Nghiên cứu sàng lọc ảo các chất có hoạt tính ức chế ndm-1 ở vi khuẩn

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 707 NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC ẢO CÁC CHẤT CÓ HOẠT TÍNH ỨC CHẾ NDM-1 Ở VI KHUẨN Trần Thành Đạo*, Lê Minh Trí*, Đặng Văn Hoài**, Võ Viết Việt*, Thái Khắc Minh* TÓM TẮT Mở đầu: Đề kháng kháng sinh đang là vấn đề nghiêm trọng của ngành y tế trên toàn thế giới. Vi khuẩn siêu kháng thuốc đang lan rộng một cách nhanh chóng, trong đó có Enterobacteriaceae tiết các enzym metallo- beta-lactamase (MBL) thủy phân carbapenem – kháng sinh chính trong điều trị nhiễm trùng gram âm. New Delhi Metallo-beta-lactamase-1 (NDM-1) là enzym quan trọng trong nhóm MBL. Hiện tại chưa có chất ức chế NDM-1 trên lâm sàng và phần lớn nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm kiếm các chất ức chế NDM-1. Do đó, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu tìm kiếm các chất có khả năng ức chế enzym NDM-1 bằng các phương pháp in silico bao gồm mô hình 3D- pharmacophore và mô hình mô tả phân tử docking. Đối tượng - Phương pháp nghiên cứu: Các cấu trúc protein NDM-1 được tải về từ ngân hàng cơ sở dữ liệu protein. Các chất ức chế với giá trị IC50 thu được từ 19 bài báo được xây dựng cấu trúc. Mô hình docking với tập chất ức chế và tập chất thỏa mô hình pharmacophore được tiến hành trong LeadIT. Mô hình 3D pharmacophore được xây dựng tự động bằng phần mềm MOE. Các mô hình được ứng dụng để sàng trên tập Drugbank để tìm các chất có khả năng ức chế NDM-1. Kết quả: Nghiên cứu đã xây dựng được mô hình mô tả phân tử docking trên tập chất ức chế ban đầu. Kết quả cho thấy tầm quan trọng của liên kết phối trí với hai ion kẽm và liên kết hydro với acid amin Cys208 và Lys211. Hai mô hình 3D pharmacophore 4 điểm được xây dựng gồm các điểm chung là 2 điểm anion và 1 điểm kỵ nước, ngoài ra mỗi mô hình chứa điểm anion và điểm liên kết hydro. Kết quả sàng lọc ảo từ tập Drugbank qua mô hình 3D pharmacophore và docking thu được 17 chất có khả năng ức chế NDM-1. Kết luận: Nghiên cứu đã xây dựng các mô hình dự đoán được hoạt tính ức chế enzym NDM-1 in silico và sàng lọc được các chất ức chế NDM-1 tiềm năng để từ đó có thể được tiến hành thử nghiệm đánh giá hoạt tính in vitro và xa hơn phát triển thành các chất ức chế có thể sử dụng trong lâm sàng trong tương lai. Từ khóa: carbapenem, docking, đề kháng kháng sinh, Enterobacteriaceae, MBL, NDM-1 ABSTRACT VIRTUAL SCREENING FOR BACTERIAL NDM-1 INHIBITORS Tran Thanh Dao, Le Minh Tri, Dang Van Hoai, Vo Viet Viet, Thai Khac Minh * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 2- 2019: 707-715 Introduction: Antibiotic resistance presents an increasing threat to current healthcare systems across the world. Multidrug-resistant Gram-negative is spreading globally, including Enterobacteriaceae producing metallo-beta-lactamases which hydrolysis carbapenem – a group of antibiotics using for Gram- negative infections. New Delhi Metallo-beta-lactamase-1 (NDM-1) is an important enzyme in clinical areas. There is no inhibitor using in clinical and almost of studies focus on the finding the novel inhibitors of NDM-1 until now. Therefore, the aim of this study is to find novel with NDM-1 inhibitory activity via in silico methods including docking model and 3D pharmacophore model. *Khoa Dược, Đại Học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh **Khoa KHCB, Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: PGS. TS. Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 Email: thaikhacminh@uphcm.edu.vn Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 708 Materials and methods: Structures of NDM-1 were downloaded from protein data bank. Chemical structures with IC50 values were collected from the literatures. Molecular modelling docking was performed on NDM-1 inhibitors on LeadIT. 3D pharmacophore was created automatically by Pharmacophore Elucidator tool in MOE. These models were applied for screening on Drugbank database to figure out new NDM-1 inhibitors. Results: Docking modelling showed the importance of metal ligation bonds with zinc ions and hydrogen bonds with Cys208 and Lys211 which are the crucial amino acids. Two 3D pharmacophore included 4 features, having the same two features, hydrophobic feature and anion feature were obtained. This study resulted in 17 potential inhibitors of NDM-1 via virtual screening. Conclusion: In this study, the in silico virtual screening for NDM-1 inhibitors was developed by combination of 3D pharmacophore and docking models. The potential novel NDM-1 inhibitors were identified and could be developed as inhibitors using in clinical in the future. Keywords: antibiotic resistance, carbapenem, docking, Enterobacteriaceae, MBL, NDM-1 ĐẶT VẤN ĐỀ Theo báo cáo về tình hình đề kháng kháng sinh trên thế giới năm 2014, ước tính có 700.000 người chết mỗi năm liên quan đến đề kháng kháng sinh(4). Con số này ước tính sẽ tăng lên gấn khoảng 14 lần vào năm 2050 là 10.000.000 người do đề kháng kháng sinh.(4) Nhiều vi khuẩn siêu đề kháng đang lan tỏa rộng khắp thế giới, một trong số đó là họ Enterobacteriaceae gồm các loài như Escherichia coli và K. pneumoniae mang gen đề kháng với các kháng sinh nhóm beta- lactam, đặc biệt là carbapenem – kháng sinh điều trị chính trong các bệnh nhiễm trùng gram âm ở bệnh viện như nhiễm trùng đường tiết niệu, nhiễm khuẩn huyết Cơ chế chính dẫn đến sự đề kháng này là việc tiết các enzym metallo-beta-lactamase thủy phân kháng sinh beta-lactam. Các enzym này khác biệt so với các enzym beta- lactamase còn lại ở sự có mặt của ion kẽm ở vị trí hoạt động. Điều này dẫn đến sự bất hoạt hết các chất ức chế beta-lactamase đang có mặt trong lâm sàng như acid clavulanic, avibactam, tazobactam(1,3,6) Hiện tại, chưa có một thuốc nào lưu hành có thể ức chế được các metallo-beta-lactamase, trong đó có New Delhi-Metallo-beta-lactamase-1 (NDM-1) là một enzym được phát hiện gần nhất trong nhóm và có mặt trong nhiều ca lâm sàng về việc đề kháng với carbapenem. Do vậy, rất cần thiết để nghiên cứu tìm ra một kháng sinh mới không nhạy cảm với sự thủy phân của NDM-1 hoặc một chất ức chế mới đồng vận với carbapenem trong sự diệt khuẩn. