組合化學(xué)新進(jìn)展

1、組合化學(xué)新進(jìn)展 生工院 陳芩 跟讀 09630502摘要：組合化學(xué)(combinatorial chemistry) 是近十幾年來興起的一門新學(xué)科,其發(fā)展趨勢引起了世界科技界的關(guān)注。目前,組合化學(xué)已滲透到藥物、有機(jī)、材料、分析等諸多領(lǐng)域, 隨著自動(dòng)化水平的提高,組合化學(xué)已成為化學(xué)領(lǐng)域最活躍的部分之一。它加速了化合物的合成與篩選速度,是藥物合成化學(xué)上的一次革新,為近年來藥物領(lǐng)域的最顯著的進(jìn)步之一。關(guān)鍵詞：組合化學(xué) 藥物篩選 研究前景一、 組合化學(xué)的發(fā)展歷史與概念1.1 發(fā)展歷史組合化學(xué)起源于藥物合成,繼而發(fā)展到有機(jī)小分子合成、分子構(gòu)造分析和分子識別研究等領(lǐng)域。它是在固相合成多肽基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一

2、項(xiàng)快速合成新技術(shù)。上世紀(jì)60年代初期,Merrifield 建立的固相多肽合成法為組合化學(xué)方法的建立奠定了基礎(chǔ),而多肽合成儀的出現(xiàn), 使該方法成為一種常規(guī)手段。上世紀(jì)80年代中期, Geysen1用96孔板在高分子鏈上首次合成多肽成功, 標(biāo)志著組合合成的開始。1991年, 混合裂分合成法2的提出標(biāo)志著組合化學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。為了確定混合物的成分,合成物密碼標(biāo)記和解密技術(shù)以及產(chǎn)物追蹤技術(shù)也逐漸地發(fā)展起來。至上世紀(jì)90年代初,以合成小分子為主的平行單分子合成技術(shù)有了很大的發(fā)展,并成為組合合成的主要技術(shù)。上世紀(jì)80年代末,組合化學(xué)合成開始應(yīng)用于新藥開發(fā)領(lǐng)域。90年代后期,組合化學(xué)技術(shù)

3、被進(jìn)一步推廣應(yīng)用于新材料和新型催化劑的研究。組合化學(xué)的創(chuàng)立與發(fā)展,始于新藥研究的需要。自上世紀(jì)80年代末期,隨著分子生物學(xué)研究的突破,即高通量篩選技術(shù)的發(fā)展,新藥開發(fā)所需要的新分子實(shí)體的數(shù)目越來越多,科學(xué)家們把注意力從尋找天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)入合成大數(shù)目的化合物群,即化學(xué)庫。組合化學(xué)就是一種合成化學(xué)庫的技術(shù),運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù),不同系列的合成砌塊反應(yīng)成分可有序地排列起來,從而組成大系列的多樣化分子實(shí)體群。1.2 概念所謂組合化學(xué), 亦稱同步多重合成化學(xué)或組合合成化學(xué), 是一種將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和機(jī)械手結(jié)為一體的技術(shù), 屬于邊緣學(xué)科。藥物化學(xué)家可在短時(shí)間內(nèi)將購買的或自己合成的不同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模塊

4、(building block),通過化學(xué)合成或生物合成以共價(jià)鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進(jìn)行連接, 從而產(chǎn)生大批相關(guān)的化合物, 總稱為化合物庫。這一過程十分類似于自然界中的生物合成:原本數(shù)量有限的單糖、氨基酸、核苷酸等, 通過種種鍵合形成了幾乎無限的糖類化合物、多肽、蛋白質(zhì)和核酸等3。合成的化合物庫提供給藥理學(xué)家進(jìn)行藥理篩選,試驗(yàn)它們的生物活性, 分離鑒定出活性化合物的結(jié)構(gòu),并且作為深入開發(fā)的目的物。如此就免除了單個(gè)化合物的單獨(dú)合成及結(jié)構(gòu)測定, 大大簡化了藥物的發(fā)現(xiàn)過程。二、組合化學(xué)在藥物篩選中的作用新藥的開發(fā)往往需要投入數(shù)億美元,經(jīng)歷10多年的時(shí)間,對幾千個(gè)化合物進(jìn)行逐個(gè)的合成與篩選才能開發(fā)出一個(gè)新的

5、治療藥。進(jìn)入90年代以后,隨著計(jì)算機(jī)輔助分子模型及合理藥物設(shè)計(jì)理論的發(fā)展,一種新的藥學(xué)革命組合化學(xué)問世了,并以其“多、快、高、省”的獨(dú)特功能向人們展示了它在藥物開發(fā)方面的誘人前景。關(guān)于組合化學(xué)的基本原理、操作技術(shù)及發(fā)展趨勢近幾年國內(nèi)外已有報(bào)道4-5。本文擬在組合化學(xué)的總體構(gòu)架及運(yùn)作效率等方面與傳統(tǒng)藥物化學(xué)及活性篩選進(jìn)行比較,以了解組合化學(xué)在新藥研究與開發(fā)方面占有的地位。2.1 合成方式及效率 與傳統(tǒng)的“一次合成,一個(gè)產(chǎn)物”相比,組合化學(xué)的出發(fā)點(diǎn)就是一次同步合成,得到多種產(chǎn)物。因此,反應(yīng)時(shí)必須用分子結(jié)構(gòu)不同但反應(yīng)基團(tuán)相同的多種構(gòu)件(原料)以平行或交叉方式參與同一步反應(yīng),見圖1 。以“分·

