Tài liệu Bước đầu xây dựng cơ sở dữ liệu các hợp chất thiên nhiên việt nam phục vụ cho việc sàng lọc ảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA Y – DƯỢC NGUYỄN THỊ THU HÀ BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN VIỆT NAM PHỤC VỤ CHO VIỆC SÀNG LỌC ẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ ĐẠI HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA Y DƯỢC NGUYỄN THỊ THU HÀ BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN VIỆT NAM PHỤC VỤ CHO VIỆC SÀNG LỌC ẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ ĐẠI HỌC Khóa: QH.2012.Y Người hướng dẫn: 1. TS. Lê Thị Thu Hường 2. PGS.TS. Dương Thị Ly Hương Hà Nội – 2017 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Dược liệu – Dược học cổ truyền, Khoa Y-Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Thị Thu Hường, giảng viên Bộ môn Dược liệu – Dược học cổ truyền; PGS.TS. Dương Thị Ly Hương, giảng viên Bộ môn Dược lý - Dược lâm sàng, Khoa Y-Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giao đề tài và luôn ở bên tôi trong suốt quá trình làm luận văn, chỉ bảo tôi về chuyên môn cũng như động viên tôi trong cuộc sống, giúp tôi hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đặng Thanh Hải, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp tôi đưa CSDL ra giao diện web. Bên cạnh đó tôi xin gửi lời ơn tới ban quản lý thư viện Quốc gia, thư viện đại học Dược Hà Nội, thư viện Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ, tạp chí Dược học… các nhà sáng lập và quản lý của ChemAxon, ChemMine Tools, ClassyFire - The Metabolomics Innovation Centre (TMIC)… đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới gia đình, người thân và bạn bè là những người đã luôn quan tâm, chăm sóc và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và làm việc. Xin trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày tháng năm Sinh viên DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CSDL Cơ sở dữ liệu YHCT Y học cổ truyền FDA Food and Drug Administration (Cục quản lý thuốc và thực phẩm Mỹ) IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng) NIST National Institute of Standards and Technology (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ) SMILES Simplified Molecular Identification and Line Entry System (Hệ thống đơn giản hóa với đầu vào dưới dạng dòng để biểu diễn phân tử) InChi IUPAC International Chemical Identifier (Nhận dạng hóa học quốc tế theo IUPAC) InChiKey IUPAC International Chemical Identifier Key (Dạng rút gọn của nhận dạng hóa học quốc tế theo IUPAC) MACCS Molecular ACCess System (Hệ thống truy cập phân tử) NCI National Cancer Institute (Viện ung thư quốc gia Mỹ) VNPD_ID Vietnam Natural Products Database _Identification (Định danh của hợp chất trong cơ sở dữ liệu các hợp chất tự nhiên Việt Nam) MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................................ 3 1.1. Nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên.............................................................................................3 1.1.1. Vai trò hợp chất thiên nhiên trong quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc hiện đại................3 1.1.2. Y học cổ truyền .............................................................................................................................4 1.1.3. Tổng quan về quá trình nghiên cứu phát triển thuốc mới ............................................................6 1.2. Tổng quan về CSDL các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên ...........................................................7 1.2.1. Trên thế giới .................................................................................................................................7 1.2.2. Tại Việt Nam ................................................................................................................................8 1.3. Cơ sở dữ liệu các hợp chất ..............................................................................................................9 1.3.1. Biểu diễn và nhận dạng các hợp chất hóa học bởi máy tính........................................................9 1.3.2. Thông tin liên quan về hợp chất được phân lập ........................................................................ 11 1.3.3. Các đặc tính vật lý và hóa hoc của hợp chất ............................................................................ 