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự đoán hoạt tính ức chế New Delhi-Metallo- beta- lactamase-1 NDM-1 được thực hiện cải tiến so vói mô hình đã công bố(2) bao gồm những nội dung: (i) Xây dựng mô hình mô tả phân tử docking trên các chất ức chế NDM-1; (ii) Xây dựng mô hình 3D pharmacophore trên các chất ức chế NDM-1; (iii) Ứng dụng mô hình sàng lọc ảo trên cơ sở dữ liệu từ Drugbank(7) ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở dữ liệu Cấu trúc protein của NDM-1 Các cấu trúc protein của NDM-1 được tải về từ Protein Data Bank (PDB - www.rcsb.org) với các điều kiện sau: (i) Độ phân giải không quá 3 Å (tốt nhất không quá 2 Å); (ii) Chứa 2 ion Zn2+ là đặc trưng quan trọng trong cấu trúc của enzym NDM-1. Do cấu trúc protein NDM-1 có trong hai loài vi khuẩn K. pneumoniae và E. coli, nghiên cứu tiến hành so sánh hai cấu trúc protein về các acid amin quan trọng và cấu dạng không gian để xem có sự khác nhau về cấu trúc enzym ở hai loài vi khuẩn hay không. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 709 Các chất ức chế NDM-1 Tổng cộng có 167 chất ức chế được tổng hợp từ 19 bài báo quốc tế. Để chuẩn bị cho quá trình xây dựng pharmacophore, các chất ức chế được tiến hành tạo cấu dạng thông qua Conformation Import trong MOE 2015.10 (www.chemcomp.com) với các thông số: (i) Số cấu dạng xuất ra cho mỗi chất: 10.000; (ii) Số bước tìm kiếm lặp lại: 1.000; (iii) Số bước tối thiểu hóa năng lượng: 1.000; (iv) Năng lượng giảm thiểu test gradient: 0,0001. Để chuẩn bị cho quá trình docking, tập dữ liệu cấu trúc được lưu dưới dạng *.sdf. Sau đó, được đưa về cấu dạng có năng lượng tối thiểu toàn phần trong Sybyl X 2.0 (www.certara.com). Quá trình tối thiểu hóa với các thông số như sau: (i) Phương pháp: Conj Grad (Gradient liên hợp); (ii) Điểm dừng: 0,0001 kcal/mol; (iii) Số bước lặp lại tối đa: 10.000 bước; (iv) Điện tích từng phần: Gasteiger-Huckel. Động lực học phân tử với số lần lặp lại là 5 lần. Sau đó, đưa về cấu dạng có năng lượng thấp nhất qua bước tối thiểu hóa năng lượng một lần nữa. Mô hình docking Quá trình docking được tiến hành trong FlexX của LeadIT 2.1.8 (www.certara.com) gồm các bước: (i) Chuẩn bị protein và xác định khoang gắn kết thông qua chất ức chế đồng kết tinh cũng như các acid amin quan trọng; (ii) Tiến hành docking với các chất đã chuẩn bị với các thông số: Số kết quả tối đa cho mỗi bước lặp lại là 1.000, số kết quả tối đa cho mỗi lần phân mảnh là 200, số cấu dạng tốt nhất được xuất ra là 10. Để đánh giá khoang gắn kết có thể sử dụng để tiến hành docking, tiến hành so sánh độ lệch giữa vị trí phối tử được dock và vị trí ban đầu phối tử đồng kết tinh, nếu giá trị RMSD không quá 2 Å thì khoang gắn kết đó khả dụng cho docking. Nghiên cứu tiến hành redocking theo hai cách: (i) Cách 1: Redock trực tiếp chất đồng kết tinh trong cấu trúc protein; (ii) Cách 2: Chạy động học phân tử và tối thiểu năng lượng để đưa chất đồng kết tinh về cấu dạng có năng lượng tối thiểu toàn phần. Nghiên cứu đánh giá kết quả docking bằng công cụ Ligand Interactions trong MOE dựa trên hai tiêu chí: ái lực gắn kết thể hiện qua điểm số docking và phương thức gắn kết. Việc đánh giá dựa vào bản chất liên kết, tính chất khoang gắn kết của protein, ion kẽm và các acid amin quan trọng. Mô