第8章-組合化學(xué)課件

第8章組合化學(xué)與多樣性導(dǎo)向合成本章內(nèi)容組合化學(xué)的基本原理和技術(shù)小分子生物活性數(shù)據(jù)庫高通量篩選多樣性導(dǎo)向合成4132應(yīng)用58.1組合化學(xué)CombinatorialChemistry

化學(xué)的中心任務(wù)創(chuàng)造新的有各種功能的化學(xué)物質(zhì)；發(fā)展有效方法獲得盡可能純的單一的化合物化學(xué)方法篩選小分子藥物

研發(fā)時間：10年篩選8000---12000個化合物費用：10億美元組合化學(xué)

將化學(xué)合成、組合理論、計算機輔助設(shè)計結(jié)合一體,在短時間內(nèi)將不同構(gòu)建單元（buildingblock），根據(jù)組合原理，系統(tǒng)反復(fù)地共價連接，從而產(chǎn)生大批的分子多樣性群體，形成化合物庫，通過高通量藥效篩選，得到可能的有目標(biāo)性能的化合物結(jié)構(gòu)的一類策略和方法。

CombinatorialChemistryGenerationofCompoundLibrariesHTSLibrary8.1.1組合化學(xué)的基本原理在同一個化學(xué)反應(yīng)體系中加入不同的結(jié)構(gòu)單元，利用這些結(jié)構(gòu)單元的排列組合，系統(tǒng)的合成大量的化合物。

1個化學(xué)家用組合化學(xué)方法2～6周的工作量=10個化學(xué)家用傳統(tǒng)化學(xué)方法花費一年的時間來完成。

組合化學(xué)的特點alargenumberofdifferentcompoundssimultaneouslyunderidenticalreactioninasystematicmanner傳統(tǒng)合成A + B AB

AB被單獨合成，反應(yīng)產(chǎn)物將通過重結(jié)晶、蒸餾或色譜法得到分離純化。組合化學(xué)A1-n +B1-n A1-nB1-n不同的構(gòu)建單元Ａ和Ｂ組合，產(chǎn)生組合化學(xué)文庫。Combinatorial

SynthesisA1A2

A3

B1B2

B3

A1B1 A1B2 A1B3A2B1 A2B2 A2B3A3B1 A3B2 A3B3化合物庫組合文庫組合化學(xué)反應(yīng)

產(chǎn)率高純度高依賴于一些技術(shù)，如固相合成。組合化學(xué)圍繞某一核心結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈上變化不同的取代基Thegamewiththelargenumbers!!!

影響合成化合物總量的因素：

反應(yīng)步驟數(shù)建構(gòu)單元數(shù)庫的大小：幾十到幾十萬DynamicCombinatorialChemistrySomepossibledirectionsUsealigandtomakeanidealreceptorUseareceptortomakeanidealligand

Optimiseaself-foldingstructureGenerateself-assembledaggregatesDynamicCombinatorialChemistrySomepossibledirectionsUsealigandtomakeanidealreceptorUseareceptortomakeanidealligand

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Optimiseaself-foldingstructureGenerateself-assembledaggregates8.1.2組合化學(xué)的核心技術(shù)平行合成組合合成固相有機反應(yīng)核心技術(shù)（1）組合合成

方法組分混分法混合試劑法組分混分法建立在固相合成技術(shù)上的組合合成方法。過程：

將固相單體分成相等的幾份每一份固相分別與一個不同的氨基酸相連均勻混合所有組分樹脂Splitv1.Coupling(3products)MixvSplitvv2.Coupling(9products)組分混分法

氨基酸：3種二肽：9種三肽：27種四肽：81種BiomolecularSynthesizer茶葉袋法

聚乙烯小袋作為固相樹脂珠合成的容器，小網(wǎng)眼方便試劑進出。樹脂珠茶葉袋混合試劑法

1986年，Geysen提出組合庫的方法。每一步反應(yīng)都在構(gòu)建單元混合物的反應(yīng)器中進行，要求反應(yīng)機理和反應(yīng)動力學(xué)明確。

