Введение

Комбинаторная химия объединяет химические синтетические методы, позволяющие получать большое количество (десятки, тысячи и даже миллионы) соединений за один процесс. Эти библиотеки соединений могут быть представлены в виде смесей, наборов отдельных соединений или химических структур, сгенерированных с помощью компьютерного программного обеспечения. Комбинаторная химия применяется для синтеза как малых молекул, так и пептидов. Стратегии, обеспечивающие идентификацию полезных компонентов библиотек, также входят в область комбинаторной химии. Методы, используемые в комбинаторной химии, находят применение и за пределами химии.

История

Комбинаторная химия была изобретена Фуркой А. (из Университета Эётвоша Лоранда в Будапеште, Венгрия), который описал её принцип, комбинаторный синтез и процедуру деконволюции в документе, заверенном нотариально в 1982 году. Принцип комбинаторного метода заключается в синтезе многокомпонентной смеси соединений (комбинаторной библиотеки) в единой пошаговой процедуре и в последующем скрининге этой смеси для поиска лекарственных кандидатов или других полезных соединений также в рамках одного процесса. Наиболее важным новшеством комбинаторного метода является использование смесей в синтезе и скрининге, что обеспечивает высокую производительность процесса. Публикации, раскрывающие мотивацию, стоявшую за изобретением, появились в 2002 году.

Введение

Синтез молекул в комбинаторном подходе может быстро приводить к получению большого числа молекул. Например, молекула с тремя точками вариабельности (R1, R2 и R3) может генерировать возможных структур, где , , и – это числа различных используемых заместителей. Истоки этого подхода можно увидеть еще в 1960-х годах, когда исследователь из Университета Рокфеллера, Брюс Меррифилд, начал изучать твердофазный синтез пептидов. В современном виде комбинаторная химия, вероятно, оказала наибольшее влияние на фармацевтическую индустрию. Исследователи, стремящиеся оптимизировать профиль активности соединения, создают «библиотеку» множества различных, но родственных соединений. Достижения в области робототехники привели к промышленному подходу к комбинаторному синтезу, позволяющему компаниям регулярно производить более 100 000 новых и уникальных соединений в год. Для работы с огромным количеством структурных возможностей исследователи часто создают «виртуальную библиотеку» – вычислительное перечисление всех возможных структур данного фармакофора со всеми доступными реагентами. Такая библиотека может состоять из тысяч до миллионов «виртуальных» соединений. Исследователь выбирает подмножество «виртуальной библиотеки» для фактического синтеза, основываясь на различных расчетах и критериях (см. ADME, вычислительную химию и QSAR).

