Kết hợp cách tiếp cận của Tin Sinh học và kỹ thuật Y Sinh vào nghiên cứu chứng minh cơ chế tác dụng của bài thuốc thảo dược điều trị gan nhiễm mỡ liên quan rối loạn chuyển hóa

Kết hợp cách tiếp cận của Tin Sinh học và kỹ thuật Y Sinh vào nghiên cứu chứng minh cơ chế tác dụng của bài thuốc thảo dược điều trị gan nhiễm mỡ liên quan rối loạn chuyển hóa

Nhóm: Lam Anh Herbal Pharm

Lĩnh vực Y sinh, hóa sinh

Lượt bình chọn:

Bình chọn

Giới thiệu giải pháp:

Sản phẩm hướng đến giải quyết một vấn đề sức khỏe cộng đồng quan trọng, khi mà MAFLD có xu hướng ngày càng gia tăng trên toàn cầu song hành với sự phát triển kinh tế và thay đổi lối sống, đặc biệt là ở các nước châu Á, trong đó có Việt Nam. MAFLD được xem là nguyên nhân chính gây bệnh gan trên toàn thế giới và ảnh hưởng gần một phần tư (24%) dân số toàn cầu. Đây là nguyên nhân dẫn đến xơ gan, ung thư biểu mô tế bào gan ngày càng gia tăng và tử vong do gan. Lối sống ít vận động và chế độ dinh dưỡng nhiều năng lượng sẽ làm cho MAFLD tiếp tục tăng trong tương lai. Nghiên cứu các phương pháp trị liệu hiệu quả MAFLD sẽ giúp các bác sĩ lâm sàng điều trị sớm tình trạng viêm và xơ hóa gan giúp giảm thiểu tiến triển bệnh và cải thiện tỷ lệ tử vong. Phát triển một chế phẩm hỗ trợ điều trị hiệu quả và dễ tiếp cận từ thảo dược có thể mang lại lợi ích cho nhiều người.

Xuất xứ giải pháp:

Trường Đại học Y Dược Cần Thơ / nhóm nghiên cứu Lam Anh Herbal Pharm

Tính sáng tạo và đổi mới:

Sản phẩm thể hiện tính sáng tạo, đổi mới và ứng dụng công nghệ thông qua việc áp dụng các kỹ thuật Y Sinh Dược hiện đại vào Dược học cổ truyền để nghiên cứu cơ chế tác dụng của bài thuốc thảo dược điều trị MAFLD, gần tương tự như cách chứng minh cơ chế tác dụng của các thuốc Tây y, điều mà trước đây các nghiên cứu về Dược học cổ truyền ở Việt Nam ít thực hiện. Đặc biệt cách tiếp cận tích hợp cơ sở dữ liệu tin sinh học (HERB và STRING database) cùng các phương pháp phân tích biểu hiện protein (Western Blot), biểu hiện gene (qRT-PCR) vào đánh giá các mô hình thực nghiệm in vivo, in vitro giúp hỗ trợ hiệu quả cho việc phân tích một công thức thảo dược từ tác dụng trị liệu đến cơ chế nền tảng cho các tác dụng quan sát được, xảy ra ở cấp độ tế bào đến những tác động trên protein mục tiêu rồi đến biểu hiện gene mã hóa cho các protein mục tiêu.
Việc ứng dụng phần mềm Cytoscape chuyên dùng cho xây dựng và phân tích mạng lưới dược lý giúp khám phá cơ chế tác dụng đa mục tiêu (one drug – multiple targets) của các bài thuốc thảo dược là một cách tiếp cận hiện đại, tiên tiến khác biệt so với quan điểm một thuốc, một mục tiêu (one drug – one target) truyền thống.

Tính ứng dụng:

Điều kiện triển khai
- Về nguồn thảo dược: Sản phẩm nghiên cứu là một công thức thảo dược được thiết kế và chứng minh tác dụng điều trị MAFLD bằng thực nghiệm theo cách tiếp cận của Y học hiện đại. Nghệ, sắn dây, hoàng kỳ, đan sâm, cốt khí củ là những cây thuốc quen thuộc, dễ trồng, dễ tìm ở Việt Nam; phù hợp với điều kiện triển khai nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.
- Cơ sở nghiên cứu: Các Viện, Trung tâm sinh học phân tử và các Trường Đại học Y Dược phần lớn đều được trang bị phòng lab với các trang thiết bị có thể thực hiện được mô hình thực nghiệm và phân tích kết quả.
- Các cơ sở dữ liệu tin sinh học: sử dụng không trả phí cho nghiên cứu khoa học.
Khả năng thương mại hóa sản phẩm
- Tiềm năng thị trường: Tỷ lệ mắc MAFLD được dự đoán sẽ gia tăng đặc biệt là ở các thành phố trung tâm khi mà lối sống tĩnh tại, ít vận động, áp lực công việc hàng ngày cao dẫn đến gia tăng các yếu tố nguy cơ mắc MAFLD như: béo phì, tăng huyết áp, đái tháo đường, rối loạn lipid máu, đề kháng insulin… Đặc biệt là tỷ lệ mắc COVID-19 khá cao tại Việt Nam cũng góp phần làm gia tăng tỷ lệ mắc MAFLD như là một rối loạn chuyển hóa hậu COVID-19 hoặc làm cho MAFLD tiến triển nặng hơn.
- Thuốc điều trị đặc hiệu: Hiện nay, Rezdiffra là thuốc duy nhất được FDA phê duyệt để điều trị bệnh viêm gan nhiễm mỡ không do rượu. Thuốc là chất chủ vận từng phần kích thích thụ thể THR-β ở gan, từ đó giảm tích tụ mỡ và cải thiện tình trạng viêm gan. Tuy nhiên, trường hợp phê duyệt nhanh của Rezdiffra vẫn đòi hỏi dữ liệu bổ sung từ một nghiên cứu lâm sàng dài hạn để theo dõi và đánh giá hiệu quả thực tế cũng như độ an toàn của thuốc. Đối với công thức được nghiên cứu, độ an toàn của nghệ, sắn dây, hoàng kỳ, đan sâm, cốt khí củ đã được biết rõ qua kinh nghiệm sử dụng từ lâu đời. Tiềm năng trị liệu trên MAFLD nếu được chứng minh có hiệu quả sẽ cung cấp thêm một phương thức trị liệu độc lập tác động theo một cơ chế khác Rezdiffra hoặc có thể xem như một trị liệu phối hợp với thuốc Tây y nhưng với chi phí hợp lý và khiêm tốn hơn, đặc biệt là khi so với các thuốc Tây y còn trong thời hạn bảo hộ độc quyền.
- Nhà máy sản xuất và đăng ký lưu hành: Các công ty dược có chức năng sản xuất tại Việt Nam đều phải đạt chuẩn tối thiểu là GMP-WHO cho việc sản xuất thuốc lưu hành trên thị trường theo quy định của Bộ Y tế. Nếu nghiên cứu từ thực nghiệm và thử nghiệm lâm sàng đạt được kết quả khả quan, tin cậy với bằng chứng thuyết phục thì công thức thảo dược có thể được nghiên cứu dưới một dạng bào chế hiện đại và đăng ký lưu hành dưới dạng thuốc điều trị được Bộ Y tế phê duyệt, từ đó xây dựng được cơ sở pháp lý cho sản phẩm để các bác sĩ có thể kê toa điều trị theo đúng quy chế ban hành, và xa hơn là có thể được chi trả bởi quỹ bảo hiểm y tế dựa trên việc chỉ định cho đúng nhóm bệnh nằm trong danh mục chi trả của bảo hiểm y tế.

Tính hiệu quả:

Độ tin cậy trong nghiên cứu
Sử dụng các cơ sở dữ liệu tin sinh học đáng tin cậy, được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín và được cộng đồng nghiên cứu học thuật sử dụng nhiều với số lượt trích dẫn cao:
- Cơ sở dữ liệu STRING được đăng tải trên tạp chí Nucleic Acids Research với chỉ số Impact factor (2023) là 16,7 và xếp hạng Q1 trong lĩnh vực Genetics. Tính từ thời điểm được chấp nhận công bố năm 2000 đến hiện tại đã đạt được trên 1.000 lượt trích dẫn. Đường dẫn: https://academic.oup.com/nar/article/28/18/3442/2912411?login=false
- Cơ sở dữ liệu HERB cũng được đăng tải trên Nucleic Acids Research. Từ thời điểm công bố năm 2020 đến hiện tại đã đạt được trên 400 lượt trích dẫn. Đường dẫn:
https://academic.oup.com/nar/article/49/D1/D1197/6017358?login=false
Các phương pháp thiết kế nghiên cứu và phân tích kết quả có tính phối hợp đa ngành trong lĩnh vực Y Sinh Dược với cách tiếp cận hiện đại và hỗ trợ lẫn nhau.
Chi phí và hiệu quả kinh tế
Với các cây thuốc dễ trồng và phổ biến tại Việt Nam, chi phí nguồn nguyên liệu đầu vào có thể không quá cao để có thể sản xuất ra một sản phẩm lưu hành trên thị trường với giá thành phẩm hợp lý phù hợp với mặt bằng kinh tế chung của số đông người dân, đặc biệt là khi cần sử dụng lâu dài để thấy được tác dụng trị liệu.
Về lâu dài việc sản xuất thuốc từ thảo dược muốn đảm bảo bền vững và ổn định thì cần phải có kế hoạch phát triển vùng trồng cây thuốc hoặc thu mua cây thuốc đáp ứng tiêu chuẩn nguyên liệu đầu vào cho quy trình sản xuất. Từ đó có thể phát triển kinh tế và tạo thêm công việc cho người dân địa phương.