（2）平行合成法（使用頻率最高）原理：一個底物和多個反應(yīng)物反應(yīng)。AC2C1BC3中間產(chǎn)物若干步進一步合成新發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)化合物用來設(shè)計新底物模板底物X傳統(tǒng)的合成法ACB純化、結(jié)構(gòu)驗證純化、結(jié)構(gòu)驗證平行合成法特點：可在固相或液相中進行；化合物庫不需純化，只需簡單的結(jié)構(gòu)驗證即可進行篩選；快速、化合物數(shù)目大。發(fā)現(xiàn)新的活性化合物且活性得到證實制備新的化合物庫新發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)化合物和構(gòu)效關(guān)系研究設(shè)計新底物模板（3）固相有機反應(yīng)Solid-PhaseOrganicSynthesis

目標(biāo)化合物通過結(jié)合鏈與不溶性的固相載體連接，在特定條件下斷開，得到溶液中的化合物。樹脂樹脂樹脂溶液得到的化合物生物活性篩選結(jié)構(gòu)分析純度測定8.1.3組合化學(xué)的應(yīng)用臨床需求靶點化合物構(gòu)效關(guān)系靶標(biāo)組合分子庫新藥先導(dǎo)化合物候選藥物高通量篩選臨床測試藥理毒理分析隨機組合化合物庫組合化學(xué)優(yōu)化細(xì)胞和分子生物學(xué)

人體蛋白的折疊形式600-8000種，特定的分子骨架結(jié)構(gòu)可能和一組相似的蛋白都發(fā)生作用。

特定骨架分子為模板的組合庫

研究小分子與蛋白質(zhì)的相互作用例子p56蛋白抑制劑化合物庫

p56是Src激酶家族中的一類蛋白，在受體介導(dǎo)的信號傳遞及細(xì)胞間通訊中具中心調(diào)節(jié)作用。

?；疦HNHROBMS-243117IC50=4nm化合物庫篩選IC50降低IC50：一定濃度的某種藥物誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡50%。8.2小分子活性數(shù)據(jù)庫Chembankhttp:///目前收錄的有活性的小分子達1200萬個8.3高通量篩選（HTS）

運用自動化的篩選系統(tǒng)在短時間內(nèi)，通過特定的生物模型來對成千上萬個化合物進行活性篩選。高通量篩選自動化數(shù)據(jù)處理控制軟件液體轉(zhuǎn)移設(shè)備敏感的檢測手段

細(xì)胞靶點胚胎高通量篩選

8.3.1基于靶點的篩選模型用來研究與生物體內(nèi)重要過程相關(guān)的酶與底物、受體與拮抗劑或激動劑，以及蛋白間相互作用等，篩選出能與特定靶標(biāo)結(jié)合的化合物，并評價其親和力的大小。（1）受體篩選模型受體與放射性配體結(jié)合。

受體共試化合物配體

同位素檢測溫孵（2）酶篩選模型被測化合物在緩沖液中孵化改變T、pH、酶的濃度控制反應(yīng)速率終止反應(yīng)，檢測底物和產(chǎn)物的變化（3）離子通道篩選模型疼痛產(chǎn)生的機理是什么？鈉離子通道選擇性允許鈉離子通過，維持細(xì)胞興奮性，對神經(jīng)元等動作電位產(chǎn)生和傳播起作用。

鈉離子通道遺傳突變時會產(chǎn)生相關(guān)的疾病綜合癥，如癲癇、紅斑狼瘡等。找到特異結(jié)合天然生物毒素的鈉離子通道靶位點離子通道篩選模型用放射性配體競爭性結(jié)合

篩選化合物

8.3.2細(xì)胞水平的篩選模型以細(xì)胞為對象觀察藥物對整個細(xì)胞的作用8.3.3胚胎水平的篩選模型斑馬魚果蠅體積小繁殖速度快易觀測表型可實現(xiàn)高通量

1999年，Schreiber通過高通量篩選到有絲分裂抑制劑。16320個化合物1個化合物抑制有絲分裂高通量篩選應(yīng)用

越可能獲得品質(zhì)優(yōu)異的藥物篩選量越大比較的范圍越廣8.4多樣性導(dǎo)向合成(DOS)

關(guān)鍵：化合物庫中的生物相關(guān)性和多樣性

Schreiber于2000年提出,以高通量方式產(chǎn)生“類天然產(chǎn)物”

