thuốc……...…………..........................................58
Bảng 3.11. Các tính chất ADMET, (giá trị trong ngoặc biểu diễn xác suất dự
đoán)................................................................................................................58
Bảng 3.12. Các thông số thống kê và đánh giá các mô hình Eq. 4…..….….60
Bảng 3.13. Năng lượng gắn kết tính cho cơ chất dock lại trong dipeptidyl
peptidase IV (DPP-IV)…...…………………….............................................61
Bảng 3.14. Một số đặc điểm hoá lý cơ bản……….........................................63
Bảng 3.15. Quy tắc giống thuốc………………...….……..……………..…..63


Bảng 3.16. Các tính chất ADMET, (giá trị trong ngoặc biểu diễn xác suất dự
đoán)……………………………………………………………...............….64
Bảng 3.17. Các thông số thống kê và đánh giá các mô hình Eq. 5..….….....66
Bảng 3.18. Năng lượng gắn kết tính cho cơ chất dock lại trong glycogen
synthase kinase 3β (GSK-3β)………………..……………………................67
Bảng 3.19. Một số đặc điểm hoá lý cơ bản……………………..…....….......69
Bảng 3.20. Quy tắc giống thuốc………..………………...……….................69
Bảng 3.21. Các tính chất ADMET, (giá trị trong ngoặc biểu diễn xác suất dự

đoán)……........................................................................................................70


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Một số thuốc điều trị ĐTĐ2 quan trọng nhất hiện nay………..…..8
Hình 1.2: Tổng quát về các phương pháp sàng lọc trong quá trình nghiên cứu
và phát triển thuốc…................................................................……….……..12
Hình 1.3 : Các đích nghiên cứu sàng lọc tìm kiếm thuốc mới điều trị ĐTĐ2
.......................................................................................................……18
Hình 1.4 : Kết quả docking giữa curcumin trong trung tâm hoạt động của α‐
glucosidase (PDB ID : 2ZE0) và α-amylase (PDB ID : 1HNY)....…….…....22
Hình 1.5. Kết quả docking và thực nghiệm của 4 hợp chất có hoạt tính tốt
nhất…..............................................................................................................23
Hình 1.6: Chất dẫn đường sàng lọc được bởi Gee et al. [34] và Al-Najjar et al.
[35]………………………………………..............................................……25
Hình 1.7. Cấu trúc hóa học của NSC83................................................…......30
Hình 2.1. Thành phần cấu tạo bộ dữ liệu hoạt tính ức chế enzym α-amylase và
α-glucosida........................................................................................….…….33
Hình 2.2: Cấu trúc khung các chất chủ vận PPARγ trong cơ sở dữ liệu........34
Hình 2.3: Cấu trúc khung các chất ức chế DPP-IV trong cơ sở dữ liệu.........34
Hình 2.4: Cấu trúc khung của các hợp chất ức chế GSK-3β trong cơ sở dữ
liệu...............................................................................................................…36
Hình 2.5: Hệ thống sàng lọc ảo lựa chọn hợp chất hợp chất thiên nhiên có tác
dụng trên các đích điều trị ĐTĐ2...................................................................42
Hình 2.6. Qui trình tính toán bằng công cụ admetSAR
(lmmd.ecust.edu.cn/admetsar1/)……………......…………...........................44
Hình 2.7. Qui trình tính toán bằng công cụ SwissADME
(www.swissadme.ch/).....................................................................................44
Hình 3.1. Hình ảnh 3D xếp chồng cơ chất dock lại (màu vàng) và cơ chất
đồng tinh thể (màu xanh lá) trong α-amylase (PDB ID: 2QV4) và αglucosidase (PDB ID: 3L4W).........................................................................48

