PROTAC – Công nghệ phân hủy protein định hướng mục tiêu

Giới thiệu về PROTAC

Protein gây bệnh là những protein hoạt động bất thường hoặc tích tụ quá mức trong cơ thể. Ví dụ, beta-amyloid tích tụ trong não gây bệnh Alzheimer hoặc TNF-alpha thừa dẫn đến viêm khớp dạng thấp. Những protein gây bệnh có thể xuất hiện do nhiều nguyên nhân như đột biến gen, rối loạn điều hòa hay các yếu tố môi trường.

Trong lĩnh vực phát triển thuốc, người ta luôn tìm cách loại bỏ protein gây bệnh. Các phương pháp điều trị truyền thống thường tập trung ức chế hoạt động của protein bằng thuốc phân tử nhỏ hoặc kháng thể. Tuy nhiên, những phương pháp này tồn tại nhiều hạn chế, chủ yếu với những protein khó nhắm mục tiêu. Chúng là những protein không có vị trí gắn kết thích hợp, bề mặt phẳng hoặc có cấu trúc quá ổn định, do đó, khó tiếp cận bằng phương pháp điều trị thông thường.

Trước thách thức này, công nghệ đột phá mang tên PROTAC (PROteolysis TArgeting Chimeras) đã được giới thiệu. PROTAC là phân tử lai có cấu trúc đặc biệt bao gồm hai thành phần chức năng được liên kết với nhau: một phần gắn kết với protein mục tiêu cần loại bỏ và một phần khác liên kết với enzyme E3 ubiquitin ligase. Enzyme E3 ubiquitin ligase là thành phần thiết yếu trong hệ thống phân hủy protein tự nhiên của tế bào. Do đó, PROTAC có thể đánh dấu protein mục tiêu để hệ thống proteasome của tế bào nhận diện và phân hủy một cách chọn lọc.

Lịch sử phát triển

Vào năm 2001, tại Đại học Yale, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Craig Crews và Deshaies đã tạo ra phân tử PROTAC đầu tiên nhắm vào enzyme có tên MetAp-2 để mở ra một kỉ nguyên đầy hứa hẹn trong lĩnh vực phát triển thuốc. Tuy nhiên, thế hệ PROTAC này vẫn còn nhiều hạn chế. Với cấu trúc dựa trên peptide, mặc dù có độ đặc hiệu cao, các phân tử này lại gặp khó khăn khi xâm nhập qua màng tế bào nên thuốc chỉ hoạt động tại nồng độ cao. Do đó, nó khó được phát triển thành thuốc điều trị.

Năm 2008, người ta tìm ra cách tổng hợp PROTAC hoàn toàn từ các phân tử nhỏ thay vì sử dụng peptide. Nghiên cứu này tạo nền tảng vững chắc cho quá trình phát triển PROTAC thế hệ mới. Vào năm 2015, hiệu quả của PROTAC được cải thiện đáng kể. Các phân tử mới có thể hoạt động tại nồng độ thấp hơn hàng nghìn lần so với thế hệ đầu tiên, từ đó chúng tạo ra một bước tiến vượt bậc trong công cuộc phát triển thuốc từ PROTAC.

Thành phần

PROTAC bao gồm 3 thành phần chính, mỗi thành phần đều có vai trò then chốt.

Các thành phần của PROTAC bao gồm:

• Phối tử liên kết với protein đích: cấu trúc được thiết kế đặc hiệu nhằm nhận diện và liên kết chọn lọc với protein mục tiêu cần phân hủy
• Thành phần liên kết với E3 ubiquitin ligase: có khả năng tương tác đặc hiệu với enzyme E3 ligase
• Cầu nối (linker): có vai trò kết nối hai phối tử một cách linh hoạt

Cơ chế hoạt động

Quá trình phân hủy protein mục tiêu bởi PROTAC diễn ra qua ba giai đoạn chính bao gồm:

• Hình thành phức hợp ba thành phần: một đầu phân tử PROTAC bám với protein đích, phần còn lại liên kết với enzyme E3 ligase. Cấu trúc này đưa enzyme E3 ligase tới gần protein mục tiêu và tạo điều kiện cho các phản ứng tiếp theo diễn ra.
• Ubiquitin hóa protein: E3 ligase xúc tác cho phản ứng gắn các phân tử ubiquitin lên protein đích. Quá trình này không diễn ra đơn lẻ mà là một chuỗi phản ứng có tổ chức. Đầu tiên, enzyme E1 hoạt hóa ubiquitin và chuyển cho enzyme khác là E2. Sau đó, E3 ligase điều phối quá trình gắn nhiều phân tử ubiquitin lên protein mục tiêu. Kết quả là một chuỗi ubiquitin được gắn lên protein.
• Phân hủy protein: những protein đánh dấu được phân hủy bởi proteasome 26S. Đây là một phức hợp protein lớn có khả năng nhận diện chuỗi ubiquitin và phân hủy protein mang chuỗi thành các đoạn peptide nhỏ.

