Nguyên lý
FBLD dựa trên nguyên lý rằng các đoạn nhỏ, mặc dù có ái lực liên kết yếu (thường trong khoảng millimolar – mM), lại sở hữu hiệu quả liên kết cao hơn trên mỗi nguyên tử. Điều này nghĩa là, mặc dù ái lực tổng thể thấp, nhưng năng lượng liên kết trên mỗi nguyên tử của đoạn với protein đích lại cao. Bằng cách tối ưu hóa các tương tác này và kết hợp các đoạn lại, ta có thể tạo ra các hợp chất chì có ái lực liên kết mạnh (thường trong khoảng nanomolar – nM hoặc tốt hơn). Việc sử dụng các đoạn nhỏ cho phép khảo sát một không gian hóa học rộng lớn hơn với một thư viện nhỏ hơn so với HTS, tăng khả năng tìm thấy các điểm tương tác mới trên protein đích. Sự kết hợp các đoạn có ái lực yếu thành hợp chất chì có ái lực mạnh được gọi là “hiệu ứng cộng hưởng liên kết” hay “liên kết cộng hưởng” và thường được biểu diễn bằng công thức: $\Delta G{AB} < \Delta G{A} + \Delta G_{B}$ , trong đó $\Delta G$ đại diện cho năng lượng liên kết tự do Gibbs.
Quy trình FBLD
Quy trình FBLD thường bao gồm các bước sau:
- Xác định protein đích: Xác định protein đóng vai trò quan trọng trong bệnh lý và là mục tiêu tác động của thuốc. Việc lựa chọn protein đích phù hợp là bước then chốt cho thành công của toàn bộ quy trình.
- Tạo thư viện đoạn: Xây dựng một thư viện các đoạn nhỏ (thường có khối lượng phân tử < 300 Da) đa dạng về cấu trúc hóa học. Thư viện này cần đủ lớn để bao phủ một không gian hóa học rộng nhưng cũng đủ nhỏ để sàng lọc hiệu quả.
- Sàng lọc đoạn: Sử dụng các kỹ thuật sinh lý, sinh hóa hoặc vật lý (ví dụ: NMR, SPR, X-ray crystallography, TSA, ITC) để sàng lọc thư viện đoạn và xác định các đoạn liên kết với protein đích. Bước này giúp tìm ra các đoạn có ái lực, dù là yếu, với protein đích.
- Xác định cấu trúc: Xác định cấu trúc phức hợp protein-đoạn bằng phương pháp tinh thể học tia X hoặc NMR để hiểu rõ về tương tác giữa đoạn và protein đích. Thông tin cấu trúc này rất quan trọng cho việc tối ưu hóa đoạn.
- Tối ưu hóa đoạn: Tối ưu hóa các đoạn đã được xác định bằng cách biến đổi hóa học để tăng cường ái lực liên kết và các đặc tính dược lý khác như độ tan, độ ổn định.
- Liên kết đoạn: Kết hợp hai hoặc nhiều đoạn liên kết với các vị trí lân cận trên protein đích để tạo thành hợp chất chì có ái lực liên kết mạnh hơn. Có nhiều chiến lược liên kết đoạn khác nhau, bao gồm nối, hợp nhất, và phát triển.
- Tối ưu hóa hợp chất chì: Tiếp tục tối ưu hóa hợp chất chì về ái lực liên kết, độ chọn lọc, khả năng hấp thu, chuyển hóa và thải trừ (ADME) để phát triển thành thuốc tiềm năng.
Ưu điểm của FBLD
- Khám phá không gian hóa học hiệu quả hơn so với HTS: Do thư viện đoạn nhỏ hơn nhưng đa dạng hơn, FBLD có thể khảo sát một không gian hóa học rộng hơn với ít hợp chất hơn.
- Khả năng tìm ra các hợp chất chì mới lạ: FBLD có thể phát hiện ra các điểm liên kết mới trên protein đích, dẫn đến các hợp chất chì khác biệt so với các phương pháp truyền thống.
- Tối ưu hóa ái lực liên kết hiệu quả: Nhờ tận dụng hiệu quả liên kết cao trên mỗi nguyên tử của đoạn.
