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1、第8章,组合化学与多样性导向合成,本章内容,应用,5,8.1 组合化学 Combinatorial Chemistry,化学的中心任务创造新的有各种功能的化学物质；发展有效方法获得尽可能纯的单一的化合物,化学方法筛选小分子药物 研发时间：10年 筛选8000-12 000个化合物 费用：10亿美元,组合化学,将化学合成、组合理论、计算机辅助设计结合一体, 在短时间内将不同构建单元（building block），根据组合原理，系统反复地共价连接，从而产生大批的分子多样性群体，形成化合物库，通过高通量药效筛选，得到可能的有目标性能的化合物结构的一类策略和方法。,Combinatorial Che
2、mistry,Generation of Compound Libraries,HTS,Library,8.1.1 组合化学的基本原理,在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，利用这些结构单元的排列组合，系统的合成大量的化合物。 1个化学家用组合化学方法26周的工作量=10个化学家用传统化学方法花费一年的时间来完成。,组合化学的特点a large number of different compounds simultaneouslyunder identical reactionin a systematic manner,传统合成,AB被单独合成，反应产物将通过重结晶、蒸馏或色谱法得到分
3、离纯化。,组合化学,不同的构建单元和组合，产生组合化学文库。,Combinatorial Synthesis,A1A2A3,B1B2B3,A1B1 A1B2A1B3,A2B1 A2B2A2B3,A3B1 A3B2A3B3,化合物库,组合文库,组合化学反应,产率高纯度高依赖于一些技术，如固相合成。,组合化学围绕某一核心结构，侧链上变化不同的取代基,The game with the large numbers !,影响合成化合物总量的因素：,反应步骤数,建构单元数,库的大小：几十到几十万,Dynamic Combinatorial ChemistrySome possible direction
4、s,Use a ligand to make an ideal receptor,Use a receptor to make an ideal ligand,Optimise a self-folding structure,Generate self-assembled aggregates,Dynamic Combinatorial ChemistrySome possible directions,Use a ligand to make an ideal receptor,Use a receptor to make an ideal ligand,Optimise a self-f
5、olding structure,Generate self-assembled aggregates,Dynamic Combinatorial ChemistrySome possible directions,Use a ligand to make an ideal receptor,Use a receptor to make an ideal ligand,Optimise a self-folding structure,Generate self-assembled aggregates,Dynamic Combinatorial ChemistrySome possible
6、directions,Use a ligand to make an ideal receptor,Use a receptor to make an ideal ligand,Optimise a self-folding structure,Generate self-assembled aggregates,8.1.2 组合化学的核心技术,平行合成,组合合成,固相有机反应,核心技术,（1）组合合成,方法 组分混分法 混合试剂法,组分混分法,建立在固相合成技术上的组合合成方法。 过程：,将固相单体分成相等的几份,每一份固相分别与一个不同的氨基酸相连,均匀混合所有组分,树脂,组分混分法,氨基
