新药研发的新思路和新技术以组合化学技术为例摘要: 创新药物是指具有自主知识产权专利的药物。相对于仿制药，创新药物强调化学结构新颖或新的治疗用途，在以前的研究文献或专利中，均未见报道。 随着我国对知识产权现状的逐步改善，创新药物的研究将给企业带来高额的收益。一种新药创制及绿色化学的高效方法与技术—组合化学的起源、现状、建库及活性物鉴别表征，固相与液相组合合成，介绍了各种分析手段在大规模组合化学与高通量群集筛选中的应用。讨论组合化学信息与计量学的应用:估计合成收率，预测产物活性。说明了绿色组合化学能充分利用资源和原料，节省人力和时间。将组合化学与药物设计相结合，可望高效寻找到理想新药。同时还扼要交流了实验室完成的工作，并对组合化学发展作出展望。关键词:组合化学;组合库;群集筛选;化学信息与计量学;绿色化学;新药创制组合化学是一门将化学合成、组合理论、计算机辅助设计及机械手结合一体，并在短时间内将不同构建模块用巧妙构思，根据组合原理，系统反复连接，从而产生大批的分子多样性群体，形成化合物库（compound library），然后，运用组合原理，以巧妙的手段对库成分进行筛选优化，得到可能的有目标性能的化合物结构的科学。组合化学起源于 1984 年诺贝尔化学奖得主,于 1963 年提出关于多肤固相合成的开创性工作，故在早期被称作同步多重合成，合成肤组合库，也被称为组合合成，组合库和自动合成法等。组合化学最初是为了满足生物学家发展的高通量筛选技术对大量的新化合物库的需要而产生的。60 年代初期，Merrield 建立的固相多肤合成法为组合化学方法的建立奠定了基础。随后，多肤合成仪的出现，使该方法成为一种常规手段。目前，虽然编码标识技术和高通量筛选方法发展缓 J 漫制约了组合化学的蓬勃发展，但随着固相及液相合成技术的进步，组合化学必将得到更大发 展并推进新药创制。一、新药创制背景药物研究与开发过程的结果是能够表征出确定化合物的结构，此类化合物对某一指定的生物学指标具有人们期望的活性，并且已在适当的动物模型上测定出其对相关疾病有合适的生物可利用性及功效 ，同时具有高效安全等特点。药物开发过程几个关键步骤如下：治疗的目标~寻找先导化合物~优化先导化合物~研制候选药物~新药物。药物开发是一项耗时耗资的工程，从启动一项研究计划到开发出一个潜在的药物并进行临床试验，对于一个大的制药公司而言，这一过程一般需要 5 年左右。开发期如此漫长，原因之一是合成与筛选到所期望的被测试活性化合物通常很 J 漫甚至要多次反复的一步。在药物开发计划的早期，药物化学家需要找到一种先导化合物，即对生物学指标有效而效果可能较差的某种分子结构。在此阶段，药物开发者经常将文献中或竞争对手的化合物作为先导物，但经常会遇到治疗的靶分子没有已知配体的情况，此时，凭经验碰运气进行随机性筛选成为发现先导物的唯一途径。过去，药物开发过程中生物活性化合物主要是从植物、动物及发酵中分离出的天然产物，曾成功地找到了俘一内酞胺、四环素、阿凡曼菌素、紫杉醇等药物。尽管天然产物结构丰富，但要找到对某一特定生物靶分子有活性的化合物仍然是非常艰难的工作。药物公司的档案中平均包括 200000 个化合物，为了在合理的时间内对数量如此庞大的化合物进行评估，需要采用自动化方法，以便能够在较短时间内测试成百上千的化合物。但由于收集化合物的结构多样性有限，只能局限于公司在此之前合成的分子结构。药物开发已经进入了一个新时期，新的受体和酶不断被证实为治疗的靶分子，而药物开发者 却局限于筛选天然产物的提取物或从即将耗尽的化合物专利中寻找活性化合物来合成。因此，任何能够帮助走出这种分子结构多样性困境的新技术，能够快速地合成出成千上万甚至成百万上千万个化合物以发现先导化合物的方法，都会立刻激发出药物化学家的想象力来。组合化学恰恰提供了这样的可能性，其威力就在于能短时间内生成大批量的新化合物即化合物库，化合物库提供的分子结构的数量及其多样性使药物开发处境得以改观。二、组合合成方法分类组合合成的本质是快速产生大量化合物，使化学生产能力提高到 10 年前所梦想不到的水平。它摒弃了许多在有机合成中被固守的规则，即把所有化合物和中间体完全纯化与表征的规则，取而代之的是使用可靠的化学反应以及简单而有效的纯化方法。生产效率上的这些飞跃是如何取得的呢？传统合成一次只得一种产物而组合合成同时用一组单元与另组单元反应，得到所有组合即 个构建单元产生 个化合物。当 为相同值时产生库总量 。组合合成有多种分类方法，按反应条件可分为固相库和液相库。固相有机合成(SPOS)具有众多突出优点：1)大大简化反应后处理操作；2)充分利用热动力学因素促进反应；3)有效应用“稀释原理”；4)易于实现自动化；5}减少或消除其毒性；6}树脂再生重复使用。应用固相有机合成方法不仅可以半自动甚至全自动快速合成多肤、寡核普酸、寡糖、其它寡聚物、Chiron 类肤、衍生库等众多组合库及非聚合性小分子化合物，自问世以来，一直作为一种有机合成技术加以应用，文献报道较多。