Bài giảng Ứng dụng protein Enzyme trong y học

1 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC 
********&******** 
Tạo chữ GIF 
Tạo chữ GIF 
Tạo chữ GIF 
Hà Nội - 4/2012 
2 
2 
NỘI DUNG CHÍNH 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
II. NỘI DUNG 
III. KẾT LUẬN 
3 
3 
4 
Công nghiệp 
Phân tích sinh hóa 
4 
5 
1. Ứng dụng Enzyme trong chẩn đoán 
2. Ứng dụng Enzyme trong điều trị 
3. Ưu và Nhược điểm 
5 
6 
Khái niệm: Enzyme cố định là enzyme được giới hạn hay khu biệt về mặt vật lý ở một vùng không gian nhất định nhưng vẫn giữ được hoạt tính xúc tác và có thể được sử dụng lặp đi lặp lại/liên tục trong/sau một quá trình xúc tác 
Các phương pháp cố định enzyme 
Enzyme cố định 
6 
7 
Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học để phát hiện,đo đạc hoặc phân tích hoá chất. 
4 bộ phận chính: 
Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích 
Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực 
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu : giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được 
Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra : bộ phận này có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý 
7 
8 
Có trong máu, nước tiểu hoặc trong một số mô có dịch (màng phổi, dạ dày, tá tràng...) 
Xác định hoạt độ dễ dàng 
Có sự sai khác rõ ràng về hoạt độ enzyme giữa trạng thái bình thường và bệnh lý 
Có độ bền tương đối, đáp ứng yêu cầu thời gian bảo quản mẫu trước khi phân tích 
8 
9 
A: Sử dụng glucose oxidase để đo hàm lượng glucose trong máu 
Cơ chế hoạt động 
Người bệnh tiểu đường cần phải kiểm tra hàm lượng gluose trong máu thường xuyên để xác định sự dao động của nồng độ glucose có thể tăng hay giảm trong máu từ đó đưa ra cách điều trị bệnh hợp lý. Sử dụng glucose biosensor để đo nồng độ đường trong máu 
Biosensor 
9 
10 
B. Sử dụng urease để chuẩn đoán hàm lượng ure trong máu 
Hàm lượng ure được tích tụ nhiều trong cơ thể sẽ dẫn đến ngộc độc. Khi có mặt của enzyme urease thì ure bị thành amoniac và carbon dioxide, từ đó phản ứng có thể được kiểm soát bởi sự thay đổi của các ion theo thời gian. Độ dẫn điện này tương ứng với nồng độ ion hình thành trong suốt quá trình phản ứng. Sử dụng thiết bị cảm biến sinh học có thể đo được nồng độ ion hình thành, từ đó có thể chẩn đoán được nồng độ ure trong máu 
10 
11 
C: Chẩn đoán bệnh sử dụng ezyme cố định kết hợp với phương pháp ELISA 
Peroxidase được cố định trên polystyren cùng với kháng thể hoặc kháng nguyên gây bệnh giúp chuẩn đoán nhanh và chính xác 
Các chế phẩm này đã được thương mại hóa như xét nghiệm ELISA để chuẩn đoán virus siêu vi B, C, virus HIV... 
11 
SỬ DỤNG ENZYME TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH 
12 
13 
Hiện nay có khoảng 60 enzyme đã được dùng trong điều trị có trên thị trường, hoặc đang ở giai đoạn thử nghiệm lâm sàng 
Hơn 50 enzyme thuộc lớp hydrolase (các E thủy phân ) 
2 enzyme thuộc lớp oxidoreductase: urate oxidase superoxide dismutase tự nhiên và tái tổ hợp 
Một enzyme của lớp transferase là yếu tố đông máu XIIIa: amine  -glutamyltransferase 
1 enzyme thuộc lớp lyase là uroporphyrinogen-1-synthase tái tổ hợp 
13 
14 
Enzyme 
Mã enzyme 
Phản ứng 
Ứng dụng 
Asparaginase 
3.5.1.1 
L-Asparagine H 2 O   L-aspartate + NH 3 
Ung thư 
Collagenase 
3.4.24.3 
Collagen hydrolysis 
Loét da 
Glutaminase 
3.5.1.2 
L-Glutamine H 2 O   L-glutamate + NH 3 
Ung thư 
Hyaluronidase a 
3.2.1.35 
Hyaluronate hydrolysis 
Đau tim 
Lysozyme 
3.2.1.17 
Bacterial cell wall hydrolysis 
Kháng sinh 
Rhodanase b 
2.8.1.1 
S 2 O 3 2-  + CN -    SO 3 2-  + SCN - 
Ngộ độc Cyanide 
Ribonuclease 
3.1.26.4 
RNA hydrolysis 
Kháng khuẩn 
β-Lactamase 
3.5.2.6 
Penicillin   penicilloate 
Dị ứng Penicillin 
Streptokinase c 
3.4.22.10 
Plasminogen   plasmin 
Cục máu đông 
Trypsin 
3.4.21.4 
Protein hydrolysis 
Bệnh viêm 
Uricase d 
1.7.3.3 
Urate + O 2    allantoin 
Gout 
Urokinase e 
3.4.21.31 
Plasminogen   plasmin 
Cục máu đông 
Bảng 1. Một số enzyme sử dụng trong điều trị bệnh 
14 
15 
Các enzyme được dùng với tính chất bổ trợ, phối hợp với các phương pháp điều trị khác, hoặc để loại bỏ các chất độc, các chất không mong muốn khỏi máu hoặc mô, loại bỏ các vi sinh vật và chữa lành các vết thương 
Oxidoreductase điều trị bệnh Gout, thừa acid uric, bệnh viêm khớp, polyarthritis, asthma... 