11 1.4. Khai thác CSDL ........................................................................................................................... 11 1.4.1. Sử dụng CSDL ........................................................................................................................... 12 1.4.2. Ứng dụng CSDL cho quá trình sàng lọc ảo in silico ................................................................ 12 1.4.3. Xây dựng các hệ thống để xác định mục tiêu phân tử của các hợp chất................................... 13 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 14 2.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................................. 14 2.2. Phương pháp, thiết bị nghiên cứu.............................................................................................. 14 2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu .................................................................................................... 14 2.2.2. Phương pháp xử lý số liệu.......................................................................................................... 14 2.2.3. Thiết lập giao diện website ........................................................................................................ 17 2.2.4. Thiết bị nghiên cứu..................................................................................................................... 19 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................................... 20 3.1. Nội dung CSDL các hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên Việt Nam ........................................ 20 3.1.1. Số lượng các hợp chất ................................................................................................................ 20 3.1.2. Phân loại các hợp chất theo đặc điểm cấu trúc hóa học ........................................................... 20 3.1.3. Phân loại các hợp chất theo nhóm tác dụng sinh học................................................................ 27 3.1.4. Đánh giá mức độ giống thuốc theo quy tắc số 5 của Lipinski ................................................... 30 3.2. VNPD website ................................................................................................................................ 31 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 35 Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 Phụ lục 2 Phụ lục 3 Phụ lục 4 Phụ lục 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tên bảng Trang Một số CSDL công cộng có chứa các hợp chất có nguồn gốc 8 thiên nhiên 1.2 Một số CSDL về hợp chất có nguồn gốc tự nhiên trên thế giới 8 3.1 Thống kê các phân nhóm chính trong CSDL 21 3.2 Số vi phạm quy tắc Lipinski của các hợp chất trong CSDL 30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Tên hình Trang 1.1 Quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc mới 6 2.1 CSDL ban đầu với các thông tin được thu thập và trình bày trên Exel 15 2.2 Mô tả nội dung và các trường lớn của CSDL 17 2.3 Quá trình đưa ra dữ liệu hiển thị cho thông tin truy vấn 18 3.1 Biểu đồ biểu thị sự phân bố của các nhóm phân loại chính của các hợp chất trong CSDL 22 3.2 Các biểu đồ biểu thị sự phân bố các phân nhóm nhỏ của một số nhóm chính trong CSDL hiện có 25 3.3 Thống kê tác dụng dân gian của các hợp chất ghi nhận được trong CSDL 28 3.4 Thống kê tác dụng dược lý đã được chứng minh của các hợp chất ghi nhận được trong CSDL 29 3.5 Các biểu đồ biểu thị sự đánh giá các hợp chất trong CSDL dựa theo quy tắc số 5 của Lipinski 30 3.6 Giao diện VNPD cung cấp các thông tin về hợp chất Barlupulin A 32 3.7 Kết quả tìm kiếm “sterol” ở trường “Tên thông thường” trong VNPD 33 3.8 Kết quả tìm kiếm “Xoan rừng” ở trường “Nguồn phân lập” trong VNPD 33 ĐẶT VẤN ĐỀ Thuốc có nguồn gốc tự nhiên đóng góp một phần quan trọng trong hệ thống chăm sóc sức khỏe trên toàn thế giới. Theo ước tính của tổ chức Y tế Thế giới (WHO), 80% dân số trên toàn thế giới sử dụng thuốc có nguồn gốc tự nhiên như một lựa chọn hàng đầu trong việc phòng và chữa bệnh. Gần đây, do xu hướng toàn cầu của việc sử dụng các sản phẩm tự nhiên trong phòng ngừa và điều trị các bệnh về thể chất và tinh thần, thảo dược ngày càng được chú ý trong các điều tri lâm sàng trên toàn thế giới. Trong kỷ nguyên thống trị của hóa học tổ hợp hiện đại, người ta có thể sử dụng phương pháp tổng hợp, bán tổng hợp để tạo ra các phân tử mới, thiết kế các cấu trúc thuốc mới. Nhưng theo một số nghiên cứu đã được công bố, các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên có các đặc tính hóa học giống thuốc hơn so với các hợp chất tổng hợp được từ hóa tổ hợp [41]. Để tổng hợp một số lượng lớn các dữ liệu hóa sinh và rút ngắn thời gian phát minh thuốc mới, các CSDL phân tử đã được xây dựng và trở thành một công cụ hữu ích cho các nhà thiết kế thuốc. Trong số đó, CSDL cấu trúc của các hợp chất được phân lập từ thảo dược tự nhiên mang lại nhiều ứng dụng hiệu quả trong thực tế, các thảo dược tự nhiên có thể được xem như là một nguồn phong phú và tiềm năng, là các ứng viên làm thuốc [20]. Khoa học hiện đại giúp chúng ta có thể phân tích sâu hơn về dược liệu, từ các thành phần hóa học cấu thành đến các tác dụng dược lý liên quan qua những nghiên cứu thực nghiệm. Hàng năm có rất nhiều báo cáo về phân lập và chiết tách các thành phần hóa học của cây được công bố trên các tạp chí khoa học ở quy mô quốc gia, quy mô quốc tế. Nhưng các báo cáo này chỉ dừng lại ở mức độ công bố mà chưa thực sự đem lại được một giá trị thực tiễn. Các báo cáo cung cấp cho chúng ta những thông tin tương đối đầy đủ và đáng tin cậy về các hợp chất hóa học được phân lập từ cây thảo dược với cấu trúc hóa học, định danh, tác dụng dân gian, tác dụng dược lý đã được chứng minh, nguồn dược liệu làm thí nghiệm … Mặc dù ta có được một lượng thông tin lớn và đa dạng về các hợp chất, nhưng chỉ có một tỷ lệ nhỏ trong sự đa dạng đó được khai thác nghiêm túc cho tiềm năng dược lý của nó. Những thông tin này đã được nghiên cứu và công bố rộng rãi nhưng chưa có một sự quy tụ hay quản lý chung, là một vấn đề khó khăn trong công tác tìm kiếm và chọn lựa đối với các nhà khoa học. Do vậy, việc đưa ra các giải pháp thu thập và quản lý một cách hiệu quả là vấn đề rất cần thiết hiện nay, đặc biệt là những đề xuất, giải pháp mang tính công nghệ ứng dụng. Đối với vấn đề quản lý hiệu quả thì việc đề xuất các giải pháp ứng dụng công nghệ thông tin vào xây dựng CSDL và hệ thống phần mềm giúp cho việc thu thập, quản lý và tra cứu là hết sức cần thiết. Trên thế giới, một số quốc gia phát triển như Trung Quốc, Nam Phi, Brasil đã xây dựng thành công hệ CSDL về các hợp chất phân lập từ thảo dược thiên nhiên ở đất nước họ [1, 8, 22]. Và đã có một số báo cáo ghi nhận các trường hợp thiết kế thuốc thành công dựa trên các tìm kiếm CSDL cấu trúc đó. Ngày nay, việc tìm kiếm các hoạt chất tự nhiên có hoạt tính sinh học cao để làm thuốc là một xu thế được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm. Việt Nam là một trong những quốc gia thuộc các vùng nhiệt đới – nơi chứa đựng giá trị đa dạng sinh học cao chưa được khám phá, đây như là một tiềm năng và cũng là một thách thức lớn cho việc xây dựng và khai thác CSDL một cách tối ưu nhất. Do đó, chúng tôi tiến hành đề tài: “Bước đầu xây dựng cơ sở dữ liệu các hợp chất thiên nhiên Việt Nam phục vụ cho việc sàng lọc ảo” với các mục tiêu chính sau: - Xây dựng được một CSDL gồm các hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên Việt Nam. Xây dựng một giao diện website để quản lý và sử dụng CSDL hiệu quả. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên 1.1.1. Vai trò hợp chất thiên nhiên trong quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc hiện đại Hợp chất thiên nhiên (hay hợp chất tự nhiên, natural products) là các chất hóa học có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc được chiết xuất từ các mô của động vật, thực vật trên cạn; sinh vật biển; vi khuẩn lên men; vi sinh vật [35]. Hầu hết các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học là các chất chuyển hóa thứ cấp có cấu trúc rất phức tạp. Điều này làm chúng có tính ưu trội hơn vì chúng là các hợp chất cực kỳ mới. Thực vật được cấu thành bởi một hệ thống lớn và đa dạng các chất hóa học, chúng có thể cung cấp những hợp chất với cấu trúc có độ phức tạp cao mà không thể tổng hợp được trong các phòng thí nghiệm. Những phân tử nhỏ này cung cấp nguồn hoặc là tiền chất cho phần lớn các hoạt chất được FDA chấp thuận và hiện đang là một trong những nguồn cảm hứng chính cho việc nghiên cứu và phát hiện thuốc mới. Có nhiều chất dẫn đường có nguồn gốc từ thực vật [46] (ví dụ morphin, cocain, digitalis, quinin, tubocurarin, nicotin, muscarin…). Một số đóng vai trò trực tiếp là những loại thuốc hữu ích (ví dụ morphin và quinin), và một số khác là cơ sở cho tổng hợp các hoạt chất làm thuốc (ví dụ như thuốc gây mê cục bộ phát triển từ cocain). Gần đây trong lâm sàng, một số loại thuốc mới đã được phân lập từ thực vật bao gồm thuốc chống ung thư paclitaxel (Taxol) từ cây thủy tùng, và thuốc chống sốt rét artemisinin từ câu thanh hao hoa vàng. Nhiều thực vật bậc cao chứa các chất chuyển hóa mới có tính kháng khuẩn và kháng virus [33]. Ở những nước phát triển, các ca lâm sàng có dử dụng hóa trị liệu thường dùng các thuốc đã được sản xuất bằng hóa tổng hợp in vitro; nhưng taxol và vincristin là ngoại lệ [42], chúng là các chất chuyển hóa có cấu trúc phức tạp, rất khó tổng hợp trong ống nghiệm. Nhiều loại thuốc tổng hợp và bán tổng hợp gây ra các phản ứng phụ nghiêm trọng, nhất là các thuốc dùng điều trị cho bệnh nhân ung thư với các tác dụng phụ biểu hiện trên da một cách rất nghiêm trọng. Các chất chuyển hóa được phát hiện trong một số loài thực vật có thể tránh tác dụng phụ của thuốc tổng hợp vì chúng đã từng tích tụ trong các tế bào sống [36]. Việc khám phá và phân lập nhiều hợp chất dược liệu từ các nguồn tự nhiên một phần là do các đặc tính đã biết của các sinh vật chứa các chất này. Một trong những hợp chất tinh khiết được phân lập đầu tiên trong lịch sử y học là morphin vào khoảng năm 1804 bởi Friedrich Serturner từ thuốc phiện [49]. Vào thời điểm đó, thuốc phiện được gọi là thuốc gây nghiện, mặc dù nó đã được sử dụng nhiều trong điều trị giảm đau vào thời Trung cổ. Thuốc kháng sốt rét, quinin đã được Pelletier và Caventou phân lập từ cây vỏ cây cinchona vào năm 1820 [47]. Loại vỏ cây này đã được sử dụng để điều trị sốt rét từ những năm 1600 và cũng là một phần của y học cổ truyền Nam Mỹ để điều trị bệnh sốt. Sự gia tăng tính kháng thuốc đối với quinin và dẫn chất của nó dẫn đến nhu cầu về thuốc sốt rét thay thế và ta có artemisinin được phân lập từ cây thanh hao hoa vàng [44]. Một thuốc giảm đau tự nhiên khác, và là một trong những loại thuốc được sử dụng rộng rãi nhất mọi thời đại [51], là axit acetylsalicylic, được đăng ký dưới tên "Aspirin" [23]. Tiền thân của nó là axit salicylic từ vỏ cây liễu, lá của cây này được người Ai Cập cổ đại sử dụng với tác dụng giảm đau và chống viêm. Sự khám phá ngẫu nhiên penicillin vào năm 1928 đã đánh dấu một mốc quan trọng cho nền Y học hiện đại. Alexander Fleming đã nghiên cứu và quan sát được vi khuẩn Staphylococcus không thể phát triển xung quanh một khu vực nhỏ xung quanh khuôn của chi Penicillium [6]. Fleming đã thử nghiệm ảnh hưởng này lên các vi sinh vật khác nhau và suy luận rằng nó có tính kháng khuẩn. 1.1.2. Y học cổ truyền Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), định nghĩa Y học cổ truyền bao gồm các kỹ năng, kiến thức và thực hành được sử dụng trong chăm sóc sức khoẻ dựa trên kinh nghiệm hoặc tín ngưỡng của các nền văn hoá khác nhau [52]. Từ ngàn năm xưa, sự hình thành và phát triển các nền văn minh cổ đại phụ thuộc rất nhiều vào hệ thực vật và động vật bản địa. Họ đã thử nghiệm với nhiều quả mọng, lá, rễ, các bộ phận động vật hoặc khoáng chất để tìm ra những thứ có lợi cho họ. Do đó, nhiều thuốc thô đã được quan sát bởi các thầy lang tại địa phương hoặc thầy pháp sư và được sử dụng để chữa bệnh. Mặc dù một số chế phẩm có thể gây nguy hiểm nhưng các phương pháp chữa bệnh truyền thống đã thu được những hiệu quả đáng kể, và thực tế hầu hết các loại thuốc tây cho đến những năm 1920 được phát triển theo cách này [26]. Nền Y học cổ truyền phương Đông đã trải qua hàng nghìn năm hình thành và phát triển, dù là cách thức hay phương tiện khác nhau nhưng sự kết hợp của nền Y học cổ truyền với Y học hiện đại đã đem lại nhiều hiệu quả cao trong công tác chăm sóc sức khỏe con người [37]. Các tài liệu của Y học Trung Quốc về phản ứng của artemisia đối với bệnh sốt rét cũng là nguồn gốc của artemisinin chống sốt rét ngày nay [40]. Các đặc tính trị liệu của cây thuốc phiện (hoạt chất gốc - morphin) đã được biết đến ở Ai Cập cổ đại. Các nền văn hoá Aztec và Maya của Mesoamerica đã sử dụng chiết xuất từ nhiều loại cây bụi bao gồm gốc rễ ipecacuanha (hoạt chất emetin), cây coca (hoạt chất cocain) và vỏ cây cinchona (hoạt chất quinin). Trên thế giới, nhu cầu về các lựa chọn chăm sóc sức khoẻ theo