Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số hợp chất trong cây trinh nữ hoàng cung việt nam với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2 bằng phương pháp in silico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum
latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ
HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Bình Định – Năm 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum
latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ
HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO

Chun ngành:

Hóa lí thuyết và Hóa lí

Mã số:

8440119

Người hướng dẫn:

PGS. TS. VŨ THỊ NGÂN
TS. DIỆP THỊ LAN PHƯƠNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng
được cơng bố trong các cơng trình khác.


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa học tính tốn và Mơ
phỏng thuộc bộ mơn Hóa học, khoa Khoa Học Tự Nhiên trường Đại học Quy
Nhơn.
Lời đầu tiên cho em xin được bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến
PGS. TS. Vũ Thị Ngân và TS. Diệp Thị Lan Phương đã ln ln tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt q trình thực hiện nghiên cứu để
hồn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cơ trong Bộ mơn Hóa học, Khoa Khoa
học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho chúng em những kiến
thức khoa học giá trị.
Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, anh chị nghiên cứu
sinh và các bạn học viên, sinh viên trong Nhóm Hóa học tính tốn và Mơ phỏng
đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã ln ở bên cạnh động
viên và giúp đỡ để em hoàn thành luận văn này.

Tác giả
Trần Tường Sơn


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 3
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................... 10
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài ..................................... 2
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................ 5
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 5
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 6
6. Cấu trúc luận văn ....................................................................................... 7
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 8
NỘI DUNG LUẬN VĂN ................................................................................ 9
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP IN SILICO
........................................................................................................................... 9
1.1. PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ ....................................... 9
1.1.1. Mơ hình Thomas – Fermi ................................................................ 9
1.1.2. Các định lý Hohenberg-Kohn ........................................................ 10
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 ........................................................................ 17

1.2.2. Các hàm đánh giá........................................................................... 24
1.2.3. Sự hình thành tương tác ................................................................. 31
1.2.4. Các phần mềm docking phân tử .................................................... 35
1.3. QUY TRÌNH THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU.................................... 36
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU ................... 38
2.1. THỤ THỂ HER2 ................................................................................ 38
2.1.1. Cấu trúc thụ thể HER2................................................................... 38
2.1.2. Ảnh hưởng của HER2 đến các loại ung thư .................................. 40
2.2. MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ HER2 ...................... 43


2.2.1. Cấu trúc tinh thể của miền tyrosine kinase của HER2 .................. 43
2.2.2. Liệu pháp mục tiêu nhắm miền tyrosine kinase của HER2 .......... 44
2.3. CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM .............................. 47
2.3.1. Phân loại khoa học ......................................................................... 47
2.3.2. Sự phân bố và đặc điểm hình thái.................................................. 47
2.3.3. Thành phần hóa học ....................................................................... 48
2.3.4. Hoạt tính sinh học của một số hợp chất......................................... 52
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 55
3.1. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC THUỐC TỔNG HỢP VỚI HER2-TK 55
3.1.1. Tương tác của lapatinib với HER2-TK ......................................... 56
3.1.2. Tương tác của neratinib HER2-TK ............................................... 58
3.1.3. Tương tác của erlotinib HER2-TK ................................................ 59
3.1.4. Tương tác của gefitinib với HER2-TK .......................................... 61
3.2. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC PHÂN TỬ THUỐC CÓ NGUỒN GỐC
THỰC VẬT VỚI HER2-TK .................................................................... 62
3.2.1. Tương tác của camptothecin với HER2-TK .................................. 65
3.2.2. Tương tác của taxol với HER2-TK ............................................... 66
3.2.3. Tương tác của etoposide với HER2-TK ........................................ 67
3.3. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC PHÂN TỬ TRONG CÂY TRINH NỮ

HOÀNG CUNG VỚI HER2-TK .............................................................. 68
3.3.1. Tương tác của các hợp chất alkaloid với HER2-TK ..................... 68
3.3.2. Tương tác của các flavonoid với HER2-TK.................................. 78
3.3.3. Tương tác của các hợp chất khác với HER2-TK........................... 82
KẾT LUẬN .................................................................................................... 85
KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 88
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
ADMET

Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and
Toxicity (Hấp thu, phân chia, trao đổi chất, bài tiết và độc
tính)

ATP

Adenosine Triphosphate

DFT

Density Functional Theory (Thuyết phiếm hàm mật độ)

DNA

Deoxyribonucleic Acid

ECD

Extracellular domain (Miền ngoại bào)

EGFR

Epidermal Growth Factor Receptor (Thụ thể yếu tố tăng
trưởng biểu bì)

ErbB

Erythroblastic B

FDA

Food and Drug Administration (Cơ quan Quản lý Thực
phẩm và Thuốc Hoa Kỳ)

GA

Genetic Algorithm (Thuật tốn di truyền)

