Tài liệu Tách dòng và biểu hiện Cecropin trong các hệ Vector khác nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Ngô Thị Hà TÁCH DÒNG VÀ BIỂU HIỆN CECROPIN TRONG CÁC HỆ VECTOR KHÁC NHAU Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60.42.30 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hƣớng dẫn: PGS. TS. Võ Thị Thƣơng Lan Hà Nội - 2011 Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................... 2 1.1. Tổng quan về tình hình kháng kháng sinh ............................................ 2 1.1.1. Thực trạng kháng kháng sinh ............................................................. 2 1.1.2. Nguyên nhân và giải pháp cho tình trạng kháng kháng sinh ........... 4 1.2. Peptide kháng khuẩn (AMPs) ................................................................ 6 1.2.1. Giới thiệu chung về AMPs .................................................................. 6 1.2.1.1. Hoạt tính sinh học của AMPs ............................................................. 7 1.2.1.2. Sự đa dạng của AMPs ......................................................................... 7 1.2.1.3. Tiềm năng ứng dụng của AMPs .......................................................... 8 1.2.2. Peptide kháng khuẩ n tích điện dƣơng (CAMPs) và cecropin ......... 10 1.2.2.1. Giới thiệu chung về CAMPs ............................................................... 10 1.2.2.2. Peptide kháng khuẩn cecropin ............................................................ 11 1.2.2.2.1. Các đặc trưng về cấu trúc của cecropin ........................................... 11 1.2.2.2.2. Đặc điểm nổi bật của cecropin ......................................................... 13 Ngô Thị Hà 1 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 1.2.2.2.3. Tiềm năng ứng dụng và tình hình nghiên cứu cecropin ................... 19 1.2.2.2.4. Các phương pháp thu nhận cecropin ................................................ 20 1.3. Sản xuất cecropin theo con đường tái tổ hợp ......................................... 21 1.3.1. Lựa chọn hệ thống tế bào biể u hiêṇ ................................................... 21 1.3.2. Lựa chọn hệ thống vector biểu hiện ................................................... 22 1.3.3. Tối ƣu hóa điều kiện biểu hiện ............................................................ 25 1.3.4. Tinh sạch cecropin tái tổ hợp .............................................................. 25 CHƢƠNG 2 - NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 28 2.1. Nguyên liệu .............................................................................................. 28 2.1.1. Các hệ vector ........................................................................................ 28 2.1.2. Các chủng vi khuẩn ............................................................................. 28 2.1.3. Các cặp mồi .......................................................................................... 29 2.1.4. Gel sắc ký ái lực Glutathione Sepharose 4B, Ni-NTA agarose ......... 29 2.1.5. Các hóa chất và thiết bị ....................................................................... 30 2.2. Phương pháp ............................................................................................ 31 2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu .................................................................................. 31 2.2.1.1. Tách dòng (subclone) các gen cecropin từ các vector nhân dòng sang vector biểu hiện .................................................................... 32 Ngô Thị Hà 2 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 2.2.1.2. Biểu hiện các cecropin dưới dạng protein dung hợp .......................... 33 2.2.1.3. Tinh sạch các cecropin dung hợp ....................................................... 34 2.2.1.4. Sử dụng protease để thu nhận cecropin .............................................. 35 2.2.2. Tách chiết plasmid bằng phƣơng pháp biến tính kiềm .................... 