YHCT đã tăng lên trong những năm gần đây với xu hướng quay về với thiên nhiên của con người hiện nay [13]. Ở nhiều vùng nông thôn, người dân không có điều kiện được hưởng những chăm sóc y tế hiện đại, YHCT lại đóng vai trò quan trọng trong công tác chăm sóc và bảo vệ sức khỏe cho con người nơi đây [37]. Y học cổ truyền cũng được coi là một phần của một số nền văn hoá. 1.1.2.1. Nền Y học cổ truyền Việt Nam Từ xa xưa các lý luận triết học duy vật cổ đại (thuyết âm dương, ngũ hành...) đã được các nhà y học cổ phương Đông vận dụng vào y học trong mọi lĩnh vực từ phòng bệnh đến chẩn trị, bào chế thuốc men, làm phong phú thêm cho kho tàng lý luận của y học cổ truyền. Đặc biệt dưới thời nhà Trần, trong lúc triều đình và giới quan lại quyền quý sính dùng thuốc Bắc thì thầy thuốc Tuệ Tĩnh với tinh thần độc lập tự chủ đã đề xướng lên quan điểm “Nam dược trị Nam nhân” qua tác phẩm Nam dược thần hiệu (được bổ sung và in lại năm 1761). Tuy nhiên, phải đến thời Hậu Lê, thì toàn bộ những lý luận, học thuật của Trung Quốc và Việt Nam mới được tổng kết ở mức độ uyên thâm nhất qua tác phẩm Hải Thượng Y Tôn Tâm lĩnh của Lê Hữu Trác (1720 - 1791). Ngoài tác phẩm kinh điển vĩ đại của Hải Thượng Lãn ông Lê Hữu Trác còn có thêm: Nam Dược của Nguyễn Hoành (Tây Sơn) giới thiệu 500 dược thảo và 130 dược liệu từ khoáng vật và động vật. Trong thế kỷ 20 các vị danh y Việt Nam cũng đã biên soạn trên 200 tập sách có giá trị về Đông y bằng tiếng Quốc ngữ. Ngày nay dược liệu nói chung và thuốc YHCT nói riêng đã có trong danh mục thuốc thiết yếu. 1.1.2.2. Tiềm năng nguồn dược liệu Viêt Nam Theo kết thống kê của Viện Dược liệu, tính đến năm 2017 đã ghi nhận được 5.117 loài thực vật và nấm lớn, 52 loài tảo biển, 408 loài động vật và 75 loài khoáng vật có công dụng làm thuốc. Trong số đó, có khoảng 70 loài có tiềm năng khai thác với tổng trữ lượng khoảng 18.000 tấn/năm như diếp cá (5.000 tấn), cẩu tích (1.500 tấn), lạc tiên (1.500 tấn), rau đắng đất (1.500 tấn)…Đặc biệt, Việt Nam sở hữu nhiều loài dược liệu quý, hiếm, đặc hữu như: Sâm Ngọc Linh, Ba kích, Châu thụ, Ngân đằng… Kết quả này cho thấy nguồn dược liệu ở nước ta rất phong phú. Con số này còn có thể sẽ tăng thêm, nếu đi sâu điều tra cụ thể hơn một số nhóm động – thực vật tiềm năng, mà trong đó số loài Tảo, Rêu, Nấm và Côn trùng làm thuốc mới được thống kê còn quá ít. Chiến lược quốc gia phát triển ngành dược đến năm 2020 đã đặt mục tiêu phấn đấu sản xuất được 20% nhu cầu nguyên liệu cho sản xuất thuốc trong nước; thuốc sản xuất trong nước chiếm 80% tổng giá trị thuốc tiêu thụ trong năm, trong đó thuốc từ dược liệu chiếm 30%. 1.1.3. Tổng quan về quá trình nghiên cứu phát triển thuốc mới Con đường phát triển thuốc là một con đường rất dài và gặp nhiều khó khăn, tốn kém. Tỷ lệ thành công thấp, rủi ro cao và chi phí ngày càng nhiều là những điều chúng ta thường nghe thấy khi đề cập đến quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc trong thời gian gần đây. Quá trình phát triển đó thể hiện qua biểu đồ dưới đây: Hình 1.1: Quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc mới Toàn bộ giai đoạn chiếm thời gian khoảng 15 – 25 năm, từ khoảng 10.000 hoạt chất tiềm năng ở bước 1 đến duy nhất 1 thuốc ở bước 4, và chi phí khoảng 2 tới 3 tỷ USD. Chi phí này bao gồm cả các thử nghiệm thất bại trong quá trình nghiên cứu. Do vậy, số lượng thuốc mới trên thị trường ngày càng giảm sút. Đối với các thuốc được cấp phép bởi FDA cứ 10 thuốc thì chỉ có khoảng 2 thuốc có khả năng bù đắp lại được chi phí nghiên cứu ban đầu. Theo hướng này, các ngành công nghiệp dược toàn cầu đã sử dụng phương pháp mới trợ giúp bởi máy tính để tối ưu hóa quá trình này. 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 [10, 18]. Chúng được gọi chung là các phương pháp “in silico”. Các khái niệm về sàng lọc in silico (sàng lọc ảo) xuất hiện vào những năm 60 của thế kỷ XX với các mô hình của Hansch. Thế nhưng, chỉ từ năm 1990 thì lĩnh vực này mới có nhiều bước tiến và từ đó đến nay, ngày càng phát triển mạnh mẽ. Mô hình in silico không những bổ sung cho các mô hình thực nghiệm mà còn giúp định hướng quá trình tổng hợp/phân lập các chất. Ngoài ra sau khi được xây dựng, việc sử dụng các mô hình này 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. Các kỹ thuật sàng lọc ảo có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu về thiết kế thuốc, phát triển