组合化学和高通量筛选
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XXX
ZX
XY X
YY
Y
Y
ZY
Z
z
XZ
混合 均分 偶联 混合 ZZ
均分 偶联
ZZ
YZ
YZ
X
ZXX ZYX
ZXX ZYX YZX
XYY
XYY
Y YYY
YYY
Z
ZYY
ZYY
YXY
XXY
ZXY
XZX XYX
XZX
ZZX YYX
ZZX
YZX
X
YXY XZY
XZY
ZZY XXY
YZY ZXY
YZY
Y ZZY
Z
平行法
裂分法
（一）平行法
在合成过程中以平行的方式同时合 成多种反应产物。
R1 R2 S R3 R4 SR1 SR2 SR3 SR4
1、多针法
将96只带有载体针的小棒固定在一 块板上，其位置与96孔板对应 在96个孔中分别加入不同的反应物 及试剂，即可同步合成96个样品
2、茶叶袋法（tea-bags）
O
O S
Beijing_No. Amount
XSP3-5 SampleNum.
O
O O
N N
Solvent
N N S
N N
StereoInformation MolName Stability RecrystalSolvent FurtherSupply Mp
C 16H20N6O5S 2 SampleIndicator Activity_Indicator
复筛
高通量筛选的技术过程
深入筛选
在初筛和复筛的基础上，将得到的化 合物在与初筛不同但相关的模型上作 进一步筛选 包括化合物的选择性、细胞毒性以及 其他性质，为全面评价活性化合物的 药用价值提供依据
高通量筛选的技术过程
确证筛选
对深入筛选获得先导化合物或优化后 被选定的活性最好的化合物进行更深 入的筛选 包括药理活性、药物代谢过程、一般 毒性等
四、常见的组合化学库
多肽库
寡聚核苷酸库 寡糖库
合成小分子组合库
天然组合化学库
第二 节 高通量筛选 High throughput screening （HTS ）
药物筛选
采用适当的方法，对可能作为药 物使用的 物质（样品）进行生物 活性、药理作用及药用价值的评 价过程。
药用样品
液相平行合成
相同条件下同时进行多个类似反应
R1 R2 S R3 R4 SR1 SR2 SR3 SR4
2、液相组合合成
用可溶性的高分子载体代替不溶的 交联树脂 目前使用最多的载体是聚乙二醇
在许多溶剂中可溶，在一定条件下经 沉淀、透析等方法分离
优点：避免了固相载体造成的非均 相的缺点
3、树枝状载体的组合合成
3、固相合成的缺点
固相组合合成需要寻找简便、高效的反 应，并不是每一条成功的溶液合成反应 路线都适合于固相组合合成
需要比较合适的固相载体、连接分子以 及将产品从固相上切割的断裂试剂 反应的监测不如液相组合合成方便
（二）液相合成法
Solution phase Synthesis
分类
液相平行合成 液相组合合成 树状载体组合合成 氟合成
筛选方法 （模型）
作用评价 发现药物
高通量筛选
以分子水平和细胞水平的实验方法 为基础，以微板形式作为实验工具 载体，以自动化操作系统执行实验 过程，以灵敏快速的检测仪器采集 实验结果数据，以计算机对实验数 据进行分析处理，同一时间对数以 千万样品检测，并以相应的数据库 支持整体运转的技术体系
高通量筛选
树状载体上进行的液相组合合成
树状载体是一个中心上出发形成许 多支链 树状中间体可用排斥色谱或超过滤 等方法分离
树枝状载体的组合合成
3、液相技术的优缺点
优 点
缺 点
1、反应条件成熟，不需调整； 2、无多余步骤：连接、裂解 3、适用范围宽 1、反应物不能过量 2、反应可能不完全 3、纯化困难 4、不易实现自动化
二、高通量筛选的技术过程
活性化合物 Active Compounds
初 筛
复 筛
活性样品 Hits
深入筛选
先导化合物 Lead compounds
确证筛选
候选药物 Candidate
新药开发 临床前研究 临床研究
高通量筛选的技术过程
初筛
在离体或活体水平上，使用同一剂量， 与同样的试材作用，初步判断化合物 有无活性 初筛后，选择有活性的化合物，采用 系列浓度（设3-5 个剂量）进行同一 模型的筛选，确定化合物活性大小
②连接基linker
固相合成原理图
1、固相载体
固相合成中较多使用的树脂是小的 球状树脂珠（80-200μm） 1、交联聚苯乙烯
2、聚酰胺树脂 3、多孔玻璃
2、固相合成的优点
1）可以使用过量的试剂使反应趋 于完全，反应收率高，产物纯度高。 2）反应结束后，可以通过过滤、 洗涤固相介质除去反应物。 3）容易实现自动化
440.5030
Appearance Purity Object
生物活性信息的管理功能
存储每一化合物都要经过不同模型 检测后的结果 根据多个模型的检测结果综合评价 化合物的生物活性
对高通量药物筛选的服务功能
对与药物筛选相关的业务往来通讯、 档案管理以及各种样品标签的打印 进行管理，使高通量药物筛选的各 个环节程序化、标准化。
样品数据库信息表
化 合 物 数 据 库
中国医学科学院 药物研究所
SupplierUnit Supplier 医科院药物所 Tutor 6300 DeliverDate Source Sample_No.
