Khám phá thuốc mới: Từ giai đoạn thiết kế nghiên cứu đến giai đoạn khám phá ra hợp chất triển vọng nhất

Tác giả: Trần Thị Quỳnh Hoa

Mentor: Võ Đức Duy, Ph.D.

Con đường đi cho khám phá thuốc mới:

Ngày nay, phương pháp rà soát các ứng viên thuốc quy mô lớn (high-throughput screening toolbox, HTS toolbox) chia làm hai loại: phương pháp phụ thuộc nhãn truyền thống và những công nghệ không phụ thuộc nhãn đặc biệt. Các nhà nghiên cứu chọn ra những phương pháp hứa hẹn nhất phụ thuộc vào độ nhạy phép thử, chất lượng data, giá thành và tốc độ.

Xác định đúng phép thử cho mục đích của bạn:

Quá trình phát triển phương pháp thử cần nhắm tới:

– Phép thử nhạy và mạnh mẽ như thế nào?

– Khoảng tuyển tính của hoạt tính enzyme là gì?

– Các thông số động học để đạt được các điều kiện cân bằng là gì?

Mỗi phương pháp thử quy mô lớn cung cấp những câu trả lời và 1 phép thử nhạy, có thể tái sản xuất phù hợp cho phát hiện “hit”. Nhưng trước khi lựa chọn, cần áp dụng thêm 2 câu hỏi sau:

– Những hạn chế có thể ảnh hưởng đến chất lượng số liệu?

– Những kết quả dương tính-sai và/hoặc âm tính-sai trên diện rộng làm trì hoãn tiến trình và gia tăng chi phí?

Phép thử phụ thuộc nhãn (Label-dependent assays ):

Nguyên lý: đo sự thay đổi phóng xạ hoặc quang học, ví dụ như huỳnh quang và phát quang. Các phép thử quang học phổ biến lợi dụng sự chuyền năng lượng giữa chất cho và nhận, ví dụ như hạt bead hoặc đầu dò huỳnh quang.

Ưu điểm: đơn giản, không đắt

Nhược điểm: tiềm ẩn nhiều vấn đề (những hạn chế khả thi và khả năng số liệu dương tính-giả cao).

Những thách thức của phép thử phụ thuộc nhãn:

– Tăng kháng thể và tổng hợp những hợp chất được đính nhãn có thể trì hoãn dự án vài tháng tới một năm.

– Kháng thể thường không đặc hiệu.

– Hóa chất đắt và có thể bị đội giá gấp đôi.

– DMSO có thể ảnh hướng đến tương tác giữa hóa chất và beads, ảnh hưởng đến chất lượng số liệu.

– Thư viện hoạt chất có thể dập tắt tín hiệu quang học hoặc giải phóng huỳnh quang tự động, gây ra tỷ lệ cao những kết quả dương tính- giả và âm tính giả.

Phép thử không gắn nhãn (LABEL-FREE ASSAYS:):

– Phép thử này loại trừ được những kết quả dương tính giả và âm tính giả từ những can thiệp quang học của thư viện hoạt chất.

– Quang phổ khối (Mass spectrometry-MS) là phương pháp phân tích phản ứng hóa sinh không cần nhãn. MS tiết lộ khối rõ ràng của các hợp chất và sản phẩm, cung cấp một kết quả định lượng, giàu thông tin, loại trừ những nghi vấn xung quanh số liệu. Điều này cũng mở đường để phát hiện những phản ứng không dự đoán trước.

Quang phổ khối ion hoá tia điện (Electrospray Ionization Mass Spectrometry)

Ưu điểm: có độ nhay cao, phù hợp với phân tích các phản ứng hóa sinh.

Nhược điểm:

– Có thể tốn thời gian do cần có bước tách chất từ pha rắn để phân tích.

– Yêu cầu thể tích phản ứng có thể cao hơn 10 lần so với những hình thức khác, kéo theo tiêu hao hoá chất và giá thành.

– Không thể chịu trách nhiệm tới 1536 hình học.

– Chỉ rà soát được với số lượng mẫu ít 1 đĩa 384 well mất 1h để đọc.

Phân bổ âm thanh với Quang phổ khối (Acoustic Dispense With Mass Spectrometry)

Ưu điểm:

– Phản ứng hóa sinh được tiêm thẳng vào thiết bị MS loại trừ những bước chuẩn bị mẫu giới hạn tỷ lệ.

– Những thiết bị nguyên mẫu có thể đạt tới ra soát 100,000 mẫu/ ngày, hữu ích cho nhà nghiên cứu có thể rà soát hàng triệu hợp chất.

Nhược điểm:

– Những thành phần phản ứng khắc nghiệt như muối, chất giặt tẩy, và những protein mang dẫn đến sự khử ion.

– Sự khử ion gây ra nhiễu số liệu, với Z factors giảm xuống dưới 0.5.

– Những thành phần phản ứng chắc chắn có lẽ ảnh hưởng đến phần cứng MS, cần sự bảo trì liên tục.

– Độ nhạy thấp thử thách sự phát hiện phân tích nanomol.

Sự giải hấp thụ laser nhờ ma trận matrix/ Quang phổ khối ion hóa.( MALDI-TOF MS)

Ưu điểm:

– Là môt sự thay thế tới ion hóa tia điện

– Kết quả đầu ra nhanh, hữu ích cho rà soát lượng mẫu lớn.

– Đo được những phân tích đa dạng, bao gồm những phân tử nhỏ, các peptide, các  oligonucleotide và các protein (bao gồm cả kháng thể).

Nhược điểm:

• Cần khử ion bởi muối chất tẩy rửa và protein mang.
• Những hợp chất này phải được xóa bỏ và loại trừ trước tiên để phân tích, gây ra vấn đề giống như acoustic MS.
• Tìm một hệ đệm mà cả enzyme và thiết bị có thể phù hợp thì tốn thời gian, thậm chí hàng năm trời.

