Y Khoa Viet Nam

Protease còn được gọi là các proteolytic enzym, là các enzym có khả năng thủy phân các liên kết peptid của chuỗi peptid, protein thành các đoạn peptid ngắn hơn và các acid amin. Các protease có thể hoạt động như các yếu tố phát triển của cả tế bào ác tính và tế bào bình thường, trong sự phân chia tế bào, sinh tổng hợp ADN....

Các Protease

Protease còn được gọi là các proteolytic enzym, là các enzym có khả năng thủy phân các liên kết peptid của chuỗi peptid, protein thành các đoạn peptid ngắn hơn và các acid amin.

Các protease thủy phân các liên kết peptid bên trong chuỗi polypeptid được gọi là các endoprotease và được chia thành 4 loại trên cơ sở các nhóm hóa học tham gia vào quá trình xúc tác: Serin proteinase (EC3.4.21), Cystein proteinase (EC3.4.22), Aspartic proteinase (EC3.4.23) và Metalloproteinase (EC3.4.24).

Trong cơ thể, các protease đảm nhiệm nhiều chức năng sinh lý như: hoạt hóa zymogen, đông máu và phân hủy sợi fibrin của cục máu đông, giải phóng hormon và các peptid có hoạt tính sinh học từ các tiền chất, vận chuyển protein qua màng... Ngoài ra, các protease có thể hoạt động như các yếu tố phát triển của cả tế bào ác tính và tế bào bình thường, là tăng sự phân chia tế bào, sinh tổng hợp ADN...

Khi so sánh tế bào bình thường và tế bào ác tính, người ta nhận thấy các tế bào ác tính chứa nhiều protease hơn tế bào bình thường. Sự tăng của các enzym protease đã được phát hiện thấy ở các tế bào ác tính cũng như ở máu, dịch tổ chức khác nhau của nhiều loại động vật mang khối u ác tính. Tế bào các khối u nuôi cấy bài tiết một protease đặc hiệu (chất hoạt hóa plasminogen) có hoạt tính tăng từ 10-100 lần so với tế bào bình thường. Protease này nằm ở bề mặt màng tế bào, được bài tiết và xuất hiện rất sớm trong các tế bào chuyển dạng ác tính.

Phân đoạn màng tế bào tách chiết từ tế bào sợi (fibroblast) bào thai gà được gây chuyển dạng bởi virut Rouss Sarcoma có hoạt tính protease cao hơn 40 lần so với phân đoạn màng tế bào bình thường. Sự tăng hoạt tính của enzym này có liên quan rõ rệt với sự di căn của tế bào ác tính. Một số tác giả khác cũng tìm thấy mối liên quan giữa sự tăng hoạt của collagenase và sự di căn của tế bào carcinoma VX-2 thỏ nuôi cấy.

Hoạt tính cathepsin B-1 huyết thanh cũng tăng cao hơn 45 lần ở phụ nữ bị ung thư phần phụ. Kết quả điều trị tốt các loại ung thư này (bằng ngoại khoa hoặc hóa chất) đã giảm hoạt tính của cathepsin B-1 về mức bình thường. Một dạng cathepsin B khác ở dịch màng phổi cũng có hoạt tính tăng cao ở những phụ nữ bị ung thư vú.

Đã có báo cáo về sự tăng hoạt tính của một protease phụ thuộc calci ở tổ chức gan chuột bị ung thư và tiền ung thư so với tổ chức gan chuột bình thường.

Sự tăng hoạt tính các loại protease ở khối u được giải thích trên cơ sở tác dụng sinh học của chúng. Các protease được bài tiết bởi các tế bào khối u có khả năng phá hủy sự gắn của tế bào vào những bề mặt rắn. Các protease như collagenase, cathepsin B, chất hoạt hóa plasminogen có vai trò phá hủy rào chắn là màng tế bào bao quanh các tế bào khối u.

Khả năng của tế bào khối u phá hủy màng nền và khuôn ngoại bào đã được chứng minh là có liên quan rõ rệt với khả năng di căn của các khối u. Rochefort đã tách chiết thành công một protease được bài tiết bởi dòng tế bào ung thư vú di căn ở người (MCF 7,ZR 75-1) và xác định đó là aspartyl protease giống procathepsin D. Hàm lượng của enzym này ở bào tương liên quan rõ rệt với sự xâm lấn của tế bào khối u và oestrogen kích thích sự tăng cường tổng hợp enzym này ở tế bào u.