GS

Global Search (Tìm kiếm tồn phần)

HER2

Human Epidermal Growth Factor Receptor 2 (Thụ thể yếu
tố tăng trưởng biểu bì ở người loại 2)

HER2-TK

Tyrosine kinase domain of Human Epidermal Growth
Factor Receptor 2 (Miền tyrosine kinase của thụ thể yếu tố
tăng trưởng biểu bì ở người loại 2)

HF

Hartree-Fock

In silico

Phương pháp thực hiện mơ phỏng thí nghiệm trên máy tính

In vitro

Phương pháp thực hiện thí nghiệm trong ống nghiệm

In vivo

Phương pháp thực hiện thí nghiệm trên cơ thể sống

Ki

Inhibition constant (Hằng số ức chế)


LGA

Lamarckian Genetic Algorithm (Thuật tốn di truyền

Lamarckian)

LS

Local Search (Tìm kiếm cục bộ)

MC

Monte Carlo (Phương pháp Monte Carlo)

MD

Molecular Dynamic (Phương pháp động lực học phân tử )

PDB

Protein Data Bank (Ngân hàng dữ liệu protein)

SBDD

Structure-Based Drug Design (Thiết kế thuốc dựa trên cấu
trúc)

SF

Scoring Functions (Hàm đánh giá)

TM

Transmembrane domain (Miền xuyên màng)

TNHC

Trinh nữ hoàng cung

RNA

Ribonucleic Acid


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
2.1 Tên gọi, tên viết tắt và tính chất của các amino acid cơ bản
Một số phân tử thuốc tổng hợp đã được công nhận trong điều
2.2
trị ung thư do sự biểu hiện quá mức của HER1 và HER2
2.3 Phân loại khoa học của Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.4 Các hợp chất alkaloid trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.5 Các hợp chất flavonoid trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.6 Các hợp chất khác trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
3.1 Kết quả docking các thuốc tổng hợp với HER2-TK
Một số loại thuốc điều trị ung thư có nguồn gốc thực vật
3.2
được FDA cơng nhận và thương mại hóa
Kết quả docking các thuốc có nguồn gốc thiên nhiên với
3.3
HER2-TK
3.4 Kết quả docking các hợp chất alkaloid với HER2-TK
3.5 Kết quả docking các hợp chất flavonoid với HER2-TK

Kết quả docking các hợp chất coumarine và ester với HER23.6
TK

Trang
39
45
47
49-50
51
52
56
62-63
64
69-70
78
83


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
1.1
1.2
1.3
2.1
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15

Tên hình
Trang
Sơ đồ minh họa về việc ghép một phối tử phân tử nhỏ (màu
16
xanh lá cây) vào protein đích (màu đen) tạo ra một phức bền
Mơ tả sơ đồ tính SF dựa vào tri thức
29
Các tương tác được hình thành trong các phức hợp phối tử và
31
protein
Cấu trúc tinh thể của HER2-TK với phối tử SYR127063
43
Tương tác của lapatinib với tâm hoạt động của HER2-TK
57
Tương tác của neratinib với tâm hoạt động của HER2-TK
59
Tương tác của erlotinib với tâm hoạt động của HER2-TK
60
Tương tác của gefitinib với tâm hoạt động của HER2-TK
61

Tương tác của camptothecin với tâm hoạt động của HER2-TK
66
Tương tác của taxol với tâm hoạt động của HER2-TK
66
Tương tác của etoposide với tâm hoạt động của HER2-TK
67
Đồ thị năng lượng tự do liên kết (ΔG - kcal/mol) của các phân
71
tử hợp chất alkaloid với HER2-TK
Tương tác của alkaloid thuộc nhóm tương tác tốt với tâm hoạt
72
động của HER2-TK
Tương tác của A-32 với tâm hoạt động của HER2-TK
73
Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế
75
trung bình với HER2-TK
Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế
77
kém với HER2-TK
Đồ thị năng lượng tự do liên kết (ΔG - kcal/mol) của các phân
79
tử hợp chất flavonoid với HER2-TK
Tương tác của các hợp chất flavonoid có khả năng ức chế tốt
80
với HER2-TK
Tương tác của các hợp chất coumarine, ester với HER2-TK
84