三、化合物库组合库按反应条件分为固相库和液相库；按反应产物分为肤库、寡聚物库、衍生库、小分子库等； 按建库方法分为同步多重法、茶叶袋法和一珠一肤法等。近年来又合成了多种肤库、类肤库，寡核普酸库等。在可控孔度玻璃珠上，已经合成出包括所有可能 8 种核普酸序列的硫代嶙酸酷寡核普酸库。寡糖是许多生物过程的重要协调物质和介入靶标，但合成复杂故寡糖库数目极其有限。其它寡聚物库包括由非天然氨基酸合成的多肤库、寡聚氨基甲酸酷库、寡聚脉库、肤酞胺库、胁酞胁库、多异陛琳库、肤磷酸酷库等。Chiron 公司研究诸如“类肤”库合成，其库组分是 N 一取代普氨酸线性寡聚物，需用一些新合成方法来构建。利用某些反应如取代、加成缩合、氧化还原等可将一种库转化为多种不同衍生库。除修饰肤库外发展范围更广泛的小分子库是必然趋势，业已合成了众多杂环和非环类小分子化合物库。液相组合化学库包括索引组合库、多组分一锅合成库、核心分子库、寡聚糖分子库等。索引组合库是由液相组合中的索引组合法构建的化合物库，其活性结构可如固相合成中正交组合库一样筛选检测。有机化学中某些反应如 Mannich 和 Ugi 反应以多种原料同时缩合成一种产物，即得多组分一锅合成库。用一种带有 M 个反应位点的核心分子同时与 N 种构件缩合以形成核心分子库。由于每个单糖分子上至少有 3 个可反应的轻基，加之单糖分子间键合时又分为 a 和俘键合 2 种形式，因此寡聚糖产物必然具有多样性。组合库的鉴别及其分析和表征非常重要。通过设计某些中间步骤使库在分析前即被表征。在合成组合库时给每一个构建单元一个标签，使产物在合成完毕后可被鉴别和检验的建库方法称为编码法。为有效起见编码必须满足以下几点要求：1)标签分子与库组分分子必须使用相互兼容的化学反应在树脂珠上交替平行地合成；2)标签分子必须能够以物理方法与库化合物分离，这样编码分子的存在不会对库的筛选造成生物活性误导；3)标签分子应以低浓度存在，不占据树脂珠上 很大一部分官能团；4)标签分子应当能经光谱或色谱技术定出序列。常用的标签化合物有寡核普酸、多肤 CDNA、卤代芳烃、二级胺、同位素、二偶氮酮官能团、二烷氧基芳烃连接剂和疏电子氯代芳香族化合物等。最近又研究出系列非化学方法，如射频标签、激光编码、荧光团编码等。四、固相合成化学连接分子是一类专门化的保护基，均带有官能团，需是正交的，不能受修饰或扩展的目标分子的化学反应影响，并且最后的切割步骤应稳定高产率。最好的连接分子应该在上载和切割两步几乎定量进行。连接分子中有的具有原来连接官能团的再生性(如醇到醇)，有的可从一种官能团转化为另一种官能团(如竣酸到酞胺)，甚至有的可在切割步骤中将官能团全部去掉俨无痕迹连接分子”。根据连接分子的官能团可分为竣酸、酞胺、醇、胺、无痕迹与可光切割型连接分子等。随着固相有机合成技术的进步 ，固相有机反应的类型不再只局限在缩合、取代反应等小范围内，而是发展到环加成、氧化还原反应等更广泛的范围，成键类型便增多，并可以直接成环进行官能团的转换。比较重要的一些固相有机合成反应有把催化的偶联反应、Mitsunobu 偶联反应、杂环合成、环加成反应、烯醇烷基反应、Ugi 反应等。此外，涉及到金属试剂的反应以及不对称反应开始明显增多，有望成为固相有机合成反应研究新的发展趋势。由于载体树脂本身因素的影响还未能实现高温高压反应。另外非聚合性天然产物全合成还有待时日。五、组合化学是近 20 年来发展起来的一种快速高效低耗甚至半自动或全自动地合成大量化合物的新方法，是应生物学家药学家建立起来的高通量群集筛选技术的需要而产生的。组合化学是一门交叉性科学，以有机化学为基础，与生物化学、药物化学 密不可分，并涉及到数学、物理学、计算机等多门学科，是这些学科与合成化学的完美结合。由此可见，组合化学具有巨大的发展潜力，其在更多化学领域中的渗透和发展，将会把化学带入一个新的增长空间。组合化学是一项新型具有独特功能的技术，预计今后将有更广泛的人力物力财力投入促使其深入发展，其未来发展趋势可能如下：实用化；多功能化；计算机化；产业化。21 世纪的新药研究与开发将是一项高度复杂的系统工程，是现代高技术特别是生物技术和信息技术在生命科学研究领域的应用。它取决于多学科特别是化学、生物学和生物医学发展的整体水平和综合实力，也是制药企业、医院、大学和研究所的科研人员与研究群体之间相互交流学术思想的必然结果，其中各方研究人员相互依赖和组织的合理化程度将达到异乎寻常的水平。其关键是如何将现代生物技术、组合化学技术以及各种有机合成新方法结合起来，为提高筛选命中率，减少在合成和筛选方面的时间和投入，降低风险，最终找到高效低毒且具有预期药理作用的治疗药物。参考文献：[1] 鹏群,郭葆玉,等.纳米技术在药物研究领域中的应用[J].解放军药学学报 2019,17(1)[2] 渝鸿,许映霞,万昌秀,乐以伦.纳米材料在生物医学中的应用[J].化工新型材料,2019,30(2)[3] 张颖,陈世玲,盖国胜,张兰英,等.中草药与难溶药物超细粉碎技术的应用[J].世界科学技术.2018,3(2):9~12