Hình 3.2. Cấu trúc 26 chất được chọn bởi 2 mô hình Eq. 1 và Eq. 2 có tác
dụng ức chế cả α-amylase và α-glucosidase….………..................................49
Hình 3.3. Tương tác của các hợp chất curcumin, berberin, quercetin và
kaempferol trong trung tâm hoạt động của α-amylase và α-glucosidase.....51
Hình 3.4: Hình ảnh 3D xếp chồng cơ chất dock lại (màu vàng) và cơ chất
đồng tinh thể (màu xanh lá) trong PPARγ (PDB ID: 4EMA)........................56
Hình 3.5: Cấu trúc các chất được dự đoán có tác dụng trên PPARγ..............57
Hình 3.7. Hình ảnh 3D xếp chồng cơ chất dock lại (màu vàng) và cơ chất
đồng tinh thể (màu xanh lá) trong DPP-IV (PDB ID: 1X70).........................62
Hình 3.8. Cấu trúc các chất được dự đoán có tác dụng trên DPP-IV.............62
Hình 3.9: Tương tác giữa một số hợp chất sàng lọc được với DPP-IV.........63
Hình 3.10. Hình ảnh 3D xếp chồng cơ chất dock lại (màu vàng) và cơ chất
đồng tinh thể (màu xanh lá) trong GSK-3β (PDB ID: 4ACC).......................68
Hình 3.11. Cấu trúc các chất được dự đoán có tác dụng trên GSK-3...........68
Hình 3.12. Tương tác giữa Hesperidin và Sulfuretin sàng lọc được với
GSK-3β…......................................................................................................69


ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiệp Hội Đái tháo đường Mỹ (ADA) định nghĩa “đái tháo đường (ĐTĐ)
là một nhóm các bệnh lý chuyển hóa đặc trưng bởi tăng glucose máu do
khiếm khuyết tiết insuline, khiếm khuyết hoạt động insuline, hoặc cả hai” [1].
Theo số liệu của Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (IDF), năm 2015 thế giới
có 415 triệu người trưởng thành đang sống với bệnh ĐTĐ. Trong đó đái tháo
đường tuýp 2 (ĐTĐ2) chiếm 90-95% các trường hợp mắc. Cũng như nhiều
bệnh mạn tính, ĐTĐ2 buộc bệnh nhân phải chung sống với nó suốt đời, hơn
nữa phải đối mặt với nguy cơ gặp các biến chứng về thận, đáy mắt, thần kinh
và các bệnh tim mạch do hậu quả của xơ vữa động mạch. Việt Nam thuộc

nhóm các nước có tỷ lệ người mắc bệnh đái tháo đường cao trên thế giới.
Theo thông báo mới nhất của IDF, năm 2017, nước ta có khoảng 3,53 triệu
người đang chung sống với bệnh đái tháo đường và mỗi ngày có ít nhất 80
người tử vong vì các biến chứng liên quan.
Ở quy mô toàn cầu, thị trường thuốc điều trị ĐTĐ chỉ đứng thứ hai về
doanh số sau ung thư.. Mặc dù nhiều liệu pháp mới điều trị ĐTĐ đã ra đời
nhưng chúng vẫn tồn tại hạn chế lớn liên quan đến hiệu quả và độc tính. Theo
Bowman et al. [2], hai trong những thách thức lớn nhất trong quá trình nghiên
cứu thuốc mới hướng điều trị ĐTĐ2 là tính phức tạp của cơ chế phân tử của
bệnh và tương quan thấp giữa các mô hình tế bào (in vitro), mô hình động vật
(in vivo) với trên cơ thể người (in humano) trong giai đoạn sớm của sàng lọc
hợp chất dẫn đường. Riêng đối với cơ chế bệnh sinh, các nghiên cứu tương
quan toàn bộ nhiễm sắc thể (GWAS) hiện nay đã xác định được ít nhất 65
biến thể DNA thường gặp có liên quan trực tiếp tới ĐTĐ2 [3]. Điều này phần
nào lý giải tầm quan trọng của cơ chế đa đích của các liệu pháp điều trị ĐTĐ
mới hiện nay.
Nhiều nhóm thuốc hướng điều trị ĐTĐ2 đã được phát triển và sử dụng
rộng rãi trong lâm sàng, bao gồm như insulin, các biguanid, sulfonylurea,
1


thiazolidinedione (TZD), meglitinide, chất ức chế α-glucosidase hay
dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), các chất đồng vận thụ thể GLP-1 và các chất
tương tự amylin. Chúng hoạt động chủ yếu theo 2 cơ chế là kích thích tế bào
β đảo tuỵ và giảm hấp thu glucose đường ruột. Trong các thuốc mới phát
triển, nhiều hoạt chất được tìm thấy thông qua quá trình thiết kế và sàng lọc
hợp lý với sự hỗ trợ của các mô hình máy tính (in silico), đặc biệt là các mô
hình liên quan định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (QSAR). Các
mô hình in silico có lợi thế so với các mô hình thực nghiệm truyền thống về
thời gian và chi phí vận hành. Hiện nay các mô hình in silico đã trở thành một

