组合化学的研究进展

组合化学的研究进展王德心综述(中国医学科学院　中国协和医科大学药物研究所　北京　100050)摘要　经历6年的探索性研究,组合化学在扩大分子多样性、活性结构识别的简化、应用多元化及液相组合化学的出现等方面均获得很大进展。

目前,组合化学已进入应用研究阶段,它将在开发有用的分子、固体材料和条件优化等方面展示令人瞩目的前景。

关键词　组合化学;分子库;新药开发 90年代初诞生的组合化学以空前的发展趋势引起了全球科技界的广泛关注。

大量研究证明,用组合化学技术进行的大规模分子库合成及活性筛选已在分子生物学、病毒学、药物开发、催化剂和反应条件优化等方面发挥了日益重要的作用。

迄今国内外已介绍了组合化学的原理及基本方法〔1～3〕。

本文作者亦详细综述过有关组合化学初期的合成、筛选及结构识别的方式方法〔4〕。

所以,本文的重点将介绍近2年组合化学的最新进展和发展趋势。

1　扩大分子多样性组合化学以其庞大的产物种类数为最大特点,现在其产物分子多样性的潜力又被进一步发展。

因此在数量和质量的双重基础上,开发“有用的分子(useful m olecules)”才更有可能。

1.1　衍生库利用某些反应可将一个肽库转化为多种衍生库(library from library)。

1.2　非肽寡聚库最初组合化学是由肽库发展而起来的。

为了克服肽分子易受酶解的缺点,修饰其骨架结构的类肽(4)及非天然肽(5)的合成已经实现〔5,6〕。

更有意义的是将DNA与肽分子杂化而成的新型寡聚物PNA(核肽,6)。

其结构特点是将DNA的碱基连在肽的主链上。

最近一步合成PNA单体的新方法已经确立〔7〕。

此外,寡脲和寡糖分子库的合成为寻找新的酶抑制剂、抗癌和免疫调节活性化合物提供了更多机会。

1.3　小分子库除上述修饰肽分子库外,发展范围更广泛的非线型小分子库(small m olecules library)是组合化学深入发展的必然趋势。

近2年已有将近200多篇文献报道了非肽分子库的合成。

其中Thom ps on等〔3〕专门介绍了非线型小分子库的合成、活性检测和发展趋势;Fr üchtel 等〔8〕较系统地描述了10种固相载体、17种连接载体的结构和常见功能基在载体上键合的反应路线;Hermkens 等〔9〕则用表格形式归纳了16类固相有机反应,共168种小分子库的合成。

2　结构识别同步化近2年已研究出若干种特定的组合库在活性检测的同时即可确定先导物的结构,无需任图1　五步循序法识别阿片类拮抗剂新的先导物O :分别反应的20种D 型aa ;X:组合反应的19种D 型aa何化学分析或仪器分析。

2.1　循序筛选(iterative screening )D ooley 等〔10〕以图1的方式分步合成和筛选了5000多万个产物的全D 型六肽库。

最后发现一个与过去已知结构完全不同的新的具有中枢镇痛活性的八肽(7),其IC 50为18nm ol ・L -1。

Freier 等〔11〕用类似的方式进行DNA 组合库的合成和筛选。

2.2　正交组合(orthog onal combination )如图2所示,全部反应构件按正交方向编组,即A 向3组,B 向3组:Aa (1,2,3)……Ba (1,4,7)……。

9种构件共分6组,每组3个构件混在一起同时参加反应。

现以二步反应为例,每库共得到9组,81个产物,每组为9个产物图2　构件的正交式编组的混合物。

可以看出两库的产物完全相同,但编组互为正交。

所以A 库中每组只有一个产物与B 库某组中的一个产物相同,其余8个产物分别与B 库另外8组中的某个产物相同。

活性检测中应该在A 和B 两库间有相应的结果。

例如A 7和B 2两组活性较强,由各自的混合物中找出相同者即可知道活性结构。

D éprez 等〔12〕以此种方式将25种构件编为10组,经三步混分方式合成得到两库(各含125组)共15625个产物。

经V 22加压素受体结合试验,发现化合物(8)为新的先导物。

2.3　亲和性与质谱丰度相关法在亚化学计算量的配体与受体竞争性结合时,活性最强的组分与受体结合的量最多,在质谱(MS )中的离子强度也最大。

G ao 等〔13〕用碳酸酐酶(C A )2Ⅱ为受体,以对氨亚磺酰2苯甲酰2X 1X 22氨基丙酸型分子库为配体,筛选了545个化合物。

结合反应后先经电喷雾离子化质谱(ESI 2MS )气化,再将一定强度的[受体・配体]n -峰成分解离,去除受体。

最后经傅立叶变换(FTICR )将配体峰的组分放大,即可读出活性结构。

2.4　索引组合(indexed combination )以二元索引库为例,在A +B →AB 反应中,假设用10种A 构件与20种B 构件按图3方式编组合成和筛选。

最后与正交库类似,找出活性最强的两组,由互补的组成推出先导物结构。

图3　索引组合库的合成、筛选和先导物识别3　液相组合化学最初的组合化学是由固相肽库合成发展而成。

如今又扩展到液相合成方式,是走向更广泛、更实用的重要发展。

目前已有索引组合库、多组分一锅合成库、核心分子库和寡聚糖分子库等液相组合方式。

3.1　索引组合库基于图3介绍的原理,Pirrung 等〔14〕用9种羟基(O )组分及6种异氰酸酯(N )组分合成了含15组亚库,共计2×54个氨基甲酸酯产物的索引库:∑R ′OH +R 2NC O →∑R 2NHC OOR ′(N 亚库)R ′OH +∑R 2NC O →∑R 2NHC OOR ′(O 亚库)经筛选N1亚库及O6亚库活性最好,由这二组混合物的组成互补推出先导物(9)的结构,它具有极强的抑制胆碱酯酶活性。