Tiềm năng phát triển:

Về sản phẩm:
Có thể được sử dụng dạng truyền thống hoặc phát triển công thức dưới dạng viên nang mềm chứa cao dược liệu được chuẩn hóa và làm giàu thành phần hoạt tính trong công thức.
Có thể được thương mại hóa để lưu hành trên thị trường trong nước hoặc nghiên cứu các chiến lược xuất khẩu sang thị trường nước ngoài đặc biệt là các nước Châu Á lân cận với tỷ lệ mắc MAFLD cao như: Nhật (22,28%), Trung Quốc (29,81%), Thượng Hải (38,17%), Đài Loan (33,29%), Hàn Quốc (32,87%), Bangladesh (33,86%), Hồng Kông (42,28%), Indonesia (51,04%), Singapore (40,43%), Malaysia (38,50%), Ấn Độ (32,74%). Do đó, cần chứng minh hiệu quả trị liệu MAFLD với dữ liệu quan sát được trên những nghiên cứu đáng tin cậy từ thực nghiệm, từ lâm sàng là điều kiện cần thiết để mở rộng thị trường. Sau đó là hiện đại hóa công thức dưới dạng 1 chế phẩm thương mại thuận tiện cho việc sử dụng.
Về triển khai nghiên cứu thực nghiệm:
- Nguồn thảo dược: phổ biến, dễ trồng và dễ tìm thấy ở Việt Nam cho thấy sự phù hợp với điều kiện triển khai và ứng dụng tại Việt Nam.
- Nền tảng dữ liệu và phần mềm ứng dụng: được sử dụng không trả phí cho mục đích nghiên cứu khoa học và được cộng đồng các nhà nghiên cứu tin sinh học sử dụng nhiều.
- Cơ sở vật chất và trang thiết bị phục vụ cho nghiên cứu: Các xét nghiệm sinh hóa là các xét nghiệm thường quy thực hiện dễ dàng ở các cơ sở y tế. Kỹ thuật nuôi cấy tế bào, nhuộm mô, kỹ thuật qRT-PCR, kỹ thuật Western Blot, phòng thử thuốc trên động vật và trên tế bào, phòng hóa phân tích kiểm nghiệm được trang bị máy HPLC đều được xây dựng và trang bị khá đầy đủ cho các Viện, Trung tâm sinh học phân tử và các Trường Đại học Y Dược. Các công ty cung cấp hóa chất, thuốc thử, bộ KIT… liên quan đến nghiên cứu đều có mạng lưới kinh doanh trải dài từ Thành phố Hồ Chí Minh đến Cần Thơ.
Về triển khai thử nghiệm lâm sàng:
Việc triển khai một thử nghiệm lâm sàng trên bệnh nhân MAFLD tại Việt Nam là có thể thực hiện được dựa trên những quy chuẩn chuyên môn và các văn bản pháp luật quy định cũng như những yếu tố về số lượng bệnh nhân và các cơ sở y tế có chuyên khoa điều trị MAFLD đều khá thuận lợi cho việc tiến hành một thử nghiệm lâm sàng quy mô lớn. Vấn đề là cần xem xét bài toán về chi phí tiến hành một thử nghiệm lâm sàng với thời gian đủ dài để thấy được hiệu quả trị liệu và xây dựng được đội ngũ chuyên môn phù hợp.
Về cách tiếp cận: tích hợp Tin Sinh học và kỹ thuật Y Sinh hiện đại vào nghiên cứu chứng minh cơ chế tác dụng của bài thuốc từ thảo dược.
Có thể áp dụng không chỉ để nghiên cứu điều trị MAFLD mà còn có thể mở rộng sang nghiên cứu các bài thuốc thảo dược điều trị các bệnh lý khác bằng cách tiếp cận tương tự theo mô thức chung: dự đoán bằng phân tích tin sinh học và xác thực, chứng minh bằng mô hình thực nghiệm kết hợp với các phân tích bằng kỹ thuật Y Sinh Dược hiện đại.