phần không thể tách rời trong các dự án nghiên cứu và phát triển thuốc mới,
chúng được sử dụng trong giai đoạn sàng lọc các thư viện hoá học lớn nhằm
tìm kiếm hợp chất tiềm năng cho các nghiên cứu thực nghiệm.
Mặt khác, nước ta có nguồn tài nguyên dược liệu rất phong phú, nhiều
cây thuốc đã được sử dụng phổ biến trong dân gian như các cây thuốc điều trị
ĐTĐ2, ví dụ như gấc, giảo cổ lam, thổ phục linh, đậu bắp hay hàng ngàn hoạt
chất đã được xác định và phân lập từ các cây dược liệu nêu trên và là nguyên
liệu quý giá cho các nghiên cứu sàng lọc tìm kiếm các hợp chất dẫn đường có
tác dụng tốt trong kiểm soát đường huyết ở bệnh nhân ĐTĐ2.
Từ các phân tích trên, nhằm góp phần tìm kiếm các chất có hoạt tính tốt
phù hợp phát triển thành thuốc điều trị ĐTĐ2, chúng tôi tiến hành đề tài
“Sàng lọc tìm kiếm một số hợp chất thiên nhiên có tác dụng hạ dường
huyết hướng điều trị tiểu đường tuýp 2 sử dụng phương pháp in silico ” với
hai mục tiêu chính như sau:
1.

Xây dựng quy trình sàng lọc một số hợp chất thiên nhiên có tác dụng trên
một số đích hướng điều trị ĐTĐ2 sử dụng mô hình in silico.

2.

Sàng lọc được một số hợp chất thiên nhiên có tác dụng trên một số đích
hướng điều trị ĐTĐ2 sử dụng mô hình in silico.

2


PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về bệnh Đái tháo đường
1.1.1. Định nghĩa

Theo Liên đoàn Đái tháo đường quốc tế (IDF-International Diabetes
Federation) năm 2010, Đái tháo đường (ĐTĐ) được định nghĩa là “nhóm
những rối loạn không đồng nhất gồm tăng đường huyết và rối loạn dung nạp
glucose do thiếu insulin, do giảm tác dụng của insulin hoặc cả hai. Đái tháo
đường type 2 đặc trưng bởi kháng insulin và thiếu tương đối insulin, một
trong hai rối loạn này có thể xuất hiện ở thời điểm có triệu chứng lâm sàng
bệnh đái tháo đường” [1].
1.1.2. Phân loại bệnh Đái tháo đường
Trong những năm 1999, 2003 và 2006, Hội Đái tháo đường Mỹ và Hội
Đái tháo đường Châu Âu thống nhất phân loại như sau:
- Đái tháo đường tuýp 1 (ĐTĐ1): tế bào β sinh kháng thể bị phá hủy
gây thiếu hụt insulin tuyệt đối, được chia làm hai thể (do cơ chế) tự miễn và
không tự miễn, không phụ thuộc kháng thể kháng bạch cầu ở người (Human
Leucocyst Antigen: HLA). Người bị ĐTĐ1 thường là trẻ em,người trẻ chiếm
tỉ lệ khá ít trong tổng số người bị ĐTĐ trên thế giới, tuy nhiên đang có xu
hướng gia tăng. Nguyên nhân chính của ĐTĐ1 chủ yếu do di truyền.
- Đái tháo đường tuýp 2 (ĐTĐ2) đặc trưng bởi kháng insulin, giảm tiết
insulin, tăng sản xuất glucose từ gan và bất thường chuyển hóa mỡ. Một số
nguyên nhân gồm di truyền, béo phì và tổn thương tế bào β tuyến tụy. Khoảng
90-95% người bị ĐTĐ trên thế giới là tuýp 2. Mặc dù ĐTĐ2 trước đây
thường xảy ra ở người lớn tuổi, trong những năm gần đây bệnh thường xảy ra
ở những người trẻ hơn và cả trẻ em. Tuy nhiên, khác với ĐTĐ1, ĐTĐ2
thường tiến triển chậm hơn và có thể phòng ngừa khi kiểm soát tốt chế độ
dinh dưỡng kết hợp với việc tập thể dục đều đặn và giảm cân khoa học. Các
triệu chứng giúp chuẩn đoán sớm ĐTĐ2 thường là: Đường huyết bất kỳ ≥ 200
3


mg/dl (11.1 mmol/l). Đường huyết đói ≥ 126 mg/dl ( 7mmol/l) sau 8-10h nhịn
đói ban đêm. HbA1C ≥ 6.5 % - đánh giá lượng đường trong máu có được