6、;混·分”方式制備的One bead one product組合庫5為代表,一次合成105106 種產(chǎn)物已成為現(xiàn)實(shí)。采用組合化學(xué)手段,僅僅幾個(gè)人用1個(gè)月的時(shí)間就可以合成上千萬種產(chǎn)物。而傳統(tǒng)方式的合成則無法與之相比,見表1 。組合化學(xué)的“多”是以眾多的產(chǎn)物為物質(zhì)基礎(chǔ),方可能提供更多的活性命中的機(jī)會(huì);而“快”則是“多”的結(jié)果,也是開發(fā)新藥的客觀要求。2.2 活性篩選組合化學(xué)中“高”的特點(diǎn)表現(xiàn)為對巨大的混合產(chǎn)物進(jìn)行高度集合、高效率的庫群方式篩選活性。它把合成后的每個(gè)亞庫,甚至整個(gè)組合庫的混合產(chǎn)物作為一個(gè)純樣品對待,即只篩一份或幾份就可以覆蓋全部產(chǎn)物。例如,用競爭性ELISA法篩選19個(gè)亞庫

7、即19份樣品(每份含19個(gè)產(chǎn)物) ,就可檢測361個(gè)產(chǎn)物6。用熒光標(biāo)記抗體結(jié)合法篩選光印組合庫時(shí),全庫1024個(gè)產(chǎn)物同在一塊小玻片上作為一個(gè)樣品,所以一次就全部完成活性篩選7。用染料鍵合的受體與含有247萬個(gè)肽樹脂產(chǎn)物混合培養(yǎng)的固相篩選,再經(jīng)顯微鏡下挑出著色最強(qiáng)(即活性最高)的樹脂球即可一次完成大規(guī)模肽庫的活性檢測5。至今,組合化學(xué)的多種群集篩選方式均以高效率為最大特點(diǎn)。2.3 結(jié)構(gòu)識別 與藥物化學(xué)的傳統(tǒng)方式相比,組合化學(xué)在分析產(chǎn)物結(jié)構(gòu)方面有以下3個(gè)特點(diǎn):2.3.1 后分析對產(chǎn)物先進(jìn)行活性篩選,再做結(jié)構(gòu)分析。2.3.2 少分析只對混合產(chǎn)物中生物活性最強(qiáng)者的一個(gè)或幾個(gè)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。2.3.3

8、 無分析有的組合庫在活性篩選完成時(shí),其活性結(jié)構(gòu)即被識別,無須再分析。對活性產(chǎn)物可用常規(guī)的氨基酸組成分析、質(zhì)譜、核磁共振譜等手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。如果說組合化學(xué)的合成及篩選是“以一頂萬”的話,那么它的結(jié)構(gòu)識別則是“存一去萬”。更為奇巧的是有的組合庫如正交組合方式8、核心分子方式9及索引組合方式10等根本不用任何化學(xué)及儀器分析,在活性篩選結(jié)束時(shí)即確認(rèn)出新的先導(dǎo)結(jié)構(gòu),充分體現(xiàn)了組合化學(xué)“省”的特點(diǎn)。現(xiàn)以索引組合庫的合成、篩選及結(jié)構(gòu)識別為例,假設(shè)用10種A構(gòu)件與20種B構(gòu)件按索引庫方式反應(yīng),共獲得A庫200個(gè)產(chǎn)物及B庫200個(gè)產(chǎn)物,見圖2 。從圖2 中可以看出只需進(jìn)行30個(gè)樣品的活性檢測,即可覆蓋200個(gè)

9、產(chǎn)物,而且由2 個(gè)活性最強(qiáng)的亞庫產(chǎn)物組成互相索引,即可推導(dǎo)出活性產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。最近Pirrung等人11就以此種方式找到一個(gè)活性很高的膽堿酯酶抑制劑,其結(jié)構(gòu)式如下。2.4 總體程序比較 組合化學(xué)的設(shè)計(jì)基點(diǎn)就是為了高速度、大規(guī)模、高效率地進(jìn)行合成、篩選與識別。為達(dá)到“多、快、高、省”的目的,組合化學(xué)技術(shù)不但在每個(gè)環(huán)節(jié)的操作方式上,而且在總體程序上必須有別于傳統(tǒng)方式?，F(xiàn)以活性命中率是1/ 4000為例,見圖3。傳統(tǒng)的研究程序應(yīng)在合成、分析及篩選的各自環(huán)節(jié)上均實(shí)施4000次實(shí)驗(yàn)投入,而組合化學(xué)方式則投入極少、捷足先登。目前組合化學(xué)雖然在某些結(jié)構(gòu)類型的藥物研究與開發(fā)上還受到限制,但隨著此技術(shù)日漸成熟,它

