Trên blog của mình, nhà khoa học nổi tiếng Bethany Halford đã mô tả chi tiết, cụ thể quá trình phát minh thuốc kháng vi-rút COVID-19 của công ty bom tấn Pfrizer – Paxlovid. Đây là một bước tiến khoa học vô cùng tuyệt vời và vĩ đại. Mặc dù tôi làm về kháng vi-rút thông qua hệ miễn dịch, nhưng tôi vẫn quan tâm đến lĩnh vực phân tử nhỏ kháng vi-rút. Vì vậy tôi vô cùng coi trọng bước đột phá của loại thuốc này, và luôn cập nhật tin tức liên tục trên Weibo. Tôi đã từng viết về quá trình phát triển thuốc ức chế HIV capsid – GS-6207, quá trình này kéo dài hơn 10 năm [1]. Trong đó, việc phát minh loại thuốc kháng vi-rút hoạt tính cao Paxlovid chỉ mất chưa đến 2 năm. Quá trình này có thể là một ví dụ điển hình của phát triển thuốc phân tử nhỏ kháng vi-rút. Tuy rất quan tâm đến hóa dược, nhưng dù sao tôi cũng không phải chuyên ngành này, mong các đồng nghiệp trong ngành hóa dược góp ý thêm.
Paxlovid giảm 88% nguy cơ nhập viện hoặc tử vong do COVID-19 và hiện là thuốc kháng vi-rút bằng phân tử nhỏ duy nhất làm giảm tải lượng vi-rút. Trước tình hình diễn biến dịch COVID-19 đang tăng mạnh trên toàn thể giới vì sự xuất hiện của biến chủng siêu lây nhiễm Omicron, các bác sĩ hi vọng Paxlovid có thể trở thành một trong các phương pháp cứu chữa bệnh nhân. Cuối tháng trước, FDA đã cấp phép sử dụng Paxlovid trong trường hợp khẩn cấp ở EUA, chính phủ liên bang này lập tức mua 20 triệu liệu trình loại thuốc này. Pfrizer đã công bố kế hoạch sản xuấn trong năm nay là 120 triệu liệu trình điều trị, và đang đợi sự chấp thuận cuối cùng từ FDA.
Câu chuyện về phát minh loại thuốc này bắt đầu từ ngày 13 tháng 3 năm 2020, khi nhà hóa dược Dafydd Owen làm việc tại trụ sở Massachusetts, Cambridge, Hoa Kỳ được yêu cầu làm việc tại nhà (WFH), khi Pfrizer phải đóng cửa một lượng lớn văn phòng, phòng thí nghiệm và yêu cầu nhân viên làm việc tại nhà. Thời điểm đó, quản lý của Owen đã yêu cầu ông phải lập kế hoạch khai thác phát triển các phân tử nhỏ kháng vi-rút để đối phó với dịch bệnh. Owen là một học giả có thâm niên trong lĩnh vực hóa dược, ông là Tiến sĩ Hữu cơ tổng hợp tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh và đã công tác tại Pfizer trong 22 năm. 11 năm trước, ông di cư đến Hoa Kỳ, gia nhập trụ sở Massachusetts, Cambridge, Hoa Kỳ trực thuộc công ty Pfrizer. Chuyên môn của ông là về hóa dược, đặc biệt am hiểu về hóa dược cổ điển, sàng lọc thông lượng cao (HTS) và phát triển các loại thuốc Tyrosine kinase [2]. Sự phát triển của thuốc nhắm mục tiêu là enzyme Tyrosine kinase là phát minh kinh điển nhất trong lĩnh vực hóa dược. Janet Rowley phát hiện ra rằng những bệnh nhân mắc bệnh bạch cầu dòng tuỷ mãn tính có nhiễm sắc thể Philadelphia ngoài tử cung biểu hiện Tyrosine kinase, và câu chuyện phát triển của loại thuốc nhắm mục tiêu Tyrosine kinase của Novartis (Gleevec, imatinib) đã được giảng dạy hàng chục năm [3].