kiểm soát tốt không trong 3 tháng qua. Nghiệm pháp dung nạp glucose
(OGTT) ≥ 200mg/dl - đo lượng đường trong máu 2h sau uống 75g đường [4].
Các loại đặc hiệu khác như ĐTĐ do thiếu hụt chức năng tế bào β di
truyền (Mody 1, 2, 3, 4, 5, 6), thiếu hụt hoạt động insulin do di truyền, các
bệnh tuyến tụy ngoại tiết, các bệnh nội tiết như hội chứng đa nội tiết tự miễn,
Cushing, u tế bào tiết glucagon, u tủy thượng thận, cường giáp, u tế bào tiết
somatin, u vỏ thượng thận, ĐTĐ do thuốc, hóa chất, nhiễm trùng, hoặc do
trung gian tự miễn như hội chứng Stiff-Man, Down, Klinerfelter và Turner,…
- ĐTĐ thai kỳ: Tình trạng rối loạn đường huyết ở bất kỳ mức độ nào
được phát hiện lần đầu tiên trong thời kỳ mang thai và sau khi sinh phần lớn
glucose máu trở về bình thường, một số ít tiến triển thành ĐTĐ type 2. ĐTĐ
thai kỳ có xu hướng gặp ở phụ nữ thừa cân, béo phì, nhiều tuổi hay phụ nữ
sinh đẻ nhiều lần.
ĐTĐ thể LADA (Latent Autoimmune Diabetes in Adulthood) là ĐTĐ
tự miễn nhưng xảy ra ở người lớn.
Gần đây, người ta khám phá ra não có sản xuất insulin. Thiếu insulin và
glucose trong máu cao là những yếu tố chính ảnh hưởng xấu đến chức năng
của não, hậu quả là gia tăng nguy cơ bệnh Alzheimer’s và chứng mất trí. Tình
trạng này được đề cập như ĐTĐ type 3.
1.1.3. Một số thống kê dịch tễ
Theo số liệu của Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (IDF), năm 2015
thế giới có 415 triệu người trưởng thành đang sống với bệnh ĐTĐ, đây cũng
là nguyên nhân gây ra cái chết cho khoảng 5 triệu người.
Việt Nam thuộc nhóm các nước có tỷ lệ người mắc bệnh đái tháo
đường cao trên thế giới. Theo thông báo mới nhất của IDF, năm 2017, nước ta
có khoảng 3,53 triệu người đang chung sống với bệnh đái tháo đường và mỗi
4


ngày có ít nhất 80 người tử vong vì các biến chứng liên quan. Ước tính đến

năm 2045, số bệnh nhân ĐTĐ có thể tăng lên hơn 6 triệu. Do hạn chế trong
sàng lọc sớm, tại nước ta hơn 60% người bị đái tháo đường không được phát
hiện, dẫn tới tỷ lệ biến chứng cao và khó khăn trong điều trị.
1.2. Các thuốc điều trị ĐTĐ2
Là bệnh mạn tính, ĐTĐ1 và ĐTĐ2 không thể chữa khỏi hoàn toàn. Tuy
nhiên người bệnh có thể chung sống được với bệnh bằng chế độ sinh hoạt
khoa học, kiểm soát cân nặng kết hợp dùng thuốc. Theo báo cáo mới nhất của
IDF, thị trường thuốc điều trị ĐTĐ hiện nay chỉ đứng thứ 2 sau ung thư [5].
Ước tính tổng dung lượng thị trường năm 2019 là 39,2 tỷ đô và đăng tăng lên
do tỷ lệ ĐTĐ 2 đang tăng cao. Từ nay cho tới năm 2035, khi con số bệnh
nhân ĐTĐ lên hơn 590 triệu người, tổng chi phí điều trị toàn cầu có thể vượt
con số 500 tỷ đô ( />Các thuốc điều trị ĐTĐ hiện nay chủ yếu tập trung vào các mục tiêu
[6]:
- Tăng lượng insulin tiết ra trong cơ thể
- Tăng nhạy cảm (hoặc giảm đề kháng) với insulin
- Giảm hấp thu glucose qua đường ruột
Bảng 1.1. Các thuốc chính hiện sử dụng trong điều trị ĐTĐ2
Nhóm thuốc

Đích
dụng

tác Cơ

chế

dụng

tác Tác

dụng Một số hoạt

không

chất

mong muốn
Insulin

Thụ
insulin

thể Điều hoà thiếu Hạ

đường Insulin

hụt / nhạy cảm huyết, tăng glargine,
insulin

cân,
ứng...