35 2.2.3. Xử lý ADN với enzyme giới hạn ......................................................... 36 2.2.4. Biến nạp bằng phƣơng pháp sốc nhiệt ............................................... 37 2.2.5. Phƣơng pháp thẩm tách ...................................................................... 37 2.2.6. Phƣơng pháp đo nồng độ protein ...................................................... 38 2.2.7. Phƣơng pháp điện di ........................................................................... 38 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ ............................................................................... 40 3.1. Tách dòng (subclone) chuyển các gen cecropin vào các vector biểu hiện .......................................................................................................................... 40 3.1.1. Chuyển các gen cecH và cecN sang vector pBS ................................ 40 3.1.2. Thiết kế vector biểu hiện pGEX-cecropin .......................................... 42 3.1.3. Thiết kế vector biểu hiện pET-28a-cecropin ...................................... 44 3.1.4. Thiết kế vector biểu hiện pET-32b-cecropin ..................................... 45 3.2. Biểu hiện các cecropin tái tổ hợp ............................................................ 48 3.2.1. Tối ƣu hóa điều kiện biểu hiện các cecropin dung hợp .................... 48 Ngô Thị Hà 3 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 3.2.2. Xử lý cặn tế bào và thu nhận cecropin dung hợp dạng tan ............ 55 3.2.3. Kết quả tinh sạch GST-cecropin, Trx-cecropin ................................ 57 3.2.4. Kết quả xử lý cecropin dung hợp GST-cecropin và Trx-cecropin với protease .............................................................................................. 61 CHƢƠNG 4-THẢO LUẬN ........................................................................... 65 4.1. Khả năng biểu hiện của cecropin dung hợp phụ thuộc vào hệ thống biểu hiện .................................................................................................................. 65 4.2. Trạng thái biểu hiện của cecropin phụ thuộc vào đuôi dung hợp ........ 66 4.3. Phương pháp thu nhận cecropin dung hợp dạng hòa tan và cách thức tinh sạch ảnh hưởng tới hiệu suất tinh sạch ........................................................ 68 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 72 KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 74 Ngô Thị Hà 4 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Các loại AMPs và tương tự AMPs được sản xuất thương mại .......................... 9 Bảng 2. Một số sản phẩm từ CAMPs được các công ty sản xuất phát triển phục vụ điều trị bệnh ........................................................................................................ 10 Bảng 3. Trình tự axit amin của một số cecropin ............................................. 12 Bảng 4. Đặc điểm của các hệ thống vector biểu hiện ...................................... 25 Bảng 5. Thông tin về các mồi dùng trong nghiên cứu .................................... 29 Bảng 6. Thành phầ n của mô ̣t phản ứng xử lý với enzyme giới ha ̣n ................ 36 Bảng 7. Điều kiện biểu hiện cecropin tái tổ hợp ............................................. 48 Bảng 8. Điều kiện tối ưu biểu hiện GST-cecropin .......................................... 51 Bảng 9. Điều kiện tối ưu biểu hiện Trx-cecropin trong chủng E. coli BL21 (DE3) ............................................................................................................................. 54 Bảng 10. Nồng độ protein của Trx-cecH và Trx-cecN ................................... 63 Ngô Thị Hà 5 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Lịch sử phát hiện thuốc kháng sinh .................................................... 5 Hình 2. Cấu trúc cecropin A của Hyalophora cecropia phân tích bằng khối phổ cộng hưởng từ ..................................................................................................... 13 Hình 3. Một số mô hình tương tác của cecropin với màng tế bào vi sinh vật . 