Sau khi hoàn thành nhiệm vụ dẫn đường cho quá trình phân hủy protein đích, phân tử PROTAC được giải phóng và ngay lập tức sẵn sàng bắt đầu chu trình mới. Với cơ chế hoạt động này, một phân tử PROTAC có khả năng thúc đẩy quá trình phân hủy của nhiều protein đích, từ đó nâng cao hiệu quả loại bỏ protein không mong muốn trong tế bào.

Ứng dụng

Y học

Công nghệ PROTAC là bước đột phá đầy triển vọng trong y học hiện đại, mở ra những cơ hội mới trong điều trị nhiều bệnh phức tạp. Với cơ chế hoạt động độc đáo là khả năng phân hủy có chọn lọc các protein đích, PROTAC đã khắc phục những hạn chế của phương pháp điều trị truyền thống bao gồm hoạt động xử lí protein không thể tác động.

Trong lĩnh vực ung thư học, PROTAC thể hiện tiềm năng vượt trội thông qua các hợp chất như ARV-110 và ARV-471. Mặc dù đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng, những hợp chất này cho thấy kết quả khả quan trong điều trị ung thư tuyến tiền liệt và ung thư vú. Đáng chú ý, khả năng phân hủy cả protein bình thường và đột biến của PROTAC mở ra giải pháp cho hiện tượng kháng thuốc—thách thức lớn trong điều trị ung thư hiện nay.

Đối với các bệnh thần kinh thoái hóa như Alzheimer, PROTAC mang đến hi vọng mới. Bằng cách nhắm đến protein tau sai hỏng và α-synuclein, PROTAC giảm thiểu protein độc hại tích tụ trong não—nguyên nhân chính gây ra bệnh thần kinh thoái hóa.

Đối với bệnh tự miễn, PROTAC đang được ứng dụng trong triển các chất ức chế BTK (Bruton’s tyrosine kinase). BTK là enzyme quan trọng đối với quá trình hoạt động của tế bào B, liên quan đến một số bệnh như viêm khớp dạng thấp và lupus ban đỏ hệ thống. Nhiều thử nghiệm lâm sàng đang được tiến hành cho bệnh viêm khớp dạng thấp, từ đó mở ra triển vọng mới trong điều trị các bệnh tự miễn mạn tính.

Đáng chú ý, PROTAC có thể là giải pháp đột phá trong điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra. Công nghệ này có khả năng nhắm đến các protein thiết yếu trong vi khuẩn kháng thuốc, từ đó tạo ra một phương pháp điều trị mới và góp phần làm giảm mức độ phụ thuộc vào kháng sinh truyền thống. Ngoài ra, trong lĩnh vực bệnh truyền nhiễm virus, PROTAC đang được nghiên cứu nhằm phát triển các chiến lược kháng virus mới, đặc biệt trong điều trị các bệnh do HPV và viêm gan C.

Nghiên cứu

Công nghệ PROTAC có thể nhận diện chính xác các dấu ấn sinh học của bệnh thông qua hoạt động phân hủy một số protein cụ thể. Đặc tính này không chỉ làm sáng tỏ chức năng của protein mà còn góp phần quan trọng trong quá trình tìm hiểu cơ chế gây bệnh của protein.

Hơn nữa, PROTAC mang đến cho các nhà nghiên cứu khả năng nghiên cứu về tương tác và chức năng protein. Cơ chế độc đáo của công nghệ này cho phép khám phá các quá trình sinh học phức tạp. Điều này mở ra cơ hội hiểu sâu hơn về các quá trình sinh học cơ bản cấp độ phân tử.

Đáng chú ý, trong lĩnh vực khám phá đa mục tiêu, PROTAC đã chứng minh giá trị vượt trội của mình. Người ta áp dụng công nghệ này để phát hiện nhiều mục tiêu tác động mới cho các thuốc đã có. Chẳng hạn,người ta tìm cách biến đổi một loại thuốc trị ung thư tên là sorafenib thành PROTAC nhằm nhắm vào protein liên quan đến xơ hóa gan.

Ưu và nhược điểm

Ưu điểm

Các thuốc phân tử nhỏ truyền thống cần khớp với vị trí liên kết cụ thể trên protein đích nhằm chiếm giữ và ức chế protein, PROTAC hoạt động thông qua một cơ chế hoàn toàn khác biệt. Các phân tử PROTAC tạo cầu nối giữa protein đích và E3 ligase. Do đó, thành phần liên kết với protein đích không cần phải tương tác chính xác với vị trí cụ thể của enzyme nên nó có thể hoạt động ngay cả khi protein không có vị trí liên kết rõ ràng. Đây là lí do tại sao PROTAC có thể nhắm đến các protein như yếu tố phiên mã hay protein RAS—những mục tiêu từng được coi là bất khả thi đối với phương pháp điều trị truyền thống.