15 
16 
Urate oxidase 
Superoxide dismutase 
Xúc tác cho phản ứng oxy hóa acid uric thành allantoin có độ hòa tan lớn hơn 
Các ion superoxide cũng như khởi đầu cho việc tạo thành các loại oxygen có khả năng phản ứng cao, có thể phá hủy tế bào và mô, tác dụng loại độc tố của ROS, điều trị bệnh ostheoarthritis, radiation cystitis... 
Urate + O 2    allantoin 
16 
17 
Transpherase 
Enzyme duy nhất của lớp này được dùng trong điều trị là yếu tố đông máu XIIIa 
Tồn tại trong máu ở dạng proenzyme 
Vào giai đoạn cuối cùng của quá trình đông máu: nó được hoạt hóa nhờ thrombin, tạo thành dạng hoạt động XIIIa ( transglutaminase ) xúc tác cho sự tạo thành liên kết chéo của các monomer fibrin bằng cách tạo thành liên kết  -(  -lutamyl) lysine giữa các phân tử. 
17 
18 
:phần lớn các enzyme thủy phân (lớp 3) đã được dùng trong điều trị như 
Pepsin: là một loại protease có trong niêm mạc và dịch vị của động vật bậc cao. Có khả năng thủy phân protein và đông tụ sữa và là enzyme quan trọng nhất của tuyến tiêu hóa sử dụng để hỗ trợ tiêu hóa 
Pepsinogen 
pepsin 
Pepton, polypeptid mạnh ngắn hơn 
phân hủy protein 
môi trường acid 
18 
19 
Trypsin (EC 3.4.21.4) là một protease serine được tìm thấy trong hệ tiêu hóa động vật có xương sống. 
Trypsin được sản xuất trong tuyến tụy là trysinogen là một proenzyme không có hoạt tính 
Trypsin thủy phân protein thành các peptide loại bỏ mô chết và hoại tử, trị viêm và làm giảm nhiễm trùng, đánh tan cục máu đông, hỗ trợ tiêu hóa 
19 
20 
Cysteine protease (EC.3.4.22) là nhóm protein có trọng lượng phân tử trong khoảng 21 – 30 kDa, các loại protein có khả năng xúc tác để loại bỏ các liên kết peptide, amide, esterthiol 
Barrett (1994) 20 họ cysteine protease và nhiều E trong số này được ứng dụng rộng rãi trong y học như: 
papain 
bromelain 
ficain... 
20 
21 
Papain : papain là một loại enzyme được lấy ra từ mủ của quả đu đủ xanh 
Papain giúp tiêu hóa các thức ăn giàu protein làm thành phần của một số thuốc chữa biếng ăn và ăn không tiêu. ứng dụng vào việc chữa trị các dị vật thừa 
Papain còn được sử dụng để chữa bệnh giun kim, giun đũa, làm giảm độc tố toxin và toxabumin.. 