Những kết quả trên cho thấy sự liên quan rõ rết giữa khối u di căn và các loại protease khác nhau. Khi khối u mới phát sinh không phát hiện thấy tăng các protease, điều này cho thấy protease có vai trò chủ yếu ở giai đoạn di căn. Các protease này từ bề mặt màng tế bào u sẽ phá hủy màng tế bào bình thường cũng như khuôn ngoại bào tạo ra sự xâm lấn của tổ chức u vào tổ chức lành, và đó là bước đầu tiên của quá trình di căn.

Chất ức chế protease

Các chất ức chế protease trong tự nhiên được báo cáo lần đầu tiên năm 1894 bởi Fermi và Pernossi khi hai nhà khoa học này phát hiện hoạt tính chống trypsin trong huyết thanh người. Đến nay, các chất ức chế protease đã được tìm thấy rộng rãi trong tự nhiên từ nguồn thực vật, động vật, vi khuẩn. Có thể nói không ở tổ chức sống nào là không tồn tại các chất ức chế protease và nhiều chất ức chế protease đã được tổng hợp nhân tạo.

Tuy nhiên, những thành tựu trong nghiên cứu các chất ức chế chỉ thực sự được bắt đầu với những công trình nghiên cứu của Kunitz và Nothrop về chất ức chế trypsin tụy bò. Cùng với trypsin, sau này nhiều protease khác đã được sử dụng để phát hiện các chất ức chế protease như: chymotrypsin, elastase, subtilisin và các protease tinh chế từ nấm.

Các chất ức chế protease được phân loại theo protease mà chúng ức chế, nên các chất ức chế protease cũng được chia thành 4 loại tương ứng với 4 loại protease đã nêu ở trên. Trong đó, các chất ức chế loại serin protease được chú ý nghiên cứu nhiều nhất và có hơn 10 dòng họ các chất ức chế này đã được công bố.

Vai trò sinh học chính xác của các chất ức chế protease trong thực vật vẫn chưa được hiểu biết đầy đủ. Có lẽ chúng có vai trò bảo vệ thực vật chống lại sự tấn công của các côn trùng, vật nuôi.... Việc tìm hiểu tác dụng của các chất ức chế protease chống lại sự xâm lấn của các khối u ở người và động vật còn đang được nghiên cứu. Một số kết quả nghiên cứu theo hướng này đã được công bố.

Một chất ức chế protease có khả năng ức chế hơn 80% hoạt tính toàn phần elastase, collagenase và một protease giống chymotrysin đã được tách chiết từ tế bào bạch cầu (Leucocyte Neutral Protease Inhibitor- LNPI) và sử dụng trong nghiên cứu chống ung thư. So sánh hai nhóm chuột cái được cấy ghép tế bào ung thư phổi Lewis, trong đó một nhóm có sử dụng LPNI trong 14 ngày sau khi cấy ghép thì khối lượng của khối u di căn nhóm này chỉ bằng khoảng 50% so với nhóm chứng.

Một số thực nghiệm trên động vật gặm nhấm và các loại động vật khác có khả năng làm giảm sự phát sinh khối u, số lượng khối u và kéo dài thời gian im lặng phát sinh u ở động vật được cấy ghép tế bào ung thư.

Ví dụ, ở loài chuột C3H/HeN có hệ di truyền rất dễ bị ung thư tế bào gan nguyên phát khi được ăn thêm Edi pro A (một protein tách chiết từ đậu tương) đã giảm sự xuất hiện của khối u: cụ thể, nhóm chuột không nhận protein Edi pro A thì sau 18 tháng tuổi đều xuất hiện ung thư gan nguyên phát, trong khi nhóm chuột được cho ăn thêm 2,6% Edi pro A thì chỉ 25% chuột có phát sinh u, nếu cho ăn thêm 3,9% Edi pro A thì chỉ 12,5% chuột có phát sinh u và nếu ăn thêm 5,2% Edi pro A thì tất cả chuột (8con) đều không xuất hiện ung thư gan.