hình 3D pharmacophore Các chất có hoạt tính ức chế thu được từ các bài báo phần lớn có giá trị IC50 thấp hơn 10 μM và để chắc chắn rằng các chất có hoạt tính thực sự nằm trong tập hoạt tính, nghiên cứu cũng tiến hành với ngưỡng 100 μM cho kết quả đánh giá kém hơn ngưỡng 10 μM. Do đó, nghiên cứu sử dụng ngưỡng 10 μM để chia cơ sở dữ liệu thành tập hoạt tính và tập không hoạt tính. Trong đó, tập xây dựng gồm 5 chất thuộc 5 khung cấu trúc hóa học khác nhau, được trình bày ở Bảng 1. Tập kiểm tra gồm tập hoạt tính gồm 67 chất tương ứng với IC50 dưới 10 μM, tập không hoạt tính gồm 95 chất tương ứng IC50 từ 10 μM đến không có hoạt tính. Bảng 1: Các chất thuộc tập xây dựng mô hình pharmacophore Chất Cấu trúc hóa học IC50 (M) BMCL-2018-28-214-NOTA 0,11 JAC-2018-73-425-EDDS 0,18 JMC-2017-60-17-7267-36 0,08 JMC-2018-61-1255-5 0,31 N-2014-510-503-RRSAMA 4,00 Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 710 Mô hình pharmacophore được xây dựng bằng công cụ tự động Pharmacophore Elucidator trong MOE 2015.10 bằng cách sử dụng các cấu dạng vừa tìm được để tạo ra các truy vấn có sự chồng phủ tốt với hầu hết các phân tử trong tập xây dựng. Các thông số: độ chồng phủ hoạt tính, giới hạn số yếu tố, khoảng cách truy vấn được đặt ở giá trị mặc định. Riêng với thông số phân cụm truy vấn, nghiên cứu sử dụng giá trị là 2; tương ứng với giá trị RMSD (Å) lớn hơn mặc định là 1,25 để gom các truy vấn tương tự lại với nhau, để giảm số truy vấn pharmacophore xuất ra. Đánh giá các mô hình pharmacophore thu được bằng các chỉ số về độ nhạy, độ đặc hiệu và khả năng dự đoán(5). Độ nhạy là tỉ số giữa chất có hoạt tính thỏa mô hình 3D pharmacophore và tổng các chất có hoạt tính, biểu thị bằng công thức: Độ đặc hiệu là tỉ số giữa chất không có hoạt tính không thỏa mô hình với tổng các chất không có hoạt tính, biểu thị bằng công thức: Khả năng dự đoán là khả năng mô hình dự đoán đúng chất có hoạt tính và không hoạt tính, biểu thị bằng công thức: Với TP: có hoạt tính, thỏa mô hình 3D pharmacophore; FP: không hoạt tính, thỏa mô hình 3D pharmacophore; FN: có hoạt tính, không thỏa mô hình 3D pharmacophore; TN: không hoạt tính, không thỏa mô hình 3D pharmacophore; N là tổng chất sử dụng trong mô hình. Các kết quả thu được tối thiểu phải lớn hơn 0,5(5). Sàng lọc ảo các chất ức chế NDM-1 Nghiên cứu tiến hành sàng lọc ảo các chất ức chế NDM-1 tiềm năng bằng cách sử dụng mô hình 3D pharmacophore và mô hình docking để sàng lọc trên tập druglike gồm 7.616 chất được tải về từ ngân hàng Drugbank(7). KẾT QUẢ So sánh các enzym NDM-1 ở hai loài vi khuẩn Kết quả so sánh về trình tự các acid amin quan trọng của hai loài vi khuẩn K. pneumoniae và E. coli được trình bày ở Bảng 2 cho thấy các acid amin này giống nhau. Về mặt cấu trúc không gian, sau khi gióng hàng hai vị trí hoạt động ở hai protein không có sự khác biệt đáng kể về vị trí trong không gian. Do vậy, cấu trúc protein NDM-1 không thay đổi giữa các loài vi khuẩn với nhau, có thể trở thành mục tiêu chung cho việc tiến hành nghiên cứu. Bảng 2. So sánh trình tự acid amin quan trọng ở hai loài vi khuẩn K. pneumoniae E. coli K. pneumoniae E. coli 3Q6X, 4EXS và 4EYF 5YPL, 