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ung thư đã và đang là căn bệnh gây ra tỉ lệ tử vong cao trên thế giới hiện
nay và được xác định là do sự phân chia tế bào một cách không kiểm sốt do
đột biến gene [1]. Trong đó, sự hoạt động quá mức của HER2 (Human
Epidermal Growth Factor Receptor 2) – thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người
được cho là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến với số lượng mắc
mới và tử vong cao hiện nay như ung thư vú [2], [3], ung thư dạ dày [4], [5],
ung thư tuyến tiền liệt [6]… Trong những năm gần đây, việc chữa trị ung thư
đang chuyển hướng từ việc sử dụng các phương pháp truyền thống (phẫu thuật,
hóa trị, xạ trị) sang việc sử dụng các loại thuốc nhắm mục tiêu vào các thụ thể
hay protein gây bệnh [7], [8], [9]. Phương pháp này được cho là có hiệu quả
cao vì nó giải quyết được ngun nhân trực tiếp gây ra bệnh ung thư, hạn chế
việc tiêu diệt các tế bào khỏe mạnh không bị bệnh. Đặc biệt, việc tìm hiểu và
sử dụng các loại thuốc có nguồn gốc thiên nhiên đang được ưu tiên hàng đầu
vì chúng hạn chế các tác dụng phụ ảnh hưởng xấu đến người bệnh do các loại
thuốc tổng hợp gây ra [10].
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng các sản phẩm tự nhiên trong việc điều
trị nhiều loại bệnh, trong đó có các bệnh u xơ. Hiện nay, rất nhiều cơng trình
nghiên cứu cơng bố về tác dụng của các hợp chất thiên nhiên trong việc hỗ trợ
điều trị và điều trị ung thư. Ở Việt Nam, cây Trinh nữ hoàng cung (TNHC), tên
khoa học là Crinum latifolum L., đã từ lâu được sử dụng như sản phẩm hỗ trợ
điều trị nhiều loại u xơ và ung thư [11], [12], [13]. Đã có nhiều nghiên cứu in
vivo và in vitro về hoạt tính sinh học của các hợp chất thiên nhiên chiết xuất từ
loại cây này [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], tuy nhiên, chưa
có nghiên cứu ở mức độ phân tử nào đánh giá một cách căn bản hoạt tính của

2

các hợp chất trong Trinh nữ hoàng cung với miền tyrosine kinase của thụ thể
HER2 để tìm hiểu về tác dụng kháng ung thư của cây thuốc quý này. Do đó cần
thiết phải có một nghiên cứu đánh giá cụ thể tương tác của các phân tử hợp chất
trong cây Trinh nữ hồng cung với thụ thể HER2 để có cơ sở khoa học vững
chắc, rõ ràng cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm phát triển các loại thuốc nhắm
mục tiêu có nguồn gốc thiên nhiên an tồn cho con người.
Với sự phát triển của khoa học máy tính và khoa học tính tốn, việc ứng
dụng các phương pháp in silico ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong
việc thiết kế thuốc nhắm mục tiêu nhằm giảm thời gian, chi phí và các ảnh
hưởng xã hội khi thực hiện các thử nghiệm. Bên cạnh đó, các phương pháp này
giúp đánh giá tồn diện hoạt tính sinh hóa của các loại phân tử mục tiêu với thụ
thể protein. Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một
số hợp chất trong cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam (Crinum latifolium L.)
với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2 bằng phương pháp in silico.”
2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài
HER2 là thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người, nó cịn được biết với một số
tên khác như ErbB2, c-erbB2 hoặc HER2/neu. HER2 là một trong 4 thụ thể
thuộc họ EGFR bao gồm HER1 (EGFR), HER2, HER3 và HER4 [23]. Thụ thể
HER2 có cấu trúc gồm 3 miền: miền ngoại bào (extracellular domain), miền
xuyên màng có cấu trúc α-helix (transmembrane domain) và miền nội bào
tyrosine kinase (intracellular tyrosine kinase domain) [24]. Trong đó, miền
tyrosine kinase có chức năng như một cơng tắc “bật” và “tắt” cho nhiều chức
năng của tế bào, chẳng hạn như chức năng phân chia tế bào. Khi miền này bị
độ biến, ví dụ ở mắc kẹt ở trạng thái “bật” và gây ra sự tăng trưởng không kiểm
sốt của tế bào, từ đó hình thành nên các khối u và phát triển thành ung thư.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hoạt động quá mức của thụ thể HER2 là