7、酸：3种 二 肽：9种三 肽： 27种四 肽： 81种,Biomolecular Synthesizer,茶叶袋法,聚乙烯小袋作为固相树脂珠合成的容器，小网眼方便试剂进出。,树脂珠,茶叶袋,混合试剂法,1986年，Geysen提出组合库的方法。每一步反应都在构建单元混合物的反应器中进行，要求反应机理和反应动力学明确。,（2）平行合成法（使用频率最高）,原理：一个底物和多个反应物反应。,A,C2,C1,B,C3,中间产物,若干步,进一步合成,新发现的先导化合物用来设计新底物模板,底物,X,传统的合成法,A,C,B,纯化、结构验证,纯化、结构验证,平行合成法 特点：,可在固相或液相中进行；化合物库
8、不需纯化，只需简单的结构验证即可进行筛选；快速、化合物数目大。,发现新的活性化合物且活性得到证实,制备新的化合物库,新发现的先导化合物和构效关系研究设计新底物模板,（3）固相有机反应 Solid-Phase Organic Synthesis,目标化合物通过结合链与不溶性的固相载体连接，在特定条件下断开，得到溶液中的化合物。,树脂,树脂,树脂,溶液得到的化合物,生物活性筛选,结构分析,纯度测定,8.1.3 组合化学的应用,临 床 需 求,靶 点,化合物构效关系,靶标组合分子库,新药,先导化合物,候 选 药 物,高通量筛选,临床测试药理毒理分析,随机组合化合物库,组合化学,优化,细胞和分子生物学
9、,人体蛋白的折叠形式600-8000种，特定的分子骨架结构可能和一组相似的蛋白都发生作用。,例子 p56蛋白抑制剂化合物库,56是Src激酶家族中的一类蛋白，在受体介导的信号传递及细胞间通讯中具中心调节作用。,酰化,NH,NHR,O,BMS-243117 IC50=4nm,化合物库筛选,IC50降低,IC50：一定浓度的某种药物 诱导肿瘤细胞凋亡50%。,8.2 小分子活性数据库 Chembank,http:/chembank.broadinstitute.org/,目前收录的有活性的小分子达1200万个,8.3 高通量筛选（ HTS）,运用自动化的筛选系统在短时间内，通过特定的生物模型来对成
10、千上万个化合物进行活性筛选。,高通量筛选,自动化数据处理控制软件液体转移设备敏感的检测手段,细 胞,靶 点,胚 胎,高通量筛选,8.3.1 基于靶点的筛选模型,用来研究与生物体内重要过程相关的酶与底物、受体与拮抗剂或激动剂，以及蛋白间相互作用等，筛选出能与特定靶标结合的化合物，并评价其亲和力的大小。,（1） 受体筛选模型,受体与放射性配体结合。,受 体,共试化合物,同位素检测,温孵,（2） 酶筛选模型,被测化合物在缓冲液中孵化,改变T、pH、酶的浓度控制反应速率,终止反应，检测底物和产物的变化,（3） 离子通道筛选模型,疼痛产生的机理是什么？,钠离子通道,选择性允许钠离子通过，维持细胞兴奋性，
11、对神经元等动作电位产生和传播起作用。,钠离子通道遗传突变时会产生相关的疾病综合症，如癫痫、红斑狼疮等。,找到特异结合天然生物毒素的钠离子通道靶位点,离子通道筛选模型,用放射性配体竞争性结合 筛选化合物,8.3.2 细胞水平的筛选模型,以细胞为对象观察药物对整个细胞的作用,8.3.3 胚胎水平的筛选模型,斑马鱼,果蝇,体积小 繁殖速度快 易观测表型 可实现高通量,1999年，Schreiber通过高通量筛选到有丝分裂抑制剂。 16320个化合物 1个化合物抑制有丝分裂,高通量筛选应用,越可能获得品质优异的药物,筛选量越大 比较的范围越广,8.4 多样性导向合成 (DOS),关键：化合物库中的生物
12、相关性和多样性,Schreiber于2000 年提出, 以高通量方式产生“类天然产物” 的化合物，正向合成分析。,正向合成分析法,合成是从单一的起始原料出发，以简便易行的方法合成结构多样、构造复杂的化合物集合体,再对它们进行生物学筛选。,多样性导向合成设计原则,利用简单的起始原料尽量多的构建出骨架多样的特异分子。,多样性,构建单元的多样性 立体化学和三维结构多样性 化合物骨架的多样性,构建单元的多样性,不同的基团通过偶联反应连接到分子骨架上,骨架支化的多样性策略,基于试剂的策略（分化过程）,同一试剂,试剂X,试剂Y,试剂Z,基于底物结构多样性（折叠过程）,基于反应物多样性的方法,O,B,BnO