5

dị Insulin lispro


Sulfonylurea

K+ Kích thích tăng Hạ

Kênh
nhậy

cảm tiết insulin

ATP
Meglitinide

K+ Kích thích tăng Hạ
cảm tiết insulin

ATP
Chưa rõ

Biguanide

huyết, tăng glipizide,
cân...

Kênh
nhậy

đường Glimepiride,

glyburide
đường Repaglinide,

huyết, tăng nateglinide
cân...

Giảm sản xuất Rối

loạn Metformin

glucose ở gan

hóa,

tiêu

nhiễm toan
lactic...
Thiazolidinedi PPARγ

Tăng nhạy cảm Tăng

one

insulin

cân, Pioglitazone,

phù,

thiếu rosiglitazone

máu
Chất chủ vận PPAR α và Giảm

Viêm

PPAR kép α γ

triglyceride,

dày,

và γ

tăng nhạy cảm nhược, sốt

dạ Saroglitazar
suy

insulin
Ức

chế

α- α-

glucosidase

Chậm hấp thụ Rối

glucosidase carbohydrate

loạn Acarbose,

tiêu hóa

miglitol

Đồng vận thụ GLP-1

Kích thích tăng Rối

loạn Exenatide,

thể GLP-1

tiết insulin

tiêu

hóa, liraglutide

buồn

nôn,

đau

bụng,

sụt cân
Chất ức chế Dipeptidyl

Tăng nồng độ Tăng

Dipeptidyl

peptidase-

incretin GLP-1 cơ

peptidase-IV

IV (DPP4)

trong máu

6

trùng,

nguy Vildagliptin,
nhiễm sitagliptin,
đau saxagliptin


đầu
Tương

tự Thụ

Amylin

thể Chậm tháo rỗng Buồn nôn

Calcitonin

Pramlintide

dạ dày và ức chế

và RAMP1, glucagon
RAMP2
hoặc
RAMP3
Ức chế kênh SGLT2

Ức chế tái hấp Nhiễm toan Canagliflozin,

đồng

thu

vận

glucose, ceton

chuyển natri –

thúc đẩy bài tiết

glucose

glucose

(SGLT2)

nước tiểu

dapagliflozin,
empagliflozin

trong

Danh sách các thuốc hiện sử dụng phổ biến trong điều trị ĐTĐ2, các
đích tác dụng, cơ chế và tác dụng không mong muốn của chúng được tóm tắt
trong Bảng 1.1 và biểu diễn cấu trúc trong hình 1.1. Các thuốc này có cơ chế
tác dụng và cấu trúc khá đa dạng, tồn tại nhiều hạn chế liên quan đến tác dụng
không mong muốn, dẫn đến giảm hiệu quả trong phòng ngừa biến chứng và
ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của bệnh nhân [7].

7


Hình 1.1: Một số thuốc điều trị ĐTĐ2 quan trọng nhất hiện nay
Các chất ức chế α-glucosidase, như acarbose và miglitol, có hiệu quả
làm giảm sự hấp thu glucose bằng cách can thiệp vào hoạt động của αglucosidase sinh ra trong nhung mao niêm mạc ruột non nhưng có tác dụng
phụ là đầy hơi, tiêu chảy và rối loạn tiêu hóa. Các chất kích thích tiết insulin,
chẳng hạn như sulfonylurea và nhóm meglitinide, đều gây hạ đường huyết
quá mức. Metformin là thuốc đầu tiên được lựa chọn để điều trị ĐTĐ2, đặc
biệt ở những bệnh nhân thừa cân và béo phì. Mặc dù metformin là thuốc duy
nhất được chứng minh là có khả năng làm giảm các biến chứng trên động
mạch ở bệnh nhân ĐTĐ2, nhưng nó không được khuyến cáo trong các trường
hợp bị suy giảm chức năng thận hoặc gan. Các chất chủ vận của thụ thể