Малые молекулы

В процессе поиска лекарственных средств синтез и биологическая оценка малых молекул, представляющих интерес, обычно являются длительным и трудоемким процессом. Комбинаторная химия появилась в последние десятилетия как подход к быстрому и эффективному синтезу большого числа потенциальных кандидатов в лекарственные препараты на основе малых молекул. В типичном синтезе в конце синтетической схемы получается только одна целевая молекула, при этом каждый этап синтеза дает только один продукт. В комбинаторном синтезе, используя только один исходный материал, можно синтезировать большую библиотеку молекул, используя идентичные условия реакции, которые затем можно проверить на биологическую активность. Этот пул продуктов затем разделяют на три равные части, каждая из которых содержит один из трех продуктов, после чего каждый из этих трех отдельных пулов подвергают реакции с другой единицей реагента B, C или D, получая 9 уникальных соединений из предыдущих 3. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет добавлено необходимое количество строительных блоков, генерируя множество соединений. При синтезе библиотеки соединений многоступенчатым синтезом необходимо использовать эффективные методы реакций, и если после каждого этапа реакции используются традиционные методы очистки, то снизятся выход и эффективность. Твердофазный синтез предлагает потенциальные решения для устранения необходимости в типичных стадиях тушения и очистки, часто используемых в синтетической химии. Как правило, исходная молекула присоединяется к твердому носителю (обычно нерастворимому полимеру), затем проводятся дополнительные реакции, и конечный продукт очищается и затем отщепляется от твердого носителя. Поскольку молекулы, представляющие интерес, прикреплены к твердой опоре, очистку после каждой реакции можно сократить до одного этапа фильтрации/промывки, что устраняет необходимость в трудоемких операциях жидкостно-жидкостной экстракции и испарения растворителя, которые обычно используются в синтетической химии. Кроме того, используя гетерогенные реагенты, можно использовать избыток реагентов для завершения вялотекущих реакций, что может еще больше повысить выход. Избыток реагентов можно просто смыть без необходимости дополнительных этапов очистки, таких как хроматография. За прошедшие годы были разработаны различные методы для совершенствования использования твердофазного органического синтеза в комбинаторной химии, включая усилия по повышению простоты синтеза и очистки, а также нетрадиционные методы характеристики промежуточных продуктов. Хотя в большинстве примеров, описанных здесь, гетерогенные реакционные среды используются на каждом этапе реакции, Бут и Ходжес приводят ранний пример использования твердофазных реагентов только на стадии очистки традиционных синтезов в растворе. По их мнению, химия в растворе имеет преимущество в виде отсутствия необходимости в реакциях присоединения и отщепления, необходимых для закрепления и удаления молекул из смол, а также устраняет необходимость воссоздания твердофазных аналогов известных реакций в растворе. Единственный этап очистки в конце синтеза позволяет удалить одну или несколько примесей, при условии, что известна химическая структура нежелательной примеси. Хотя использование твердофазных реагентов значительно упрощает синтез соединений, многие комбинаторные синтезы требуют нескольких этапов, каждый из которых все еще требует некоторой формы очистки. Армстронг и др. описывают однореакторный метод создания комбинаторных библиотек, называемый многокомпонентными конденсациями (МКК). В этой схеме три или более реагента реагируют таким образом, что каждый реагент включается в конечный продукт за один этап, что устраняет необходимость в многоступенчатом синтезе, включающем многочисленные этапы очистки. В МКК не требуется деконволюция для определения биологически активных соединений, поскольку каждый синтез в массиве дает только один продукт, поэтому идентичность соединения должна быть однозначно известна. В другом синтезе массивов Стил сгенерировал большую библиотеку олигопептидов с помощью раздельного синтеза. Недостатком создания тысяч соединений является сложность определения структуры образовавшихся соединений. Их решение — использовать молекулярные метки, когда крошечное количество (1 пмоль/бусина) красителя присоединяется к бусинам, и идентичность определенной бусины определяется путем анализа присутствующих на бусине меток. Несмотря на то, что присоединение меток облегчает идентификацию рецепторов, индивидуальная проверка каждого соединения на способность связываться с рецептором была бы невозможна, поэтому краситель был присоединен к каждому рецептору, так что только те рецепторы, которые связываются со своим субстратом, изменяют цвет. Когда необходимо провести много реакций в массиве (например, 96 реакций, описанных в одном из МКК-массивов Армстронга), некоторые трудоемкие аспекты синтеза можно автоматизировать для повышения эффективности. Эта работа, "метод DIVERSOMER", была впервые разработана в Parke Davis в начале 1990-х годов для проведения до 40 химических реакций параллельно. Эти усилия привели к первому коммерчески доступному оборудованию для комбинаторной химии (синтезатор Diversomer, продаваемый Chemglass) и первому использованию робототехники для дозирования жидкостей в химической лаборатории. Этот метод использует устройство, которое автоматизирует загрузку и промывку смолы, а также мониторинг цикла реакции и очистку, и демонстрирует осуществимость своего метода и аппарата, используя его для синтеза различных классов молекул, таких как гидантоины и бензодиазепины, проводя 8 или 40 отдельных реакций параллельно. Эта и несколько других новаторских работ в области комбинаторной химии были представлены в качестве "классических" работ в этой области в 1999 году. Часто невозможно использовать дорогостоящее оборудование, и Швабахер и др. описывают простой метод объединения параллельного синтеза членов библиотеки и оценки целых библиотек соединений. В их методе нить, разделенная на разные области, оборачивается вокруг цилиндра, где к каждой области затем присоединяется другой реагент, содержащий только один вид. Затем нить снова разделяют и оборачивают вокруг цилиндра другого размера, и этот процесс повторяется. Преимущество этого метода заключается в том, что идентичность каждого продукта можно определить просто по его местоположению вдоль нити, а соответствующая биологическая активность определяется преобразованием Фурье сигналов флуоресценции. В большинстве синтезов, описанных здесь, необходимо присоединять и отсоединять исходный реагент к/от твердой опоры. Это может привести к образованию гидроксильной группы, которая потенциально может повлиять на биологическую активность целевого соединения. Эллман использует твердофазные носители в многоступенчатой схеме синтеза для получения 192 отдельных производных 1,4-бензодиазепина, которые являются хорошо известными терапевтическими агентами. Чтобы исключить возможность вмешательства потенциальной гидроксильной группы, используется новый метод с использованием химии силиларила для присоединения молекул к твердой опоре, который отщепляется от опоры и не оставляет следов линкера. При закреплении молекулы на твердой опоре промежуточные продукты нельзя выделить друг от друга без отщепления молекулы от смолы. Поскольку многие традиционные методы характеризации, используемые для отслеживания хода реакции и подтверждения структуры продукта, основаны на растворах, необходимо использовать другие методы. Спектроскопия 13C ЯМР в гелевой фазе, масс-спектрометрия MALDI и ИК-спектроскопия использовались для подтверждения структуры и мониторинга хода твердофазных реакций. Гордон и др. описывают несколько примеров использования иминов и пептидильных фосфонатов для создания комбинаторных библиотек малых молекул.