15 Hình 4. Các đích tác động khác của cecropin ngoài màng tế bào ................... 16 Hình 5. Hoạt tính của cecropin B lên tế bào ung thư bàng quang .................. 18 Hình 6. Hình thái học của các tế bào BEL-7402 khi xử lý với cecropin ở các nồng độ khác nhau ....................................................................................................... 18 Hình 7. Các hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp .......................................... 21 Hình 8. Biểu đồ biểu diễn tỉ lệ (%) các đuôi protein dung hợp (Tag) được sử dụng để biểu hiện AMPs ở E. coli ............................................................................... 24 Hình 9. Sơ đồ nghiên cứu ................................................................................ 32 Hình 10. Sơ đồ thiết kế các hệ thống vector biểu hiện cecropin ..................... 33 Hình 11. Sơ đồ các bước tinh sạch các cecropin dung hợp ............................. 34 Hình 12. Điện di kết quả PCR nhân gen cecH và cecN từ pJET1.2-cecH và pJET1.2-cecN trên gel agarose 2% ................................................................... 40 Ngô Thị Hà 6 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Hình 13. Điện di kết quả tinh sạch cecH, cecN trên gel agarose 2% (A) và vector pBS trên gel agarose 1% (B) sau xử lý với XbaI và XhoI .................................. 41 Hình 14. Điện di kết quả sàng lọc khuẩn lạc mang vector tái tổ hợp pBS-cecH và pBS-cecN với cặp mồi vector trên gel agarose 2% (A), hoặc cắt sản phẩm PCR với enzyme XbaI trên gel polyacrylamide 12% (B và C) ......................................... 41 Hình 15. Điện di kết quả PCR nhân gen cecH, cecN từ pBS-cecH, pBS-cecN (A); cecT từ pCR2.1-cecT (B) trên gel agarose 2% ................................................... 43 Hình 16. Điện di kết quả sàng lọc khuẩn lạc mang vector tái tổ hợp pGEX-cecropin với cặp mồi của vector (A) và của gen cecropin (B) trên gel agarose 2% ......... 44 Hình 17. Điện di kết quả sàng lọc khuẩn lạc mang vector tái tổ hợp pET-28acecropin trên gel agarose 1% ............................................................................. 45 Hình 18. Điện di kết quả tinh sạch cecH, cecN (A) và cecT (B) trên gel agarose 2% và pET-32b (C) trên gel agarose 1% sau xử lý với NcoI và EcoRI ................... 46 Hình 19. Điện di kết quả sàng lọc khuẩn lạc mang vector tái tổ hợp pET-32bcecropin với cặp mồi của vector trên gel agarose 1% (A, B, C) và với cặp mồi của gen cecropin trên gel agarose 2% (D) ................................................................ 47 Hình 20. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pGEX-cecH trên gel SDS-PAGE 10% .................................................... 49 Hình 21. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pGEX-cecN trên gel SDS-PAGE 10% .................................................... 49 Hình 22. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli mang vector pGEXcecT trên gel SDS-PAGE 10% ........................................................................... 50 Ngô Thị Hà 7 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Hình 23. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pGEX-cecN trên gel SDS-PAGE 10% .................................................... 50 Hình 24. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) (A) và E. coli JM109 (B) mang vector pGEX-cecropin ở điều kiện biểu hiện tối ưu trên gel SDS-PAGE 10% ................................................................................................ 51 Hình 25. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pET-28a-cecH (A) và pET-28a-cecN (B) ở điều kiện biểu hiện tối ưu trên gel SDS-PAGE 10% ................................................................................................ 52 Hình 26. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pET-32b-cecH và pET-32b-cecN trên gel SDS-PAGE 12% .................. 53 Hình 27. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli BL21 (DE3) mang vector pET-32b-cecT trên gel SDS-PAGE 12% ................................................ 54 Hình 28. Kết quả điện di protein tổng số của tế bào E. coli JM109 mang vector pET-32b-cecH và pET-32b-cecN trên gel SDS-PAGE 12% ............................. 55 Hình 29. Kết quả điện di protein tổng số sau xử lý không biến tính các protein dung hợp của cecH: GST-cecH (A), His+GST-cecH (B) trên gel SDS-PAGE 10% và TrxcecH (C) trên gel SDS-PAGE 12% .................................................................... 56 Hình 30. Kết quả điện di protein tổng số sau xử lý biến tính các protein dung hợp của GST-cecH với SDS (A), GST-cecH với ure (B), His+GST-cecH với ure (C) biểu hiện trong chủng E. coli BL21 (DE3) trên gel SDS-PAGE 10% ....................... 57 Hình 31. Kết quả điện di các phân đoạn tinh sạch protein dung hợp GST-cecH biểu hiện trong chủng E. coli BL21 (DE3) sau xử lý biến tính với SDS 0.5% (A) và sau xử lý ure 8 M (B) theo phương pháp tinh sạch biến tính trên gel SDS-PAGE 10% Ngô Thị Hà 8 58 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Hình 32. Kết quả điện di các phân đoạn tinh sạch protein dung hợp GST-cecH biểu hiện trong chủng E. coli BL21 (DE3) (A), chủng E. coli JM109 (B) sau xử lý biến tính với ure 8 M theo phương pháp tinh sạch không biến tính trên gel SDS-PAGE 10% ..................................................................................................................... 59 Hình 33. Kết quả điện di các phân đoạn tinh sạch protein dung hợp Trx-cecH (A) và Trx-cecN (B) biểu hiện trong chủng E. coli BL21 (DE3) trên gel SDS-PAGE 12% ............................................................................................................................. 60 Hình 34. Kết quả điện di các phân đoạn tinh sạch protein dung hợp Trx-cecT biểu hiện trong chủng E. coli BL21 (DE3) trên gel SDS-PAGE 12% ....................... 60 Hình 35. Kết quả điện di xử lý GST-cecH với thrombin trên gel SDS-PAGE 10% ............................................................................................................................. 62 Hình 36. Kết quả điện di kiểm tra khả năng trở về trạng thái cặn của Trx-cecH sau khi thẩm tách (A) và sau khi xử lý với enterokinase (B) trên gel SDS-PAGE 12% ............................................................................................................................. 63 MỞ ĐẦU Nhân ngày Sức khỏe Thế giới 7/4/2011, tổ chức Y tế Thế giới WHO đã đưa ra chủ đề “Chống kháng kháng sinh: không hành động hôm nay, không còn thuốc chữa mai sau” nhằm thức tỉnh cộng đồng về vấn đề vi sinh vật kháng thuốc đang đe dọa toàn cầu. Chống kháng Ngô Thị Hà 9 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 kháng sinh không phải là vấn đề mới, nhưng đã trở nên cấp bách, đòi hỏi nỗ lực tổng hợp giúp nhân loại tránh nguy cơ quay trở lại thời kỳ chưa có kháng sinh. Cho đến nay, các giải pháp đưa ra nhằm hạn chế tình trạng kháng kháng sinh chưa phát huy tác dụng như mong đợi. Trong khi hướng phát triển các loại kháng sinh mới đang trong tình trạng bế tắc, các nhà khoa học đã tìm ra một nguồn kháng sinh tự nhiên đầy tiềm năng, đó là các peptide kháng khuẩn (antimicrobial peptides, AMPs). Trong số các peptide này, cecropin chủ yếu được tách chiết từ côn trùng, có phổ kháng khuẩn rộng và có nhiều tiềm năng ứng dụng nên thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Để sản xuất AMPs nói chung và cecropin nói riêng, có ba con đường tiếp cận chính là (1) tách chiết từ tự nhiên (2) tổng hợp trực tiếp từ các axit amin theo con đường hóa học và (3) biểu hiện protein tái tổ hợp. Tuy nhiên, với yêu cầu thu được lượng lớn cecropin tinh khiết, hai phương pháp đầu đều có giá thành cao và khó áp dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Vì vậy, với mong muốn giảm chi phí và chủ động trong việc sản xuất cecropin được phân lập từ côn trùng ở Việt Nam cho các nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi tiến hành đề tài “Tách dòng và biểu hiện cecropin trong các hệ vector khác nhau”. Đây là một hướng nghiên cứu còn khá mới ở Việt Nam nhưng hứa hẹn nhiều triển vọng. Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Sinh Y và Phòng Genomic, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về tình hình kháng kháng sinh 1.1.1. Thực trạng kháng kháng sinh Ngô Thị Hà 10 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Kháng kháng sinh là hiện tượng vi sinh vật (virus, vi khuẩn, nấm, ký sinh trùng) có khả năng vô hiệu hóa tác dụng của thuốc kháng sinh mà trước đó chúng vẫn mẫn cảm [63, 79]. Khi các loại thuốc mất tác dụng điều trị, vi sinh vật gây bệnh vẫn tồn tại và phát triển khiến bệnh lây lan nhanh ra cộng đồng thành dịch bệnh rất khó kiểm soát. Đặc biệt các nước nghèo và các nước đang phát triển phải đối mặt với hậu quả vô cùng nghiêm trọng do gánh nặng điều trị các bệnh nhiễm khuẩn và những chi phí bắt buộc cho việc thay thế các kháng sinh cũ bằng các kháng sinh mới đắt tiền. Thực trạng kháng kháng sinh đã, đang và sẽ là vấn đề mang tính toàn cầu, thách thức toàn nhân loại. Điều này đã được Tổng giám đốc WHO Margaret Chan nhận định nhân ngày Sức khỏe Thế giới 7/4/2011: “Một trong những mối quan ngại hàng đầu trong việc chăm sóc sức khỏe y tế hiện nay chính là tình trạng bệnh kháng thuốc kháng sinh. Đây chính là nguy cơ hàng đầu gây thách thức trong công tác chăm sóc y tế và kiểm soát các bệnh truyền nhiễm, đồng thời làm tăng chi phí chăm sóc sức khỏe cho cộng đồng”. Năm 1928 được coi là mốc quan trọng đầu tiên đánh dấu cho công cuộc tìm kiếm thuốc kháng sinh khi Alexander Fleming (1881-1955) phát hiện ra penicillin [72, 75]. Tuy nhiên, hơn 60 năm sau khi phát hiện và gần 50 năm sau khi penicillin được đưa vào sản xuất ở quy mô công nghiệp, trên thế giới đã xuất hiện hơn 95% chủng Staphylococcus aureus kháng lại penicillin và 60% kháng lại dạng dẫn xuất của nó là methicillin [7]. Ngày nay, vi khuẩn không chỉ kháng lại penicillin mà còn kháng nhiều loại kháng sinh khác và trở thành mối đe dọa thực sự đối với sức khoẻ nhân loại. Theo thống kê năm 2006 của WHO, 5 vi khuẩn có tỷ lệ kháng kháng sinh cao nhất hiện nay là Klebsiella (15.1%), E. coli (13.3%), P. aeruginosa (13.3%), Acinetobacter spp (9.9%) và S. aureus (9.3%). Nhóm thuốc cephalosporin thế hệ thứ tư có tỷ lệ kháng cao đặc biệt từ 66-83%, tiếp theo là nhóm kháng sinh aminosid và fluoroquinolon có tỷ lệ kháng xấp xỉ trên 60%. Báo cáo của WHO cho biết, số quốc gia có bệnh lao kháng thuốc tăng từ 58 trong năm 2010 lên 69 trong năm 2011. Mỗi năm, thế giới Ngô Thị Hà 11 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 có khoảng 440,000 ca mới nhiễm lao đa kháng thuốc, ít nhất 150,000 ca tử vong vì loại vi khuẩn này [79]. Tính riêng ở các nước thuộc liên minh châu Âu EU thì cứ mỗi năm có khoảng 25,000 người chết vì các loài vi khuẩn đa kháng thuốc [80]. Các kháng sinh thế hệ mới đắt tiền, thậm chí cả một số kháng sinh thuộc nhóm “lựa chọn cuối cùng” cũng đang mất dần hiệu lực [1]. Bằng chứng mới đây nhất là sự lây lan của chủng vi khuẩn kháng carbapenem (NDM-1) ở một số nước châu Âu và châu Á. Loại “siêu vi khuẩn kháng thuốc” này tiết ra enzyme NDM-1 có thể kháng lại hầu hết mọi loại thuốc kháng sinh, kể cả nhóm kháng sinh mạnh nhất là carbapenem [7, 79]. Các nhà khoa học lo ngại “siêu vi khuẩn” có thể lan ra khắp thế giới, đồng thời khẳng định trong tương lai gần chưa có loại thuốc nào có khả năng tiêu diệt được. Kháng kháng sinh không chỉ ảnh hưởng tới lĩnh vực y tế mà nó còn tác động sâu sắc đến nền kinh tế. Theo ước tính của WHO, ở Mỹ mỗi năm chi phí y tế cho thuốc điều trị nhiễm khuẩn xấp xỉ 20 tỉ $; còn với khối EU là 1.5 tỉ € [80]. Vì vậy, kháng kháng sinh giờ đã trở thành vấn đề mang tính toàn cầu. Hiện nay, tình hình kháng kháng sinh ở Việt Nam cũng diễn biến hết sức phức tạp. Theo báo cáo của Bộ Y tế trong năm 2008 thì nhiễm khuẩn chiếm tỷ lệ tử vong cao thứ hai (16.7%) chỉ sau bệnh về tim mạch (18.4%). Báo cáo kết quả nghiên cứu ở 19 bệnh viện ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và Hải Phòng trong hai năm (2009-2010) về tình trạng