5YPM và 3S0Z 3Q6X, 4EXS và 4EYF 5YPL, 5YPM và 3S0Z Ile35 Ile35 Asp124 Asp124 Leu65 Leu65 Lys125 Lys125 Met67 Met67 His189 His189 Phe70 Phe70 Cys208 Cys208 Val73 Val73 Lys211 Lys211 Trp93 Trp93 Asn220 Asn220 His120 His120 Tyr229 Tyr229 Gln123 Gln123 His250 His250 Mô hình docking của tập các chất ức chế Kết quả redocking Ba protein chứa chất đồng kết tinh là các chất ức chế enzym NDM-1: 4EXS chứa L-captopril, 4U4L chứa bisthiazolidin và 5A5Z chứa tiopronin được tiến hành redocking. Kết quả redocking được trình bày ở Bảng 3. Cả hai trường hợp đều có giá trị RMSD đạt yêu cầu không vượt quá 2, nghiên cứu tiến hành sử dụng protein 4EXS có giá trị RMSD thấp nhất là 1,490 để tiến hành nghiên cứu docking. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 711 Bảng 3: Kết quả redocking của các protein NDM-1 Cách Giá trị độ phân giải (Å) và RMSD (Å) 4EXS (2,4 Å) 4U4L (1,9 Å) 5A5Z (2,6 Å) 1 1,490 1,743 1,577 2 1,498 1,732 1,577 Kết quả docking các chất ức chế ban đầu Tổng cộng có 166 trong 167 chất ức chế từ các bài báo được dock thành công vào khoang gắn kết với điểm số docking âm. Chất không dock được vào khoang có thể do có cấu trúc cồng kềnh và cấu dạng protein là cứng nên khó vào khoang gắn kết. Điểm số docking và các phương thức gắn kết và tần suất gắn kết của các chất với ion kẽm và các acid amin quan trọng của khoang gắn kết được phân tích. Có thể thấy hầu hết các chất đều liên kết với hai ion kẽm cũng như Cys208. Ngoài ra, các liên kết với Lys211, Asn220 và His250 cũng chiếm phần lớn trong tổng số các tương tác gắn kết xảy ra. Điều này cho thấy tầm quan trọng của liên kết phối trí (hay ion) với kẽm, liên kết hydro với Cys208 và Lys211 và tương tác kỵ nước đóng vai trò quan trọng trong sự gắn kết với các chất ức chế. Trong số 14 chất có điểm số docking âm nhất (chiếm tỷ lệ 8%) trong khoảng từ -35 đến -30 kJ/mol có 4 chất thể hiện hoạt tính sinh học trên thực nghiệm. Các chất này được trình bày ở Bảng 4. Nghiên cứu tiến hành phân tích cách thức gắn kết trong khoang gắn kết của 4 chất này. Kết quả mô hình docking thể hiện qua Hình 1 cho thấy 4 chất này đều có điểm chung là mạch carbon trải dài (khoảng 10 C) trong khoang gắn kết giúp phân tử có khả năng gắn kết được với nhiều acid amin, điều này phù hợp với khoang gắn kết của NDM-1 là một khoang rộng thủy phân hầu như toàn bộ các kháng sinh ß-lactam. Bên cạnh đó, cấu trúc các chất ức chế này đều có nhiều nhóm carboxyl liên kết ion với 2 ion kẽm và Lys211; đây là liên kết đóng vai trò then chốt trong sự định hướng đúng cấu dạng cơ chất cho sự thủy phân xảy ra. Ngoài ra, liên kết hydro với Lys211, Cys208, His189, Gln123, His122 và Gly219 chiếm tỷ lệ cao trong các phương thức gắn kết cho thấy sự phù hợp với thông tin đã biết về sự gắn kết với cơ chất và sự duy trì cấu dạng của khoang của các acid amin này. Một tương tác với tần suất xảy ra thấp hơn là liên kết ion của amin với Asp124 là một acid amin gắn kết với cơ chất và phối trí với kẽm giúp duy trì cấu dạng của khoang gắn kết. Có thể thấy ở 4 chất, nhóm carboxyl ngoài việc phối trí với ion kẽm đồng thời còn cho liên kết hydro với Cys208, điều này giải thích tại sao tần suất tương