Деконвольв библиотеки отделился от твердой поддержки

Если синтезированные молекулы комбинаторной библиотеки отщепляют от твердой фазы, образуется растворимая смесь. В таком растворе могут содержаться миллионы различных соединений. Когда этот метод синтеза был разработан, поначалу казалось невозможным идентифицировать молекулы и находить соединения с полезными свойствами. Однако для решения этой проблемы были разработаны стратегии идентификации полезных компонентов. Все эти стратегии основаны на синтезе и тестировании частичных библиотек. Самая ранняя итеративная стратегия описана в вышеупомянутом документе Фурки, зарегистрированном в 1982 году.

Рекурсивная деконволяция

Метод иллюстрируется на рисунке. Пептидная библиотека из 27 членов синтезируется из трех аминокислот. После первого (А) и второго (Б) циклов образцы отбирались до смешивания. Продукты третьего цикла (С) расщепляются перед смешиванием, а затем тестируются на активность. Предположим, группа, обозначенная знаком "+", является активной. Все члены библиотеки содержат красную аминокислоту в последней позиции конденсации (CP). Следовательно, активный член также содержит красную аминокислоту в последней CP. Затем красная аминокислота присоединяется к трем образцам, отобранным после второго цикла (Б), для получения образцов D. После расщепления формируются три образца E. Если после тестирования образец, отмеченный знаком "+", оказывается активным, это указывает на то, что синяя аминокислота занимает вторую CP в активном компоненте. Затем к трем образцам А сначала присоединяют синюю, а затем красную аминокислоту (F), после чего снова проводят тестирование после расщепления (G). Если компонент "+" оказывается активным, определяется последовательность активного компонента и отображается в H.

Позиционное сканирование

Позиционное сканирование было введено независимо группами Фурки и др. и Pinilla et al. Метод основан на синтезе и тестировании серий подбиблиотек, в которых определенная позиция в последовательности занята одной и той же аминокислотой. На рисунке показаны девять подбиблиотек (B1–D3) полной пептидной тримерной библиотеки (A), состоящей из трех аминокислот. В подбиблиотеках есть позиция, которая во всех компонентах занята одной и той же аминокислотой. При синтезе подбиблиотеки носитель не разделяют и к всей пробе присоединяют только одну аминокислоту. В результате, в каждом компоненте одна позиция действительно занята одной и той же аминокислотой. Например, в подбиблиотеке B2 позиция 2 занята "желтой" аминокислотой во всех девяти компонентах. Если эта подбиблиотека дает положительный результат в скрининговом тесте, это означает, что позиция 2 в активном пептиде также занята "желтой" аминокислотой. Аминокислотную последовательность можно определить, протестировав все девять (или иногда меньше) подбиблиотек.

