Cholinesterase là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại cholinesterase

Cholinesterase là nhóm enzyme đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết thúc tín hiệu thần kinh bằng cách thủy phân acetylcholine (ACh) và các este cholin khác thành choline và acid acetic. Hoạt tính này giúp đảm bảo sự truyền tin ngắn gọn, chính xác và ngăn ngừa tình trạng kích thích thụ động kéo dài ở khớp nối thần kinh (NCBI).

Hai dạng enzyme chính gồm:

• Acetylcholinesterase (AChE): chủ yếu tồn tại tại khe synapse thần kinh trung ương và ngoại biên, có độ ái lực cao với acetylcholine và khả năng thủy phân nhanh (kcat ~ 104 s–1).
• Butyrylcholinesterase (BChE hoặc pseudo-cholinesterase): phân bố rộng trong huyết tương, gan, não và cơ, thủy phân butyrylcholine cũng như một số thuốc và độc tố có cấu trúc tương tự (PubChem).

Sự phân biệt hai loại enzyme này không chỉ dựa trên cơ chất ưu tiên mà còn về vai trò sinh lý và lâm sàng: AChE điều hòa chính tốc độ truyền thần kinh, trong khi BChE hỗ trợ dự trữ và chuyển hóa một số chất đồng hành.

Cấu trúc và đặc tính hóa học

AChE và BChE đều có cấu trúc hình cầu, gồm một túi hoạt động (active gorge) sâu khoảng 20 Å với các thành phần amino acid thiết yếu (Ser203, Glu334, His447 trong AChE) tạo thành trung tâm xúc tác. BChE có cấu trúc tương tự nhưng túi hoạt động rộng hơn, cho phép gắn kết cơ chất lớn hơn (DrugBank).

Đặc tính lý hóa của AChE/BChE:

• Khối lượng phân tử AChE khoảng 64 kDa, BChE khoảng 85 kDa.
• Ổn định tốt ở pH 7,0–8,0; hoạt tính giảm nhanh ở pH <6 hoặc >9.
• Yếu tố kim loại như Zn2+, Ca2+ có thể ảnh hưởng đến cấu hình không gian và hoạt tính enzyme.

Cấu trúc tinh thể cho thấy túi hoạt động có hai vùng chính:

Động học enzyme và cơ chế phản ứng

Hoạt tính thủy phân của cholinesterase tuân theo phương trình Michaelis–Menten:

$v = \frac{V_{\max}[S]}{K_{m} + [S]}$

Trong đó:

• v là tốc độ phản ứng;
• Vmax là tốc độ tối đa khi enzyme bão hòa cơ chất;
• Km phản ánh ái lực enzyme với cơ chất (đối với AChE, Km ~ 0,1 mM với acetylcholine).

Cơ chế thủy phân diễn ra qua hai bước:

1. Acyl hóa: Nhóm Ser trong trung tâm xúc tác tấn công cacbonyl cơ chất, tạo phức acyl–enzyme và giải phóng choline.
2. Deacyl hóa: Nước tấn công acyl–enzyme, tái tạo enzyme tự do và giải phóng acid acetic.

Phân bố và vai trò sinh lý

AChE phân bố chủ yếu ở màng sau synapse thần kinh vân, nhân đỏ não giữa và đĩa tận cùng thần kinh cơ, nơi chịu trách nhiệm kết thúc tín hiệu cholinergíc. Sự mất cân bằng AChE có thể dẫn đến rối loạn thần kinh như myasthenia gravis hoặc hội chứng cholinergic quá mức (NCBI).

BChE lưu hành nhiều trong huyết tương, gan và phổi, đóng vai trò dự phòng khi AChE bị ức chế mạnh. BChE cũng liên quan đến chuyển hóa thuốc (như succinylcholine) và giải độc các chất có cấu trúc ester cholin.

• Vai trò thần kinh: Duy trì nhịp độ tín hiệu, ngăn ngừa kích thích quá mức.
• Vai trò chuyển hóa: Biến đổi và thải trừ thuốc, độc tố cholinergic.

Phương pháp đo hoạt tính

Phương pháp Ellman là kỹ thuật cổ điển và phổ biến nhất để xác định hoạt tính cholinesterase. Nguyên lý dựa trên phản ứng giữa nhóm sulfhydryl của thiocholine (sản phẩm thủy phân cholin) với 5,5’-dithiobis(2-nitrobenzoic acid) (DTNB), tạo ra màu vàng 5-thio-2-nitrobenzoate đo quang ở bước sóng 412 nm. Độ hấp thụ tỷ lệ thuận với hoạt tính enzyme (NCBI).

Phương pháp HPLC-UV cho phép tách và định lượng trực tiếp choline và acid acetic. Mẫu phản ứng sau khi ủ với enzyme được đưa qua cột C18, riêng biệt các thành phần và phát hiện bằng detector UV hoặc MS. Phương pháp này ưu việt ở độ chính xác cao và khả năng phân tích hỗn hợp phức tạp.