3

nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến ở người như ung thư vú [2],
[3], ung thư buồng trứng [25], ung thư tuyến tiền liệt [6], ung thư dạ dày [4],
[5]. Do vậy, việc tìm ra các loại thuốc mục tiêu có khả năng ức chế hoạt động
của HER2 nói chung, cụ thể là miền tyrosine kinase là một hướng nghiên cứu
thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Nghiên cứu lâm sàng về sự kết
hợp của các dòng thuốc kháng thể đơn bào trastuzumab với miền ngoại bào cho
thấy hiệu quả đáng ngạc nhiên trong điều trị ung thư [26]. Tuy nhiên, một số
nghiên cứu cũng chỉ ra tác dụng phụ liên quan đến tim gây lo ngại về an toàn
trong việc sử dụng loại thuốc này [27], [28]. Ngoài ra, các loại thuốc phân tử
nhỏ với tyrosine kinase cũng cho ra nhiều kết quả tốt trong điều trị nhiều loại
ung thư gây ra bởi HER2. Lapatinib (C29H26ClFN4O4S) là một chất có cấu trúc
phân tử nhỏ có khả năng ức chế đối với HER2. Nó được phát triển như một loại
thuốc an toàn và hiệu quả để điều trị các bệnh ung thư do sự biểu hiện quá mức
của HER1 hoặc HER2 [29]. Các loại thuốc trên đều được sử dụng rộng rãi trong
y học hiên nay vì hiệu quả cao, tuy nhiên, điều trị liên tục bằng các tác nhân
tổng hợp thường gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Nghiên cứu về khả năng
tương tác của các hợp chất chiết xuất từ thiên nhiên với thụ thể HER2 ở cấp độ
phân tử gần đây đã được thực hiện. Năm 2014, Yim-im và cộng sự đã nghiên
cứu về tương tác của các hợp chất trong họ curcuminoid với miền tyrosine
kinase thụ thể HER2 (HER2-TK) bằng phương pháp mô phỏng docking phân
tử và động lực học phân tử [30]. Các hợp chất được nghiên cứu sở hữu nhiều
tương tác khác biệt hơn các chất ức chế miền tyrosine kinase của HER2 đã biết,
có thể xem chúng như một loại thuốc đầy triển vọng trong tương lai gần. Ngoài
ra, các chất ức chế HER2 mới chống lại ung thư dạ dày có nguồn gốc từ nguồn
flavonoid của Syzygium Alternifolium được Tirumalasetty và cộng sự nghiên
cứu một cách chi tiết [31]. Trong đó, các hợp chất flavonoid được sàng lọc bằng
phương pháp docking phân tử theo năng lượng liên kết (kcal/mol), sau đó, tiến

4

hành mô phỏng động lực phân tử để xác định phức hợp ligand-protein mạnh
nhất. Kết quả cho thấy các hợp chất flavonoid này có khả năng tương tác tốt,
ức chế hoạt động của thụ thể HER2.
Trinh nữ hoàng cung (Crinum latifolium L.) hay còn gọi náng lá rộng, tỏi
lơi lá rộng, tây nam văn châu lan, vạn châu lan hay thập bát học sỹ là một lồi
thực vật có hoa trong họ Thủy tiên (Amaryllidaceae). Loài này ở Việt Nam
được Carl Linnaeus miêu tả khoa học đầu tiêu năm 1753. Theo kinh nghiệm
dân gian, lá cây TNHC có thể dùng để chữa những trường hợp u xơ và ung thư
tử cung, u xơ và ung thư tuyến tiền liệt [11], [12]. Theo y học hiện đại, trong
TNHC có chứa những hoạt chất sinh học với khả năng ngăn chặn sự phát triển
của tế bào u và kích thích tế bào lympho T hoạt động và phát triển qua đó tăng
cường hoạt động miễn dịch [16]. Đồng thời chỉ trong TNHC mới có các hoạt
chất như crinafolidine, crinafoline, pratorimine có tác dụng hỗ trợ trị liệu chứng
phì đại lành tính tuyến tiền liệt và u xơ tử cung và hoạt chất ức chế sự tăng
trưởng của tế bào ung thư [15]. Các kết quả nghiên cứu dược lý cho thấy cao
methanol của thân, rễ và cao chiết alkaloid của TNHC đều có tác dụng ức chế
phân bào [13], [32]. Một số alkaloid trong cây có hoạt tính sinh học cao như
lycorine ức chế protein và DNA của tế bào chuột, đồng thời ức chế u báng cấy
ở chuột [33].
Trong những năm trở lại đây, việc tìm ra các thụ thể và thuốc mới an tồn
hơn, nhanh hơn và với chi phí thấp hơn đang là nhu cầu cấp thiết của cả thế
giới. Để đạt được các mục tiêu này, các phương pháp tính tốn, mơ phỏng trong
q trình khám phá thuốc đã trở nên rất quan trọng. Sự tiến bộ liên tục trong
việc ứng dụng sức mạnh tính tốn vào hóa học và sinh học đã tác động đáng kể
đến quy trình phát triển thuốc hiện đại [34]. Trong thế giới ngày nay, ngồi một
số cơng nghệ omics, các cơng nghệ hiện đại khác như hóa học tổng hợp, sàng
lọc ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and Toxicity)

5

và thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc (Structure-Based Drug Design – SBDD) đã
cách mạng hóa q trình khám phá thuốc [35]. Quan trọng hơn, vai trị của máy
tính và kỹ thuật tính tốn, mơ phỏng trong q trình phát hiện và phát triển
thuốc đã trở nên phổ biến và được thực hiện. Một ví dụ đơn giản là nghiên cứu
tương tác thuốc. 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, giúp hiểu rõ bản chất phân tử của các tương tác thuốc, điều mà
hiện nay đang rất khó khăn đối với thực nghiệm. Ngoài ra chúng cho phép dự
đốn hoạt tính sinh học thơng qua việc sử dụng các mơ hình tốn học, nghiên
cứu dự đốn cơ chế tác dụng, cơ chế gây độc của các hợp chất. Các phương
pháp thử nghiệm rất tốn nhiều thời gian và kinh phí, do đó, việc dự đốn về các
tương tác giữa thuốc và các mục tiêu bằng phương pháp in silico ở cấp độ phân
tử cung cấp thơng tin có giá trị trong việc hỗ trợ dữ liệu thử nghiệm. Do đó,
các phương pháp tính tốn được coi là cần thiết bổ sung cho các kỹ thuật thí
nghiệm [36], [37].
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
- Mơ phỏng docking phân tử và phân tích tương tác của các phân tử hợp
chất có trong cây Trinh nữ hồng cung Việt Nam với miền tyrosine kinase của
thụ thể HER2.
- So sánh khả năng tương tác giữa các phân tử các chất có trong Trinh nữ
hồng cung và tyrosine kinase của thụ thể HER2 với các loại thuốc đang được
sử dụng. Từ đó đề xuất các hợp chất có tiềm năng trong việc ức chế hoạt động
miền tyrosine kinase của thụ thể HER2.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu: Thuốc mục tiêu nhắm miền tyrosine kinase của thụ
thể HER2.

6

+ Phạm vi nghiên cứu: Hoạt tính sinh học của một số hợp chất chiết xuất từ
cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam đối với thụ thể HER2.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phần mềm máy tính đã được ứng dụng vào nhiều giai đoạn của quá
trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ tìm kiếm các hợp chất hóa học có hoạt
tính 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 giai
đoạn 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 và in
vitro. Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra chúng tôi sử dụng các
phương pháp in silico gồm hóa học lượng tử và docking phân tử.
Trong luận văn này, trước tiên, chúng tơi cịn sử dụng phần mềm hóa học
lượng tử Gaussian 09 nhằm tối ưu hóa các cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ
bằng phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP và bộ hàm cơ sở tách đôi kết hợp
kết hợp với hàm khuếch tán và hàm phân cực 6-31++G(d,p). Sau đó, để tìm
hiểu bản chất tương tác của các hợp chất với miền tyrosine kinase thụ thể
HER2, chúng tôi tiến hành phương pháp mô phỏng docking phân tử (Molecular
Docking) bằng phần mềm Autodock 4.2.
Docking phân tử là một phương pháp cho phép dự đốn định hướng ưu tiên
của một phân tử (thường có kích thước nhỏ hơn) vào phân tử thứ hai (thường
có kích thước lớn hơn) khi chúng tương tác với nhau để tạo thành một phức ổn
định. Các định hướng ưu tiên lần lượt có thể sử dụng để dự đốn độ bền liên
kết giữa hai phân tử dựa trên hàm đánh giá (scoring function) cũng như vị trí
gắn kết [38]. Docking phân tử thường được áp dụng trong quá trình thiết kế
thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động, nghiên cứu khả năng gắn kết một

7

hay nhiều phân tử hợp chất (ligand) vào hốc gắn kết (binding site - active site)
của protein, enzyme, DNA... trong cấu trúc ba chiều [38].
Docking phân tử có vai trị quan trọng trong việc dự đoán ái lực và hoạt tính
của các dược chất đối với protein, từ đó dự đốn khả năng hoạt hóa hoặc ức chế
một protein chức năng. Bên cạnh đó docking phân tử cũng giúp dự đốn tâm
hoạt động, vị trí, cấu hình thuận lợi của ligand tham gia phản ứng khi xem xét
cơ chế xúc tác của enzyme (cũng là một loại protein chức năng). Docking phân
tử trở thành phương pháp tối ưu để giải quyết bài tốn tìm vị trí và cấu hình
phù hợp nhất của một ligand gắn kết lên protein [39].
Ngoài ra chúng tơi cịn sử dụng các phần mềm hỗ trợ đồ họa và phân tích
kết quả như PyMol, AutoDock Tools, Gaussview, Origin 8.5, …
6. Cấu trúc luận văn
Chương 1. Cơ sở lý thuyết của một số phương pháp in silico
- Tổng quan cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử: Phương trình Schrưdinger,
phương pháp DFT, khái niệm về các bộ hàm cơ sở thường dùng trong hóa học
tính tốn.
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về phương pháp docking phân tử: giới thiệu về
phương pháp docking phân tử, các dạng mô phỏng docking, các phần mềm mô
phỏng docking và quy trình thực hiện mơ phỏng docking.
Chương 2. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu
- Giới thiệu khát quát về protein HER2 về cấu tạo, chức năng trong tế bào,
ảnh hưởng của protein HER2 trong bệnh ung thư. Bên cạnh đó, giới thiệu tình
hình nghiên cứu các loại thuốc mục tiêu nhắm thụ thể HER2 trong điều trị và
hổ trợ điều trị ung thư.


