QUY TRÌNH KHÁM PHÁ THUỐC TỪ CỔ ĐẠI TỚI HIỆN ĐẠI: (phần 1)

1. Công nghệ hiệu năng cao: Tổng hợp hóa học và Khoa học sàng lọc

Mặc dù những tiến bộ từ nghiên cứu trên mô hình động vật, X-ray crystallography (Tinh thể học

tia X), sinh học phân tử đã có những ảnh hưởng nhất định, nhưng chúng vẫn chưa giải quyết

được 2 vấn đề chính của quá trình nghiên cứu phát triển thuốc mới đó là Tổng hợp hóa học và

Sàng lọc lâm sàng. Trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều loại thuốc với hoạt chất có

nguồn gốc nội sinh, nguồn gốc tự nhiên hoặc từ các mô hình trên động vật đã được phát hiện.

Quá trình sàng lọc in vivo đã giúp phần nào hoàn thiện về cấu trúc hóa học của thuốc. Đến những

năm 1980, các công ty dược đã tổng hợp được chỉ vài nghìn hoạt chất thông qua các công nghệ

hiệu năng thấp hoặc các mô hình động vật. Điều này đã thay đổi một cách đáng kể vào 2 thập kỷ

cuối của thế kỷ 20, nhờ vào các công nghệ có hiệu năng cao. Tuy vậy, Tổng hợp hóa học và Sàng

lọc và là 2 rào cản lớn nhất cho đến hiện tại cần phải vượt qua để đạt đến mục tiêu cuối cùng là

phát triển thuốc mới.

Hóa học hiệu năng cao, hay còn gọi là tổng hợp hóa học kết hợp hoặc song song, chủ yếu dựa

trên các phương mà không hướng đến việc tăng hiệu quả. Ví dụ việc điều chế các hợp chất phân

tử nhỏ như poly me, được Robert B. Merifield báo cáo lần đầu tiên vào năm 1963 sau khi ông mô

tả quá trình tổng hợp chuỗi peptid ngắn gắn trên nhựa poly-styren. Sau đó, Merifield đã tiếp tục

báo cáo về việc điều chế các các peptid có hoạt tính sinh học bradykinin, insulin bò, và deamino-

oxytocin. Phương pháp này tuy đạt được hiệu quả nhưng lại vấp phải một số nghi ngờ. Tuy vậy

vào những năm 80 của thế kỷ 20, nhờ vào những tiến bộ trong tự động hóa, tổng hợp hóa học đã

mở đường cho một bước tiến mới của tổng hợp hóa học hiệu năng cao. Bắt đầu với công trình

độc lập của Richhard Houghten và H. Mario Geysen đã mô tả phương pháp tổng hợp các chuỗi

lớn phân tử peptid sử dụng các khung vững chắc và xác định được hoạt tính sinh học của chúng.

Đầu những năm 1990, quá trình tổng hợp khung 1,4-benzodiazepine trên nền chất rắn đã được

Jonathan A. Ellmen và Hobbs Dezwitt thực hiện (Hình 2.15)

Hình 2.15: Năm 1992, giáo sư Jonathan Ellman và cộng sự đã chứng minh rằng các dẫn xuất 1,4-

benzodiazepine có thể được điều chế trên các khung chất rắn. Ứng dụng của hóa học chất rắn để

sản xuất nhiều thuốc tương tự thị trường như Valium® (diazepam), Ativan®(lorazepam) và

Rivotril®(clonazepam) đã chứng minh được các hợp chất như thuốc có thể được tổng hợp theo

cách này.

Nhiều công ty dược phẩm sau đó đã bắt đầu đưa ra các khái niệm và thực hành tổng hợp pha rắn

dựa trên hóa học hiệu năng cao thông qua nhiều nghiên cứu. Nhờ đó, vào cuối thế kỷ 20, hơn

500.000 hợp chất đã được tìm thấy và tổng hợp. Đến năm 2014, con số đó đã vượt qua 21 triệu.

Hình 2.16: Phản ứng Ugi được phát hiện vào năm 1959 bởi Karl Ugi, phản ứng Biginelli được

Pietro Biginelli báo cáo vào năm 1891, và phản ứng Passerini được phát hiện vào năm 1921 bởi

Mario Passerini.