3.2　多组分一锅合成库有机化学中的Mannich 反应和Ugi 反应图4　U gi 反应以多种原料同时缩合成一种产物,这个特点为组合化学提供了极好的机会(图4)。

Weber 等〔15〕用10～40种原料,经Ugi 反应制得含16万个产物的分子库,从中发现化合物(10)对凝血酶的抑制活性(K i )达到1.4μm ol ・L -1。

3.3　核心分子库用一种带有N 个反应位点的核心分子同时与M 种构件缩合(图5)是制备核心分子库的基本方式。

Carell 等〔16〕建立了一种分步识别核心分子图5　核心分子库的合成库中活性结构的方法。

用19种氨基酸与核心分子(11)和(12)分别缩合,经过筛选每库的混合产物证明(11)2核心库抑制胰蛋白酶的活性均值达30%,而(12)2核心库无活性。

然后用三步缺席失活法(图6)从7万个产物中发现化合图6　缺席失活法合成、筛选核心分子库物(13)为抑制胰蛋白酶的新化合物(K i =9μm ol・L -1)。

3.4　寡聚糖分子库由于每个单糖分子上至少有三个可反应的羟基,加之单糖分子间键合时又分为α和β两种形式,因此寡聚糖产物必然具有多样性。

近年已发现不少糖类在抗癌和免疫调节等方面具有特殊活性,故寡聚糖的组合化学大有前途。

4　多种应用除了上述寻找活性先导物和开发新药是组合化学的主要功能外,新的研究证明组合化学还可以在更多领域中发挥作用。

4.1　用于主客化学(host 2guest chemistry )4.1.1　宿主分子库(library of host m olecu 2les )　Boyce 等〔17〕以鹅去氧胆酸为支架,采用混分方式合成了含有1万个产物的甾肽组合库(14)作为受体分子库;以四种活性确定的染料———脑啡肽为配体进行结合试验。

结果发现受体上的结合点X 1～X 4为Phe ,Pro ,Pro ,Leu 时与配体分子的亲和性最强,这为有关分子识别机理研究提供了新的手段。

4.1.2　寡聚型受体与配体分子库的识别　以往常用的小分子模拟受体不适合与肽类等活性大分子进行分子识别研究。

因此,合成足够“尺寸”的受体用于多位点的分子识别是必要的。

Y onn 等〔18〕合成的C 3型及D 2型受体模拟分子(15和16)带有染料标记,与连着树脂珠的肽库混合培养后,选出着色最强的树脂珠即可识别配体结构。

并发现上述受体结构对肽配体具有高度序列特异性和对映选择性。

4.1.3　β2环糊精(C D )受体　Maletic 等〔19〕将主客化学中的重要成员β2C D 作为模拟受体用于筛选含24389个三肽的组合库。

结果表明此方式的识别具有极高的差向异构选择性。

4.2　用于催化剂和反应条件优化Liu 等〔20〕采用固相方法制备了小型组合库(17),用于催化α2苯丙醇(18)的不对称合成。

研究发现(17)骨架上的R 1为Ph ,R 2为CH 3时产物(18)的ee 值高达94%。

C ole 等〔21〕发现在T i (OPr )4催化由环氧物(19)生成α2腈基醇衍生物(20)的反应中,加入Schiff 碱可明显提高产物收率。

于是合成了以二肽为骨架的Schiff 碱分子库:aldehyde 2aa 12aa 22p 。

经三步循序求证,从39个二肽Schiff 碱分子库中发现化合物(21)的催化效果最佳,使产物(20)的收率和对映选择性分别由12%和零增至65%和86%。

Burgess 等〔22〕将5种螯合剂、7种金属化合物和4种溶剂组合为96组催化条件,在96孔板上平行验证对一种分子内C 2H 插入反应的催化效果,并发现了最佳催化条件。

因此,组合方式可为许多工艺流程提供合理的优化条件。

4.3　发现新的固体材料X iang 等〔23〕在研究超导材料时采用类似光印合成肽库的形式,在0.0254m 2的载体镀膜上制备了1万种新的合金材料。

经快速微波扫描找到几种超导性能极好的新材料。

5　结语组合化学是一项新型的、具有独特功能的技术。

今后将有更广泛的人力和经济的投入促使其深入发展。

将来组合化学的发展可能更具有如下特点:(1)实用化:它的合成产物已跨出DNA及肽的范围,将涉及多种类型的寡聚库及非线性小分子库。

其合成和筛选方式将进一步趋向多样、简便、经济。

(2)多功能化:其应用范围除了发现新先导物和新药开发外,还将涉及多种主客化学研究,新的试剂、催化剂、反应条件和工艺流程的优化,还将广泛进入电子、冶金等新领域。

但开发新药依然是组合化学的主要功能。

(3)电脑化:由计算机辅助设计的构件单体不但可以扩大产物库的容量及结构多样性,而且命中有用分子的比例也将空前提高。

(4)产业化:各种分子库实体及其数据、设计等信息型产品将大规模进入商品市场。

所以今后产业界的投入将会超过研究领域的投入。

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