các hợp chất ức chế trên đích sinh học khác nhau, điển hình như các đích phân tử cho những bệnh đang được quan tâm hiện nay như ung thư, bệnh do ký sinh trùng, bệnh HIV,… 1.2. Tổng quan về CSDL các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên 1.2.1. Trên thế giới Ngày nay trên thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, các nước châu Âu… đã xây dựng và đưa vào ứng dụng thành công các CSDL, các ngân hàng cấu trúc về các hợp chất. Các hợp chất hóa học được biểu diễn dưới các định dạng khoa học thống nhất, bằng ngôn ngữ máy tính được tập hợp và lưu trữ trong các kho dữ liệu phục vụ hữu ích cho các nhà nghiên cứu; đặc biệt trong quá trình sàng lọc in silico để tìm ra hợp chất dẫn đường, có tiềm năng làm thuốc [11, 19]. Bảng 1.1 và Phụ lục 1 tổng hợp một số CSDL lớn và được dùng phổ biến hiện nay, chúng gồm các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên và các hợp chất tổng hợp bán tổng hợp nhân tạo. Ngày nay các ngân hàng cấu trúc được biệt lập và phát triển hơn với những CSDL đặc thù về các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên, hầu hết các CSDL này có tính chất phi thương mại và được xây dựng dưới dạng một giao diện web. Người dùng có thể tìm kiếm thông tin về hợp chất dựa trên nhiều lựa chọn tìm kiếm khác nhau theo tên thông thường, tên IUPAC, SMILES, InChi, tính chất phân tử… [8, 22]. Một số CSDL còn hỗ trợ cho phép người dùng tải về cấu trúc hợp chất dưới dạng molfile hoặc sdffile. Một số CSDL lớn cung cấp cho người truy cập thêm thông tin về các dự đoán với mục tiêu phân tử của hợp chất tiềm năng trong Y học hiện đại hay ước tính hoạt động phân tử theo tác dụng cổ truyền của thảo dược. Bảng 1.1: Một số CSDL công cộng có chứa các hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên [29]. Địa chỉ website Tên CSDL Số lượng Số lượng hợp chất có hợp chất nguồn gốc thiên nhiên ChEBI www.ebi.ac.uk/chebi >6.800 ~3.500 ChemBank chembank.broad.harvard.edu >1.100.000 Chưa có thông tin ChemID chem.sis.nlm.nih.gov/chemidplus >379.000 cactus.nci.nih.gov/ncidb3/downl NCI oad_ncidb3.html pubchem.ncbi.nlm.nih.gov PubChem ∼2.000 >260.000 Chưa có thông tin >5.000.000 Chưa có thông tin TCMDatabase@Taiwan [8] được coi là hệ CSDL lớn nhất hiện nay. CSDL chứa 37.170 hợp chất (32.364 không trùng lặp) được phân lập từ 352 loài thảo dược Trung Quốc. Bảng 1.3: Một số CSDL về hợp chất có nguồn gốc tự nhiên trên thế giới CSDL TCM Database@Taiwan (Traditional Chinese Medicine Database@Taiwan) Địa chỉ website http://tcm.cmu. edu.tw/ Số lượng hợp chất 37.170 Đơn vị hỗ trợ và quản lý Đại học y Trung Quốc, Đài Loan Chem-TCM database (Chemical Database of Traditional Chinese Medicine) http://www.timt ec.net/naturalcompoundlibrary.html 12.070 Đại học Hoàng gia London, Vương quốc Anh. TimTec LLC NPEdia (RIKEN Natural Products Encyclopedia) http://www.cbr g.riken.jp/npedi a/?LANG=en 11.075 RIKEN, Japan 640 Đại học Sao Paulo 600 Đại học Rhodes http://nubbe.iq. NuBBE database (A database of natural products unesp.br/portal/ associated with Brazil) nubbedb.html SANCDB (South African natural compound database) https://sancdb.r ubi.ru.ac.za/ 1.2.2. Tại Việt Nam Thảo dược và các sản phẩm của chúng ngày càng nhận được sự quan tâm từ các nhà khoa học và các đề xuất nghiên cứu hiện nay. Từ xu hướng chung cùng nhu cầu thực tế, các công trình nghiên cứu về hợp chất thiên nhiên đã nở rộ và phát triển mạnh ở nhiều đơn vị. Đặc biệt trong một số dự án nghiên cứu tìm kiếm các hợp chất dẫn đường, các đơn vị nghiên cứu đã tiến hành xây dựng được một số CSDL hợp chất thiên nhiên phục vụ cho quá trình nghiên cứu của mình. Tuy nhiên quy mô và phạm vi quản lý của các CSDL còn nhiều hạn chế, các CSDL này mới dừng ở mức độ sử dụng nội bộ. 1.3. Cơ sở dữ liệu các hợp chất CSDL là một hệ thống các thông tin có cấu trúc được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ thứ cấp nhằm thoả mãn yêu cầu khai thác thông tin đồng thời của nhiều người sử dụng hay nhiều chương trình ứng dụng với nhiều mục đích khác nhau. CSDL giúp tổ chức/quản lý thông tin một cách hiệu quả hơn; giảm sự trùng lặp thông tin xuống mức thấp nhất và do đó bảo đảm được tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu; giúp tìm kiềm thông tin một cách hiệu quả hơn; dữ liệu có thể được truy xuất theo nhiều cách khác nhau; khả năng chia sẻ thông tin cho nhiều người sử dụng và nhiều