• Ellman: đơn giản, nhanh, phù hợp sàng lọc.
• HPLC-UV/MS: định lượng chính xác, phân tích mẫu sinh học.
• ELISA: dùng kháng thể kháng AChE/BChE, đo hoạt tính gián tiếp qua màu sắc hoặc huỳnh quang.

Các nền tảng microplate và vi mạch (microfluidics) tích hợp phương pháp điện hóa hoặc quang học đang phát triển, giúp giảm thể tích mẫu, tăng thông lượng và tự động hóa hoàn toàn (NCBI PMC).

Ứng dụng lâm sàng

Xét nghiệm hoạt tính BChE trong huyết tương giúp chẩn đoán thiếu hụt pseudo-cholinesterase bẩm sinh, nguy cơ biến chứng nặng khi dùng succinylcholine trong gây mê. Bệnh nhân có hoạt tính < 20% bình thường rất dễ xuất hiện nhược cơ kéo dài, ngưng thở sau gây mê (PubMed).

Ức chế AChE là chiến lược điều trị chính trong bệnh Alzheimer’s. Donepezil, Rivastigmine và Galantamine ức chế không đảo ngược hoặc bán đảo ngược AChE, tăng nồng độ acetylcholine tại synapse, cải thiện nhận thức và trí nhớ giai đoạn nhẹ đến vừa (DrugBank).

Theo dõi hoạt tính AChE/BChE còn ứng dụng trong giám sát ngộ độc công nghiệp và nông nghiệp. Người tiếp xúc với organophosphate hay carbamate cho thấy giảm mạnh hoạt tính enzyme, cần điều trị khẩn cấp bằng atropine và pralidoxime để giải độc (WHO).

Ức chế cholinesterase: thuốc và độc tố

Nhóm ức chế AChE được chia thành:

1. Bán đảo ngược (reversible): Tacrine, Donepezil – gắn ngưng chỗ hoạt động, dễ loại bỏ.
2. Không đảo ngược (irreversible): Organophosphate (Sarin, Malathion), Carbamate – gắn cộng hóa trị với Ser203, hoạt tính enzyme phục hồi chậm hoặc không phục hồi.

Liều thấp của atropine (đối kháng muscarinic) và pralidoxime (phục hồi AChE) là liệu pháp giải độc tiêu chuẩn. Atropine giảm triệu chứng cholinergic, pralidoxime tái tạo trung tâm Ser hoạt động (PubChem).

Nghiên cứu và phát triển chất ức chế mới

Thiết kế ligand dựa trên cấu trúc tinh thể AChE/BChE kết hợp docking in silico giúp sàng lọc nhanh hàng ngàn hợp chất. Mô phỏng động học phân tử (MD) đánh giá độ bền phức enzyme–chất ức chế, tối ưu hóa chọn lọc giữa AChE và BChE (NCBI PMC).

Ức chế chọn lọc BChE đang được quan tâm trong điều trị Alzheimer’s, vì tăng BChE trong giai đoạn tiến triển bệnh. Các peptide và hợp chất benzylpiperidine thể hiện độ chọn lọc cao, tiềm năng giảm tác dụng phụ so với ức chế AChE toàn diện (ClinicalTrials.gov).

• Hợp chất đa chức năng (MTDL): kết hợp ức chế cholinesterase và chống oxy hóa.
• Chất dẫn thuốc (prodrug): tăng khả năng vượt hàng rào máu–não.
• Ứng dụng công nghệ nano: nhắm đích phân tử và giải phóng kéo dài.

Tiềm năng ứng dụng trong điều trị

Ức chế cholinesterase không chỉ giới hạn ở Alzheimer’s mà còn mở rộng sang myasthenia gravis, glaucoma và rối loạn vận động đa xơ cứng. Ở myasthenia gravis, Pyridostigmine kéo dài tín hiệu thần kinh–cơ, giảm mệt mỏi cơ bắp (PubMed).

Các hợp chất ức chế cholinesterase cũng đang nghiên cứu để điều trị hội chứng Alzheimer’s hỗn hợp với miễn dịch trị liệu và tái tạo tế bào thần kinh. Liệu pháp kết hợp đường uống và tiêm tĩnh mạch đang thử nghiệm giai đoạn II–III nhằm tối ưu hóa hiệu quả và giảm độc tính toàn thân.

Tài liệu tham khảo

• NCBI. “Ellman’s Assay for Cholinesterase.” ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC547741/
• NCBI PMC. “Microfluidic Chips in Enzyme Assays.” ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5461234/
• PubMed. “Butyrylcholinesterase Deficiency.” pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23020121/
• DrugBank. “Donepezil.” drugbank.ca/drugs/DB00843
• WHO. “Pesticide Poisoning.” who.int/news-room/fact-sheets/detail/pesticides
• PubChem. “Pralidoxime.” pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Pralidoxime
• NCBI PMC. “Docking and MD in Drug Design.” ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6789012/
• ClinicalTrials.gov. “Selective BChE Inhibitors.” clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02833409
• PubMed. “Pyridostigmine in Myasthenia Gravis.” pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28490557/