Tiêu chí về cộng đồng:

Cơ sở hạ tầng:

* Cơ sở vật chất và trang thiết bị nghiên cứu

- Cơ sở dữ liệu tin sinh học HERB, STRING và phần mềm Cytoscape (sử dụng không trả phí cho mục đích nghiên cứu khoa học).
- Trung tâm/Đơn vị nghiên cứu động vật thử nghiệm: Đảm bảo tiêu chuẩn nuôi dưỡng và thực hiện thí nghiệm trên động vật (chuột).
- Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử: Trang bị đầy đủ cho nuôi cấy tế bào (tủ cấy an toàn sinh học, tủ ấm CO2 ...), hệ thống điện di và Western blot, máy qRT-PCR, và các thiết bị phụ trợ khác (máy ly tâm, máy đo quang phổ...).
- Phòng xét nghiệm sinh hóa: Trang bị máy móc, hóa chất để định lượng các chỉ số sinh hóa (glucose, insulin, men gan, mỡ máu...).
- Phòng thí nghiệm Mô học: Trang bị dụng cụ, hóa chất và thiết bị cho kỹ thuật xử lý, cắt lát và nhuộm mô (Hematoxylin & Eosin, Oil Red O), kính hiển vi quang học có gắn camera.
- Phòng thí nghiệm Phân tích – Kiểm nghiệm: Trang bị máy HPLC và các thiết bị phân tích.

* Phương pháp áp dụng giải pháp đề xuất vào nghiên cứu sản phẩm

Tiến trình các bước được mô tả trong hình 1, bao gồm:
[1] Thu thập thông tin về hợp chất (compound) trong công thức và các mục tiêu tác động (gene/protein) bằng các nền tảng dữ liệu tin sinh học;
[2] Xác định các hợp chất có hoạt tính quan trọng (essential active compound); xác định mục tiêu điều trị chính (target gene/target protein) và cơ chế tác dụng (con đường tín hiệu KEGG) bằng hệ thống mạng lưới dược lý kết hợp với các nền tảng dữ liệu tin sinh học;
[3] Thiết kế hàm lượng các thành phần thảo dược trong công thức và chế độ liều thử nghiệm in vivo, in vitro dựa trên tổng quan tài liệu và kết quả phân tích từ mạng lưới dược lý;
[4] Xác thực và chứng minh cơ chế tác dụng bằng mô hình thực nghiệm in vitro và in vivo với cách tiếp cận phối hợp nhiều lĩnh vực:
- Xây dựng mô hình gan nhiễm mỡ thực nghiệm trên chuột (in vivo) và nuôi cấy tế bào gan HepG2 (in vitro);
- Phân tích nồng độ các chỉ số sinh hóa (biomarker) giúp đánh giá tác dụng trị liệu MAFLD từ mô hình in vivo và in vitro, bao gồm: glucose, insulin, ALT, AST, triglyceride, total cholesterol, HDL-C và LDL-C;
- Nhuộm tế bào để quan sát và đánh giá: hình thái học mô gan (Kỹ thuật nhuộm hematoxylin và eosin) và sự tích tụ lipid trong tế bào gan (Kỹ thuật nhuộm Oil Red O);
- Kỹ thuật Western blot để phân tích biểu hiện của các protein mục tiêu điều trị: Kích thích biểu hiện (up-regulation) hay ức chế biểu hiện (down-regulation).
- Kỹ thuật qRT-PCR để phân tích biểu hiện gene mã hóa cho các protein mục tiêu: xác định sự kích thích biểu hiện (up-regulation) hay ức chế biểu hiện (down-regulation).
[5] Phân tích thành phần công thức bằng kỹ thuật HPLC để xác định sự hiện diện và hàm lượng của các hợp chất có hoạt tính quan trọng trong công thức, từ đó xác thực kết quả từ mạng lưới dược lý và làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn chất lượng cho công thức.