国家药物筛选中心
Address PhoneNum.
徐世平
SerialNumber Structure
药物设计与药物发现功能
对同一模型不同的呈现阳性反应的 化合物结构进行分析，找出其构效 关系，从而为药物设计提供参考。
（五） 高特异体外筛选模型
基本要求：微量化，高灵敏度，高 特异性 基本类型：
分子水平模型：观察药物与分子靶点 的相互作用，能够直接认识药物的基 本作用机制。 细胞水平模型：药物对细胞的功能的 影响
XZZ 均分 YYZ XYZ YXZ 偶联 XXZ ZZZ XYZ YYZ
XZZ 混合 YXZ
ZZZ XXZ
YZZ ZXZ
YZZ ZXZ ZYZ
ZYZ
二、组合库合成技术
固相合成技术
液相合成技术
（一）固相合成技术
在固态的聚合物载体上进行合成反应
①固相载体(Solid support)
固相反应的基础 连接固相载体和反应物之间的桥梁
化学惰性的多孔小袋子，大小 15mm×20mm，网眼74μm，防止 树脂珠漏出，保证可溶性物质进入
树脂珠上都连有一个 保护的氨基酸，集中 进行脱保护、洗涤
分成几组接上 下一个氨基酸
集中进行洗涤、脱保护等
3、其他固相合成方法
点阵法
光印法
（二）裂分法
Mix-Split
将几个模块分别混合或将几个模块分别 与反应珠上的功能基团连接后混合等分 成n份，然后分别与与不同的模块反应
一、 高通量筛选技术的组成
化合物样品库
自动化操作系统 检测技术
数据库管理系统
高通量筛选模型
（一） 化合物样品库
常规化学合成
人工合成 组合化学合成 天然产物
（二）自动化操作技术
实验室自动化工作站
自动操作：加样、稀释、混合、温孵、 转移等 自动检测：时间、顺序、条件等 数据获得：原始数据、简单处理数据
结果储存：计算机保存
（三）高灵敏度的检测系统
检测系统一般采用
液闪计数器 化学发光检测计数器
宽谱带分光光度仪
荧光光度仪等
（四）数据库管理系统
样品库的管理功能 生物活性信息的管理功能
对高通量药物筛选的服务功能
药物设计与药物发现功能
1、样品库的管理功能
样品各种理化性质存储管理 对每一个新入库的化合物进行新颖 性分析，排除结构雷同的化合物 反应基团检测：排除假阳性
组合化学
肽的合成
用20种天然氨基酸合成肽，组合起 来有以下种：
二肽 202=400 3 三肽 20 =8000 4 四肽 20 =160,000 5 五肽 20 =3200,000
二、组合库的构建方法
组合库（combinatorial library）是 巨大数量的不同结构的化合物的贮 藏和检索
反应后，树脂的各部分又重新合并，混 匀，再被分成几部分，进一步与不同的 模块反应
Fra Baidu bibliotek
X
混分法组合合成
Y
X
X
X
YY
Z
Z
混合 Z 均分 偶联
混合 均分 偶联 XZ
Z
ZZ YZ
YX
XX
ZX
X XY
YYY Y
YY
ZY z
YX
XX
ZX
X
XY
Y
ZY
Z
XZ
混合 均分 偶联
X
YX
YXX XYX
YXX
XX
XXX YYX
第九章
组合化学和高通量筛选
第一节
组合化学
一、组合化学的基本原理
Combinatorial chemistry
将一些基本小分子构建模块（building block，如氨基酸、核苷酸以及化学小 分子）通过化学或生物合成的手段，将 他们系统的装配成不同的组合，由此得 到大量具有结构多样性特征的分子，从 而建立化学分子库的方法
高通量筛选的优点
快速----每天筛选上万药次
微量----筛选样品需要量为微克级 灵敏----准确判断筛选样品的活性和 选择性 经济----筛选费用低
High throughput screening robots
High Throughput Screening
96
384
864 1536
小结
组合化学
高通量筛选
ZX
XY X
YY
Y
Y
ZY
Z
z
XZ
混合 均分 偶联 混合 ZZ
均分 偶联
ZZ
YZ
YZ
X
ZXX ZYX
ZXX ZYX YZX
XYY
XYY
Y YYY
YYY
Z
ZYY
ZYY
YXY
XXY
ZXY
XZX XYX
XZX
ZZX YYX
ZZX
YZX
X
YXY XZY
XZY
ZZY XXY
YZY ZXY
YZY
Y ZZY
Z
平行法
裂分法
（一）平行法
在合成过程中以平行的方式同时合 成多种反应产物。
R1 R2 S R3 R4 SR1 SR2 SR3 SR4
1、多针法
将96只带有载体针的小棒固定在一 块板上，其位置与96孔板对应 在96个孔中分别加入不同的反应物 及试剂，即可同步合成96个样品
2、茶叶袋法（tea-bags）
O
O S
Beijing_No. Amount
XSP3-5 SampleNum.