8

- Giới thiệu khái quát về cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam: thành phần
hóa học; các hợp chất có hoạt tính sinh học trong cây Trinh nữ hồng cung.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
- Trình bày các kết quả đạt được sau khi tiến hành mô phỏng docking phân
tử về năng lượng liên kết, hằng số ức chế và phân tích các tương tác của các
hợp chất được chiết xuất từ cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam với thụ thể
HER2. Các chất này được phân loại theo các hợp chất alkaloid, flavonoid,…
Đồng thời, so sánh khả năng tương tác của các hợp chất trên với các loại thuốc
hiện hành.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả của nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ bản chất tương tác giữa các
phân tử có cấu trúc phân tử nhỏ với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2.
Bên cạnh đó, nghiên cứu so sánh khả năng tương tác giữa các phân tử thuốc
tổng hợp với các phân tử hợp chất thiên nhiên, từ đó, đề nghị những hợp chất
thiên nhiên chiết xuất từ cây Trinh nữ hồng cung Việt Nam có tiềm năng trong
việc ức chế hoạt động của thụ thể HER2. Kết quả nghiên cứu góp phần quan
trọng trong nghiên cứu và thiết kế thuốc mục tiêu có nguồn gốc từ thiên nhiên
nhằm điều trị và hổ trợ điều trị các loại bệnh ung thư có tác nhân là thụ thể
HER2.


9

NỘI DUNG LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
IN SILICO
Các phương pháp in silico là các phương pháp tiến hành các thí nghiệm bằng
mơ phỏng trên máy tính. Với sự phát triển của khoa học máy tính, các phương
pháp in silico ngày càng trở nên thơng dụng và trở thành một công cụ quan

trọng trong nhiều nghiên cứu. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai
phương pháp in silico là phương pháp tính tốn hóa lượng tử phiếm hàm mật
độ và phương pháp mô phỏng docking phân tử.
1.1. PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ
Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) [40], [41]
xuất phát từ quan điểm cho rằng năng lượng của một hệ các electron có thể


được biểu thị như một hàm của mật độ electron ( r ). Thật vậy, năng lượng của


hệ các electron E [( r )] là một phiếm hàm đơn trị của mật độ electron.
1.1.1. Mơ hình Thomas – Fermi
Năm 1927, Thomas và Fermi chỉ ra sự tồn tại của một phiếm hàm năng
lượng, và tìm ra một biểu thức năng lượng Thomas – Fermi cho nguyên tử dựa
trên mật độ electron là:
ETF[] =

3
 (r ) 1
 (r )  (r )
(32)2/35/3(r)dr-Zdr
+ dr1dr2 1 1
10
R−r 2
r1 − r2

(1.1)

Trong đó Z là điện tích của hạt nhân, R là vectơ toạ độ của hạt nhân, r là

vectơ toạ độ electron. Phương trình này chỉ dùng cho nguyên tử (có một hạt
nhân). Mơ hình Thomas – Fermi q đơn giản, khơng dùng được cho phân tử,
độ chính xác khi dùng cho các nguyên tử cũng không cao, chỉ nghiệm đúng
trong một số ít trường hợp (coi electron là các hạt độc lập).


10

1.1.2. Các định lý Hohenberg-Kohn
Hohenberg và Kohn đã đưa ra hai định lý cơ bản để áp dụng thuyết DFT
vào hóa học và chứng minh năm 1964.






Định lý 1: Mật độ electron ( r ) xác định thế ngoài Vext( r ), hàm sóng ( r )
cũng như các tính chất khác của hệ ở trạng thái cơ bản.
Định lý 2: Đối với một ma trận mật độ thử



 (r ) sao

cho ma trận mật độ thử



đó là khơng âm và   (r ) d r = N thì ta có:

E0 E [  (r ) ]

(1.2)

Trong đó E0 là năng lượng ở trạng thái cơ bản. Biểu thức (1.2) tương tự


nguyên lý biến phân với E = E [( r )].
Do đó, tại


d

 E [  (r )] = 0 thì ( r ) xác định năng lượng của hệ ở trạng thái
d (r )

cơ bản, điều này được áp dụng khi xây dựng các phương trình Kohn-Sham.
1.1.3. Các phương trình Kohn-Sham
Về ngun tắc, có tồn tại một phiếm hàm mơ tả chính xác năng lượng của
các hệ phân tử, tuy nhiên đến nay phiếm hàm đó vẫn chưa được tìm ra. Phương
pháp Kohn-Sham cho phép chúng ta tìm ra phiếm hàm năng lượng thơng qua
hàm sóng của một hệ chuẩn khơng có tương tác electron. Xét hệ có N electron
ghép đơi. Năng lượng của hệ theo Kohn-Sham ở trạng thái cơ bản được xác
định theo biểu thức:




