组合化学新进展

1、组合化学新进展 生工院 陈芩 跟读 09630502摘要：组合化学(combinatorial chemistry) 是近十几年来兴起的一门新学科,其发展趋势引起了世界科技界的关注。目前,组合化学已渗透到药物、有机、材料、分析等诸多领域, 随着自动化水平的提高,组合化学已成为化学领域最活跃的部分之一。它加速了化合物的合成与筛选速度,是药物合成化学上的一次革新,为近年来药物领域的最显著的进步之一。关键词：组合化学 药物筛选 研究前景一、 组合化学的发展历史与概念1.1 发展历史组合化学起源于药物合成,继而发展到有机小分子合成、分子构造分析和分子识别研究等领域。它是在固相合成多肽基础上发展起来的一

2、项快速合成新技术。上世纪60年代初期,Merrifield 建立的固相多肽合成法为组合化学方法的建立奠定了基础,而多肽合成仪的出现, 使该方法成为一种常规手段。上世纪80年代中期, Geysen1用96孔板在高分子链上首次合成多肽成功, 标志着组合合成的开始。1991年, 混合裂分合成法2的提出标志着组合化学的研究进入了一个飞速发展的阶段。为了确定混合物的成分,合成物密码标记和解密技术以及产物追踪技术也逐渐地发展起来。至上世纪90年代初,以合成小分子为主的平行单分子合成技术有了很大的发展,并成为组合合成的主要技术。上世纪80年代末,组合化学合成开始应用于新药开发领域。90年代后期,组合化学技术

3、被进一步推广应用于新材料和新型催化剂的研究。组合化学的创立与发展,始于新药研究的需要。自上世纪80年代末期,随着分子生物学研究的突破,即高通量筛选技术的发展,新药开发所需要的新分子实体的数目越来越多,科学家们把注意力从寻找天然产物转入合成大数目的化合物群,即化学库。组合化学就是一种合成化学库的技术,运用这项技术,不同系列的合成砌块反应成分可有序地排列起来,从而组成大系列的多样化分子实体群。1.2 概念所谓组合化学, 亦称同步多重合成化学或组合合成化学, 是一种将化学合成、组合理论、计算机辅助设计和机械手结为一体的技术, 属于边缘学科。药物化学家可在短时间内将购买的或自己合成的不同结构的基础模块

4、(building block),通过化学合成或生物合成以共价键系统地、反复地进行连接, 从而产生大批相关的化合物, 总称为化合物库。这一过程十分类似于自然界中的生物合成:原本数量有限的单糖、氨基酸、核苷酸等, 通过种种键合形成了几乎无限的糖类化合物、多肽、蛋白质和核酸等3。合成的化合物库提供给药理学家进行药理筛选,试验它们的生物活性, 分离鉴定出活性化合物的结构,并且作为深入开发的目的物。如此就免除了单个化合物的单独合成及结构测定, 大大简化了药物的发现过程。二、组合化学在药物筛选中的作用新药的开发往往需要投入数亿美元,经历10多年的时间,对几千个化合物进行逐个的合成与筛选才能开发出一个新的

5、治疗药。进入90年代以后,随着计算机辅助分子模型及合理药物设计理论的发展,一种新的药学革命组合化学问世了,并以其“多、快、高、省”的独特功能向人们展示了它在药物开发方面的诱人前景。关于组合化学的基本原理、操作技术及发展趋势近几年国内外已有报道4-5。本文拟在组合化学的总体构架及运作效率等方面与传统药物化学及活性筛选进行比较,以了解组合化学在新药研究与开发方面占有的地位。2.1 合成方式及效率 与传统的“一次合成,一个产物”相比,组合化学的出发点就是一次同步合成,得到多种产物。因此,反应时必须用分子结构不同但反应基团相同的多种构件(原料)以平行或交叉方式参与同一步反应,见图1 。以“分·

6、;混·分”方式制备的One bead one product组合库5为代表,一次合成105106 种产物已成为现实。采用组合化学手段,仅仅几个人用1个月的时间就可以合成上千万种产物。而传统方式的合成则无法与之相比,见表1 。组合化学的“多”是以众多的产物为物质基础,方可能提供更多的活性命中的机会;而“快”则是“多”的结果,也是开发新药的客观要求。2.2 活性筛选组合化学中“高”的特点表现为对巨大的混合产物进行高度集合、高效率的库群方式筛选活性。它把合成后的每个亚库,甚至整个组合库的混合产物作为一个纯样品对待,即只筛一份或几份就可以覆盖全部产物。例如,用竞争性ELISA法筛选19个亚库

7、即19份样品(每份含19个产物) ,就可检测361个产物6。用荧光标记抗体结合法筛选光印组合库时,全库1024个产物同在一块小玻片上作为一个样品,所以一次就全部完成活性筛选7。用染料键合的受体与含有247万个肽树脂产物混合培养的固相筛选,再经显微镜下挑出着色最强(即活性最高)的树脂球即可一次完成大规模肽库的活性检测5。至今,组合化学的多种群集筛选方式均以高效率为最大特点。2.3 结构识别 与药物化学的传统方式相比,组合化学在分析产物结构方面有以下3个特点:2.3.1 后分析对产物先进行活性筛选,再做结构分析。2.3.2 少分析只对混合产物中生物活性最强者的一个或几个产物进行结构分析。2.3.3