PPAR, như thiazolidinedione (TZD), có thể làm giảm kháng insulin nhưng
liệu pháp này thường được kiểm soát rất chặt chẽ nguy cơ trên tim mạch hay
ung thư bàng quang. Trên thực tế, rosiglitazone hiện đã bị hạn chế ở Mỹ và đã
bị đình chỉ hoàn toàn ở châu Âu. Đáng chú ý, insulin, vốn được sử dụng để
điều trị cho bệnh nhân ĐTĐ1, đôi khi cũng được sử dụng cho bệnh nhân
ĐTĐ2 khi các loại thuốc khác không kiểm soát được đường huyết. Tuy nhiên,
hạ đường huyết và tăng cân là tác dụng phụ phổ biến của nhóm thuốc này. Do
đó, nghiên cứu và phát triển thuốc mới điều trị ĐTĐ 2 có hiệu quả tốt và ít tác
dụng không mong muốn luôn là một đề tài được giới khoa học quan tâm.
1.3. Hợp chất thiên nhiên – Sự lựa chọn quan trọng cho ĐTĐ 2
Hàng ngàn năm qua, y học cổ truyền và các sản phẩm nguồn gốc thiên
nhiên đã được sử dụng phổ biến trong dân gian. Thế kỷ XX đã chứng kiến
những bước tiến vượt bậc của khoa học, giúp con người tiếp cận một cách có
hệ thống và sâu sắc hơn với các sản phẩm thiên nhiên [8]. Nhiều thuốc, ví dụ
như axit salicylic, digitoxin, morphin, quinine hay pilocarpin là những đại
diện tiêu biểu cho các thuốc hợp chất thiên nhiên và hiện được sử dụng rộng
rãi trong trị liệu. Việc phát hiện, phân lập và nghiên cứu tác dụng sinh học của
8


một số kháng sinh từ vi sinh vật nuôi cấy đã đánh dấu một cuộc cách mạng
trong công nghiệp dược hiện đại. Ví dụ gồm streptomycin, chloramphenicol,
chlortetracycline, cephalosporin C, erythromycin và vancomycin.
Các hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên đã trải qua quá trình chọn lọc
lâu dài, có tính đa dạng cao và là nguồn nguyên liệu quý giá cho nghiên cứu
sàng lọc tìm kiếm thuốc mới [9]. Từ thời cổ đại, dược liệu đã đóng vai trò
quan trọng trong điều trị ĐTĐ2. Nhiều tài liệu cũng được tìm thấy trong các
văn tự Eber của Ai Cập cổ đại 1500 năm trước công nguyên (TCN). Tại Ấn
Độ, văn tự Ayurveda gồm Sushruta Samhita và Charaka Samhita có niên đại
4-5 nghìn năm TCN đã mô tả tác dụng của hơn 500 cây thuốc. Ở Trung Quốc,

văn tự Ben Jing có niên đại hơn 105 năm TCN đã được tìm thấy, với mô tả
chi tiết về 252 loài thực vật có tác dụng đối với ĐTĐ. Một số loài thực vật có
bằng chứng trị liệu và tác dụng khá rõ như họ Đậu (Fabaceae hay
Leguminosae) với 11 loài, họ Hoa môi (Lamiaceae hay Labiatae) với 8 loài,
họ Bầu bí (Cucurbitaceae) với 7 loài, họ Loa kèn (Liliaceae) gồm 8 loài, họ
Cúc (Asteraceae hay Compositae) với 6 loài, họ Dâu tằm (Moraceae) với 6
loài, họ Hoa hồng (Rosaceae) gồm 6 loài, họ Đại kích (Euphorb) và họ Cuồng
(Araliaceae) gồm 5 loài. Các hoạt chất phân lập từ các loài thực vật nêu trên
rất đa dạng, gồm các alkaloid, saponin, xanthone và flavonoid, các polisacarit
không tinh bột đều đã được chứng minh tác dụng sinh học. Bảng 1.2 trình bày
một số cây thuốc kèm nhóm hoạt chất phân lập được từ chúng.
Bảng 1.2. Một số cây thuốc sử dụng trong dân gian điều trị ĐTĐ
Loài