tác của kẽm và Cys208 đều như nhau. Ngoài ra, các nhóm carboxyl khác trong cấu trúc 4 chất đồng thời liên kết ion và nhận liên kết hydro từ amin nhánh bên của Lys211. Tóm lại, có thể thấy rằng nhóm carboxyl đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự gắn kết của 4 chất ức chế. Ngoài ra, sự có mặt của các nhóm amin giúp tăng khả năng gắn kết với khoang thông qua các liên kết ion và liên kết hydro. So sánh tần suất tương tác của 4 chất có hoạt tính ức chế với tần suất tương tác của tổng cộng 166 chất cho thấy, tất cả chất ức chế đều ưu tiên gắn kết với Cys208 qua sự cho liên kết hydro, với 2 ion kẽm qua liên kết phối trí, với Lys211 qua liên kết ion và sự nhận liên kết hydro. Ngoài 4 chất trên, các chất ức chế khác tương tác rất nhiều với Asn220 và His250. Cụ thể là liên kết hydro với Asn220 và tương tác kỵ nước với His250 (Hình 1 C, D). Đây là 2 acid amin mà vai trò quan trọng trong việc nhận dạng và thủy phân cơ chất và phối trí với kẽm qua các nghiên cứu trước(1,6). Mô hình 3D pharmacophore Tiến hành xây dựng mô hình pharmacophore tự động bằng Pharmacophore Elucidator trong MOE, kết quả thu được 27 mô hình pharmacophore. Nghiên cứu tiến hành đánh giá các mô hình thu được 18 mô hình thỏa điều kiện đánh giá và kết quả đánh giá được trình bày ở Bảng 5. Trong số 18 mô hình thỏa điều kiện đánh giá, 2 mô hình số 9 và 13 có điểm số đánh giá tốt nhất được Nghiên cứu lựa chọn để tiến hành các bước tiếp theo (Hình 2). Hai mô hình pharmacophore này tương đối giống nhau: mô hình 4 điểm có khoảng cách tương tự trong không gian, trong đó có một điểm kỵ nước, hai Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 712 điểm anion. Bên cạnh đó, mô hình đầu có một điểm nhận liên kết hydro về mặt bản chất khá giống với điểm anion của mô hình còn lại. Khi so với kết quả docking của các chất ức chế ban đầu, liên kết ion của hai ion kẽm cũng như liên kết hydro với Cys208, liên kết hydro với Lys211 được xác định là liên kết chủ đạo. Ngoài ra mô hình docking còn cho thấy các chất có hoạt tính ức chế mạnh và điểm số docking thấp đều là những chất có cấu trúc có mạch carbon dài chứa nhiều nhóm carboxyl tạo được đồng thời liên kết ion và liên kết hydro. Các kết quả trên đã giải thích cho các điểm của hai mô hình pharmacophore trên. Bảng 4: Các chất có điểm số docking tốt và hoạt tính thực nghiệm mạnh Tên Cấu trúc Hoạt tính thực nghiệm (M) Điểm số docking (kJ/mol) JAC-2018-73-425- EDDS 0,18 Đồng vận imipenem Hoạt tính in vivo -32,487 BMC-2017-25-19- 5133-RSSAMA 9,3 Đồng vận meropenem -34,014 BMC-2017-25-19- 5133-SSSAMA 7 Đồng vận meropenem -31,818 N-2014-510-503- RRSAMA 4 Đồng vận meropenem Hoạt tính in vivo -31,306 (A) (B) (C) (D) Hình 1: Phương thức gắn kết của JAC-2018-73-425-EDDS (A) và BMC-2017-25-19-5133-RSSAMA (B), BMC-2017-25-19-5133-SSSAMA (C) và N-2014-510-503-RRSAMA (D). Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 713 Hình 2: Hai mô hình pharmacophore được lựa chọn, Hyd: điểm kỵ nước; Acc: điểm nhận liên kết hydro; Ani: điểm anion Bảng 5: Kết quả đánh giá các mô hình pharmacophore STT Ph4 Tập hoạt tính (67) Tập không hoạt tính (95) Đánh giá TP FP FN TN Se Sp Acc 1 HH-- 47 20 39 56 0,547 0,737 0,617 2 HHa- 44 23 41 54 0,518 0,701 0,587 3 HHa- 32 35 26 69 0,552 0,663 0,605 4 Haa - 30 37 25 70 0,545 0,654 0,599 5 Ha-- 28 39 10 85 0,737 0,685 0,677 6 Haa-- 31 36 17 78 0,646 0,684 0,652 7 HHa-- 27 40 16 79 0,628 0,664 0,635 8 Haa- 33 34 22 73 0,600 0,682 0,635 9 Ha-- 37 30 12 83 0,756 0,735 0,719 10 Haa-- 31 36 13 82 0,705 0,695 0,677 11 Haa-- 5 62 5 90 0,500 0,592 0,569 12 aa-- 36 31 18 77 0,667 0,713 0,677 13 H--- 37 30 12 83 0,755 0,735 0,719 14 HHa-- 31 36 23 72 0,574 0,667 0,617 15 ---- 35 32 14 81 0,714 0,717 0,695 16 aa-- 36 31 13 82 0,735 0,726 0,707 17 aaaa 37 30 17 78 0,685 0,722 0,689 18 H---- 27 40 7 88 0,794 0,688 0,689 H là điểm kỵ nước, a là điểm nhận liên kết hydro, d là điểm cho liên kết hydro, - là điểm anion Mô hình docking trên các chất thỏa pharmacophore Sàng lọc các druglike từ tập Drugbank qua lần lượt hai mô hình pharmacophore đã chọn, có 457 và 451 chất thỏa lần lượt hai mô hình. Sau khi gộp chung hai tập trên, kết quả cho tập chung gồm 462 chất. Tiến hành docking các chất này, 446 chất được dock thành công vào khoang gắn kết của NDM-1. Do 4 chất có hoạt tính ức chế thực nghiệm nằm trong khoảng [-35; 30), Nghiên cứu tiến hành chọn top 5% các chất có điểm số docking thấp nhất ứng với khoảng [-40; -30) tương ứng với 23 chất. Về phương thức gắn kết, các chất này phải thỏa điều kiện liên kết phối trí với hai ion kẽm và liên kết hydro với Lys211 là điều kiện đủ để thỏa mô hình docking của các chất ức chế từ các bài báo. Phương thức gắn kết của một số chất được trình bày ở Hình 3. Kết quả cuối cùng thu được 17 chất. Chất có điểm số docking thấp nhất là DB07588 với điểm số - 39,31 kJ/mol. Trong cấu trúc phân tử, các nhóm Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Chuyên Đề Dược 714 carboxyl thể hiện vai trò chính trong việc liên kết với ion kẽm và Lys211. Ngoài ra, còn có các liên kết phụ khác của nhân pyrrol với His250 và nhân indol với Met67. Đây đều là các acid amin quan trọng. Tương tác kỵ nước cũng có mặt với sự tham gia của nhân thơm và các acid amin His250, Asn220 và Met67. Một chất dùng trong điều trị đau thắt ngực cũng thỏa yêu cầu mô hình docking, đó là acid diaminohydroxy-propan-tetraacetic – DB12362 với điểm số docking là -30,91 kJ/mol. Chất này có cấu trúc khá giống với 4 chất có hoạt tính thực nghiệm ở kết quả docking ban đầu (Hình 3). Kết quả sàng lọc ảo Các mô hình docking trên chất ức chế NDM-1 và hai mô hình pharmacophore số 9 và 13 được ứng dụng để sàng lọc các chất trong tập Drugbank. Từ cơ sở dữ liệu Drugbank 9101 chất sàng qua luật 5 Lipinski chọn được 7616 chất. Sàng lọc qua 2 mô hình pharmacophore thu được 462 chất; kết hợp với mô hình mô tả phân tử docking thu được 17 chất ức chế enzym NDM-1 tiềm năng. (A) (B) Hình 3: Phương thức gắn kết của DB07588 (A) và DB12362 (B) trong khoang gắn kết BÀN LUẬN Mô hình mô tả phân tử docking cho thấy tầm quan trọng của nhóm carboxyl tạo liên kết phối trí với hai ion kẽm cũng như liên kết hydro với Cys208 và Lys211 thông qua các chất có điểm số docking thấp và có hoạt tính mạnh trong thực nghiệm. Với một khoang gắn kết với nhiều acid amin phân cực thì liên