2003年4月重庆大学学报Apr.2003　第26卷第4期Journal of Chongqing University V ol.26　N o.4 文章编号:1000-582X(2003)04-0080-06组合化学:新药创制的高效方法与技术Ξ廖春阳,李伯玉,张梦军,李志良(重庆大学化学化工学院,重庆　400044)摘　要:阐述了一种新药创制及绿色化学的高效方法与技术———组合化学的起源、现状、建库及活性物鉴别表征,固相与液相组合合成,介绍了各种分析手段在大规模组合化学与高通量群集筛选中的应用。

讨论组合化学信息与计量学的应用:估计合成收率,预测产物活性。

说明了绿色组合化学能充分利用资源和原料,节省人力和时间。

将组合化学与药物设计相结合,可望高效寻找到理想新药。

同时还扼要交流了实验室完成的工作,并对组合化学发展作出展望。

关键词:组合化学;组合库;群集筛选;化学信息与计量学;绿色化学;新药创制中图分类号:R914;O69;T Q655 文献标识码:A 组合化学(C ombichem)起源于R.B.Merrifield[1] (1984年诺贝尔化学奖得主)于1963年提出关于多肽固相合成的开创性工作,故在早期被称作同步多重合成,合成肽组合库,也被称为组合合成,组合库和自动合成法等。

组合化学最初是为了满足生物学家发展的高通量筛选技术对大量的新化合物库的需要而产生的。

60年代初期,Merrifield[1]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。

随后,多肽合成仪的出现,使该方法成为一种常规手段。

80年代中叶,G eysen[2]建立的多中心合成法,H oughton[3]建立的茶叶袋法中首次引入了肽库的概念。

1991年,混合裂分合成法[4]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。

1996年,在美国加州的C oronado召开了“组合化学”研讨会,同年,两种与组合化学密切相关的“分子多样性”和“生物筛选杂志”诞生。

C A从1994年的第120卷设立“组合化学”主题索引以来,迄今已收录相关文献1200篇以上。

美国化学会于2000年还创立了组合化学杂志的专门学术期刊。

迄今,国内外众多学者已用专辑或专文介绍了组合化学原理及基本方法技术[4-6]。

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,分子识别研究,受体和抗体的研究及材料科学包括超导材料的研制等领域,它是一项新型化学技术,是集分子生物学、药物化学、有机化学、分析化学、组合数学和计算机辅助设计等学科交叉而形成的一门边缘前沿学科,在药学、有机合成化学、生命科学和材料科学中扮演着愈来愈重要的角色。

组合化学主要由3部分组成:组合库的合成,库的筛选,库的分析表征。

组合库设计的目的之一,正是以分子最大的多样性模拟生物多样性。

因此,组合化学也是代表21世纪发展趋势的仿生化学的研究范畴之一。

目前,虽然编码标识技术和高通量筛选方法发展缓慢制约了组合化学的蓬勃发展,但随着固相及液相合成技术的进步,组合化学必将得到更大发展并推进新药创制。

1　新药创制背景药物研究与开发过程的结果是能够表征出确定化合物的结构,此类化合物对某一指定的生物学指标具有人们期望的活性,并且已在适当的动物模型上测定出其对相关疾病有合适的生物可利用性及功效,同时具有高效安全等特点。

药物开发过程几个关键步骤如下:治疗的目标→寻找先导化合物→优化先导化合物→研制候选药物→新药物。

药物开发是一项耗时耗资的工程,从启动一项研究计划到开发出一个潜在的药物并进行临床试验,对于一个大的制药公司而言,这一过程一般需要5年左右。

开发期如此漫长,原因之一是合成与筛选到所期望的被测试活性化合物通常很慢甚至要多次反复的一步。

在药物开发计划的早期,药物化学家需要找到一种先导化合物(lead com2 pound),即对生物学指标有效而效果可能较差的某种分子结构。

在此阶段,药物开发者经常将文献中或竞争对手的化合物作为先导物,但经常会遇到治疗的靶Ξ收稿日期:2002-12-03基金项目:霍英东基金[98]与国家“春晖计划”教育部启动基金[99-38]及重庆市应用基础课题[01-03-06]资助项目作者简介:廖春阳(1977-),男,广西柳州人,重庆大学硕士,主要从事组合化学和筛选,药物合成与分析,分子设计及模拟。

分子没有已知配体的情况,此时,凭经验碰运气进行随机性筛选成为发现先导物的唯一途径。

过去,药物开发过程中生物活性化合物主要是从植物、动物及发酵中分离出的天然产物,曾成功地找到了β-内酰胺、四环素、阿凡曼菌素、紫杉醇等药物。

尽管天然产物结构丰富,但要找到对某一特定生物靶分子有活性的化合物仍然是非常艰难的工作。

药物公司的档案中平均包括200000个化合物,为了在合理的时间内对数量如此庞大的化合物进行评估,需要采用自动化方法,以便能够在较短时间内测试成百上千的化合物。

但由于收集化合物的结构多样性有限,只能局限于公司在此之前合成的分子结构。

药物开发已经进入了一个新时期,新的受体和酶不断被证实为治疗的靶分子,而药物开发者却局限于筛选天然产物的提取物或从即将耗尽的化合物专利中寻找活性化合物来合成。

因此,任何能够帮助走出这种分子结构多样性困境的新技术,能够快速地合成出成千上万甚至成百万上千万个化合物以发现先导化合物的方法,都会立刻激发出药物化学家的想象力来。