Библиотеки пропусков

В библиотеках пропусков определенная аминокислота отсутствует во всех пептидах смеси. На рисунке показана полная библиотека и три библиотеки пропусков. Вверху указаны пропущенные аминокислоты. Если библиотека пропусков дает отрицательный результат, то пропущенная аминокислота присутствует в активном компоненте.

Деконволирование привязанных комбинаторных библиотек

Если пептиды не отщеплены от твердой фазы, мы имеем дело со смесью частиц, каждая из которых содержит один пептид. Смит и его коллеги ранее показали, что пептиды можно тестировать и в прикрепленном состоянии. Этот подход также использовался при скрининге пептидных библиотек. Библиотека пептидов, прикрепленных к частицам, была протестирована с растворенным целевым белком. Частицы, к которым белок присоединился, отбирались, белок удалялся с частицы, а затем прикрепленный пептид идентифицировался путем секвенирования. Тейлор и Моркен использовали несколько иной подход. Они использовали инфракрасную термографию для идентификации катализаторов в библиотеках, не содержащих пептиды. Метод основан на тепле, выделяющемся в частицах, содержащих катализатор, при погружении прикрепленной библиотеки в раствор субстрата. При исследовании частиц с помощью инфракрасного микроскопа частицы, содержащие катализатор, проявляются как яркие точки и могут быть отобраны.

Кодированные комбинаторные библиотеки

Если мы имеем дело с непептидной библиотекой органических соединений, то определить идентичность содержимого бусины не так просто, как в случае с пептидной библиотекой. Для того, чтобы обойти эту трудность, были разработаны методы присоединения к бусинам, параллельно с синтезом библиотеки, молекул, кодирующих структуру соединения, сформированного на бусине. Ольмайер и его коллеги опубликовали метод двоичного кодирования. Они использовали смеси из 18 маркирующих молекул, которые после отщепления от бусин можно было идентифицировать с помощью газовой хроматографии с электронным захватом. Саркар и соавторы описали хиральные олигомеры пентеноиновых амидов (COPA), которые могут быть использованы для создания массово-кодированных библиотек OBOC. Керр и соавторы представили инновационный метод кодирования: к бусинам был присоединен ортогонально защищенный, удаляемый бифункциональный линкер. Один конец линкера использовался для присоединения не-естественных строительных блоков библиотеки, а к другому концу присоединялись кодирующие аминокислотные триплеты. Строительными блоками были не-естественные аминокислоты, и последовательность их кодирующих аминокислотных триплетов можно было определить методом Эдмана. Важным аспектом такого кодирования была возможность отщепления от бусин членов библиотеки вместе с прикрепленными кодирующими метками, формируя растворимую библиотеку. Такой же подход использовался Николаевым и соавторами для кодирования пептидами. В 1992 году Бреннер и Лернер предложили использовать последовательности ДНК для кодирования бусин твердой фазы, что оказалось наиболее успешным методом кодирования. Нильсен, Бреннер и Янда также использовали подход Керра для реализации кодирования ДНК. В последнее время достигнуты важные успехи в секвенировании ДНК. Технологии нового поколения позволяют секвенировать большое количество образцов параллельно, что очень важно при скрининге библиотек, закодированных ДНК. Еще одним нововведением, способствовавшим успеху кодирования ДНК, стало то, что в 2000 году Халпин и Харбери отказались от твердой фазы в синтезе с разделением и объединением (split-mix) библиотек, закодированных ДНК, заменив ее кодирующими олигомерами ДНК. В синтезе с разделением и объединением на твердой фазе количество компонентов библиотеки не может превышать количество бусин носителя. Новый подход авторов устранил это ограничение и позволил готовить новые соединения практически в неограниченном количестве. Например, датская компания Nuevolution синтезировала библиотеку ДНК, содержащую 40 триллионов компонентов! Библиотеки, закодированные ДНК, растворимы, что позволяет применять эффективное аффинное связывание при скрининге. Некоторые авторы используют аббревиатуру DEL для обозначения комбинаторных библиотек, закодированных ДНК, другие – DECL. Последняя аббревиатура представляется более удачной, поскольку в ней четко выражена комбинаторная природа этих библиотек. В первом десятилетии нынешнего тысячелетия было представлено и описано несколько типов комбинаторных библиотек, закодированных ДНК. Эти библиотеки успешно применяются в исследованиях лекарственных препаратов. Синтез комбинаторных библиотек на основе ДНК-матрицы, описанный в 2001 году Гартнером и соавторами. Двойные фармакофорные комбинаторные библиотеки, закодированные ДНК, изобретенные в 2004 году Млеко и соавторами. Кодированная последовательностью маршрутизация, опубликованная Харбери, Халпином и Харбери в 2004 году. Комбинаторные библиотеки, закодированные ДНК одного фармакофора, представленные в 2008 году Маноччи и соавторами. Комбинаторные библиотеки, закодированные ДНК, сформированные с использованием реактора йоктолитрового масштаба, опубликованные Хансеном и соавторами в 2009 году. Подробности об их синтезе и применении можно найти на странице, посвященной химическим библиотекам, закодированным ДНК. Растворимые комбинаторные библиотеки, закодированные ДНК, также имеют недостатки. Прежде всего, теряется преимущество, связанное с использованием твердой фазы. Кроме того, полиионный характер кодирующих цепей ДНК ограничивает использование неводных растворителей в синтезе. Поэтому многие лаборатории предпочитают разрабатывать реакции, совместимые с ДНК, для использования в синтезе DECL. Достаточное количество таких реакций уже описано.