O
O O
N N
Solvent
N N S
N N
StereoInformation MolName Stability RecrystalSolvent FurtherSupply Mp
C 16H20N6O5S 2 SampleIndicator Activity_Indicator
复筛
高通量筛选的技术过程
深入筛选
在初筛和复筛的基础上，将得到的化 合物在与初筛不同但相关的模型上作 进一步筛选 包括化合物的选择性、细胞毒性以及 其他性质，为全面评价活性化合物的 药用价值提供依据
高通量筛选的技术过程
确证筛选
对深入筛选获得先导化合物或优化后 被选定的活性最好的化合物进行更深 入的筛选 包括药理活性、药物代谢过程、一般 毒性等
四、常见的组合化学库
多肽库
寡聚核苷酸库 寡糖库
合成小分子组合库
天然组合化学库
第二 节 高通量筛选 High throughput screening （HTS ）
药物筛选
采用适当的方法，对可能作为药 物使用的 物质（样品）进行生物 活性、药理作用及药用价值的评 价过程。
药用样品
液相平行合成
相同条件下同时进行多个类似反应
R1 R2 S R3 R4 SR1 SR2 SR3 SR4
2、液相组合合成
用可溶性的高分子载体代替不溶的 交联树脂 目前使用最多的载体是聚乙二醇
在许多溶剂中可溶，在一定条件下经 沉淀、透析等方法分离
优点：避免了固相载体造成的非均 相的缺点
3、树枝状载体的组合合成
3、固相合成的缺点
固相组合合成需要寻找简便、高效的反 应，并不是每一条成功的溶液合成反应 路线都适合于固相组合合成
需要比较合适的固相载体、连接分子以 及将产品从固相上切割的断裂试剂 反应的监测不如液相组合合成方便
（二）液相合成法
Solution phase Synthesis
分类
液相平行合成 液相组合合成 树状载体组合合成 氟合成
筛选方法 （模型）
作用评价 发现药物
高通量筛选
以分子水平和细胞水平的实验方法 为基础，以微板形式作为实验工具 载体，以自动化操作系统执行实验 过程，以灵敏快速的检测仪器采集 实验结果数据，以计算机对实验数 据进行分析处理，同一时间对数以 千万样品检测，并以相应的数据库 支持整体运转的技术体系
高通量筛选
树状载体上进行的液相组合合成
树状载体是一个中心上出发形成许 多支链 树状中间体可用排斥色谱或超过滤 等方法分离
树枝状载体的组合合成
3、液相技术的优缺点
优 点
缺 点
1、反应条件成熟，不需调整； 2、无多余步骤：连接、裂解 3、适用范围宽 1、反应物不能过量 2、反应可能不完全 3、纯化困难 4、不易实现自动化
二、高通量筛选的技术过程
活性化合物 Active Compounds
初 筛
复 筛
活性样品 Hits
深入筛选
先导化合物 Lead compounds
确证筛选
候选药物 Candidate
新药开发 临床前研究 临床研究
高通量筛选的技术过程
初筛
在离体或活体水平上，使用同一剂量， 与同样的试材作用，初步判断化合物 有无活性 初筛后，选择有活性的化合物，采用 系列浓度（设3-5 个剂量）进行同一 模型的筛选，确定化合物活性大小
②连接基linker
固相合成原理图
1、固相载体
固相合成中较多使用的树脂是小的 球状树脂珠（80-200μm） 1、交联聚苯乙烯
2、聚酰胺树脂 3、多孔玻璃
2、固相合成的优点
1）可以使用过量的试剂使反应趋 于完全，反应收率高，产物纯度高。 2）反应结束后，可以通过过滤、 洗涤固相介质除去反应物。 3）容易实现自动化
440.5030
Appearance Purity Object
生物活性信息的管理功能
存储每一化合物都要经过不同模型 检测后的结果 根据多个模型的检测结果综合评价 化合物的生物活性
对高通量药物筛选的服务功能
对与药物筛选相关的业务往来通讯、 档案管理以及各种样品标签的打印 进行管理，使高通量药物筛选的各 个环节程序化、标准化。
样品数据库信息表
化 合 物 数 据 库
中国医学科学院 药物研究所
SupplierUnit Supplier 医科院药物所 Tutor 6300 DeliverDate Source Sample_No.