kết ion và liên hydro có tầm quan trọng rất lớn trong cách thức gắn kết của các chất ức chế. Ngoài ra, tương tác kỵ nước cũng xảy ra với mức độ thấp hơn với His250, His122, Met67. Mô hình 3D pharmacophore đã được xây dựng bao gồm hai mô hình số 9 và 13 đều gồm 4 điểm, trong đó 2 điểm anion, 1 điểm kỵ nước, 1 điểm anion hoặc 1 điểm nhận liên kết hydro. Kết quả này hoàn toàn toàn thống nhất với mô hình docking. Kết quả sàng lọc trên cơ sở dữ liệu Drugbank thu được 17 chất có tiềm năng ức chế NDM-1. Nhằm đánh giá hoạt tính sinh học thực nghiệm của các chất này, Nghiên cứu đề nghị có thể tiến hành thử hoạt tính các chất trên in vitro. Ngoài ra, để sàng lọc ra được các chất có cấu trúc mới hơn, nghiên cứu đề nghị sàng lọc trên thư viện các hợp chất phân lập từ bài thuốc cổ truyền Trung Hoa (Traditional Chinese Medicine -TCM) và tập ZINC (zincpharmer.csb.pitt.edu). KẾT LUẬN Nghiên cứu mô hình cải tiến dự đoán hoạt tính ức chế New Delhi Metallo-beta- lactamase-1 NDM-1 đã thực hiện được mô hình mô tả phân tử docking, mô hình 3D pharmacophore có khả năng dự đoán hoạt tính ức chế NDM-1. Mô hình 3D pharmacophore Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược 715 và mô hình docking được ứng dụng để sàng lọc tìm kiếm các cấu trúc mới có khả năng ức chế NDM-1 trên ngân hàng cấu trúc Drugbank. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 108.05-2017.12 (cho Lê Minh Trí). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Everett M, Sprynski N, Coelho A, Castandet J, Bayet M, Bougnon J, Lozano C, Davies DT, Leiris S, Zalacain M. (2018). Discovery of a Novel Metallo-ß-Lactamase Inhibitor, which can Potentiate Meropenem Activity against Carbapenem-Resistant Enterobacteriaceae. Antimicrob Agents Chemother, 62(5): e00074-18. 2. Hà Thị Kiều Oanh, Võ Viết Việt, Đinh Văn Toàn, Nguyễn Tuấn Huy, Lê Quốc Hưng, Mai Thành Tấn, Thái Khắc Minh (2018). Xây dựng mô hình dự đoán hoạt tính ức chế New Delhi metallo-β-lactamase NDM-1. Chuyên đề Dược, Y học Thành Phố Hồ Chí Minh, phụ bản 22 (1), 403-407. 3. Khan S, Ali A, Khan AU (2018). Structural and functional insight of New Delhi Metallo β-lactamase-1 variants. Future Med Chem, 10:221-229. 4. O'neill J (2018). Tackling Drug-Resistant Infections Globally: final report and recommendations" https://amr- review.org/Publications.html. [Truy cập: 01/06/2018]. 5. Seidel T, Ibis G, Bendix F, Wolber G (2010). Strategies for 3D pharmacophore-based virtual screening, Drug Discovery Today: Technologies. 7 (4), e221-e228. 6. Sun Z, Hu L, Sankaran B, Prasad BVV, Palzkill T (2018). Differential active site requirements for NDM-1 β- lactamase hydrolysis of carbapenem versus penicillin and cephalosporin antibiotics. Nat Commun, 9(1):4524. 7. Wishart DS, Feunang YD, Guo AC, Lo EJ, Marcu A, Grant JR, Sajed T, Johnson D, Li C, Sayeeda Z, Assempour N, Iynkkaran I, Liu Y, Maciejewski A, Gale N, Wilson A, Chin L, Cummings R, Le D, Pon A, Knox C, Wilson M. DrugBank, 11/08/2018. [Online]. Available: www.drugbank.ca [Truy cập: 11/08/2018] Ngày nhận bài báo: 18/10/2018 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 01/11/2018 Ngày bài báo được đăng: 15/03/2019