组合化学库对发现天然产物药物的作用

众所周知，天然产物药物发现是一项耗时耗资的庞大工程。长久以来，科学家们一直渴望寻找到能够缩短研发周期，并且能够节省研发投资的方法，组合化学则应运而生。组合化学（combinatorial chemistry）是以构件单元（building block）的组合、连接为特征，平行、系统、反复地合成大量化学实体形成组合化学库（combinatorial library）的合成技术。组合化学是现代化学技术与生物学技术有机结合在发展现代药物研究中的范例，实际上就是利用一系列合成测试技术，实现合成微量化和操作自动化，可以在短时间内合成数目庞大的有机化合物，经过高通量筛选，从中发现具有生物活性的先导化合物。近20年间其得到了日新月异的快速发展，组合化学思想直接冲击了原有的化学合成理念，在新药研发领域中更是掀起了一场新方法、新技术和新成果的革新浪潮。

（一）组合化学库设计策略

组合化学库首先要合理设计全部可以合成的化合物建立虚拟库，然后根据一定的适宜标准进行分类建立子库，来限定实际合成和筛选对象的范畴。按照这样的方法组合化学刚刚起步的10年里，合成出的化合物的数量是越来越庞大，但是并没有达到预期的预案——筛选出更多数目的候选药物。目前，组合化学库设计理念发生了变化，其研究重点已经从遵循Lipinski规则的多样性组合化合物库转移到更重视生物活性的类先导化合物库。在新药研发阶段，研发失败出现得越晚，投资就会损失越大，如能尽早发现和避免潜在的问题，则能降低损失，加快研发步伐。类先导组合化合物库就是通过虚拟筛选优先获得一系列关于化合物的吸收、分布、代谢、消除和毒性等性质，从而在研发之初优先进行评价和预测，从而降低开发新药的失败率。目前世界上大多数的制药公司均已开始不同程度地采用这种方法在组合化学库设计阶段就进行预测。下面具体介绍几个组合化学库的设计策略，其都代表了“不求多，只求精”的科学理念。

1．多元优化设计技术 传统的优化程序仅采用单一标准，通常是结构上最大限度的多样性，这在当前的理性设计理念中是落后的。Gillet等提出以多元遗传算法（MOGA）进行库的设计。依照该算法，他们编写出另一套优化程序，命名为MoSELECT。该程序可以弥补加权总数评价方法的许多局限。这一算法体系可以为多元库的设计提供一整套优化方案，化学家可以根据已提供的信息来选择其中的一个或几个方案，该设计方法建立的组合化学库的优越性则大大得到提高。

2．药物代谢性质（ADME）虚拟筛选技术 该技术在药物研发早期总结出了大量生物学信息，并促进了预测ADME相关性质的计算机模型的发展。目前已经有提供可预测ADME相关属性的商业软件，可以实现预测药物的口服生物利用度，以及药物的血脑屏障穿透性、溶解度、代谢、转运、毒性以及药物间的相互作用等。但是由于软件设计的标准过于严格，往往有一些值得继续研究的化合物很有可能被筛除。

3．天然产物结构设计方法 天然产物一直是新药开发的主要来源，然而这一主导地位目前已被高度多样性的组合化学库所取代。不过将天然产物作为新药的可能来源来建立组合化学库的思想却一直未被人们所放弃。一些较大规模的天然产物组合化学库通过相对较少的直线合成步骤被建立起来，但是由于许多天然产物的合成需要复杂得多的步骤反应，只能被组合化学家无奈地从研究计划中删去。但是随着合成化学技术的不断发展，这一方面的工作还会有更多的突破。

（1）Feher和Schmidt针对药物、天然产物和组合化学库内容物在结构和性质上进行了深入分析。分析结果显示，在性质上天然产物和组合化学库化合物分布在药物的两端。组合化学库化合物与天然产物相比有如下特性：①手性中心较少／芳环结构较多／复杂环（桥、螺、骈）体系较少；②饱和度较大；③杂原子数目不同（组合化学库化合物含氮原子数是天然产物的3倍）；④可转动化学键较多；⑤刚性差；⑥亲水性较高。

（2）Feher和Schmidt根据分析结果指出在组合化学库设计应更多地融入一些天然产物的结构性质，从而来提高组合化学库中活性和选择性更好的化合物的出现概率。

（3）Lee和Schneider利用Kohonen特征映射技术分析比较了药物、非药物、天然产物及基于天然产物设计合成的组合化学库的药效团，结果显示天然产物与药物的确具有相似的药效团，这一结果说明以天然产物为先导化合物，在一定程度上加以修饰、优化，对新型分子骨架结构的研究具有指导意义。

