组合化学新进展

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, Geysen[1]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(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·混·分”方式制备的One bead one product组合库[5]为代表,一次合成105～106 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 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。