 



1  (r ) (R )
E[( r )] = T[( r )] + 
drdR + Exc  (r ) +   (r ) Vext ( r )d r
2
r−R



Trong đó: T[( r )] là phiếm hàm động năng của các electron:

(1.3)


11



T[( r )] = −


 
1 N
i* (r ) 2 i (r ) d r


2 1

(1.4)

 i ( r ) là hàm khơng gian 1 electron, cịn gọi là obitan Kohn-Sham.


Exc[( r )] là năng lượng tương quan trao đổi của hệ.






∫( r )Vext ( r ) d r biểu thị năng lượng hút giữa hạt nhân và electron.
Số hạng còn lại biểu thị năng lượng tương tác Coulomb giữa 2 mật độ
electron toàn phần ( r ), ( r ).
1

2

Phương trình Kohn-Sham:

  2 2 M Z1e 2
  

 (r2 )e 2 
1 − 
+
dr2 + VXC (r1 ) i (ri ) =  i i (r1 )
−
4 0 r12
I =1 4 0 r12
 2me



(1.5)

Trong đó:  i là năng lượng orbital Kohn-Sham
VXC là thế tương quan trao đổi: VXC =

E XC  


(1.6)

Nếu EXC[] đã được biết thì thu được VXC[]. Nhưng dạng chính xác của
EXC[] hiện tại chưa tìm ra. Khi có dạng của EXC[] thì (1.6) cũng được giải
theo phương pháp trường tự hợp SCF thu được các orbital không gian 1 electron




là  i (r1 ) . Từ các orbital Kohn-Sham có thể tính được ( r ) theo biểu thức:

( r ) =

2


  i (r ) .
N

i =1

Sự phát triển của lý thuyết DFT ngày nay là tập trung vào việc làm sao để
có phiếm hàm EXC[] ngày càng mơ tả tốt hơn các hệ phân tử. Các phương
pháp DFT khác nhau ở dạng của EXC[]. Các phiếm hàm đó thường được xây
dựng dựa vào việc so sánh với kết quả thực nghiệm hoặc so sánh với kết quả
tính tốn theo lý thuyết ở mức cao. Thông thường năng lượng trao đổi – tương


12

quan EXC được tách thành hai phần riêng biệt, phần trao đổi Ex và phần tương
quan EC.
Các phiếm hàm tương quan trao đổi EXC được xây dựng dựa trên các sự gần
đúng sau:
Sự gần đúng mật độ tại chỗ (Local density approximation, LDA): phiếm
hàm EXC chỉ phụ thuộc mật độ electron tại vị trí r.
Sự gần đúng mật độ spin tại chỗ (Local spin density approximation, LSDA):
tương tự LDA nhưng có thêm hàm spin.
Sự gần đúng gradient tổng quát (Generalized Gradient Approximation,
GGA): phiếm hàm EXC ngoài sự phụ thuộc (r), cịn phụ thuộc vào đạo hàm
bậc nhất của nó.
1.1.4. Một số phiếm hàm trao đổi
- Hàm trao đổi được xây dựng bởi Slater áp dụng sự gần đúng LDA
1

4
3 3 3
Ex[] = -     (r )3 dr
4  

1

3
3
 xLDA  = −  (r )



Thế tương ứng là:

- Hàm trao đổi phụ thuộc vào mật độ spin địa phương áp dụng sự gần đúng
LSDA
 xLSDA ( ,  ) =  x ( ,0) + f ( )( x ( ,1) −  x ( ,0))
3
3
Với f ( ) là hàm nội suy, f ( ) = (1 +  ) −4 (1 −  ) − 2
4

4

23 − 2
1
3

 x ( ,1) = 2 C x 

1
3

;

 x ( ,0) = Cx 

1
3

1

;

3  3 3
Cx = −  
4 


13

- Hàm trao đổi Beck’s 1988 (B88) áp dụng sự gần đúng GGA.


Trong đó: z = 2

1
3

B 88
x

  = −




z2


 1 − 1
−1
1 + 6z sinh (z )
 2 3 Ax

1





LDA
x

3  3 3
A=  
4 

,

4
3

 = 0,0042

,

- Hàm trao đổi Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.