Материаловедение

Наука о материалах применяет методы комбинаторной химии для поиска новых материалов. Пионерами в этой области стали П. Г. Шульц и его коллеги в середине 1990-х годов, работавшие с люминесцентными материалами, полученными методом совместного осаждения элементов на кремниевую подложку. Однако, еще в 1970 году Дж. Дж. Ханак предвосхитил эту работу, но в то время не хватало компьютерных и роботизированных инструментов для широкого распространения метода. Исследования продолжаются как в академических группах, так и в компаниях с масштабными программами исследований и разработок (Symyx Technologies, GE, Dow Chemical и др.). Эта техника широко используется в катализе, для создания покрытий, в электронике и многих других областях. Для обработки, управления и хранения огромных объемов генерируемых данных критически важно применение соответствующих инструментов информатики. Также были разработаны новые методы планирования экспериментов, позволяющие эффективно исследовать большие экспериментальные пространства, доступные при использовании комбинаторных методов.

Библиотеки, ориентированные на разнообразие

Несмотря на то, что комбинаторная химия является важной частью процесса раннего поиска лекарственных средств уже более двух десятилетий, на сегодняшний день только одно химическое вещество, синтезированное de novo с использованием комбинаторной химии, было одобрено FDA для клинического применения (сорафениб, мульти-киназный ингибитор, применяемый при распространенном раке почек). Анализ невысокой эффективности данного подхода показал, что это может быть связано с относительно ограниченным химическим пространством, охватываемым продуктами комбинаторной химии. Сравнение свойств соединений в комбинаторных библиотеках со свойствами одобренных лекарственных средств и природных соединений, проведенное Feher и Schmidt, позволило предположить, что эффективность комбинаторной химии можно повысить за счет увеличения химического разнообразия скрининговых библиотек. Поскольку хиральность и жесткость – две наиболее важные характеристики, отличающие одобренные лекарства и природные соединения от соединений в комбинаторных библиотеках, именно этим двум аспектам уделяется особое внимание в так называемых библиотеках, ориентированных на разнообразие, то есть в коллекциях соединений, целью которых является охват химического пространства, а не просто создание огромного количества соединений.

Подкласс классификации патентов

В 8-м издании Международной патентной классификации (МПК), вступившем в силу 1 января 2006 года, был создан специальный подкласс для заявок на патенты и патентов, относящихся к изобретениям в области комбинаторной химии: "C40B".