ứng dụng khác nhau. CSDL các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên Việt Nam được xây dựng với mục đích tập hợp và quản lý các hợp chất được phân lập từ các thảo dược Việt Nam nhằm phục vụ cho việc sàng lọc ảo thuốc và là nguồn tham chiếu cho một số mục đích nghiên cứu khoa học khác. Các hợp chất được biểu diễn trong CSDL chứa các thông tin về định dạng biểu diễn dòng (SMILES, InChi, InChiKey); số đăng ký tên hợp chất VNPD_ID; tên thông thường; tên IUPAC; công thức; 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); 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); tài liệu tham khảo. 1.3.1. Biểu diễn và nhận dạng các hợp chất hóa học bởi máy tính 1.3.1.1. SMILES SMILES (Simplified Molecular Identification and Line Entry System) là một dạng ký hiệu ngôn ngữ hóa học được thiết kế đặc biệt để sử dụng trên máy tính [17]. SMILES cho phép biểu diễn chính xác các đặc điểm cấu trúc bằng ngôn ngữ đơn giản và tự nhiên hơn. Nó dễ dàng được truy cập và sử dụng trong các chương trình máy tính hiện đại. Tương tự như ký hiệu hóa học, nhưng nó được cải thiện về phương pháp phần mềm do đó tốc độ nhanh hơn và sử dụng tốt hơn trên máy tính. Được phát triển như là một sự thay thế cho ký hiệu công thức dòng để biểu diễn cấu trúc hợp chất hóa học theo ngôn ngữ máy tính. Nó cho phép một hợp chất được viết như một chuỗi văn bản theo năm quy tắc [30]. Cấu trúc phân tử là duy nhất và xác định, có thể được sử dụng với CSDL hóa chất, hệ thống SMILES được thiết kế để có thể tương tác tốt hơn với máy tính. Sự mã hóa một cách nghiêm ngặt các hợp chất đầu vào giúp đơn giản hóa việc sử dụng SMILES trên các chương trình máy tính. Hệ thống ký hiệu SMILES [10] rất thích hợp để chạy trong các chu trình sàng lọc hiệu năng cao. 1.3.1.2. InChI InChi [38] (IUPAC International Chemical Identifier) được thiết kế là một định danh không độc quyền, duy nhất cho một cấu trúc hóa học, được thiết kế để tạo thuận lợi cho việc tìm kiếm và sử dụng các thông tin trong CSDL và trên web [3]. Ban đầu được phát triển bởi IUPAC và NIST 2000-2005, định dạng và các thuật toán là không độc quyền, mã nguồn mở, được sử dụng tự do. Miễn phí truy cập vào các chương trình máy tính phát triển. Nó được mô tả là một loại mã vạch chứa thông tin cấu trúc. InChi gồm nhiều lớp, mỗi lớp được phân tách bằng một dấu gạch chéo, mô tả các loại thông tin khác nhau. InChI có thể chứa một số lớp khác nhau cùng xác định công thức, kết nối, đồng vị, cấu trúc và các tautomers của cấu trúc hóa học [3]. Các thuật toán Inchi chuyển đổi thông tin đầu vào thành một định dạng Inchi duy nhất trong một quá trình ba bước [38]: tiêu chuẩn hóa (để loại bỏ thông tin dự phòng), hợp quy (để gán số duy nhất cho mỗi nguyên tử), và tuần tự (đưa ra một chuỗi ký tự) . Định danh mô tả các chất hóa học dựa trên các thông tin về nguyên tử và các liên kết của chúng, đồng phân, đồng vị, lập thể, và thông tin điện tích điện tử…Chúng có thể thể hiện nhiều thông tin hơn so với ký hiệu SMILES đơn giản. Mỗi cấu trúc có một chuỗi Inchi đặc trưng, đó là yếu tố quan trọng đối với các CSDL. 1.3.1.3. InChIKey InChiKey [4] (IUPAC International Chemical Identifier Key) là một biểu diễn 27 ký tự của một InChI, có thể được sử dụng dễ dàng hơn để tìm một cấu trúc hóa học trong cơ sở dữ liệu hoặc một công cụ tìm kiếm trên Internet [4]. Dựa trên các cuộc trao đổi với các nhà phát triển công cụ tìm kiếm, InChIKey đáp ứng được tất cả về các chữ cái viết hoa và chiều dài mà các công cụ tìm kiếm sẽ chấp nhận, không cần cắt ngắn hoặc sửa đổi. Tìm cấu trúc tương ứng với một InChIKey cụ thể cần tìm kiếm trên web hoặc truy vấn ở các phần mềm chuyên dụng (ví dụ như ChemSpider và NCI: cả hai đều miễn phí sử dụng). Tất nhiên, đối với CSDL mục tiêu cụ thể, một dịch vụ tra cứu có thể được bổ sung bởi các nhà phát triển (ví dụ như trong Unichem và dịch vụ CSDL web). 