 Hỗn hợp papain-bromelain-cellulose được ứng dụng trong việc phá sỏi thận 
21 
22 
Bromelain : là một loại enzyme được chiết xuất từ thân và quả cây dứa 
Thành phần chính của bromelain là sunlfhydryl thủy phân protein, ngoài ra trong dịch chiết của protein còn có một lượng nhỏ peroxydase , phosphatase axit, các chất ức chế protease 
Hỗ trợ các bệnh về đường tiêu hóa 
Việc kết hợp sử dụng bromelain với potassium và magnesium có thể làm giảm tai biến và nhồi máu cơ tim 
22 
23 
Streptokinase được sản xuất bởi Streptococcus pyogenes và được sử dụng trong điều trị bệnh nhồi máu cơ tim 
Plasminogen  
plasmin 
Nếu sử lý Streptokinase ngay khi mới sảy ra nhồi máu cơ tim, thì Streptokinase có thể ngăn chặn hoặc giảm đáng kể các tổn thương cho tim 
Ngoài việc sử dụng streptokinase để chữa trị bệnh nhồi máu cơ tim cấp tính còn có thể sử dụng một số enzyme khác như urokinase (E.C.3.4.21.73) . 
23 
24 
Ứng dụng trong điều trị ung thư : Asparaginase, glutaminase, serine dehydratase, arginase và leucine dehydrogenase. 
Asparaginase (3.5.1.1) 
Enzyme asparaginase được sử dụng để điều trị một số bệnh ung thư. Nó xúc tác thông qua phản ứng 
 L-Asparagine + H 2 O 
L-aspartate + NH 3 
Asparaginase phân giải asparagine làm giảm nồng độ của nó trong máu, do đó kìm hãm sự tăng trưởng của các tế bào ung thư 
Enzyme này khá phổ biến ở động vật, thực vật và đặc biệt là vi sinh vật, tuy nhiên có lẽ enzyme tách từ người sẽ là lí tưởng nhất 
24 
25 
Tương lai có thể dùng công nghệ DNA tái tổ hợp để sản xuất asparaginase của người 
Nhược điểm: tuổi thọ ngắn 
Ưu điểm: điều trị ung thư tốt 
Một số nghiên cữu đã có thể cải thiện được tuổi thọ của enzyme L-asparaginase trong hồng cầu (kéo dài tới 28 ngày) 
Giả thiết về sự vận chuyển enzyme và các tế bào hồng cầu nhờ ưu trương và nhược trương 
25 
26 
Một loạt bệnh rối loạn trao đổi chất được biết là do sự thiếu hụt enzyme hoặc mất chức năng của các enzyme, do các gen bị đột biến. 
Ví dụ: 
Bệnh bạch tạng là do sự vắng mặt của tyrosinase 
26 
27 
Sự thiếu hụt phenylalaine hydroxylase gây ra bệnh Phenylketonuria (PKU), nếu không được điều trị sẽ dẫn đến chậm phát triển trí tuệ rất nặng ở tre em. 
Ví dụ: Bệnh Gaucher loại 1, cơ thể thiếu enzyme glucocerebro osidase. 
Triệu chứng: mệt mỏi, bụng phình to và chảy máu. 
Điều trị bằng cách thay thế enzyme tĩnh mạch với một kiểu khác của enzyme, được gọi chung là alglucerase. 
27 
28 
Bảng 2. Các rối loạn quá trình trao đổi chất do thiếu các enzyme tương ứng 
Sai sót bẩm sinh 
Enzyme bị thiếu hụt (mã số của E) 
Alcaptonuria 
(Ancapton-niệu) 
Homogentisase 1,2-dioxygenase (1.13.11.5) 
Phenylketonuria 
(Acid phenylpyruvic niệu) 
Phenylalanine 4-monooxygenase (1.14.16.1) 
Galactosemia 
(Galactose-huyết) 
Galactose 1-phosphate 
Uridylyltransferase (2.7.7.10) 
Glycogen storage disease type V 
Muscle glycogen phosphorylase (2.4.1.1) 
Pentosuria (Pentose-niệu) 
L-xylulose reductase (1.1.1.9) 
Fructosuria (Fructose-niệu) 
Fructokinase (2.7.1.4) 
Butyrylcholinesterase deficiency 
Butyrylcholinesterase (3.1.1.8) 
Acatalasaemia 
(thiếu catalase huyết) 
Catalase (1.11.1.6) 
Hypophosphatasia 
(giảm hoạt độ phosphatase) 
Alkaline phosphatase (3.1.3.1) 
28 
29 
Để điều trị các bệnh này thì có nhiều cách, nhưng cách được cho là hiệu quả nhất là bổ xung enzyme và cơ thể, đưa enzyme vào đúng đích nơi mà nó thực hiện chức năng trong cơ thể bình thường. 
Ví dụ: đối với bệnh nhân thiếu lactase ( β-glactosidase , enzyme phân giải lactose của sữa) không thể sử dụng sữa làm thức ăn, có thể khắc phục bằng cách: loại sữa khỏi thức ăn của bệnh nhân, hay sử dụng chế phẩm lactase của vi sinh vật để tiêu hóa lactose như cơ thể bình thường. 