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng ức chế ung thư của chất ức chế BBI (Bowman Birk Protease Inhibitor) và STI (Soybean Trypsin Inhibitor). BBI có khả năng ức chế cả trypsin, chymotrypsin được tách chiết từ đậu và STI chỉ ức chế trypsin được tách chiết từ đậu tương. Một thực nghiệm gây ung thư miệng ở cừu cái Syrian dùng DMBA (7,12 Dimethylbenzanthracen) đã chứng minh rằng hoạt tính protease (đã được xác định là loại serin protease) tăng lên hơn 10 lần ở tổ chức u so với tổ chức bình thường và BBI có khả năng ức chế khối u loại này trong khi tác dụng của STI không rõ ràng.

Điều này được giải thích là các protease khác nhau (được bài tiết bởi các loại tế bào khối u khác nhau trong quá trình xâm lấn, di căn) thì bị ức chế bởi các loại chất ức chế protease khác nhau.

Kết quả trên dẫn đến một khả năng là các chất ức chế protease tự nhiên nếu đưa vào động vật trước hoặc cùng lúc với tác nhân gây ung thư có thể ức chế hoặc làm chậm sự phát sinh khối u. Tác dụng này có thể là do các chất ức chế protease ức chế sự phá hủy ngoại bào, màng tế bào bình thường trong quá trình xâm lấn di căn của tế bào ung thư.

Trong huyết tương cũng như các tế bào của động vật có vú chứa đựng một số lượng lớn các chất ức chế protease. ở bệnh nhân ung thư thì số lượng các chất ức chế protease huyết tương dường như thấp hơn bình thường. Một sự giảm nhẹ chất ức chế inter-alphatrypsin đã được phát hiện thấy ở huyết tương của 26 bệnh nhân ung thư tụy so với 24 người nhóm chứng. Tuy nhiên vẫn chưa xác định được sự giảm này là nguyên nhân hay hậu quả của bệnh.

Những nghiên cứu của Kennedy và Troll về mối liên quan của các chất ức chế protease trong quá trình phát sinh ung thư cũng như phương thức bảo vệ của cơ thể chống lại quá trình ung thư đã đưa ra một số điểm quan trọng. Các chất ức chế protease không cần có mặt đồng thời với sự phát sinh ung thư để ngăn sự phát triển ung thư.

Điều quan trọng hơn là các chất ức chế protease có thể phát huy tác dụng của chúng khi chúng có mặt trong cơ thể sau khi phát sinh ung thư (nhưng không quá muộn). Thậm chí một số tác giả cho rằng các chất ức chế protease là những tác nhân có hiệu quả nhất trong việc trấn áp sự chuyển dạng tế bào ung thư và những ung thư do tia bức xạ ion hóa gây ra. Các chất ức chế BBI từ đậu có trong bữa ăn tự nhiên của người vào tới trực tràng ở dạng hoạt động có thể là tác nhân có hiệu quả ngăn cản sự xuất hiện một vài loại ung thư.

Cơ chế tác dụng chống ung thư của các chất ức chế protease

Vai trò của các chất ức chế protease trong quá trình phát sinh khối u đã được xác định chắc chắn. Tuy nhiên, cơ chế tác dụng của chúng phức tạp và có nhiều giả thuyết được đưa ra để giải thích. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng quá trình sinh u có liên quan tới sự hoạt hóa một chuỗi liên tục các protease từ các tiền chất của chúng và các chất ức chế protease tác dụng ở bất cứ bước nào của chuỗi phản ứng cũng có tác dụng chống ung thư.

Nói chung, các chất ức chế protease tác dụng theo 2 cách sau:

- ức chế (khóa) hoạt động của các protease bởi phản ứng tương tác protein-protein.

- Hoạt động như một chất ức chế cạnh tranh với cơ chất vào trung tâm hoạt động của các protease.

Mỗi một protease cần một chất ức chế protease đặc hiệu bản chất là protein hoặc phân tử nhỏ có thể che phủ vị trí hoạt động của protease (thường là các dẫn xuất của các acid amin).

Các chất chống oxy hóa cũng có liên quan trong việc bảo vệ cơ thể chống ung thư. Nồng độ của chất ức chế cystein protease trong huyết thanh tăng lên khoảng 2 lần ở chuột được nuôi với chế độ thiếu vitamin E (một chất chống oxy hóa tự nhiên). Điều này chỉ ra rằng khi thiếu hụt một cơ chế bảo vệ chống lại tác nhân gây ung thư(giảm chất chống oxy hóa là vitamin E), cơ thể bù lại bằng một cơ chế khác (tăng nồng độ chất ức chế trong huyết thanh).