1.3.1.4. Số đăng ký Đối với mỗi CSDL, nhà sáng lập sẽ tự gán cho mỗi hợp chất một chuỗi số định danh duy nhất. Giống như là quá trình đặt tên theo một hệ thống để giúp CSDL dễ dàng sử dụng và kiểm soát hơn. Số đăng ký được coi là ký hiệu thương mại đặc trưng của mỗi CSDL. VNPD_ID được lấy là số đăng ký cho các hợp chất trong CSDL này. 1.3.2. Thông tin liên quan về hợp chất được phân lập Các hợp chất trong CSDL được thu thập và tổng hợp lại với các thông tin liên quan về tên thông thường (tên được định danh bởi tác giả khi hợp chất đó được phân lập), tên IUPAC, công thức; thông tin về nguồn phân lập: tên nguồn dược liệu (tên thông thường, tên khoa học), địa điểm thu hái mẫu, thời gian thu hái mẫu, bộ phận sử dụng, tác dụng dân gian, tác dụng dược lý được chứng minh (nếu có)… Mỗi hợp chất được trích dẫn với nguồn tham khảo của nó để người sử dụng có thể dễ dàng truy cập và đánh giá tính chính xác của thông tin về hợp chất. Thông tin về nguồn phân lập các hợp chất được thu thập một cách chi tiết về thời gian, địa điểm thu mẫu; bộ phận sử dụng; các tác dụng dân gian và tác dụng dược lý được chứng minh (nếu có). Đối với các nhà nghiên cứu dược liệu, các thông tin trên là hết sức quan trọng và cần thiết để xác định chính xác hợp chất được đề cập tới. Các thành phần hóa học của dược liệu vốn rất đa dạng và phức tạp; như với cùng một cây, thời gian thu hái khác nhau hoặc địa điểm thu hái ở các vùng khác nhau, khi phân lập ra có mẫu sẽ thu được hợp chất này, nhưng có mẫu sẽ không thu được; điều này do cấu tạo sinh học kỳ diệu của các loài. CSDL tập hợp đầy đủ các thông tin liên quan nhất có thể về nguồn phân lập giúp cho người sử dụng có thể dễ dàng tiếp cận và có cơ sở để nghiên cứu thêm về các hợp chất. 1.3.3. Các đặc tính vật lý và hóa hoc của hợp chất Thông tin về các đặc tính hóa, lý của hợp chất [14] được cung cấp về phân loại nhóm cấu trúc; 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 trong tính toán vân tay điện tử (Fingerprints). CSDL cung cấp một vài thông số cơ bản về đặc tính lý, hóa đặc trưng của mỗi hợp chất, những dữ liệu này có thể được sử dụng như nguồn tham khảo hữu ích phục vụ cho các nghiên cứu khoa học hiện đại. Đặc biệt là các nghiên cứu về tìm kiếm hợp chất dẫn đường, hợp chất giống thuốc, hợp chất có tiềm năng làm thuốc bằng các phương pháp sàng lọc ảo “insilico”. 1.4. Khai thác CSDL 1.4.1. Sử dụng CSDL CSDL được thiết kế dưới hình thức một giao diện web dễ tiếp cận và truy cập. Người dùng có thể dễ dàng tìm kiếm được các thông tin về một hợp chất với nhều cách thức truy vấn khác nhau [1]. Có thể tìm kiếm hợp chất theo tên thông thường, tên IUPAC, theo SMILES, InChi, InChiKey… Khi tìm kiếm một hợp chất có trong CSDL, hệ thống sẽ trả về cho người sử dụng tất cả thông tin liên quan về hợp chất đó, từ thông tin liên quan đến cấu trúc, thông tin về nguồn dược liệu đến các thông tin về một số hợp chất tương tự… Các hợp chất trong CSDL đều được liên kết với một hệ thống các tài liệu tham khảo riêng. Các tài liệu tham khảo này chính là những báo cáo khoa học đã được thu thập và chọn lọc trong quá trình xây dựng và phát triển hệ CSDL lớn [1, 9, 21]. Người sử dụng có thể tham khảo thêm lượng thông tin sâu hơn về hợp chất qua các tài liệu trích dẫn kèm theo này. CSDL có thể hỗ trợ người dùng với các tiện ích tải về cấu trúc hợp chất dưới định dạng molfile và sdffile. CSDL hướng tới được thiết kế dưới hình thức một phần mềm máy tính, giúp cho người dùng có thể khai thác một cách tối ưu nhất tùy vào từng mục đích sử dụng. CSDL cung cấp với mục đích phi thương mại, là nơi chia sẻ và tham luận của các nhà nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu có thể chia sẻ, cập nhập các hợp chất của mình lên hệ CSDL với sự kiểm soát và hợp tác từ tổ chức sáng lập và quản trị CSDL. Có sự tương tác giữa người sử dụng và CSDL theo hai chiều, tạo điều kiện bổ xung và hoàn chỉnh tốt hơn nữa về mặt chất lượng và số lượng. 1.4.2. Ứng dụng CSDL cho quá trình sàng lọc ảo in silico Các quốc gia phát triển trên thế giới (Mỹ, Đức, Trung Quốc, Anh, Ấn Độ, Pháp...) là những quốc gia dẫn đầu các nghiên cứu ứng dụng máy tính vào việc thiết kế thuốc. Hàng ngàn công trình trong lĩnh vực này đã được công bố trên các tạp chí uy tín. Không chỉ các trường đại học, viện nghiên cứu, các công ty Dược phẩm lớn cũng ứng dụng rất nhiều các kỹ thuật máy tính trong các khâu nghiên cứu và phát triển thuốc. So với các phương pháp thực nghiệm truyền thống các phương pháp in silico 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 [11, 19]. Thêm vào đó, chúng còn 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. CSDL chứa các tham số cấu trúc - dạng biểu diễn của các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên là một nguồn dữ liệu đầy tiềm năng, phục vụ cho quá trình sàng lọc in silico, để tìm ra các hợp chất dẫn đường, các hợp chất làm thuốc tiềm năng.