PW 91
x

=

(

)

−1
−100 s
2

 1 + sa1 sinh (sa2 )−1+ a3 + a4e 4 s 
1 + sa1 sinh (sa2 ) + a5 s



LDA
x

Trong đó:

s=



(24 ) 
1
2 3

4
3

2

,

a1 = 0,19645; a2 = 7,7956; a3 = 0,2743; a4 = -0,1508; và a5 = 0,004.
1.1.5. Một số phiếm hàm tương quan
- Hàm tương quan Lee, Yang và Parr (LYP) áp dụng sự gần đúng GGA.
 xLYP   = −a

1
1 + d

Trong đó:

−

1
3

1

2
5

− 
1
1 2  − c 3 


3
3

+
b

C

−
2
t
+
t
+


e




 F


w
w
9
2








a = 0,04918;
2

1  
tw =
− 2  

8  


b = 0,132;
,

c = 0,2533; d =0,349
CF =

( )

3
3 2
10

2
3

- Hàm tương quan Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.
VcPW 91  =  cLDA   + H  , s, t 

Trong đó: H=

 2  2 t 2 + At 4 
1n 1 +
+ Cc 0 Cc ( ) − Cc1 t 2e−100s
2
2 4
2 
 1 + At + A t 

2


14

1

− 2 c (  )


2
2 
A=
e 
− 1
 



LDA

−1

  6

 
3 
t= 
7
4
6



s có giá trị tương tự như ở hàm trao đổi PW91
 = 0,09;  = 0,0667263212;
Cc() = C1 +

Cc0 = 15,7559; Cc1 = 0,0035521
C2 + C3rs + C4 rs2

1 + C5 rs + C6 rs2 + C7 rs3

với C1 = 0,001667; C2 = 0,002568; C3 = 0,023266;
C4 = 7,389 x 10-6; C5 = 8,723; C6 = 0,472 và C7 = 0,07389.
Hàm tương quan Vosko, Wilk và Nusair (VWN) áp dụng sự gần đúng LDA.
 cVWN   =

2
A
x
2b
Q
bx0  (x − x0 )
2(b + 2 x0 ) −1 Q 
−1


1
n
+
tan
−
1
n
+
tan


2  X ( x ) Q
2 x − b X (x0 ) 

X (x )
Q
2 x + b 

Trong đó các hàm x, X và Q tương ứng là:
1
2
s

x=r

1

,

1
 4  3 X (x ) = x 2 + bx + x
2 2
,
,
(
)
Q
=
4
c
−
b
rs = 


 3 

và các hằng số: A = 0,0621814; x0 = -0,409286; b = 13,0720; c= 42,7198
1.1.6. Một số phương pháp DFT thường dùng
Các phương pháp DFT thuần khiết
Mỗi một phương pháp DFT là sự kết hợp thích hợp giữa các dạng cụ thể của
phiếm hàm trao đổi và phiếm hàm tương quan.
- Phương pháp BLYP kết hợp phiếm hàm trao đổi B88 và phiếm hàm tương
quan LYP.


15

- Phương pháp BP86 sử dụng phiếm hàm hiệu chỉnh B đối với năng lượng
trao đổi LSDA và phiếm hàm tương quan là phiếm hàm hiệu chỉnh gradient
cho phiếm hàm LSDA kí hiệu P86.
Các phương pháp DFT hỗn hợp
Các phiếm hàm hỗn hợp được tạo ra từ sự kết hợp một phần của năng lượng
trao đổi HF với năng lượng trao đổi DFT thuần khiết.
- Phiếm hàm Half-and-Half: năng lượng trao đổi HF góp một nửa và năng
lượng trao đổi – tương quan LSDA góp một nửa vào phiếm hàm trao đổi –
1
2

tương quan: ExcH + H = ExHF +

(

1 LSDA
Ex + EcLSDA

2

)

(1.7)

- Phương pháp B3LYP chứa phiếm hàm hỗn hợp B3, trong đó phiếm hàm
tương quan GGA là phiếm hàm LYP.
- Phiếm hàm B3: là phiếm hàm ba thông số của Becke:
ExcB 3 = (1 − a )ExLSDA + a.ExHF + b.ExB + ECLSDA + c.ECGGA

(1.8)

a, b, c là các hệ số do Becke xác định: a = 0,2; b = 0,7; c = 0,8
- Phương pháp B3P86 là phương pháp hỗn hợp chứa phiếm hàm hỗn hợp
B3, trong đó phiếm hàm tương quan GGA là phiếm hàm P86.
1.2. PHƯƠNG PHÁP DOCKING PHÂN TỬ
Docking phân tử là phương pháp dự đoán định hướng của một phân tử vào
một phân tử khác sao cho chúng tương tác với nhau và tạo ra một phức
(complex) bền [42].
Docking phân tử có thể được hiểu theo một cách đơn giản là việc lắp ghép
hai hình khối với nhau để tạo thành một thể thống nhất (Hình 1.1). Có thể chọn
ra một khối làm đích và khối cịn lại sẽ được đưa vào để lắp ghép. Khi tiến hành
lắp ghép, thực hiện cố định một khối và xoay khối còn lại, hoặc là đồng thời