kháng kháng sinh cho thấy, có 4 chủng vi khuẩn kháng kháng sinh thường gặp là Acinetobacter spp, Pseudomonas spp, E. coli và Klebsiella. Hầu hết các kháng sinh thông thường như: penicillin, tetracycline, streptomycine, … đã bị kháng. Theo báo cáo “Phân tích thực trạng: sử dụng kháng sinh và kháng kháng sinh ở Việt Nam” do nhóm nghiên cứu Quốc gia của Việt Nam thuộc tổ chức hiệp hội kháng kháng sinh toàn cầu (GARP, Global Antibiotic Resistance Partnership) vào tháng 10 năm 2010 thì tình trạng kháng kháng sinh ở nước ta đáng báo động [1]. Bằng chứng là tỷ lệ chủng Streptococcus pneumoniae, một trong những nguyên nhân chính gây nhiễm khuẩn hô hấp, kháng penicillin là 71.4%, kháng erythromycin là 92.1%. Ngô Thị Hà 12 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Đây là tỉ lệ kháng cao nhất trong số 11 nước trong mạng lưới giám sát các căn nguyên kháng thuốc Châu Á (ANSORP) năm 2000-2001. Năm 2009 tỷ lệ các ch ủng vi khuẩn Gram âm kháng với ceftazidime là 42%, kháng với gentamicin là 63% và kháng với axit nalidixic là 74% ở cả bệnh viện và trong cộng đồng. Xu hướng gia tăng của tình trạng kháng kháng sinh cũng thể hiện rõ rệt. Những năm 1990, tại thành phố Hồ Chí Minh, chỉ có 8% các chủng pneumococcus kháng với penicillin. Đến năm 1999-2000, tỉ lệ này đã tăng lên 56% [1]. Chính vì tình trạng kháng kháng sinh ngày càng có xu hướng tăng lên như vậy mà Việt Nam đã bị WHO xếp vào nhóm nước có tỷ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới (WHO, 2008). Thực trạng phức tạp này không chỉ đặt ra cho ngành y tế Việt Nam nhiều thách thức mà còn đòi hỏi cả xã hội phải cùng nhau hành động để có thể làm giảm bớt tình trạng kháng kháng sinh. 1.1.2. Nguyên nhân và giải pháp cho tình trạng kháng kháng sinh Để hiểu rõ căn nguyên của tình trạng kháng kháng sinh, báo cáo của WHO trong ngày sức khỏe thế giới 7/4/2011 đã tổng kết 6 nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng kháng kháng sinh cao như sau [79]: Thứ nhất, kháng thuốc là một hiện tượng tiến hóa tự nhiên. Khi vi sinh vật tiếp xúc với các chất có khả năng tiêu diệt chúng, những vi sinh vật “may mắn” sống sót sẽ tự tạo ra những cơ chế tự vệ tránh được tác dụng của các chất này. Từ đó các thế hệ vi sinh vật kháng thuốc được hình thành. Không những thế, gen kháng thuốc có thể được truyền ngang từ cá thể này sang cá thể khác nên vi sinh vật kháng thuốc ngày càng nhiều. Nguyên nhân này là quy luật tự nhiên nên khó có giải pháp ngăn chặn. Tuy nhiên, 4 nguyên nhân tiếp theo lại xuất phát chủ yếu từ phía con người. Đó chính là: sử dụng thuốc không hợp lý; chất lượng thuốc kém; công tác phòng ngừa, kiểm soát bệnh lây Ngô Thị Hà 13 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 truyền yếu và thiếu hệ thống giám sát. Chính những nguyên nhân này thúc đẩy nguyên nhân đầu tiên diễn ra nhanh hơn và góp phần không nhỏ dẫn đến tình trạng kháng kháng sinh hiện nay. Vì vậy, muốn tình trạng kháng kháng sinh giảm xuống thì chính chúng ta phải có những hành động tích cực ngay ngày hôm nay. Nguyên nhân cuối cùng dẫn tới tình trạng kháng kháng sinh ngày càng trầm trọng chính là các công cụ mới chống lại sự kháng thuốc ngày càng cạn kiệt. Các loại thuốc kháng sinh đang mất dần tác dụng. Trong khi đó, sự phát triển các loại kháng sinh thế hệ mới ngày càng thu hẹp. Hình 1. Lịch sử phát hiện thuốc kháng sinh. Nhìn vào Hình 1 chúng ta thấy hàng loạt các thuốc kháng sinh được tìm ra chủ yếu trong khoảng từ năm 1940 đến năm 1970. Có thể nói đây là thời đại hoàng kim của thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, từ những năm 1980 trở lại đây số lượng thuốc kháng sinh mới rất hiếm. Điều này đặt ra mối lo ngại có phải nguồn kháng sinh đã cạn kiệt? Thêm vào đó nếu tình trạng kháng kháng sinh ngày càng gia tăng như hiện nay thì liệu rằng những thế hệ tương lai sẽ còn Ngô Thị Hà 14 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 được hưởng những lợi ích mà kháng sinh mang lại? Đây chính là mối băn khoăn chính được đưa ra trong Ngày sức khỏe thế giới năm nay. Một trong những giải pháp nhằ m đáp ứng nguồ n kháng sinh mới là khai thác các peptide kháng khuẩn AMPs (antimicrobial peptides) [7, 79]. Hàng loạt nghiên cứu đã chỉ ra rằng cơ thể của các sinh vật đều mang trong mình một hệ thống các peptide có khả năng kháng khuẩn [22, 30]. Chúng có đầy đủ tiềm năng để trở thành nguồn nguyên liệu quý giá mà con người có thể khai thác trong “thời đại kháng kháng sinh” hiện nay [28, 49]. 