組合化學新進展

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

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

3、被進一步推廣應用于新材料和新型催化劑的研究。組合化學的創(chuàng)立與發(fā)展,始于新藥研究的需要。自上世紀80年代末期,隨著分子生物學研究的突破,即高通量篩選技術的發(fā)展,新藥開發(fā)所需要的新分子實體的數目越來越多,科學家們把注意力從尋找天然產物轉入合成大數目的化合物群,即化學庫。組合化學就是一種合成化學庫的技術,運用這項技術,不同系列的合成砌塊反應成分可有序地排列起來,從而組成大系列的多樣化分子實體群。1.2 概念所謂組合化學, 亦稱同步多重合成化學或組合合成化學, 是一種將化學合成、組合理論、計算機輔助設計和機械手結為一體的技術, 屬于邊緣學科。藥物化學家可在短時間內將購買的或自己合成的不同結構的基礎模塊

4、(building block),通過化學合成或生物合成以共價鍵系統地、反復地進行連接, 從而產生大批相關的化合物, 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、蛋白質和核酸等3。合成的化合物庫提供給藥理學家進行藥理篩選,試驗它們的生物活性, 分離鑒定出活性化合物的結構,并且作為深入開發(fā)的目的物。如此就免除了單個化合物的單獨合成及結構測定, 大大簡化了藥物的發(fā)現過程。二、組合化學在藥物篩選中的作用新藥的開發(fā)往往需要投入數億美元,經歷10多年的時間,對幾千個化合物進行逐個的合成與篩選才能開發(fā)出一個新的

5、治療藥。進入90年代以后,隨著計算機輔助分子模型及合理藥物設計理論的發(fā)展,一種新的藥學革命組合化學問世了,并以其“多、快、高、省”的獨特功能向人們展示了它在藥物開發(fā)方面的誘人前景。關于組合化學的基本原理、操作技術及發(fā)展趨勢近幾年國內外已有報道4-5。本文擬在組合化學的總體構架及運作效率等方面與傳統藥物化學及活性篩選進行比較,以了解組合化學在新藥研究與開發(fā)方面占有的地位。2.1 合成方式及效率 與傳統的“一次合成,一個產物”相比,組合化學的出發(fā)點就是一次同步合成,得到多種產物。因此,反應時必須用分子結構不同但反應基團相同的多種構件(原料)以平行或交叉方式參與同一步反應,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 種產物已成為現實。采用組合化學手段,僅僅幾個人用1個月的時間就可以合成上千萬種產物。而傳統方式的合成則無法與之相比,見表1 。組合化學的“多”是以眾多的產物為物質基礎,方可能提供更多的活性命中的機會;而“快”則是“多”的結果,也是開發(fā)新藥的客觀要求。2.2 活性篩選組合化學中“高”的特點表現為對巨大的混合產物進行高度集合、高效率的庫群方式篩選活性。它把合成后的每個亞庫,甚至整個組合庫的混合產物作為一個純樣品對待,即只篩一份或幾份就可以覆蓋全部產物。例如,用競爭性ELISA法篩選19個亞庫

7、即19份樣品(每份含19個產物) ,就可檢測361個產物6。用熒光標記抗體結合法篩選光印組合庫時,全庫1024個產物同在一塊小玻片上作為一個樣品,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247萬個肽樹脂產物混合培養(yǎng)的固相篩選,再經顯微鏡下挑出著色最強(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,組合化學的多種群集篩選方式均以高效率為最大特點。2.3 結構識別 與藥物化學的傳統方式相比,組合化學在分析產物結構方面有以下3個特點:2.3.1 后分析對產物先進行活性篩選,再做結構分析。2.3.2 少分析只對混合產物中生物活性最強者的一個或幾個產物進行結構分析。2.3.3

8、 無分析有的組合庫在活性篩選完成時,其活性結構即被識別,無須再分析。對活性產物可用常規(guī)的氨基酸組成分析、質譜、核磁共振譜等手段進行結構鑒定。如果說組合化學的合成及篩選是“以一頂萬”的話,那么它的結構識別則是“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及儀器分析,在活性篩選結束時即確認出新的先導結構,充分體現了組合化學“省”的特點?，F以索引組合庫的合成、篩選及結構識別為例,假設用10種A構件與20種B構件按索引庫方式反應,共獲得A庫200個產物及B庫200個產物,見圖2 。從圖2 中可以看出只需進行30個樣品的活性檢測,即可覆蓋200個