13、,OH,Me,Me,BnO,O,OAc,Me,Me,二烷基硼酸酯,NaOH,Me,Me,OH,OH,BnO,三噁烷,基于底物结构多样性,产物的结构取决于反应底物的结构，与反应条件无关；在温和的反应条件下生成活泼的中间体，再与化学基团反应生成不同骨架的产物。,产物,8.5 组合化学与多样性导向合成在药物研发中的应用,Schultz发现干细胞分化操纵子干细胞：一类具有自我复制能力的多潜能细胞， 在一定条件下可以分化成多种功能细胞。,研究策略,多样性导向合成引入不同的杂环,构建化合物库,筛 选,药 物,目前的问题,化合物以肽和寡核苷酸为基础，不具备药物分子的潜质；组合化学构建的分子库多样性差。,NI
14、H Roadmap,http:/nihroadmap.nih.gov/Roadmap for Medical Research in the 21st CenturyIncludes: Molecular Libraries and ImagingNIH will assemble a huge combinatorial library as a source of new drug candidatesPubChem Database http:/pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/,CombiChem Web Sites,CombiChem Lab http:/Combin
15、atorial Chemistry and High Throughput Screening http:/,21世纪是绿色化学的世纪。绿色化学要求将原子重新巧妙组合，实现零排放的原子经济反应，生产环境友好产品。 组合化学是实现绿色化学的必经之路。,1 新材料的开发 已报道许多以组合化学方法开发的新材料 如抗磁材料、磷光材料、介电材料、铁电材料、半导体、催化剂、沸石和聚合物及复合材料等。,2 催化剂筛选,催化剂传统的筛选法是试凑法，工作量大，效率不高。 美国Purdue大学开发一种自动制备并检测沸石分子筛的系统，每个式样板有819个反应室（150-300微升），每次可同时试验6块板，产品用离心
16、方法回收，形成的组合库用X-射线散射技术检测或用电子显微镜筛选，仅消耗很少试剂就取得很多数据。,3 新药物的合成与筛选,美国及欧洲已涌现一批组合化学公司，杜邦制药公司的研究者将组合化学（随机设计，合理筛选）与合理药物设计（合理设计，随机筛选）两种不同的方法联用设计合成了新奇的胶原酶抑制剂。 能够抑制引起癌转移和关节炎的胶原酶, 有利于获得更加有效的抑制癌细胞转移和治疗关节炎的新药。,Haskell-Luevano ,C. 1999年以组合化学法固态合成951个化合物。 用显色生物试验在10M测试，显示对黑色素细胞刺激激素受体的活性。选择其中二种重新合成、纯化和鉴定，一种鉴定结构为2的，对鼠EC
17、50为42.5M，为进一步研究非肽杂环兴奋剂提供新的起点。,4 新农药的合成和筛选,1962年，美国女作家蕾切尔卡逊撰写寂静的春天一书，提出农药杀害野生动物、危害儿童健康、污染表土的问题，引起各国的关注。 随后，一批高毒、高残留农药被禁用。,双对氯苯基三氯乙烷 DDT是一种合成的有机杀虫剂，用于扑灭传播疟疾的蚊子。它杀灭了蚊子和其他的害虫，也许还会使作物提高了收益，但同时也杀灭了益虫。,接受过DDT喷撒后，许多种昆虫能迅速繁殖抗DDT的种群；DDT会积累于昆虫的体内，昆虫成为其他动物的食物后，那些动物，尤其是鱼类、鸟类，则会中毒而被危害。,农药的研究和生产向提高原药固有的活性及其使用效率和效果，降低农药用量，提高农药对人、畜和作物的安全性，改善与环境的相容性，减少对非靶标生物和生态环境的负面影响的方向发展。,组合化学法结合高通量的筛选，大大加快农药研究开发的速度。艾格福公司每年可合成5万个新化合物；诺华公司目前的筛选能力是每年10万个新化合物；捷利康公司19951997年，化合物的筛选能力从每年1万个提高到10万个，1998年为12万个，2000年为20万个。,重点掌握内容,组合化学的基本原理组合合成方法有哪些？高通量筛选方法正向合成分析法多样性导向合成设计原则,