Một cơ chế khác liên quan đến việc bảo vệ cơ thể chống ung thư là sự gắn của các chất ức chế protease vào receptor Ah ở tế bào gan. Rất nhiều chất có hại xâm nhập vào cơ thể được biến đổi thành chất gây ung thư mạnh bởi hệ thống enzym oxy hóa phức hợp ở gan bao gồm cả cytocrom P-450 và có liên quan đến receptor Ah gan. Sự gắn của các thành phần gây ung thư (ví dụ TCDD-dioxin) vào receptor Ah gan ở chuột bị ức chế bởi vài chất ức chế serin protease. Các chất ức chế sẽ cạnh tranh với chất gây ung thư ở vị trí gắn của các receptor này. Nếu các chất có thể gây ung thư không gắn được vào receptor thì sẽ không chuyển hóa được thành các chất gây ung thư thật sự và cơ thể giảm khả năng bị ung thư. Tuy nhiên, một khi TCDD đã gắn vào receptor thì chất ức chế sẽ không thể đẩy được TCDD ra khỏi receptor.

Các gốc tự do có khả năng làm tổn thương ADN dẫn tới đột biến ADN và ung thư. Các chất ức chế protease có khả năng làm giảm sự hình thành gốc tự do do đó giúp cơ thể chống lại những tác động có hại. Vì tác động gây ung thư của các tia ion hóa là qua các gốc chứa oxygen của nước trong tế bào, và hoạt động bảo vệ cơ thể của các chất ức chế protease có lẽ theo cách này. Một vài chất ức chế protease (chất ức chế từ khoai tây, chất ức chế chymotrypsin...) làm giảm rõ rệt sự sản sinh hydrogen peroxid (H2O2) bởi bạch cầu đa nhân do kích thích của TPA. Các chất ức chế protease loại chymotrypsin có khả năng tốt nhất trong việc ức chế hình thành H2O2.

Tóm lại, các chất ức chế protease có mặt trong cơ thể sống hoặc được đưa từ bên ngoài vào có khả năng chống ung thư theo các cơ chế có thể sau:

- ức chế protease có vai trò trong quá trình di căn và xâm lấn của tế bào ung thư.

- ức chế sự giải phóng yếu tố phát triển cần thiết cho sự phát triển tế bào ung thư từ tiền chất.

- Chống lại sự hình thành các gốc tự do mà các gốc này có khả năng kích thích sự chuyển dạng tế bào dẫn tới ung thư.

- Khóa receptor Ah ở tế bào gan, vì vậy ức chế việc chuyển các chất có khả năng gây ung thư thành dạng có tác dụng gây ung thư thật sự.

Có thể còn tồn tại những cơ chế khác ngoài những cơ chế đã nêu ở trên.

Hiện nay các chất ức chế protease tự nhiên hay tổng hợp chưa được sử dụng trực tiếp trong việc điều trị ung thư ở người. Mặc dù vậy, các chất ức chế protease đang được nghiên cứu sâu hơn về cơ chế, kiểu hoạt động và khả năng ứng dụng thực tế chống ung thư trong tương lai kể cả các chất ức chế protease được tổng hợp nhân tạo.

Phạm Thiện Ngọc, Nguyễn Thị Hà

Tài liệu tham khảo:

Hocman G.: Chemoprevention of cancer: protease inhibitors. Int.J. Biochem. 9. 1365-1375. 1992.
Kenedy A.R.: Prevention of carcinogenesis by protease inhibitors. Cancer research. 54, 1999-2005. 1994.
Lah T.T., Kunova M.K. and Turk V.: Cystein proteinase inhibitors in human cancerous tissues and fruids. Biol. Chem. Hoppe-Seyler. 371, 199-203. 1990.
Quigley J.P.: Proteolytic enzymes of normal and malignant cells. Surfacesof Normal and malignant cell, Wiley, New York; 247-55. 1979.
Roose J.P. and Van Noorden J.F.: Synthetic protease inhibitors: promising compouds to arrest pathobiologic processes. J. Lab. Clin.Med; 125, 433-441. 1994.