1.2. Peptide kháng khuẩn (AMPs) 1.2.1. Giới thiệu chung về AMPs Tất cả các cơ thể đa bào đều tiến hóa qua hàng triệu năm trong môi trường có nhiều loại vi sinh vật. Mặc dù thường xuyên tiếp xúc với các mầm bệnh qua những con đường khác nhau nhưng nhiều loài sinh vật vẫn không có sự bảo vệ của kháng thể hoặc các tế bào miễn dịch [30, 57]. Lý do mà chúng có thể tồn tại được là nhờ hệ miễn dịch bẩm sinh tạo ra bởi hàng loạt AMPs tham gia đáp ứng miễn dịch không đặc hiệu [20, 28]. Một thực tế quan trọng là các mầm bệnh vi sinh vật dường như không hình thành tính kháng với các peptide này. Đây cũng chính là một trong những lý do để các nhà nghiên cứu và các hãng dược phẩm tin tưởng rằng AMPs sẽ trở thành liệu pháp chữa bệnh mới thay thế cho các loại thuốc kháng sinh dễ bị vi sinh vật gây bệnh kháng lại [22, 45, 70]. 1.2.1.1. Hoạt tính sinh học của AMPs AMPs có hoạt tính kháng lại vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, vi rút, nấm, kí sinh trùng [20, 28, 37, 48]. Tùy thuộc vào loại AMPs mà có hoạt tính kháng mạnh hay yếu, phổ tác dụng Ngô Thị Hà 15 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 rộng hay hẹp. Ngoài ra, một số loại AMPs còn có hoạt tính kháng viêm, diệt tế bào ung thư và đảm nhiệm các chức năng nhất định trong hệ thống miễn dịch bẩm sinh cũng như hệ thống miễn dịch tiếp thu [28, 30]. 1.2.1.2. Sự đa dạng của AMPs AMPs được tìm thấy trong nhiều mô và cơ quan khác nhau ở tất cả các giới, các ngành sinh vật, từ prokaryote cho đến con người [28, 60]. Tuy nhiên, hiện nay các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung phân tích AMPs có nguồn gốc từ sinh vật nhân chuẩn. Đến nay đã có khoảng 800 loại AMPs khác nhau được tìm thấy ở các sinh vật nhân chuẩn [37]. Dựa vào mức độ tương đồng về độ tích điện, trình tự, chức năng và cấu trúc không gian, AMPs được chia thành các nhóm như sau [4, 9]:  Nhóm peptide là phân đoạn của các protein lớn hơn: Các peptide này được tạo ra do protein lớn hơn bị phân cắt bởi enzyme. Trong số các peptide thuộc nhóm này, peptide được quan tâm nhiều nhất là lactoferricin được tạo ra khi lactoferrin (một protein có hoạt tính kháng khuẩn, được tiết chủ yếu ở các mô nhầy) bị phân cắt bởi enzyme pepsin. Các nghiên cứu cho thấy lactoferricin là peptide có hoạt tính kháng khuẩn phổ rộng [62].  Nhóm peptide tích điện âm: Lần đầu tiên vào năm 1992, các nhà khoa học đã phân lập được 3 peptide kích thước nhỏ (721.6 đến 823.8 Da) tích điện âm từ cừu có hoạt tính kháng lại Mannheimia haemolytica, Escherichia coli và Klebsiella pneumoniae [8]. Đến nay các nhà nghiên cứu đã tìm ra được rất nhiều loại peptide kháng khuẩn tích điện âm từ lưỡng cư (maximin H5), từ người (dermcidin) [9].  Nhóm peptide tích điện dương: Đây là nhóm peptide đầu tiên được nghiên cứu và cũng là nhóm lớn nhất, có mặt ở cả động vật lẫn thực vật trong đó phần lớn được phân lập từ các loài côn trùng [5]. Một số loại peptide kháng khuẩn tích điện dương điển hình như Ngô Thị Hà 16 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 cecropin, andropin, moricin, ceratotoxin, melittin từ côn trùng hay magainin, dermaseptin, brevinin-1, esculentins, buforin II từ lưỡng cư [9]. 