Khác với các thuốc phân tử nhỏ truyền thống cần duy trì nồng độ cao để liên tục chiếm giữ và ức chế protein đích, PROTAC hoạt động theo nguyên lí xúc tác sinh học. Sau khi hoàn thành vai trò dẫn đường protein đích đến hệ thống proteasome để phân hủy, phân tử PROTAC được giải phóng và tiếp tục chu trình mới với protein đích khác. Cơ chế xúc tác này mang lại hiệu quả điều trị vượt trội ngay cả với nồng độ thấp vì một phân tử PROTAC có khả năng kích hoạt quá trình phân hủy của nhiều phân tử protein đích. Như vậy, bệnh nhân được điều trị với liều lượng thuốc thấp hơn, khoảng cách giữa các lần dùng thuốc dài hơn. Do đó, tác dụng phụ và các tương tác không mong muốn của thuốc giảm đi đáng kể.

Một trong những ưu điểm nổi bật của PROTAC là khả năng không bị kháng thuốc do đột biến. Khi sử dụng thuốc phân tử nhỏ truyền thống, các đột biến điểm thường xuất hiện tại vị trí liên kết của thuốc với protein đích, từ đó làm giảm ái lực tương tác và dẫn đến kháng thuốc. Ngược lại, PROTAC có thể duy trì hiệu quả điều trị ngay cả khi xuất hiện đột biến vì cơ chế hoạt động của nó không phụ thuộc vào hoạt động ức chế trực tiếp protein đích mà thông qua con đường phân hủy hoàn toàn protein.

Hơn nữa, PROTAC còn giải quyết một vấn đề nan giải khác của thuốc phân tử nhỏ là hiện tượng tích lũy protein đích. Khi sử dụng chất ức chế truyền thống, hoạt động gắn kết của thuốc với protein đích có thể làm ổn định cấu trúc protein và kéo dài thời gian bán hủy của chúng. Đồng thời, quá trình ức chế kéo dài cũng kích thích biểu hiện bù trừ của protein đích. Cả hai yếu tố này đều dẫn đến quá trình tích lũy protein mục tiêu và làm giảm hiệu quả điều trị. Với khả năng loại bỏ hoàn toàn protein đích, PROTAC đã khắc phục được hạn chế này một cách hiệu quả.

So với các phương pháp điều trị khác như kháng thể đơn dòng hay ARN can thiệp, PROTAC còn có ưu điểm về khả năng thâm nhập mô tốt và có thể dùng qua đường uống. Điều này không chỉ tạo thuận lợi khi sử dụng thuốc mà còn góp phần làm giảm chi phí điều trị.

Nhược điểm

Khi các gen điều khiển sản xuất E3 ligase như CRBN hay CUL2 xuất hiện đột biến hoặc giảm biểu hiện, hiệu quả của PROTAC có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

Ngoài ra, mặc dù hệ gen người mã hóa hàng trăm loại E3 ligase khác nhau, song hiện tại chỉ một số ít được ứng dụng trong phát triển PROTAC vì mỗi loại tế bào có kiểu biểu hiện E3 ligase khác nhau. Do đó, một PROTAC có thể hoạt động hiệu quả trên loại tế bào này nhưng lại kém hiệu quả trong các loại tế bào khác.

Ngoài ra, hiệu ứng móc câu cũng là vấn đề quan trọng đối với phát triển PROTAC. Khác với thuốc thông thường, tăng nồng độ PROTAC không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả tốt hơn. Trong một số trường hợp, tại nồng độ cao, PROTAC có thể hoạt động kém hiệu quả hơn. Trong một số trường hợp, PROTAC ảnh hưởng đếb các protein khác trong tế bào, dẫn đến tác dụng phụ ngoài ý muốn.

Lời kết

Sau nhiều thập kỉ phát triển, PROTAC đã và đang khẳng định vai trò quan trọng trong lĩnh vực phát triển thuốc. Mặc dù còn tồn tại nhiều hạn chế, công nghệ này vẫn cho thấy tiềm năng to lớn trong điều trị nhiều bệnh lí khác nhau bao gồm ung thư, bệnh tự miễn, bệnh thần kinh thoái hóa và nhiễm virus. Với những nỗ lực nghiên cứu không ngừng nhằm tối ưu hóa thiết kế phân tử, tìm kiếm các E3 ligase mới và cải thiện tính chất dược động học, trong tương lai gần, PROTAC có thể vượt qua các rào cản hiện tại để trở thành công cụ điều trị hiệu quả.