的化合物，正向合成分析。正向合成分析法

合成是從單一的起始原料出發(fā)，以簡便易行的方法合成結(jié)構(gòu)多樣、構(gòu)造復(fù)雜的化合物集合體,再對它們進行生物學(xué)篩選。多樣性導(dǎo)向合成設(shè)計原則

利用簡單的起始原料盡量多的構(gòu)建出骨架多樣的特異分子。多樣性構(gòu)建單元的多樣性立體化學(xué)和三維結(jié)構(gòu)多樣性化合物骨架的多樣性

構(gòu)建單元的多樣性不同的基團通過偶聯(lián)反應(yīng)連接到分子骨架上骨架支化的多樣性策略

基于試劑的策略（分化過程）

同一試劑試劑X試劑Y試劑Zσσσ

基于底物結(jié)構(gòu)多樣性（折疊過程）

基于反應(yīng)物多樣性的方法OBBnOOHMeMeBnOOOAcMeMe二烷基硼酸酯NaOHMeMeOHOHBnO··三噁烷

基于底物結(jié)構(gòu)多樣性產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)取決于反應(yīng)底物的結(jié)構(gòu)，與反應(yīng)條件無關(guān)；在溫和的反應(yīng)條件下生成活潑的中間體，再與化學(xué)基團反應(yīng)生成不同骨架的產(chǎn)物。產(chǎn)物8.5組合化學(xué)與多樣性導(dǎo)向合成在藥物研發(fā)中的應(yīng)用Schultz發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞分化操縱子干細(xì)胞：一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞。

研究策略多樣性導(dǎo)向合成引入不同的雜環(huán)構(gòu)建化合物庫篩選藥物目前的問題化合物以肽和寡核苷酸為基礎(chǔ)，不具備藥物分子的潛質(zhì)；組合化學(xué)構(gòu)建的分子庫多樣性差。NIHRoadmaphttp:///RoadmapforMedicalResearchinthe21stCenturyIncludes:MolecularLibrariesandImagingNIHwillassembleahugecombinatoriallibraryasasourceofnewdrugcandidatesPubChemDatabase

http:///CombiChemWebSitesCombiChemLab

http://CombinatorialChemistryandHighThroughputScreening

http:///ombichem.html

21世紀(jì)是綠色化學(xué)的世紀(jì)。綠色化學(xué)要求將原子重新巧妙組合，實現(xiàn)零排放的原子經(jīng)濟反應(yīng)，生產(chǎn)環(huán)境友好產(chǎn)品。組合化學(xué)是實現(xiàn)綠色化學(xué)的必經(jīng)之路。

1

新材料的開發(fā)

已報道許多以組合化學(xué)方法開發(fā)的新材料

如抗磁材料、磷光材料、介電材料、鐵電材料、半導(dǎo)體、催化劑、沸石和聚合物及復(fù)合材料等。

2

催化劑篩選催化劑傳統(tǒng)的篩選法是試湊法，工作量大，效率不高。

美國Purdue大學(xué)開發(fā)一種自動制備并檢測沸石分子篩的系統(tǒng)，每個式樣板有8～19個反應(yīng)室（150-300微升），每次可同時試驗6塊板，產(chǎn)品用離心方法回收，形成的組合庫用X-射線散射技術(shù)檢測或用電子顯微鏡篩選，僅消耗很少試劑就取得很多數(shù)據(jù)。

3

新藥物的合成與篩選美國及歐洲已涌現(xiàn)一批組合化學(xué)公司，杜邦制藥公司的研究者將組合化學(xué)（隨機設(shè)計，合理篩選）與合理藥物設(shè)計（合理設(shè)計，隨機篩選）兩種不同的方法聯(lián)用設(shè)計合成了新奇的膠原酶抑制劑。能夠抑制引起癌轉(zhuǎn)移和關(guān)節(jié)炎的膠原酶,有利于獲得更加有效的抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移和治療關(guān)節(jié)炎的新藥。

Haskell-Luevano,C.

1999年以組合化學(xué)法固態(tài)合成951個化合物。用顯色生物試驗在10μM測試，顯示對黑色素細(xì)胞刺激激素受體的活性。選擇其中二種重新合成、純化和鑒定，一種鑒定結(jié)構(gòu)為