29 
30 
Các enzyme hỗ trợ tiêu hóa 
Dùng theo đường uống 
Với các enzyme có thể bị biến tính trong pH dạ dày: bọc enzyme trong các nang 
Các enzyme dùng để loại mủ máu và mô hoại tử 
Dùng tại chỗ và có phối hợp với các chất kháng sinh 
Thường dùng ở dạng thuốc mỡ hoặc dạng dung dịch tẩm vào vải khô 
Các enzyme loại bỏ hoặc chuyển hóa các chất trao đổi độc hại trong máu 
Không nhất thiết phải đưa vào máu mà có thể được sử dụng trong các thiết bị phụ trợ ở bên ngoài cơ thể. VD: urease để loại urea, asparaginase để loại asparagine 
Enzyme hoạt hóa các tiền chất thuốc (pro-drug): 
30 
31 
Hoạt hóa các tiền chất thuốc (pro-drug) : 
	Dùng để điều trị ung thư 
	Các tiền chất thuốc là những thuốc đã được biến đổi hóa học sao cho không có tác dụng trong suốt chặng đường đi đến tế bào hoặc mô đích và khi đến cơ quan đích nó sẽ được hoạt hóa 
	 Ví dụ : Methotrexate có cấu trúc tương tự như acid folic, là chất kìm hãm cạnh tranh của dihydrofolate (cofactor quan trọng để tổng hợp dTMP, tiền chất của ADN) nên nó có tác dụng rất độc đối với các tế bào phân chia nhanh như các tế bào ung thư 
	 kết hợp thuốc với một số chất để biến nó thành dạng “trơ” Các enzyme tìm đến vị trí đích và hoạt hóa tiền chất thuốc 
31 
32 
Enzyme hoạt hóa pro-drug 
(mã số E) 
Tiền chất thuốc (pro-drug) 
Thuốc 
Carboxypeptidase A 
(3.4.17.1) 
Methotrexate α-phenylalanine 
Methotrexate 
Carboxypeptidase G 2 
(3.4.17.11) 
Etoposide phosphate 
Etoposide 
Alkaline phosphatase 
(3.1.3.1) 
p-N-bis(2-chlororthyl) aminobenzoyl glutamic acid 
Benzoic acid mustard 
Alkaline phosphatase 
(3.1.3.1) 
Mitomycin phosphate 
Mitomycin 
Β-glucuronidase 
(3.2.1.31) 
Aniline mustard glucuronide 
Aniline mustard 
Cytosine deaminase 
(3.5.4.1) 
5- Fluorocytosine 
5-fluorouracil 
Amino peptidase (3.4.11) 
2-(L-α-aminoacyl) methotrexate 
methotrexate 
Một số enzyme thường được dùng để hoạt hóa pro-drug: 
32 
33 
Độ bền cao 
Đưa đến đúng cơ quan đích 
An toàn, hiệu quả 
Ở dạng tiện lợi 
33 
34 
	 Ưu điểm: 
	- Độ tinh sạch cao 
	- Ít gây ra các phản ứng phụ 
	- Tính đặc hiệu cao 
	 Hạn chế: 
	- Không bền 
	- Dễ bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt, pH acid hay kiềm mạnh, các chất gây biến tính mạnh 
	- Tác dụng phân hủy enzyme của tế bào và cơ thể sống, phản ứng loại bỏ protein lạ của cơ thể 
34 
35 
	Protein là nền tảng tạo nên sự sống, việc ứng dụng enzyme trong y học đã đưa lại hiệu quả vô cùng to lớn trong việc điều trị cũng như chuẩn đoán bệnh 
	Mặc dù việc sử dụng enzyme trong y học có những nhược điểm như không bền, tuy nhiên đã và đang có rất nhiều các nghiên cứu làm tăng độ bền của enzyme như việc cải biến đầu N của phân tử enzyme, làm tăng số lượng cầu nối disulfit,... 
	Enzyme được sử dụng trong y học với liều lượng rất nhỏ và độ tinh sạch cao. Do vậy, đưa enzyme vào trong cơ thể để chữa bệnh thiếu hụt enzyme thì bản thân các enzyme này đã có mặt ở trong cơ thể, sẽ không phải là protein lạ và hạn chế việc thải loại enzyme 
35 
36 
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, enzyme được sản xuất ở quy mô công nghệ cao sẽ giảm chi phí sản xuất và giá thành sản phầm và được ứng dụng rộng rãi hơn nữa 
36 
37 
37 
37