Opuntia
Streptacantha

Họ

Cactaceae

Hoạt chất chính có

Phần

Vùng /

tác dụng với ĐTĐ

sử

lãnh thổ

dụng

phổ biến

Isoquinoline alkaloid, Thân

Trung

Cac

Mỹ

9

alkaloid


cyanogenetic
Trigonella

Fabaceae

Foenumgraecum

Saponins, 4-

Hạt,

Châu

hydroxyisoleucine

lá

Phi,

Ấn

Độ,
Trung
Đông
Momordica

Cucurbitaceae

Charantia

Charantin, polypeptid Quả,

Châu

(p-insulin), các sterol

Phi,

lá

Ấn

Độ, trung
Mỹ, Úc,
Trung
Đông
Ficus

Moraceae

Bengalensis

Bengalinoside,

Vỏ

Đông

Phytosterolin,

cây

Nam Á

Rễ

Châu Á

Toàn

Nhiệt đới

flavonoid, glycoside,
nhóm glycosidal
Polygala
Senega

Polygalaceae

Triterpenoid
glycosid, senegin II
và III

Gymnema
Sylvestre

Asclepiadaceae Gymnemic acid III,
IV, V, VII, và
gymnemoside B

10

thân


Nhóm nghiên cứu của chúng tôi (có sinh viên Nguyễn Thị Thu Hà khóa
QH.2012.Y khoa Y Dược ĐH Quốc Gia HN thực hiện thành công Khóa
Luận Tốt Nghiệp 2017 với luận văn xây dựng cơ sở dữ liệu các hợp chất
thiên nhiên Việt Nam gồm 1376 hợp chất ) đã thu thập và hệ thống hóa
được các hợp chất thiên nhiên Việt Nam gồm 1376 hợp chất. Và 1376

hợp chất sẽ có thông tin về công thức; định dạng biểu diễn dòng
(SMILES, InChi, InChiKey); phân loại nhóm cấu trúc; thông tin về các
thông số lý hóa của hợp chất (khối lượng phân tử, XlogP, số liên kết cho
Hydro, số liên kết nhận Hydro, số vi phạm quy tắc Số 5 của Lipinski, số
liên kết xoay đồng vị, diện tích bề mặt hạt mang điện và MACCS); thông
tin về nguồn dược liệu (tên nguồn dược liệu, tên khoa học, họ thực vật,
địa điểm thu mẫu, thời gian thu mẫu, bộ phận dùng, tác dụng dân gian,
tác dụng dược lý được chứng minh); tài liệu tham khảo.
1.4. Mô hình in silico trong nghiên cứu tìm kiếm thuốc mới
Quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc nhìn chung là một quá trình rất
tốn kém cả về thời gian và tiền bạc. Theo nghiên cứu năm 2016 của DiMasi
và cộng - Trung tâm nghiên cứu và phát triển thuốc, Đại học Tufts Hoa Kỳ,
trung bình cần hơn 2,5 tỷ đô với thời gian từ 10-15 năm cho mỗi dự án (nếu
thành công) đưa một thuốc ra ngoài thị trường [10].
Quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc bao gồm nhiều khâu (Hình 1.2):
Xác định bệnh, xác định đích sinh học, sàng lọc hợp chất [sàng lọc hiệu năng
cao, sàng lọc các cơ sở dữ liệu (CSDL)], thiết kế dựa vào cấu trúc, dựa vào
các cấu trúc đã biết thiết kế lại để tăng hoạt tính, sàng lọc in vitro (cơ quan
phân lập, tế bào), nghiên cứu in vivo (nghiên cứu dược lý của hợp chất, mô
hình hiệu quả điều trị bệnh, nghiên cứu sớm về độ an toàn và độc tính), các
nghiên cứu tiền lâm sàng (độc tính), tiến hành bào chế và thử lâm sàng.

11


Hình 1.2: Tổng quát về các phương pháp sàng lọc trong quá trình nghiên cứu
và phát triển thuốc.
Các phương pháp trợ giúp bởi máy tính được ứng dụng vào nhiều khâu
của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ khâu tìm kiếm các hợp chất
hóa học có tác dụng sinh học, đến tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất này nhằm

tăng hoạt tính sinh học, giảm độc tính, tăng các tính chất dược động học của
thuốc, đến các khâu nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng. Chúng được gọi
chung là các phương pháp “in silico” nhằm phân biệt với các phương pháp in
vivo, in situ và in vitro. So với các phương pháp thực nghiệm truyền thống các
phương pháp in silico có ưu thế giúp thiết kế những phân tử thuốc mới với
những ưu thế vượt trội, giải thích bản chất phân tử của các tương tác thuốc,
điều mà không một thí nghiệm nào có khả năng làm được. Ngoài ra chúng
cho phép dự đoán hoạt tính sinh học sử dụng các mô hình toán học, nghiên
cứu dự đoán cơ chế tác dụng, cơ chế gây độc của các hợp chất. Các phương
pháp này giúp tiết kiệm đáng kể cả thời gian và tiền bạc trong việc phát triển
một thuốc mới. Các phương pháp in silico đã giúp ích nhiều cho việc phát
hiện các hợp chất mới có hoạt tính sinh học ngay cả trước khi chúng được
tổng hợp hay phân lập thông qua quá trình sàng lọc ảo (virtual screening).
Các khái niệm về sàng lọc ảo xuất hiện vào những năm 60 của thế kỷ
XX với các mô hình của Hansch [11]. Thế nhưng, chỉ từ năm 1990 thì lĩnh
12