10、將在新藥的研究與開發(fā)上顯示更大的作用12。三、組合化學(xué)的前景與展望有機(jī)合成反應(yīng)是化學(xué)研究中最重要的熱門領(lǐng)域之一，而組合化學(xué)是一種新型高效的合成策略，如何實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)化學(xué)物分子的快速組合合成，縮短藥物研創(chuàng)周期，無疑是合成化學(xué)家與藥物研究者非常感興趣的一個(gè)課題。展望未來，在藥物開發(fā)領(lǐng)域，組合化學(xué)必將日益發(fā)揮其重要作用。(1)化學(xué)污染日益危協(xié)人類生態(tài)環(huán)境，綠色化學(xué)深入人心，發(fā)展環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)如加成、縮合反應(yīng)等勢在必行。Mannich三組分與Ugi四組分縮合等體系即是高原子利用效率的綠色反應(yīng)。通過變換Mannich與Ugi反應(yīng)物系列，構(gòu)建數(shù)目眾多的小分子化合物庫，經(jīng)高通量篩選(high through

11、put screening,HTS)生物活性分子，可望在組合化學(xué)取得更多應(yīng)用。深入研究和擴(kuò)大Mannich與Ugi縮合反應(yīng)是現(xiàn)今有機(jī)合成研究的重要課題之一。(2)傳統(tǒng)有機(jī)合成主要目標(biāo)在于靶分子的取得，合成產(chǎn)率或反應(yīng)選擇性是合成化學(xué)家首要考慮的問題，環(huán)境危害則甚少顧及。Trost提出的原子利用效率，已廣泛地應(yīng)用于評價(jià)化學(xué)反應(yīng)綠色性。而且基于合成產(chǎn)率的原子利用效率是一種新的有機(jī)反應(yīng)評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明可較好反映反應(yīng)實(shí)際，可望進(jìn)一步擴(kuò)展如同時(shí)考慮合成產(chǎn)率、反應(yīng)選擇性及原子效率得到綜合性評價(jià)指標(biāo)，并推廣應(yīng)用于其它反應(yīng)體系。(3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種行之有效的合成計(jì)量學(xué)方法，在化學(xué)工藝優(yōu)化領(lǐng)域已有大量成功實(shí)例

12、。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)選定了反應(yīng)物種，各種反應(yīng)條件包括反應(yīng)物配比、反應(yīng)溫度、時(shí)間、壓力與催化劑等就是進(jìn)行反應(yīng)的重要前提和考慮因素。這時(shí)就需要通過有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，來確定優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最佳工藝。試驗(yàn)優(yōu)化目標(biāo)不同，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法也就不同，故應(yīng)該開發(fā)更多的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并推廣應(yīng)用于不同反應(yīng)體系。(4)定量結(jié)構(gòu)反應(yīng)性研究(QSRR)相關(guān)報(bào)道較少，曾有將超熱力學(xué)參數(shù)用于此方面研究，所構(gòu)建模型為線性自由能方程。分子電距矢量僅利用分子二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的原子類型和化學(xué)鍵類型信息，而不需要測定超熱力學(xué)參數(shù)，簡便易行，故應(yīng)推廣運(yùn)用于其它多種反應(yīng)體系。但分子電距矢量未考慮到三維結(jié)構(gòu)信息，不能表征拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的順反異構(gòu)體和構(gòu)象異

13、構(gòu)體，可以預(yù)見其在立體選擇性合成反應(yīng)的分子建模應(yīng)用將會(huì)受到限制。因此，分子電距矢量立體化學(xué)方面的缺陷應(yīng)該在以后的研究中逐步予以解決。(5)紅外振動(dòng)頻率與核磁共振化學(xué)位移與化學(xué)微環(huán)境中電子云排布密切相關(guān)，作為譜學(xué)描述子用來表征電性效應(yīng)與生物活性的關(guān)系，常收到良好的結(jié)果。然而，以其它結(jié)構(gòu)描述子用于紅外振動(dòng)頻率的波譜模擬則鮮有報(bào)道。以多種結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬13C NMR譜已廣為報(bào)道，15N NMR譜由于自然豐度低、普遍性差等原因，其波譜模擬研究相對則少得多。由于多種生物活性物質(zhì)如蛋白質(zhì)、多肽、核苷酸等分子結(jié)構(gòu)中均含N元素，15N NMR波譜模擬有待研究。原子電距矢量已成功應(yīng)用于紅外與核磁共振波譜模擬，關(guān)于

14、今后研究工作，一方面還應(yīng)進(jìn)一步修正完善，以更為有效地表達(dá)分子局部結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)局域分子模建；另一方面也可將原子電距矢量直接或修飾完善后再行應(yīng)用于其它譜圖如紫外、質(zhì)譜等的波譜模擬研究。參考文獻(xiàn)：1Geysen H M,Mo luen R H, Batteling S J. Use of peptide synthesis to probe viral antigens for epitopes to a resolution of a single aminoacid. Proc Natl Acad SciUSA, 1984, 81 (13) : 39982Furka A,Seheatyen F

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