近年来计算机辅助设计和模拟技术的快速发展，使其在制药行业已被广泛应用于组合化学库设计和活性预测，其能更有效地提高新药开发成功率。有专家预测目前有10%的新药研发经费用于计算机模拟和模型构建，而到2016年这个数字将会上升到20%。

（二）固相组合合成技术应用

固相合成技术曾经是组合合成的主要方法。但是，不加修改的将普通合成方法转移到固相化学中是行不通的，反而导致开发必要的方法学研究时间过长，与新药开发周期日益缩短的要求相悖，从而限制应用。科研工作者正在致力于突破这一“瓶颈”，从而促进固相合成化学的再次广泛应用。

1．固相载体研究进展 固相合成技术中的载体必须满足以下两个条件：①该材料在合成条件下必须是化学惰性的、交联的且不溶解于有机溶剂中；②连有活性反应基团，能与反应物反应，并且在反应后目标产物能从其上面解离下来。

应用最早且最广泛的载体是各种经过官能团修饰的交联聚苯乙烯。在聚合过程中大约1%的二乙烯基苯被加入到苯乙烯中。这种高聚物骨架具有内在可变性，同时内表面积较大，允许溶剂和试剂自由扩散到内部。但是，该聚合物又受到热稳定性及试剂选择的限制。值得注意的是，研究表明固相合成中聚苯乙烯并不总是惰性的。经H-NMR和MS共同分析，确定不纯物的主要来源是化合物合成和固相载体本身两方面。因此，有必要在使用前进行预处理来去除污染物。另一类使用较多的高聚物是聚酰胺树脂，它们是以N，N-二甲基丙烯酰胺为骨架、N，N′-双烯丙酰基乙二胺为交联基并通过N-烯丙酰基，N′，丙氨酰六亚甲基二胺达到官能化的高聚物，N-烯丙酰基吡咯烷酮制备的高聚物等。这类聚合物在多肽合成中能够更好地接近多肽链。但是，以上两类高聚物都缺乏结构上的刚性，在多种溶剂及反应物中都有一定的溶解度。于是，人们研究开发出一系列的新型固相载体以适应各种反应的需要。值得提及的是Tenta Gel树脂，由于它既有聚乙二醇载体的可溶性又具有聚苯乙烯的不溶性和易操作性，使其非常有利于在水溶液的环境中释放产物或在树脂珠上进行筛选，并且这种树脂能为胰蛋白酶提供一个在水溶液中不影响酶的正常生物活性的内部环境，也很少干扰对连在其上面的化合物的分析。

除了合成树脂的官能团对固相反应具有影响之外，树脂交联度对反应速率也有着显而易见的影响。早期通过考察树脂内部反应和三相催化反应，表明增大交联成分直接降低反应速率且呈线性关系。扩散速率与反应速率也有着必然的联系，Meldal及其同事采用染色手段全面研究了大孔树脂上的扩散形式，结果表明增加树脂的交联成分则会降低扩散速率，从而降低反应速率。扩散速率还和其他因素有直接联系：树脂珠半径越大，则扩散越慢；升高温度、改善溶胀性、增大浓度等都会提高扩散速率。此外固相反应的优势还在于树脂的重复利用，但是这一点常常被忽视。通常情况下，当目标产物从树脂上脱离后，树脂就被丢弃。然而从理论上讲，如果树脂上活性官能团能够再生，那么树脂则有回收利用的价值。对大规模合成反应来说，树脂的重复利用不仅在经济上可以发掘潜在的价值，而且对环境保护也可作出贡献。

