組合化學(xué)與高通量篩選.

1、所謂組合化學(xué), 亦稱同步多重合成化學(xué)或組合合成化學(xué), 是一種將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和機(jī)械手結(jié)為一體的技術(shù)組合化學(xué)起源于藥物合成,繼而發(fā)展到有機(jī)小分子合成、分子構(gòu)造分析和分子識(shí)別研究等領(lǐng)域。它是在固相合成多肽基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)快速合成新技術(shù)。上世紀(jì)60年代初期,Merrifield 建立的固相多肽合成法為組合化學(xué)方法的建立奠定了基礎(chǔ),而多肽合成儀的出現(xiàn), 使該方法成為一種常規(guī)手段。上世紀(jì)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(biāo)志著組合合成的開(kāi)始。1991年, 混合裂分合成法2的提出標(biāo)志著組合化學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。為了確定混合物的成分

2、,合成物密碼標(biāo)記和解密技術(shù)以及產(chǎn)物追蹤技術(shù)也逐漸地發(fā)展起來(lái)。至上世紀(jì)90年代初,以合成小分子為主的平行單分子合成技術(shù)有了很大的發(fā)展,并成為組合合成的主要技術(shù)。組合化學(xué)的創(chuàng)立與發(fā)展,始于新藥研究的需要。自上世紀(jì)80年代末期,隨著分子生物學(xué)研究的突破,即高通量篩選技術(shù)的發(fā)展,新藥開(kāi)發(fā)所需要的新分子實(shí)體的數(shù)目越來(lái)越多,科學(xué)家們把注意力從尋找天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)入合成大數(shù)目的化合物群,即化學(xué)庫(kù)。組合化學(xué)就是一種合成化學(xué)庫(kù)的技術(shù),運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù),不同系列的合成砌塊反應(yīng)成分可有序地排列起來(lái),從而組成大系列的多樣化分子實(shí)體群。與傳統(tǒng)的“一次合成,一個(gè)產(chǎn)物”相比,組合化學(xué)的出發(fā)點(diǎn)就是一次同步合成,得到多種產(chǎn)物。因此,反應(yīng)

3、時(shí)必須用分子結(jié)構(gòu)不同但反應(yīng)基團(tuán)相同的多種構(gòu)件(原料)以平行或交叉方式參與同一步反應(yīng)。組合化學(xué)研究的3個(gè)基本階段為：（1）分子多樣性化學(xué)庫(kù)合成（2）群集篩選（設(shè)定液相或固相篩選方法，即合成產(chǎn)物是掛在樹(shù)脂上還是在溶液中進(jìn)行篩選。選擇篩選模型，包括細(xì)胞功能性篩選，受體、抗體、基因表達(dá)蛋白篩選，采用的指示方法如染料染色、熒光標(biāo)記、同位素標(biāo)記以及自動(dòng)化篩選等）；（3）化學(xué)庫(kù)解析、譯碼組合化學(xué)的原理很簡(jiǎn)單，但并不是所有的合成反應(yīng)都可以用組合方法來(lái)合成。一般的組合合成需滿足以下幾個(gè)基本要求：（1）構(gòu)建模塊中的反應(yīng)物間能順序成鍵；（2）構(gòu)建模塊必須是多樣性且是可得到的，這樣才可能獲得一系列供研究的化合物庫(kù)；（

4、3）模塊中反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)時(shí)反應(yīng)速度要接近，且反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性要高；（4）產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有較高的多樣性，以供研究，從中找出最佳結(jié)構(gòu)；（5）反應(yīng)條件能調(diào)整，操作過(guò)程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 高通量篩選最初是伴隨組合化學(xué)而產(chǎn)生的一種藥物篩選方式。 1990年末，組合化學(xué)的出現(xiàn)改變了人類獲取新化合物的方式，人們可以通過(guò)較少的步驟、在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)合成大量化合物，在這樣的背景下高通量篩選的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 高通量篩選技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量候選化合物完成篩選，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，不僅僅應(yīng)用于對(duì)組合化學(xué)庫(kù)的化合物篩選，還更多地應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)有化合物庫(kù)的篩選。 傳統(tǒng)農(nóng)藥篩選技術(shù)主要是依據(jù)活體生物對(duì)

