组合化学及高通量筛选

1、所谓组合化学, 亦称同步多重合成化学或组合合成化学, 是一种将化学合成、组合理论、计算机辅助设计和机械手结为一体的技术组合化学起源于药物合成,继而发展到有机小分子合成、分子构造分析和分子识别研究等领域。它是在固相合成多肽基础上发展起来的一项快速合成新技术。上世纪60年代初期,Merrifield 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,而多肽合成仪的出现, 使该方法成为一种常规手段。上世纪80年代中期, Geysen1用96孔板在高分子链上首次合成多肽成功, 标志着组合合成的开始。1991年, 混合裂分合成法2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。为了确定混合物的成分

2、,合成物密码标记和解密技术以及产物追踪技术也逐渐地发展起来。至上世纪90年代初,以合成小分子为主的平行单分子合成技术有了很大的发展,并成为组合合成的主要技术。组合化学的创立与发展,始于新药研究的需要。自上世纪80年代末期,随着分子生物学研究的突破,即高通量筛选技术的发展,新药开发所需要的新分子实体的数目越来越多,科学家们把注意力从寻找天然产物转入合成大数目的化合物群,即化学库。组合化学就是一种合成化学库的技术,运用这项技术,不同系列的合成砌块反应成分可有序地排列起来,从而组成大系列的多样化分子实体群。与传统的“一次合成,一个产物”相比,组合化学的出发点就是一次同步合成,得到多种产物。因此,反应

3、时必须用分子结构不同但反应基团相同的多种构件(原料)以平行或交叉方式参与同一步反应。组合化学研究的3个基本阶段为：（1）分子多样性化学库合成（2）群集筛选（设定液相或固相筛选方法，即合成产物是挂在树脂上还是在溶液中进行筛选。选择筛选模型，包括细胞功能性筛选，受体、抗体、基因表达蛋白筛选，采用的指示方法如染料染色、荧光标记、同位素标记以及自动化筛选等）；（3）化学库解析、译码组合化学的原理很简单，但并不是所有的合成反应都可以用组合方法来合成。一般的组合合成需满足以下几个基本要求：（1）构建模块中的反应物间能顺序成键；（2）构建模块必须是多样性且是可得到的，这样才可能获得一系列供研究的化合物库；（

4、3）模块中反应物发生反应时反应速度要接近，且反应的转化率和选择性要高；（4）产物的结构和性质有较高的多样性，以供研究，从中找出最佳结构；（5）反应条件能调整，操作过程能实现自动化。 高通量筛选最初是伴随组合化学而产生的一种药物筛选方式。 1990年末，组合化学的出现改变了人类获取新化合物的方式，人们可以通过较少的步骤、在短时间内同时合成大量化合物，在这样的背景下高通量筛选的技术应运而生。 高通量筛选技术可以在短时间内对大量候选化合物完成筛选，经过近十年的发展，已经成为比较成熟的技术，不仅仅应用于对组合化学库的化合物筛选，还更多地应用于对现有化合物库的筛选。 传统农药筛选技术主要是依据活体生物对

5、化合物的反应做为评价指标， 通常由技术人员以一定方式将样品加到待测生物体上， 一定时间后观察生物体对药剂的反应， 根据反应的程度判断化合物活性大小。这种方法的优点是药剂对生物活体是否有活性可直接观察到，不易漏筛，但由于是将化合物逐一加到目标生物上，需要消耗大量试材和化合物样品，占用较大实验空间，而且试验周期长，劳动强度大，因此不可能同时或者在短期内进行大量化合物的筛选，一般年筛选量达到 5000-10000个化合物亦是相当不容易的事情。高通量筛选技术是在传统筛选技术的基础上，应用生物化学、分子生物学、细胞生物学&、计算机、 自动化控制等高新技术， 使筛选样品微量化（样品用量在几微升到几

6、百微升或者微克至毫克级之间），样品加样、活性检测乃至数据处理高度自动化，使筛选具有快速、灵敏&、特异性高等特点。高通量筛选有利于同时或短时间内完成大量化合物的筛选，年筛选量可达 10 万甚至 100万个化合物。 随着筛选量的增大，发现和得到新药物的机率也将随之增加，所以这一技术在现代新医药，新农药的创制研究中备受青。化合物高通量筛选的正常展开需要多种高新技术的有机结合，包括：高容量的化合物样品库，自动化的操作系统，高特异性的离体或活体筛选的模型，高灵敏度的检测系统，以及高效率的数据处理和管理系统。初筛 也即普筛 ，在离体或活体水平上 ，使用同一剂量，与同样的试材作用，初步判断化合物有无

7、活性。复筛 初筛后，选择有活性的化合物 ，采用系列浓度（设 3-5个剂量），进行同一模型的筛选，确定化合物活性大小。深入筛选 也即温室盆栽实验!是在初筛和复筛的基础上,将得到的化合物在活体靶标生物上作进一步筛选,确定化合物的防治谱、作用方式、选择性、使用剂量和时期以及其他性质等，为全面评价活性化合物的开发价值提供依据。同时，结合活性化合物的化学结构特点，进行综合分析，确定在结构和活性方面具有新颖性和开发价值的化合物作为先导化合物，并根据实际情况进行结构优化，以得到活性更高、缺点更少的活性物质。结构优化后的化合物需要重复上述筛选过程!以确定新化合物的活性。通常，温室筛选仍需要较多的化合物!如拜耳公司需要5080mg，而组合化学库有时只能提供几毫克的样品。为了验证HTS的结果，必须加大合成量。有的农药公司为了降低成本，已实现了温室筛选的微型化和自动化，使筛选速度更快、成本更低，而且更为重要的是所需化合物的量可低于1mg。田间药效试验 是在田间自然生产条件下进行的综合评价药剂使用价值的实验方法，分为小区药效试验、大区药效试验和大