Hiện tại, trong nội dung mô tả sản phẩm dự thi nhóm nghiên cứu đã hoàn thành bước [1], [2] và [3]: thiết kế công thức và phân tích đưa ra dự đoán về cơ chế điều trị MAFLD bao gồm việc xác định ban đầu các hợp chất có vai trò quan trọng trong điều trị, các mục tiêu điều trị chính và các con đường tín hiệu KEGG có liên quan đến mục tiêu điều trị, cụ thể:
Bước [1]: Sử dụng các nền tảng dữ liệu tin sinh học gồm HERB và STRING, nhóm nghiên cứu đã xác định được có 56 gene/protein là mục tiêu tác động của 86 hợp chất có hoạt tính trong công thức. Dựa theo thứ tự bậc từ cao đến thấp của các protein trong mạng lưới tương tác Protein - Protein do STRING database phân tích, nhóm nghiên cứu xác định có 24 protein mục tiêu chính có vai trò chủ yếu liên quan tới MAFLD bao gồm: TNF, IL1B, INS, PPARG, LEP, PPARA, ADIPOQ, IL1A, GPT, SIRT1, SREBF1, CYP2E1, ESR1, NFE2L2, SCARB1, TGFB1, CSF2, IL3, JAK2, CYP1A2, GSTA1, GSTP1, IL4, PTEN (Hình 2). Tiếp tục sử dụng STRING database phân tích các con đường tín hiệu KEGG liên quan đến 24 protein mục tiêu chính trên, kết quả chọn lọc được 20 con đường tín hiệu KEGG chủ lực (top pathway) dựa trên tiêu chí số lượng gene và FDR (hình 3).
Bước [2]: Sử dụng phần mềm Cytoscape chuyên dụng cho xây dựng và phân tích mạng lưới tin sinh học, mạng lưới dược lý H-C-G-P được xây dựng thông qua sự tương tác giữa thảo dược (H: herb) – hợp chất (C: compound) – mục tiêu (G: gene) – con đường (P: pathway) để xác định các hợp chất có hoạt tính quan trọng và các mục tiêu điều trị chính liên quan MAFLD (hình 4). Sự xác định dựa trên thứ tự bậc của chúng trong mạng lưới tương tác. Bậc càng cao, các yếu tố này càng có vai trò then chốt. Mạng lưới dược lý H-C-G-P được xây dựng bao gồm 5 thảo dược và 86 hợp chất có hoạt tính tương tác với 24 protein mục tiêu và 10 con đường tín hiệu KEGG được chọn lọc gồm: Non-alcoholic fatty liver disease, Pathways in cancer, Cytokine-cytokine receptor interaction, AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications, AMPK signaling pathway, Adipocytokine signaling pathway, Insulin resistance, Hepatocellular carcinoma, JAK-STAT signaling pathway, Type I diabetes mellitus. Từ thứ tự bậc trong mạng lưới giúp xác định:
- Các protein mục tiêu điều trị chính: ESR1, PPARG, TNF, TGB1, ILB1; như vậy kết quả phân tích Western blot và qRT-PCR cần có được thông tin các protein này được kích thích hay ức chế tổng hợp và các gene mã hóa cho các protein này được tăng cường biểu hiện hay bị kìm hãm.
- 15 hợp chất có hoạt tính quan trọng hàng đầu, gồm: Resveratrol, Curcumin, Quercetin, Puerarin, Capsaicin, Rutin, Daidzein, Calycosin, Kaempferol, Betaine, Tanshinone I, Formononetin, Diosmin, Salvianolic acid B và polydatin cùng hiệp đồng tác dụng trong điều trị MAFLD; do đó phân tích HPLC để xác minh lại kết quả từ mạng lưới dược lý cần phải có sự hiện diện của các hợp chất này với hàm lượng cao trong công thức.
- Tầm quan trọng của từng thảo dược trong công thức được xếp theo thứ tự: Hoàng kỳ, Nghệ, Đan sâm, Cốt khí củ, Sắn dây; do đó thiết kế công thức cần chú ý tỷ lệ hàm lượng của các thảo dược có vai trò quan trọng trong mạng lưới dược lý kết hợp với tổng quan tài liệu về thành phần hợp chất trong từng thảo dược.
Bước [3]: Công thức thảo dược được thiết kế với các thành phần gồm:
- Đan sâm (Salvia miltiorrhiza): Dùng rễ và thân rễ, hàm lượng 10 gram.
- Nghệ (Curcuma longa): Dùng thân rễ (củ nghệ), hàm lượng 15 gram.
- Sắn dây (Pueraria lobata): Dùng rễ (củ), hàm lượng 10 gram.
- Hoàng kỳ (Astragalus membranaceus): Dùng rễ, hàm lượng 30 gram.
- Cốt khí củ (Polygonum cuspidatum): Dùng rễ và thân rễ, hàm lượng 15 gram.