8、 无分析有的组合库在活性筛选完成时,其活性结构即被识别,无须再分析。对活性产物可用常规的氨基酸组成分析、质谱、核磁共振谱等手段进行结构鉴定。如果说组合化学的合成及筛选是“以一顶万”的话,那么它的结构识别则是“存一去万”。更为奇巧的是有的组合库如正交组合方式8、核心分子方式9及索引组合方式10等根本不用任何化学及仪器分析,在活性筛选结束时即确认出新的先导结构,充分体现了组合化学“省”的特点。现以索引组合库的合成、筛选及结构识别为例,假设用10种A构件与20种B构件按索引库方式反应,共获得A库200个产物及B库200个产物,见图2 。从图2 中可以看出只需进行30个样品的活性检测,即可覆盖200个

9、产物,而且由2 个活性最强的亚库产物组成互相索引,即可推导出活性产物的结构。最近Pirrung等人11就以此种方式找到一个活性很高的胆碱酯酶抑制剂,其结构式如下。2.4 总体程序比较 组合化学的设计基点就是为了高速度、大规模、高效率地进行合成、筛选与识别。为达到“多、快、高、省”的目的,组合化学技术不但在每个环节的操作方式上,而且在总体程序上必须有别于传统方式。现以活性命中率是1/ 4000为例,见图3。传统的研究程序应在合成、分析及筛选的各自环节上均实施4000次实验投入,而组合化学方式则投入极少、捷足先登。目前组合化学虽然在某些结构类型的药物研究与开发上还受到限制,但随着此技术日渐成熟,它

10、将在新药的研究与开发上显示更大的作用12。三、组合化学的前景与展望有机合成反应是化学研究中最重要的热门领域之一，而组合化学是一种新型高效的合成策略，如何实现先导化学物分子的快速组合合成，缩短药物研创周期，无疑是合成化学家与药物研究者非常感兴趣的一个课题。展望未来，在药物开发领域，组合化学必将日益发挥其重要作用。(1)化学污染日益危协人类生态环境，绿色化学深入人心，发展环境友好的化学反应如加成、缩合反应等势在必行。Mannich三组分与Ugi四组分缩合等体系即是高原子利用效率的绿色反应。通过变换Mannich与Ugi反应物系列，构建数目众多的小分子化合物库，经高通量筛选(high through

11、put screening,HTS)生物活性分子，可望在组合化学取得更多应用。深入研究和扩大Mannich与Ugi缩合反应是现今有机合成研究的重要课题之一。(2)传统有机合成主要目标在于靶分子的取得，合成产率或反应选择性是合成化学家首要考虑的问题，环境危害则甚少顾及。Trost提出的原子利用效率，已广泛地应用于评价化学反应绿色性。而且基于合成产率的原子利用效率是一种新的有机反应评价指标，经实验证明可较好反映反应实际，可望进一步扩展如同时考虑合成产率、反应选择性及原子效率得到综合性评价指标，并推广应用于其它反应体系。(3)试验设计是一种行之有效的合成计量学方法，在化学工艺优化领域已有大量成功实例

12、。当化学反应选定了反应物种，各种反应条件包括反应物配比、反应温度、时间、压力与催化剂等就是进行反应的重要前提和考虑因素。这时就需要通过有效的试验设计方法，来确定优化目标实现的最佳工艺。试验优化目标不同，试验设计方法也就不同，故应该开发更多的试验设计方法，并推广应用于不同反应体系。(4)定量结构反应性研究(QSRR)相关报道较少，曾有将超热力学参数用于此方面研究，所构建模型为线性自由能方程。分子电距矢量仅利用分子二维拓扑结构中的原子类型和化学键类型信息，而不需要测定超热力学参数，简便易行，故应推广运用于其它多种反应体系。但分子电距矢量未考虑到三维结构信息，不能表征拓扑结构相同的顺反异构体和构象异

13、构体，可以预见其在立体选择性合成反应的分子建模应用将会受到限制。因此，分子电距矢量立体化学方面的缺陷应该在以后的研究中逐步予以解决。(5)红外振动频率与核磁共振化学位移与化学微环境中电子云排布密切相关，作为谱学描述子用来表征电性效应与生物活性的关系，常收到良好的结果。然而，以其它结构描述子用于红外振动频率的波谱模拟则鲜有报道。以多种结构参数模拟13C NMR谱已广为报道，15N NMR谱由于自然丰度低、普遍性差等原因，其波谱模拟研究相对则少得多。由于多种生物活性物质如蛋白质、多肽、核苷酸等分子结构中均含N元素，15N NMR波谱模拟有待研究。原子电距矢量已成功应用于红外与核磁共振波谱模拟，关于

14、今后研究工作，一方面还应进一步修正完善，以更为有效地表达分子局部结构特征，实现局域分子模建；另一方面也可将原子电距矢量直接或修饰完善后再行应用于其它谱图如紫外、质谱等的波谱模拟研究。参考文献：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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