Lý do tại sao tôi lại đề cập đến Gleevec ở đây, vì sự phát triển các loại thuốc từ phân tử nhỏ kháng vi-rút và kháng u có điểm chung, chính là thuốc thường nhằm vào cấu trúc enzyme bất thường của vi-rút và của khối u; chế tạo và sàng lọc thuốc dựa trên cấu trúc của phân tử enzyme. Owen chưa từng phát triển thuốc kháng vi-rút và ban đầu không có bất kỳ ý tưởng nào về việc phát triển thuốc kháng vi-rút, nhưng kinh nghiệm của ông với hóa học enzym và HTS đã cho ông một ý tưởng độc đáo và sáng tạo. Trong thời gian bùng nổ việc nghiên cứu phát minh thuốc kháng vi-rút, công ty Pfizer quyết định ưu tiên phát triển 3CL (Mpro) – protease chính của SARS-CoV-2. Chức năng chính của 3CL là cắt bản sao của vi-rút replicase polyprotein pro-protein, bản sao sau khi bị 3CL cắt có chức năng. Lý do Pfizer chọn mục tiêu này để phát triển chủ yếu là vì trong vụ dịch SARS 2002-2003, Pfizer bắt đầu phát triển thuốc kháng vi rút SARS PF-00835231, và mục tiêu của PF-00835231 là protease của SARS-CoV. PF-00835231 chưa bao giờ được thử nghiệm lâm sàng vì dịch SARS đã kết thúc khi PF-00835231 đang trong giai đoạn phát triển tiền lâm sàng.
PF-00835231 là một loại thuốc polypeptide phân tử nhỏ trong hóa dược. Loại thuốc này rất nhiều liên kết hydro, với bề mặt phân cực, không thể bị hấp thụ bởi ruột. Do đó, để hiệu chỉnh thành thuốc SARS-CoV-2 để uống cần phải tiến hành chỉnh sửa một loạt các biến đổi hóa học. Đây là thách thức lớn nhất mà đội Owen phải đối mặt. Cuối cùng vào tháng 4 năm 2020, Owen đã được quay trở lại phòng thí nghiệm và trong 13 tháng tiếp theo, ông thành lập một văn phòng tạm thời tại nhà để thiết kế và thảo luận về cách đạt được các đặc tính thông qua đường uống của PF-00835231 và các dẫn xuất kháng vi-rút của nó. Một trong các phương pháp đầu tiên chính là loại bỏ các liên kết hydro, nhóm nghiên cứu của Owen đã sử dụng phương pháp điều chỉnh hóa học có hệ thống để loại bỏ từng liên kết hydro một, tiếp đến là kiểm tra chức năng của từng hợp chất sau khi loại bỏ liên kết hydro. Liên kết hydro đầu tiên mà nhóm đã loại bỏ khỏi PF-00835231 là alpha-hydroxymethyl ketone. Vị trí này phản ứng cộng hóa trị với cysteine trong 3CL, vì vậy các chuyên gia hóa dược lý luận rằng họ có thể thay thế nó bằng một nhóm phản ứng khác không phải là chất có liên kết hydro. Họ đã chọn hai dãy hợp chất: một hợp chất có nhóm phản ứng benzen-2-yl xeton, và một hợp chất có một nhóm phản ứng nitril. Các nhà hóa học đã không lựa chọn giữa hai loại thuốc này cho đến khi gần kết thúc các thí nghiệm hoạt động thuốc của họ.
Một liên kết hydro quan trọng khác nằm trong gốc Leucine của PF-00835231. Nhóm của Owen đã quyết định thay thế phần này bằng một acid amin mạch vòng sẽ loại bỏ liên kết N-H. Để đạt được sự liên hợp giống như Leucine, mô-típ cũng có một vòng xyclopropyl được hợp nhất với hai nhóm metyl. Thiết kế thuốc có sự hỗ trợ của máy tính cho thấy cấu trúc này sẽ được đưa vào vị trí liên kết với enzym. May mắn rằng, đã từng có một tiền lệ về thiết kế này: Schering-Plough đã sử dụng nó trong Boceprevir – thuốc kháng vi-rút viêm gan C (HCV).