Một giải pháp gián đoạn (không gắn nhãn) cho khám phá thuốc mới thành công.

Kĩ thuật SAMDI: Những lớp đơn tự tập hợp cho một sự ion hóa / khử hấp thụ laser nhờ matrix.

Ưu điểm:

– Đạt được cỡ mẫu là 100,000 hợp chất trong 1 ngày.

– Ngày càng cải tiến với những phép thử cỡ mẫu lớn, những mục tiêu đa dạng và những phản ứng sinh hóa, phép thử lựa chọn ái lực và phép thử phụ thuộc tế bào.

– Các nhà khoa học khám phá thuốc được tự do tối ưu điều kiện phép thử theo mục đích của họ.

Hóa học bề mặt (SURFACE CHEMISTRY)

– Những lớp đơn tự tập hợp (Self-assembled monolayers- SAMs) của các alkanethiolate trên vàng tạo nên một bề mặt linh động một cách tổng hợp và được định danh rõ về cấu trúc giúp thuận lợi cho các phản ứng hóa sinh:

– SAMs chứa những oligomers ngắn của ethylene glycol trơ với sự hấp thu protein không đặc hiệu.

– SAMs có thể phù hợp với các nhóm chức năng để bất động các chất gắn khác biệt một cách đặc hiệu, bao gồm những phân tử nhỏ, các peptide, oligonucleotide, protein, và kháng thể.

– SAMs là cơ chất hiệu quả cho MALDITOF MS, nền tảng cho rà soát cỡ mẫu cực lớn và kết quả không phụ thuộc vào nhãn.

Ưu điểm:

– Đơn giản: có thể bắt đầu với 1 phản ứng hóa sinh đồng nhất trong đĩa 384 hoặc 1535 giếng. Cơ chất và sản phẩm được chụp lại một cách cụ thể tới SAM, trong khi nhưng thành phần khác thì được rửa đi. Phát minh này có thể giúp nhà khoa học đưa bất kì muối, đệm, chất tẩy rửa, protein mang hoặc thành phân khác vào trong phản ứng hóa sinh.

– Kết quả phổ sạch sẽ, với đỉnh tương ứng chủ yếu với những loại đơn lẻ, hầu như không có mảnh vụn nào để đơn giản hóa việc diễn giải số liệu và nền.

Những lơi ích của việc kết hợp SAMs và MALDI:

– Loại bỏ nhãn và dương tính giả.

– Có thể phù hợp với bất kì đệm nào.

– Phát triển phép thử nhanh.

– Cỡ mẫu 384 hoặc 1536.

– Phân tích định lượng.

– Giảm giá thành các hóa chất.

– Kết quả rà soát được cỡ mẫu lớn.

– Đa chức năng.

Phát triển phép thử: những câu hỏi thông minh hơn, những câu trả lời thông minh hơn.

-Những phép thử mới với SAMDI bắt đầu mở ra một định hướng các phép thử khac:  không cần tổng hợp chất báo cáo huỳnh quang, tăng kháng thể hay tối ưu hóa đệm tương thích; điều kiện cân bằng phù hợp cho sự phát hiện hit và có thể tiến hành định tính trong vài ngày.

-Những chất cần được quan tâm phân tích phải được phù hợp với sự bất động trên mảng SAM. Do đó, một vài chất hóa học bất động cần được thiết lập, với những phát minh mới, không tỳ vết mở đường cho bất động hóa những phân tử thách thức.

Làm gián đoạn thị trường rà soát mẫu cỡ lớn.

Những phát minh khác có thể là những kênh truyền đa tín hiệu, không chỉ có thể nhận biết đa dạng sản phẩm từ một enzyme nhưng cũng được sử dụng để đo đa dạng hoạt động từ những enzyme khác nhau. Do đó số liệu có thể được xuất ra gấp đôi trong vòng một nửa thời gian.

Hit-to-lead: một phép thử được tối ưu cho ra những kết quả tối ưu:

– hit: tiết lộ những mối quan hệ cấu trúc- chức năng (SAR) và tối ưu hóa hiệu lực và sự chọn lọc thì đơn giản và được sắp xếp hợp lý.

– SAM và MALDI MS: xuất ra những số liệu sạch, không pha tạp.

Phát minh này cho phép định danh những hợp chất dẫn đầu ( hit to lead) từ những hit được xác định tới cơ chế ức chế và xuất số liệu để đưa ra quyết định cho những thí nghiệm xa hơn.

Tổng kết:

Với những phát minh mới trong các phương pháp thử này, các nhà khoa học không còn phải hy sinh cho chất lượng nghiên cứu và giá thành để đạt được những phương pháp nghiên cứu có khả năng rà soát cao nữa, hy sinh tốc độ để sử dụng điều kiện phản ứng hóa sinh có liên quan với kết quả không phụ thuộc nhãn chậm, hay hy sinh điều kiện tói ưu để có được những kết quả không phụ thuộc nhãn nhanh.

Những phép kết hợp của dãy chip sinh học đơn lớp tự lắp tỷ trọng cao và quang phổ khối làm gián đoạn thị trường bằng việc cho phép các nhà khoa học sử dụng điều kiện phản ứng tối ưu với một kết quả không gắn nhãn và cỡ mẫu siêu lớn. Giải pháp này tăng tốc sự phát triển các phép thử, phát hiện hit, và định danh sớm những hit-to-lead, đưa những nghiên cứu khám phá thuốc ngày một gần hơn tới lâm sàng.

Tài liệu tham khảo: https://drug-dev.com/drug-discovery-disrupting-drug-discovery-from-assay-development-to-lead-compound/