vực này mới có nhiều bước tiến và từ đó đến nay, ngày càng phát triển mạnh
mẽ [12, 13]. Sàng lọc ảo không những bổ sung cho các sàng lọc thật mà còn
giúp định hướng quá trình tổng hợp/phân lập các chất. Ngoài ra sàng lọc ảo
tương đối rẻ (tiết kiệm nguyên liệu thử), nhanh và cho phép làm việc với số
lượng lớn lên tới hàng triệu hợp chất, một điều không thể làm được trong các
mô hình thực nghiệm.
1.4.1. Mô hình liên quan định lượng cấu trúc – tác dụng sinh học
Các mô hình liên quan định lượng cấu trúc và tác dụng (Quantitative
Structure Activity Relationships), viết tắt là QSAR, được xây dựng trên
nguyên lý cơ bản là cấu trúc của mỗi phân tử chứa các yếu tố quyết định đặc
tính sinh học, vật lý, hóa lý của nó; do đó, các hợp chất có cấu trúc giống
nhau thường có hoạt tính tương tự nhau [14].

Mô hình QSARs biểu thị mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc phân tử
và hoạt tính sinh học của hợp chất. Những đặc điểm hóa học này có thể là các
thông số được xác định theo lý thuyết hoặc các thông số xác định từ thực
nghiệm (ví dụ: các loại đặc tính hóa lý của hợp chất như nhiệt độ nóng
chảy,…). Do đó, bất kỳ yếu tố nào có chứa thông tin hóa học quan trọng đều
có thể được sử dụng với vai trò là các biến dự báo hay các tham số mô tả.
Như vậy, các đặc tính lý hóa như là nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, hay sức
căng bề mặt đặc trưng cho một hợp chất đều chứa đựng thông tin liên quan có
thể dùng để giải thích các đáp ứng liên quan đến hợp chất đó. Nói một cách
toán học, đáp ứng của một hợp chất có thể thể hiện như là hàm số của các
thuộc tính và đặc tính cấu trúc [15].
Tác dụng sinh học = f (Thuộc tính hóa học, đặc tính hóa lý)
Hiểu một cách đơn giản, QSAR là một hàm số biểu thị mối quan hệ định
lượng giữa cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học hoặc hóa học của hợp chất
có dạng tổng quát:
Y = f(X)
13


Trong đó:
- Y là biến đáp ứng sinh học hoặc hóa học thường thu được từ thực nghiệm
và thể hiện bằng các giá trị như nồng độ ức chế 50% đối tượng đích (IC50),
nồng độ phần trăm ức chế (I%), nồng độ 50% tác dụng tối đa (EC50) …
- Các biến X1, X2,…Xn là các đại lượng được sử dụng để mô tả cấu trúc
phân tử hợp chất gọi là các tham số phân tử (molecular descriptor, TSPT)
[16].
Đến nay đã có hàng ngàn tham số phân tử (TSPT) được sử dụng trong
nghiên cứu xây dựng mô hình QSAR. Các TSPT này thu được bằng thực
nghiệm hoặc tính toán bằng lý thuyết bởi các phần mềm chuyên dụng như
Dapt, Dragon, Padell, MOE, Hyperchem … Các nhóm TSPT thông dụng có

thể kể đến như tham số điện tử, tham số lập thể, tham số hóa lý.
Các bước để xây dựng mô hình QSAR [17] gồm:
1) Xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL);
2) Tính toán TSPT đặc trưng cho cấu trúc bằng sử dụng các phần mềm
giúp biểu diễn và tính toán;
3) Xây dựng mô hình QSAR: Sử dụng các phương pháp xác suất thống
kê và các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo để xây dựng mối liên hệ giữa
các tham số phân tử (TSPT) và các giá trị đại lượng biểu diễn hoạt
tính;
4) Đánh giá mô hình;
5) Giải thích các kết quả và sử dụng mô hình trong quá trình sàng lọc
ảo (nếu có thể).
Xây dựng cơ sở dữ liệu: CSDL thường là cấu trúc của các hợp chất hoá
học đã được chứng minh hoạt tính sinh học in vitro. Để hạn chế các yếu tố
gây sai số cho mô hình, CSDL thường sẽ được làm sạch dựa trên sự tương
đồng về cấu trúc, về protocol,...Các giá trị sinh học được hiệu chỉnh, mang
tính đại diện và có ý nghĩa thống kê.
14