5、化合物的反應(yīng)做為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 通常由技術(shù)人員以一定方式將樣品加到待測(cè)生物體上， 一定時(shí)間后觀察生物體對(duì)藥劑的反應(yīng)， 根據(jù)反應(yīng)的程度判斷化合物活性大小。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是藥劑對(duì)生物活體是否有活性可直接觀察到，不易漏篩，但由于是將化合物逐一加到目標(biāo)生物上，需要消耗大量試材和化合物樣品，占用較大實(shí)驗(yàn)空間，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此不可能同時(shí)或者在短期內(nèi)進(jìn)行大量化合物的篩選，一般年篩選量達(dá)到 5000-10000個(gè)化合物亦是相當(dāng)不容易的事情。高通量篩選技術(shù)是在傳統(tǒng)篩選技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)&、計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)化控制等高新技術(shù)， 使篩選樣品微量化（樣品用量在幾微升到幾

6、百微升或者微克至毫克級(jí)之間），樣品加樣、活性檢測(cè)乃至數(shù)據(jù)處理高度自動(dòng)化，使篩選具有快速、靈敏&、特異性高等特點(diǎn)。高通量篩選有利于同時(shí)或短時(shí)間內(nèi)完成大量化合物的篩選，年篩選量可達(dá) 10 萬(wàn)甚至 100萬(wàn)個(gè)化合物。 隨著篩選量的增大，發(fā)現(xiàn)和得到新藥物的機(jī)率也將隨之增加，所以這一技術(shù)在現(xiàn)代新醫(yī)藥，新農(nóng)藥的創(chuàng)制研究中備受青?；衔锔咄亢Y選的正常展開(kāi)需要多種高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，包括：高容量的化合物樣品庫(kù)，自動(dòng)化的操作系統(tǒng)，高特異性的離體或活體篩選的模型，高靈敏度的檢測(cè)系統(tǒng)，以及高效率的數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)。初篩 也即普篩 ，在離體或活體水平上 ，使用同一劑量，與同樣的試材作用，初步判斷化合物有無(wú)

7、活性。復(fù)篩 初篩后，選擇有活性的化合物 ，采用系列濃度（設(shè) 3-5個(gè)劑量），進(jìn)行同一模型的篩選，確定化合物活性大小。深入篩選 也即溫室盆栽實(shí)驗(yàn)!是在初篩和復(fù)篩的基礎(chǔ)上,將得到的化合物在活體靶標(biāo)生物上作進(jìn)一步篩選,確定化合物的防治譜、作用方式、選擇性、使用劑量和時(shí)期以及其他性質(zhì)等，為全面評(píng)價(jià)活性化合物的開(kāi)發(fā)價(jià)值提供依據(jù)。同時(shí)，結(jié)合活性化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行綜合分析，確定在結(jié)構(gòu)和活性方面具有新穎性和開(kāi)發(fā)價(jià)值的化合物作為先導(dǎo)化合物，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以得到活性更高、缺點(diǎn)更少的活性物質(zhì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的化合物需要重復(fù)上述篩選過(guò)程!以確定新化合物的活性。通常，溫室篩選仍需要較多的化合物!如拜耳公司需要5080mg，而組合化學(xué)庫(kù)有時(shí)只能提供幾毫克的樣品。為了驗(yàn)證HTS的結(jié)果，必須加大合成量。有的農(nóng)藥公司為了降低成本，已實(shí)現(xiàn)了溫室篩選的微型化和自動(dòng)化，使篩選速度更快、成本更低，而且更為重要的是所需化合物的量可低于1mg。田間藥效試驗(yàn) 是在田間自然生產(chǎn)條件下進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)藥劑使用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)方法，分為小區(qū)藥效試驗(yàn)、大區(qū)藥效試驗(yàn)和大