Quá trình biến đổi hóa học này là phần then chốt nhất của công việc. Owen nhận xét chu trình hóa học chính là trận quyết chiến trong tổng hợp hữu cơ, quyết định trực tiếp đến sự thành công hay thất bại của việc thiết kế thuốc, bởi vì một khi phân tử được chu trình hóa, sự biến đổi hóa học không thể thay đổi cấu trúc phân tử được nữa. Thiết kế này tỏ ra thành công nhưng phải loại bỏ liên kết hydro, liên kết này làm suy yếu liên kết của phân tử với glycine trong protease, dẫn đến giảm hoạt tính của thuốc. Để khôi phục sự tương tác với glycine, nhóm nghiên cứu đã thử các chất thay thế khác nhau cho indole của PF-00835231, bao gồm methanesulfonamide, acetamide và trifluoroacetamide. Ba phân tử trông giống nhau, nhưng chỉ có sản phẩm thay thế của trifluoroacetamide được hấp thụ trong ruột. Việc thay thế trifluoroacetamide là rất quan trọng và Owen tin rằng bước này đảm bảo khả dụng chức năng sinh học thông qua đường uống của thuốc.
Cuối cùng, các nhà hóa học phải lựa chọn giữa các nhóm phản ứng của chúng xeton benzothiazol-2-yl và nitril. Nitril dễ hòa tan hơn xeton benzothiazol-2-yl. Phân tử càng hòa tan thì càng dễ chuẩn bị các dung dịch phân tử có nồng độ cao cần thiết cho các nghiên cứu độc chất tiền lâm sàng. Và việc sản xuất nitril trên quy mô lớn dễ dàng hơn nhiều so với xeton benzothiazol-2-yl, vì xeton benzothiazol-2-yl dễ bị xáo trộn hơn so với nitril. Cuối cùng, dựa trên nhu cầu sản xuất quy mô lớn, nhóm đã quyết định chọn nitrile.
Vào ngày 22 tháng 7 năm 2020, các nhà hóa học Pfizer lần đầu tiên sản xuất PF-07321332 (cuối cùng được gọi là Nirmatrelvir), thực chất đây chỉ là một trong 20 hợp chất mà nhóm đã tổng hợp được. Vào ngày 1 tháng 9 năm 2020, dữ liệu dược động học trên chuột đã được công bố, chứng minh rằng thuốc sinh khả dụng đường uống vô cùng tốt. Kể từ đó, các nhà hóa học của Pfizer đã nhanh chóng mở rộng quy mô sản xuất PF-07321332. Đến đầu tháng 11 năm 2020, nhóm nghiên cứu đã cung cấp 1.400g hợp chất này cho các nghiên cứu độc chất học. Vì thuốc là một polypeptide, nên sự tổng hợp của nó về cơ bản là liên kết các liên kết amide với nhau. Owen chỉ ra rằng trong PF-07321332 có một số cấu trúc vòng đôi phức tạp và Lactam [4], đây là phần phân tử duy nhất còn lại trong PF-00835231.
Để tạo ra thuốc kháng vi-rút tiềm năng – Paxlovid, nhóm nghiên cứu đã kết hợp PF-07321332 với thuốc kháng vi-rút HIV Ritonavir. Cách tiếp cận này là cách mà các nhà nghiên cứu nhận ra rằng họ cần phải thực hiện ngay từ đầu của dự án. Ritonavir không có hoạt tính kháng vi-rút đối với SARS-CoV-2, nhưng có thể liên kết với các men thuốc ở gan, do đó ngăn chặn sự bất hoạt của PF-07321332 trong quá trình chuyển hóa ở gan.
Dược sĩ Jeremy Green hết lời ca ngợi sự phát triển nhanh chóng của PF-07321332. Ông tin rằng trong lĩnh vực protease, việc phát triển các hợp chất có thể xâm nhập vào ruột là một thách thức rất lớn, đặc biệt là các loại thuốc polypeptide, càng có giá trị hơn. Năm 2021, Owen công bố quá trình tổng hợp và các thí nghiệm hoạt động của PF-07321332 trên tạp chí Science [5]. Owen chỉ ra rằng sự phát triển của loại thuốc này là kết quả của sự hợp tác đa ngành của các nhà khoa học và ông cho biết Big Pharma có thể tập hợp các nhà khoa học lại để cùng nhau hợp tác và cùng khai thác kiến thức chuyên môn của họ. Ông hy vọng liệu trình Paxlovid có thể giúp bệnh nhân và đóng một vai trò trong việc kiểm soát dịch.
Chú thích:
2: Tyrosine kinase là một enzyme có chức năng chuyển một nhóm phosphate từ ATP sang acid amin. Hiện nay, một số thuốc ức chế enzyme Tyrosine kinase được đưa vào điều trị ung thư.
4: Lactam bao gồm Beta- lactam và Non- beta lactam là hai họ kháng sinh chính.
Nguồn: Weibo Việt Nam