1.2.1.3. Tiềm năng ứng dụng của AMPs Cho đến nay, bên cạnh việc phát triển để thay thế dần các loại kháng sinh đã bị kháng, AMPs còn hứa hẹn trở thành liệu pháp chữa trị ung thư mới đầy hiệu quả [42, 58, 64]. Hơn nữa, các gen mã cho AMPs là một nguồn gen quan trọng để tạo nên các sinh vật chuyển gen có khả năng kháng lại mầm bệnh. Thực tế cho thấy hàng loạt các loại thực vật và động vật chuyển gen mã cho AMPs đã được tạo ra [27, 47]. Riêng trong lĩnh vực phát triển thuốc kháng sinh thế hệ mới từ AMPs đã thu được những kết quả khả quan. Rất nhiều loại AMPs đã được các hãng dược phẩm đưa vào sản xuất, thử nghiệm và một số loại đã được thương mại hóa (Bảng 1) [22]. Bảng 1. Các loại AMPs và tương tự AMPs được sản xuất thương mại [22]. Tên hãng sản xuất Tên thuốc AM-Pharma hLF-1-11 (petide nhỏ có nguồn gốc từ lactoferrin (Phần Lan) người) Ceragenix (Denver) Helix Biomedix (USA) Ngô Thị Hà Giai đoạn phát triển Phase II Sử dụng trong y học Các nhiễm trùng liên quan đến cấy ghép tủy xương cùng loài CSA-13 (steroid tích Tiền thử nghiệm điện dương bắt chước các lâm sàng peptide thuộc hệ thống bảo vệ cơ thể) Chống nhiễm khuẩn HB-50 (peptide tổng hợp Tiền thử nghiệm tự nhiên bắt chước lâm sàng cecropin) HB-107 (đoạn dài 19 Tiền thử nghiệm axit amin của cecropin B) lâm sàng Chống nhiễm khuẩn 17 Chữa lành vết thương K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 Inimex (Canada) IMX942 (peptide dài 5 Trong quá trình Điều chỉnh hệ miễn axit amin) tối ưu hóa dịch; điều trị sốt và giảm bạch cầu trung tính ở bệnh nhân hoá trị liệu Lytix Biopharma (Na Uy) Chưa công bố Novacta Biosystems Ltd. (Anh) Mersaxitin (bacteriocin) Tiền thử nghiệm Kháng vi khuẩn Gram lâm sàng dương Novozymes A/S (Đan Mạch) Plectasin (defensin của nấm) Tiền thử nghiệm Kháng các loại vi khuẩn lâm sàng Gram dương, đặc biệt trong trường hợp nhiễm phế cầu khuẩn và khuẩn liên cầu Pacgen (Canada) Phát minh Chống nhiễm khuẩn và ung thư PAC113 (dựa trên đoạn Được phê chuẩn Thuốc uống điều trị hoạt động của histatin 5- là loại thuốc mới chứng sưng tấy do nấm protein được tìm thấy nghiên cứu lan trong âm đạo, ruột, trong nước bọt của người) miệng hoặc da 1.2.2. Peptide kháng khuẩn tích điện dƣơng (CAMPs) và cecropin 1.2.2.1. Giới thiệu chung về CAMPs CAMPs được định nghĩa là các peptide có từ 12-50 axit amin với điện tích +2 đến +9 do có đuôi lysine hoặc arginine và có tới 50% là các axit amin kỵ nước [11, 38]. Trong số 3 nhóm peptide kháng khuẩn đã trình bày ở trên thì đây là nhóm được quan tâm rất nhiều do các đặc điểm: (1) có mặt ở hầu hết các loài sinh vật; (2) có phổ kháng khuẩn rộng; (3) vi sinh vật khó hình thành tính kháng và (4) có mức độ đa dạng cao giữa các sinh vật. Đặc điểm này giúp CAMPs có tiềm năng phát triển thành các loại thuốc khác nhau [14, 28, 63]. Đến nay, đã có khoảng hơn 600 CAMPs được phát hiện từ vi sinh vật cho đến con người [38]. Từ những Ngô Thị Hà 18 K18 Sinh học Luận văn thạc sĩ khoa học 2009-2011 năm 1990, các hãng dược phẩm lớn trên thế giới như Magainin Pharmaceuticals (Plymouth Meeting, PA), XOMA (Santa Monica, CA), Demegen (Durham, NC), IntraBiotics Pharmaceuticals (Mountain View, CA), … đã nhận thấy nhóm CAMPs mang nhiều triển vọng và tập trung phát triển để sản xuất thành thuốc thương mại (Bảng 2) [7]. Bảng 2. Một số sản phẩm từ CAMPs được các công ty sản xuất phát triển phục vụ điều trị bệnh [7]. Công ty sản xuất Sản phẩm Giai đoạn phát triển Magainin Pexiganan, 1 loại CAMPs có nguồn Hoàn Pharmaceuticals (Plymouth gốc từ da ếch thành Meeting, PA) phase III Micrologix Biotech Đoạn 12 axit amin 1 loại CAMPs của (Vancouver, BC, Canada) loài động vật có vú có khả năng chống nhiễm khuẩn máu XOMA Corporation (Santa Monica, CA) CAMPs BPI dùng để kháng Neisseria meningitidis Phase II Phase III Dựa vào đặc điểm về cấu trúc cuộn gấp, CAMPs có thể được phân thành 4 lớp: lớp peptide dạng phiến gấp nếp  được làm bền bởi 2 đến 4 cầu disulfit (ví dụ như , -defensin, plectasin, protegrins); lớp peptide dạng xoắn  (ví dụ như LL-37, cecropin, magainin); lớp peptide có cấu trúc giàu glycine, proline, tryptophan, arginine và hoặc histidine (ví dụ như indolicidin); lớp peptide dạng loop với 1 cầu disulfide (ví dụ như bactenecin) [22]. 1.2.2.2. Peptide kháng khuẩn cecropin Cecropin là peptide kháng khuẩn đầu tiên được phân lập và nghiên cứu một cách đầy đủ nhất [31, 45]. Cecropin được phân lập lần đầu tiên (năm 1981) từ loài bướm đêm Hyalophora cecropia sau khi bị nhiễm với vi khuẩn [55]. Kể từ đó, người ta nhận thấy cecropin hay các Ngô Thị Hà 19 K18 Sinh học