9、產物,而且由2 個活性最強的亞庫產物組成互相索引,即可推導出活性產物的結構。最近Pirrung等人11就以此種方式找到一個活性很高的膽堿酯酶抑制劑,其結構式如下。2.4 總體程序比較 組合化學的設計基點就是為了高速度、大規(guī)模、高效率地進行合成、篩選與識別。為達到“多、快、高、省”的目的,組合化學技術不但在每個環(huán)節(jié)的操作方式上,而且在總體程序上必須有別于傳統方式?，F以活性命中率是1/ 4000為例,見圖3。傳統的研究程序應在合成、分析及篩選的各自環(huán)節(jié)上均實施4000次實驗投入,而組合化學方式則投入極少、捷足先登。目前組合化學雖然在某些結構類型的藥物研究與開發(fā)上還受到限制,但隨著此技術日漸成熟,它

10、將在新藥的研究與開發(fā)上顯示更大的作用12。三、組合化學的前景與展望有機合成反應是化學研究中最重要的熱門領域之一，而組合化學是一種新型高效的合成策略，如何實現先導化學物分子的快速組合合成，縮短藥物研創(chuàng)周期，無疑是合成化學家與藥物研究者非常感興趣的一個課題。展望未來，在藥物開發(fā)領域，組合化學必將日益發(fā)揮其重要作用。(1)化學污染日益危協人類生態(tài)環(huán)境，綠色化學深入人心，發(fā)展環(huán)境友好的化學反應如加成、縮合反應等勢在必行。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。通過變換Mannich與Ugi反應物系列，構建數目眾多的小分子化合物庫，經高通量篩選(high through

11、put screening,HTS)生物活性分子，可望在組合化學取得更多應用。深入研究和擴大Mannich與Ugi縮合反應是現今有機合成研究的重要課題之一。(2)傳統有機合成主要目標在于靶分子的取得，合成產率或反應選擇性是合成化學家首要考慮的問題，環(huán)境危害則甚少顧及。Trost提出的原子利用效率，已廣泛地應用于評價化學反應綠色性。而且基于合成產率的原子利用效率是一種新的有機反應評價指標，經實驗證明可較好反映反應實際，可望進一步擴展如同時考慮合成產率、反應選擇性及原子效率得到綜合性評價指標，并推廣應用于其它反應體系。(3)試驗設計是一種行之有效的合成計量學方法，在化學工藝優(yōu)化領域已有大量成功實例

12、。當化學反應選定了反應物種，各種反應條件包括反應物配比、反應溫度、時間、壓力與催化劑等就是進行反應的重要前提和考慮因素。這時就需要通過有效的試驗設計方法，來確定優(yōu)化目標實現的最佳工藝。試驗優(yōu)化目標不同，試驗設計方法也就不同，故應該開發(fā)更多的試驗設計方法，并推廣應用于不同反應體系。(4)定量結構反應性研究(QSRR)相關報道較少，曾有將超熱力學參數用于此方面研究，所構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撲結構中的原子類型和化學鍵類型信息，而不需要測定超熱力學參數，簡便易行，故應推廣運用于其它多種反應體系。但分子電距矢量未考慮到三維結構信息，不能表征拓撲結構相同的順反異構體和構象異

13、構體，可以預見其在立體選擇性合成反應的分子建模應用將會受到限制。因此，分子電距矢量立體化學方面的缺陷應該在以后的研究中逐步予以解決。(5)紅外振動頻率與核磁共振化學位移與化學微環(huán)境中電子云排布密切相關，作為譜學描述子用來表征電性效應與生物活性的關系，常收到良好的結果。然而，以其它結構描述子用于紅外振動頻率的波譜模擬則鮮有報道。以多種結構參數模擬13C NMR譜已廣為報道，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如蛋白質、多肽、核苷酸等分子結構中均含N元素，15N NMR波譜模擬有待研究。原子電距矢量已成功應用于紅外與核磁共振波譜模擬，關于

14、今后研究工作，一方面還應進一步修正完善，以更為有效地表達分子局部結構特征，實現局域分子模建；另一方面也可將原子電距矢量直接或修飾完善后再行應用于其它譜圖如紫外、質譜等的波譜模擬研究。參考文獻：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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