国家药物筛选中心
Address PhoneNum.
徐世平
SerialNumber Structure
药物设计与药物发现功能
对同一模型不同的呈现阳性反应的 化合物结构进行分析，找出其构效 关系，从而为药物设计提供参考。
（五） 高特异体外筛选模型
基本要求：微量化，高灵敏度，高 特异性 基本类型：
分子水平模型：观察药物与分子靶点 的相互作用，能够直接认识药物的基 本作用机制。 细胞水平模型：药物对细胞的功能的 影响
XZZ 均分 YYZ XYZ YXZ 偶联 XXZ ZZZ XYZ YYZ
XZZ 混合 YXZ
ZZZ XXZ
YZZ ZXZ
YZZ ZXZ ZYZ
ZYZ
二、组合库合成技术
固相合成技术
液相合成技术
（一）固相合成技术
在固态的聚合物载体上进行合成反应
①固相载体(Solid support)
固相反应的基础 连接固相载体和反应物之间的桥梁
化学惰性的多孔小袋子，大小 15mm×20mm，网眼74μm，防止 树脂珠漏出，保证可溶性物质进入
树脂珠上都连有一个 保护的氨基酸，集中 进行脱保护、洗涤
分成几组接上 下一个氨基酸
集中进行洗涤、脱保护等
3、其他固相合成方法
点阵法
光印法
（二）裂分法
Mix-Split
将几个模块分别混合或将几个模块分别 与反应珠上的功能基团连接后混合等分 成n份，然后分别与与不同的模块反应
一、 高通量筛选技术的组成
化合物样品库
自动化操作系统 检测技术
数据库管理系统
高通量筛选模型
（一） 化合物样品库
常规化学合成
人工合成 组合化学合成 天然产物
（二）自动化操作技术
实验室自动化工作站
自动操作：加样、稀释、混合、温孵、 转移等 自动检测：时间、顺序、条件等 数据获得：原始数据、简单处理数据
结果储存：计算机保存
（三）高灵敏度的检测系统
检测系统一般采用
液闪计数器 化学发光检测计数器
宽谱带分光光度仪
荧光光度仪等
（四）数据库管理系统
样品库的管理功能 生物活性信息的管理功能
对高通量药物筛选的服务功能
药物设计与药物发现功能
1、样品库的管理功能
样品各种理化性质存储管理 对每一个新入库的化合物进行新颖 性分析，排除结构雷同的化合物 反应基团检测：排除假阳性
组合化学
肽的合成
用20种天然氨基酸合成肽，组合起 来有以下种：
二肽 202=400 3 三肽 20 =8000 4 四肽 20 =160,000 5 五肽 20 =3200,000
二、组合库的构建方法
组合库（combinatorial library）是 巨大数量的不同结构的化合物的贮 藏和检索
反应后，树脂的各部分又重新合并，混 匀，再被分成几部分，进一步与不同的 模块反应
Fra Baidu bibliotek
X
混分法组合合成
Y
X
X
X
YY
Z
Z
混合 Z 均分 偶联
混合 均分 偶联 XZ
Z
ZZ YZ
YX
XX
ZX
X XY
YYY Y
YY
ZY z
YX
XX
ZX
X
XY
Y
ZY
Z
XZ
混合 均分 偶联
X
YX
YXX XYX
YXX
XX
XXX YYX
第九章
组合化学和高通量筛选
第一节
组合化学
一、组合化学的基本原理
Combinatorial chemistry
将一些基本小分子构建模块（building block，如氨基酸、核苷酸以及化学小 分子）通过化学或生物合成的手段，将 他们系统的装配成不同的组合，由此得 到大量具有结构多样性特征的分子，从 而建立化学分子库的方法
高通量筛选的优点
快速----每天筛选上万药次
微量----筛选样品需要量为微克级 灵敏----准确判断筛选样品的活性和 选择性 经济----筛选费用低
High throughput screening robots
High Throughput Screening
96
384
864 1536
小结
组合化学
高通量筛选