Nhược điểm của FBLD
- Đòi hỏi kỹ thuật sàng lọc và xác định cấu trúc phức tạp: Cần các kỹ thuật và thiết bị hiện đại, đắt tiền.
- Việc liên kết đoạn có thể gặp khó khăn về mặt tổng hợp hóa học: Việc thiết kế và tổng hợp các linker nối các đoạn có thể phức tạp.
- Ái lực liên kết ban đầu của đoạn yếu: Đòi hỏi quá trình tối ưu hóa phức tạp và nhiều công đoạn.
Ví dụ ứng dụng
FBLD đã được ứng dụng thành công trong việc phát triển nhiều loại thuốc, bao gồm thuốc ức chế kinase, thuốc kháng virus và thuốc điều trị ung thư. Ví dụ cụ thể bao gồm Vemurafenib, một loại thuốc ức chế kinase B-Raf được phê duyệt để điều trị ung thư da melanoma, và Venetoclax, một loại thuốc ức chế Bcl-2 được sử dụng trong điều trị bệnh bạch cầu lymphocytic mạn tính.
So sánh FBLD với HTS
FBLD và HTS là hai phương pháp tiếp cận khác nhau trong khám phá thuốc. Bảng sau đây so sánh một số đặc điểm chính của hai phương pháp:
| Đặc điểm | FBLD | HTS |
|---|---|---|
| Kích thước thư viện | Nhỏ (hàng nghìn) | Lớn (hàng triệu) |
| Ái lực liên kết ban đầu | Yếu (mM) | Mạnh (µM – nM) |
| Hiệu quả liên kết trên mỗi nguyên tử | Cao | Thấp |
| Khả năng khám phá không gian hóa học | Hiệu quả hơn | Kém hiệu quả hơn |
| Độ phức tạp của sàng lọc | Cao | Thấp |
| Khả năng tìm ra hợp chất chì mới lạ | Cao | Thấp |
Các kỹ thuật thường được sử dụng trong FBLD
- Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): NMR là một kỹ thuật mạnh mẽ để xác định các đoạn liên kết với protein đích và xác định vị trí liên kết. Các phương pháp NMR thường được sử dụng bao gồm WaterLOGSY, STD-NMR, và HSQC.
- Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): SPR đo sự thay đổi chiết suất trên bề mặt cảm biến khi đoạn liên kết với protein đích. Kỹ thuật này cho phép xác định ái lực liên kết và động học liên kết.
- Tinh thể học tia X: Tinh thể học tia X cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết về phức hợp protein-đoạn, giúp hiểu rõ về tương tác giữa đoạn và protein đích.
- Sàng lọc nhiệt dịch chuyển (TSA): TSA dựa trên sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy của protein khi liên kết với đoạn. Kỹ thuật này cho phép sàng lọc nhanh chóng một lượng lớn đoạn.
- Calorimetry quét đẳng nhiệt (ITC): ITC đo nhiệt lượng tỏa ra hoặc hấp thụ trong quá trình liên kết giữa đoạn và protein đích, cung cấp thông tin về ái lực và nhiệt động lực học của tương tác.
Các chiến lược liên kết đoạn
- Liên kết đoạn dựa trên cấu trúc: Sử dụng thông tin cấu trúc từ tinh thể học tia X hoặc NMR để thiết kế linker nối các đoạn lại với nhau.
- Liên kết đoạn dựa trên sự tăng trưởng đoạn: Mở rộng từng đoạn theo hướng tương tác với protein đích.
- Liên kết đoạn dựa trên sự hợp nhất đoạn: Hợp nhất các đoạn chồng chéo lên nhau.
Xu hướng phát triển của FBLD
- Phát triển các thư viện đoạn đa dạng và chất lượng cao hơn.
- Ứng dụng các kỹ thuật sàng lọc mới và tiên tiến hơn.
- Kết hợp FBLD với các phương pháp tính toán như docking phân tử và dynamic simulation.
- Phát triển các phương pháp tổng hợp mới để liên kết đoạn hiệu quả hơn.
- Ứng dụng FBLD cho các mục tiêu khó như protein màng và protein không có cấu trúc rõ ràng.