Mặc dù có sự khác biệt về công nghệ, nhưng sự phát triển của sàng lọc hiệu năng cao xảy ra gần

như đồng thời với hóa học hiệu năng cao. Những năm 1950, 1960 và 1970, ngành công nghiệp

dược phẩm đã chuyển từ mô hình sàng lọc các hợp chất ở mức độ tế bào và cô lập enzyme sang

thử nghiệm trên động vật với nỗ lực giảm chi phí và tăng hiệu quả. Sự hiểu biết ngày càng cao về

sinh lý bệnh đã tạo nền tảng cho các xét nghiệm sinh hóa mới, nhưng khả năng sàng lọc các hoạt

chất này vẫn bị hạn chế bởi công nghệ thời đó. Giữa những năm 1970 và đầu những năm 1980,

các phương pháp phân lập và tinh chế protein thông thường đã làm hạn chế nghiêm trọng lượng

protein có sẵn cho bất kỳ các sàng lọc nào, làm tăng chi phí thử nghiệm. Ngoài ra, các thử

nghiệm tế bào được giới hạn trong việc sử dụng các dòng tế bào vòng tự nhiên có thể được nuôi

cấy.

Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghệ sinh học và sự phát triển của máy móc tự động hóa đã làm

thay đổi sâu sắc cảnh quan của sàng lọc hóa học. Vào giữa những năm 1980, những tiến bộ lớn

trong hóa sinh và sinh học phân tử đã mở ra những hướng mới để sản xuất số lượng lớn protein

và các dòng tế bào “thiết kế”. Những đột phá về công nghệ, chẳng hạn như DNA tái tổ hợp, khoa

học chuyển nạp, phản ứng chuỗi polymerase (PCR đã giúp các nhà khoa học có thể tạo ra các

dòng tế bào sử dụng quá mức các phân tử sinh học nhắm trúng đích. Các protein tái tổ hợp có thể

được thu hoạch từ các nhà máy tế bào, cung cấp lượng protein mục tiêu dồi dào. Ngoài ra, các

dòng tế bào tùy chỉnh có thể được thiết kế để kết hợp các mục tiêu phân tử sinh học nhằm hỗ trợ

các xét nghiệm sàng lọc tế bào. Đồng thời, những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học máy tính, rô

bốt và tự động hóa đã dẫn đến sự phát triển của các nền tảng rô bốt có khả năng thực hiện các

nhiệm vụ chuyển động lặp lại do con người xử lý trước đây, tăng độ chính xác và hiệu quả của

bất kỳ tác vụ nào trong nhiều lĩnh vực ( Hình 2.17).

HÌNH 2.17 Hệ thống uHTS tự động tại Bristol-Myers Squibb. Các thành phần tích phân và hệ

thống con được hiển thị; (1) Cửa hàng tổng hợp, (2) Rô bốt gắp thuốc, (3) Rô bốt phân phối

thuốc thử 3456, (4) Vận chuyển, (5) Tủ ấm, (6) Rô bốt phân phối điện Piezo, (7) Đầu đọc đĩa bù

Topology , (8) Robot phân phối thuốc thử 1536, (9) Hệ thống phân phối tấm tự động, (10) Hệ

thống xếp chồng công suất lớn.

Mặc dù không rõ chính xác khi nào và ở đâu công nghệ tự động hóa đã hợp nhất với lĩnh vực

khám phá thuốc, nhưng rõ ràng là vào cuối thế kỷ 20, gần như tất cả các công ty dược phẩm đã

chuyển sang phương pháp sàng lọc hiệu năng cao. Ban đầu, các xét nghiệm sàng lọc được thực

hiện trong các vi mẫu 96 giếng (được tiêu chuẩn hóa bởi Hiệp hội Sàng lọc Sinh học và Viện

Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ), nhưng mục tiêu làm tăng hiệu quả và chi phí thấp hơn cuối cùng

dẫn đến sự phát triển của công nghệ tấm 384, 1536 , và thậm chí tới 3456 giếng (Hình 2.18).

Việc thu nhỏ các công nghệ sàng lọc cũng tạo ra những tiến bộ trong phương pháp phát hiện tín

hiệu và vi lưu, vì mật độ tấm tăng lên đòi hỏi thể tích dung dịch giảm và cửa sổ tín hiệu nhỏ hơn.