2．微波辅助技术 微波辅助固相有机合成反应已经成为科研人员越来越重视的课题。与传统热源相比，微波是从分子水平对物质进行加热，因此具有起热快速、受热均匀的特点。在微波辐射条件下进行反应的最大优势在于反应速度和产率的显著提高。国外学者最近采用多模式微波反应装置进行了一项固相有机合成的研究。研究结果表明微波辅助手段可以有效地将芳香羧酸化合物引入到PS氯甲基树脂上。同传统的加热方式相比，微波辅助手段在提高反应速率和上载量两个方面表现出显著的优势。这个反应是以NMP作溶剂在开口玻璃仪器中进行的，传统方法需加热到80℃后反应12～48h，改用微波加热则片刻升温至200℃，反应时间减少到5～15min。重要的一点是PS树脂即使置于微波辐射下200℃的环境里，较长时间内仍未发生降解。相关研究中，通过微波加热将芳香羧酸上载到PS树脂上。常压下200℃反应10min，芳香羧酸几乎达到定量上载；而与此相对照，传统方法室温条件下则需要2～3d。使用微波辅助方法，即使是通常情况下不易反应的苯胺，脱载仍然能够在140℃左右15min内全部完成。运用这一手段，研究者选用10个带有不同酰基（R2）的氨基酸（R1）和88个不同的胺（R3R4NH）参加切离反应，在96孔板上通过微波辐射进行平行合成，完成了一个880个成员的组合化学库的构建。因此，将微波加热技术与组合合成化学的结合应用，可以收到一个“快上加快”的效果，十分有利于新药的发现。

（三）筛选先导化合物的快速发展

在过去几年里，许多具有发展为候选药物潜力的先导化合物不断地从组合化学库里筛选出来，目前有两个策略用于发现先导化合物：一个是对现有的化合物库进行高通量生物筛选；另一个是针对目标库或靶点库进行合成与筛选。近年来许多有发展潜力的先导化合物被筛选出来，而且一些成功的例子包括几个已进入临床研究的药物的发现，都证明了组合化学库的确是用于新药开发的先导化合物的来源。

1．从组合化学库中发掘先导物 很多大的医药研究公司都建立了自己的化合物库，并且从中发现了许多具有潜力的先导物。

（1）通过对拜耳化合物库的筛选，得到一个芳香酮结构的先导物，可作为半胱氨酸蛋白酶K的一个可逆性竞争抑制药。通过组合化学途径结合药理测试，得到活性更好的化合物，有望成为抗骨质疏松新药。

（2）对辉瑞化合物库的筛选，得到一个新型的非肽HIV蛋白酶抑制药4-羟基吡喃酮，以此进行优化和筛选，最终得到4-羟基-5，6-二氢吡喃酮的衍生物CI-1029。该化合物表现出极佳的抗HIV蛋白酶活性。此外，CI-1029还表现出良好的药动学参数，与细胞色素P450相互作用非常小，目前已进入临床前研究阶段。

（3）通过对葛兰素史克化合物库进行抗Staphylococcus aureus的细菌脂肪酸合成酶（FabI）筛选，得到一个咪唑衍生物的先导化合物。构效关系考察结果表明，1，4-位合适取代的咪唑衍生物是FabI有效的抑制药，而且对革兰阳性菌和阴性菌均有着显著的抗菌活性。这项研究同时也证明了FabI可作为抗菌药物的作用靶点模型。由此可见通过组合化学结合高通量筛选技术发现先导化合物成果非常显著，在此不一一列举。

2．建立主题库成为新的趋势

（1）目前组合化学库的一个新的发展趋势正逐步引起重视，那就是建立主题库。之前组合化学库大多数建立在有机化学主题上，例如特殊的杂环体系（苯并二氮杂、乙内酰脲、二酮哌嗪）、特殊的官能团体系（胍、氧肟酸、α-羰基酰胺）或特殊的反应顺序（关环、多组分缩合、芳基偶联）等。而主题库是基于特定的生物药靶而建立的，因此又被称为靶点主题平台。例如，旨在抑制天门冬氨酸蛋白酶的组合化学库提供的先导物可以适用于多个临床适应证，如心血管疾病（血管紧张肽原酶），病毒感染（HIV蛋白酶），真菌感染（天门冬氨蛋白酶），癌症和Alzheimer症（组织蛋白酶D）等。目前的治疗药靶主要为两大类，酶占28%，受体占45%。因此基于特定的酶和受体而设计的主题库进行新药开发更有可能取得商业上的成功。

（2）作为创新药物研发的主要研究手段之一，组合化学已经建立起不可动摇的地位。过去十年里，药物开发方面的投资以每年10%的速度增长，这也促使先导化合物的数量快速的增长。同样值得注意的是，成百倍增长的活性筛选工作并未使先导化合物的出现产生相应的增长率。部分原因是简化的合成不能简单等同于产物的价值。只有组合化学库中的化合物能被进一步认真的设计，其数据被进一步仔细的分析，那么这个不等的差距才能不断地缩小。