组合化学恰恰提供了这样的可能性,其威力就在于能短时间内生成大批量的新化合物即化合物库,化合物库提供的分子结构的数量及其多样性使药物开发处境得以改观。

2　组合合成方法分类组合合成的本质是快速产生大量化合物,使化学生产能力提高到10年前所梦想不到的水平。

它摒弃了许多在有机合成中被固守的规则,即把所有化合物和中间体完全纯化与表征的规则,取而代之的是使用可靠的化学反应以及简单而有效的纯化方法。

生产效率上的这些飞跃是如何取得的呢?传统合成一次只得一种产物而组合合成同时用一组单元与另组单元反应,得到所有组合即n1+n2个构建单元产生n1×n2个化合物。

当n1=n2=n为相同值时产生库总量n m。

组合合成有多种分类方法,按反应条件可分为固相库和液相库。

固相有机合成(SPOS)具有众多突出优点: 1)大大简化反应后处理操作;2)充分利用热动力学因素促进反应;3)有效应用“稀释原理”;4)易于实现自动化;5)减少或消除其毒性;6)树脂再生重复使用。

应用固相有机合成方法不仅可以半自动甚至全自动快速合成多肽、寡核苷酸、寡糖、其它寡聚物、Chiron类肽、衍生库等众多组合库及非聚合性小分子化合物[6-8]。

SPOS自问世以来,一直作为一种有机合成技术加以应用,文献报道较多[7-9]。

通过选择适当的树脂、连接分子和保护基,许多重要的有机反应均能在固相条件下实现,如加成缩合、催化偶联及氧化还原反应等。

SPOS按构建组合库方法可分为树脂珠法、多肽合成法、混合裂分法、位置扫描法、正交组合法、多针法、圆片法、薄片法等。

另外,Ostresh设计了一种“从库到库”的方法,Stepetov则发明了一种“库的库”的方法。

液相合成已用于多种不同的化合物库合成技术。

平行液相合成包括一个底物S与多个反应物R1,R2,…,R n反应,产生一个含有n个产物P1,P2,…,P n的化合物库,通常不需纯化,只作最少的表征,就可以用高通量筛选技术进行筛选。

如发现活性化合物,就可以大量重新合成、纯化、表征,并用传统方法筛选。

如果生物活性得到证实,新发现的先导化合物和S AR将用来设计新底物模板,再用平行类似物合成方法制备新化合物库,这些库将集中在新底物上。

索引组合与正交组合固相合成法非常相似。

化合物库中每个化合物均合成两次,从混合物的任何特别结合中得到活性化合物,立即就可以得出活性最高组分的结构。

索引组合对于构建小化合物库是较为成功的,但对较大的混合物库存在协作效应和对抗效应,给测定混合物活性带来了复杂性。

树枝状载体是分枝状寡聚物,具有不连续的可控制的分子结构特征,在其上构建化合物库有许多优点[10-14]。

选用合适的高聚物试剂和合适的底物,在一个反应容器中可进行多步合成。

起始原料将只和试剂中的一种发生反应,当反应完成后,产物可以扩散回溶液中,此时这种产物可作为底物进行下一步反应。

然而由于缺乏固相合成快速纯化,通常要求路线较短并且其反应步骤应是可靠高产的。

液相组合化学在很大程度上还依赖于精密相分离技术的进一步发展。

3　化合物库组合库按反应条件分为固相库和液相库;按反应产物分为肽库、寡聚物库、衍生库、小分子库等;按建库方法分为同步多重法、茶叶袋法和一珠一肽法等。

近年来又合成了多种肽库、类肽库,寡核苷酸库等。

在可控孔度玻璃珠上,已经合成出包括所有可能8种核苷酸序列的硫代膦酸酯寡核苷酸库。

寡糖是许多生物过程的重要协调物质和介入靶标,但合成复杂故寡糖库数目极其有限[14]。

其它寡聚物库包括由非天然氨基酸合成的多肽库、寡聚氨基甲酸酯库、寡聚脲库、肽酰胺库、肼酰肼库、多异唑啉库、肽磷酸酯库等。

Chiron 公司研究诸如“类肽”(Peptoid)库合成,其库组分是N-取代苷氨酸线性寡聚物,需用一些新合成方法来构建。

利用某些反应如取代、加成缩合、氧化还原等可将一种库转化为多种不同衍生库。

除修饰肽库外发展范围更广泛的小分子库是必然趋势,业已合成了众多杂环和非环类小分子化合物库。

液相组合化学库包括索引组合库、多组分一锅合成库、核心分子库、寡聚糖分子库等。

索引组合库是由液相组合中的索引组合法构建的化合物库,其活性结构可如固相合成中正交组合库一样筛选检测。

有机化学中某些反应如Mannich18第26卷第4期 廖春阳等:组合化学:新药创制的高效方法与技术和Ugi反应以多种原料同时缩合成一种产物,即得多组分一锅合成库。

用一种带有M个反应位点的核心分子同时与N种构件缩合以形成核心分子库。

由于每个单糖分子上至少有3个可反应的羟基,加之单糖分子间键合时又分为α和β键合2种形式,因此寡聚糖产物必然具有多样性。

组合库的鉴别及其分析和表征非常重要。

通过设计某些中间步骤使库在分析前即被表征。

在合成组合库时给每一个构建单元一个标签,使产物在合成完毕后可被鉴别和检验的建库方法称为编码法。

为有效起见编码必须满足以下几点要求:1)标签分子与库组分分子必须使用相互兼容的化学反应在树脂珠上交替平行地合成;2)标签分子必须能够以物理方法与库化合物分离,这样编码分子的存在不会对库的筛选造成生物活性误导;3)标签分子应以低浓度存在,不占据树脂珠上很大一部分官能团;4)标签分子应当能经光谱或色谱技术定出序列。

常用的标签化合物有寡核苷酸、多肽(DNA)、卤代芳烃、二级胺、同位素、二偶氮酮官能团、二烷氧基芳烃连接剂和疏电子氯代芳香族化合物等。