Một đĩa giếng sâu 96 tiêu chuẩn có thể chứa tới 1,0 mL chất lỏng trên mỗi giếng, trong khi đĩa

3456 giếng tương ứng sẽ được giới hạn ở thể tích chất lỏng nhỏ hơn. Ngoài ra, mật độ tín hiệu từ

đĩa 3456 giếng cao hơn nhiều so với đĩa 96 giếng (đĩa 3456 giếng chứa cùng số lượng giếng với

36 đĩa 96 giếng trong cùng một không gian), nên yêu cầu phát triển các công cụ thu thập dữ liệu

phức tạp hơn. Vào cuối thế kỷ 20, hàng trăm nghìn hợp chất có thể được sàng lọc tìm hoạt tính

chỉ trong vài ngày, một kỳ tích sẽ không thể thực hiện được nếu được thực hiện một cách thủ

công.

HÌNH 2.18 Xét nghiệm sàng lọc trong ống nghiệm điển hình sử dụng 96 đĩa giếng (trái), 384

(giữa) hoặc 1536 (phải). Khi số lượng đĩa tăng lên (mật độ), thể tích giếng giảm và yêu cầu thuốc

thử giảm tương ứng. Tiết kiệm chi phí liên quan đến các tấm mật độ cao hơn là rất đáng kể.

Tuy nhiên, sự kết hợp của hóa học hiệu năng cao và sàng lọc hiệu năng cao đã dẫn đến sự gia

tăng lớn về lượng dữ liệu được tạo ra. Như vậy là trong nghiên cứu phát triến thuốc mới, tổng

hợp hóa học và sàng lọc sinh học không còn là vấn đề mà thay vào đó là phân tích dữ liệu. Mặt

khác, phần lớn các quy trình khám phá thuốc đều có nhiều mục tiêu sàng lọc nhằm mục đích xác

định tính chọn lọc, vì vậy sẽ có thêm hàng triệu điểm dữ liệu về các hợp chất quan tâm trên nhiều

mục tiêu sinh học. Việc bổ sung các thử nghiệm sàng lọc thông hiệu năng cao để xác định các

đặc tính vật lý, chẳng hạn như độ hòa tan, độ ổn định và tính thấm của vi thể, sẽ bổ sung thêm

nhiều dữ liệu để phân tích tương quan.

Rõ ràng, nếu không có sự hỗ trợ của máy tính thì mức độ dữ liệu có sẵn sẽ nhanh chóng vượt quá

khả năng xử lý của con người. Những nỗ lực để giải quyết vấn đề này đã dẫn đến sự phát triển

của các hệ thống phần mềm cơ sở dữ liệu phức tạp được thiết kế để thu thập dữ liệu từ nhiều

nguồn khác nhau (ví dụ như nền tảng sàng lọc robot), liên kết dữ liệu với một cấu trúc hóa học cụ

thể trong cơ sở dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu thành dạng con người có thể đọc được. Những tiến

bộ trong mô hình phân tử và hóa học tính toán cũng được tận dụng để tăng hiệu quả, dẫn đến việc

kết hợp dữ liệu cấu trúc vào phần mềm cơ sở dữ liệu hiện đại và sự ra đời của lĩnh vực tin học

hóa học. Được định nghĩa ban đầu bởi F.K. Brown vào năm 1998, 80 chương trình tin học hóa

học đã được ứng dụng trong khám phá thuốc để lưu trữ, lập chỉ mục và tìm kiếm thông tin liên

quan đến các hợp chất hoặc nhóm hợp chất riêng lẻ. Phần mềm chuyên dụng được cung cấp bởi

các công ty như Chemaxon, Core Informat- ics, Tripos, và Dotatology hiện đã trở nên phổ biến

trong việc khám phá thuốc và cho phép các nhà khoa học đánh giá hàng triệu điểm dữ liệu chỉ

bằng một cú nhấp chuột (Hình 2.19).

Hình 2.19: Nền tảng phần mềm Tin hóa cung cấp cho nhà khoa học khả năng liên kết cấu trúc

hợp chất với các đặc tính hóa lý (ví dụ: công thức phân tử, trọng lượng phân tử, Diện tích bề mặt

phân cực (TPSA), độ hòa tan, v.v.) và sàng lọc dữ liệu từ nhiều nguồn trong cơ sở dữ liệu. Các

nhóm hợp chất có liên quan về cấu trúc có thể được xác định bằng cách sử dụng các công cụ tìm

kiếm cấu trúc phụ và phân tích đa chiều dữ liệu liên quan đến hợp chất để thiết kế các hợp chất

thế hệ tiếp theo với các đặc tính phù hợp với mục tiêu của chương trình. Ví dụ, một loạt các hợp

chất được phân tích bằng cách sử dụng bộ phần mềm Dotmatics và không gian ba chiều để so

sánh những thay đổi về trọng lượng phân tử, TPSA và cLogP.