<<
>>

КОМБИНАТОРНАЯ ХИМИЯ

В рамках комбинаторного анализа, на базе которого построены принципы конструирования лекарств, виртуального скрининга, компьютерного синтеза, а в некоторых случаях и изучения механизмов реакций составлены банки данных и библиотеки.

Комбинаторная химия, предметом которой является использование комбинаторных процессов для получения (синтеза) определенных рядов соединений из наборов строительных блоков, также пользуется библиотеками. Однако они относятся к так называемым синтетическим и представляют собой своего рода коллекции (наборы).

Начало создания синтетических библиотек относится к началу 70-х годов прошлого века. Этот период ознаменовался внедрением в синтетическую химию комбинаторных технологий. Они стали успешными благодаря параллельным твердофазным методам синтеза пептидов. В них были объединены процессы формирования амидных конструкций (связей) с оптимизацией выхода определенного количества разнообразных пептидов в одной смеси [648]. Такие технологии значительно отличались от традиционных методов синтеза органических низкомолекулярных веществ.

Некоторые приемы комбинаторных технологий синтеза коротких пептидов в зависимости от модификации метода получили в литературе даже экзотические названия: «Ріп», «tea bag», «Spot», которые могут быть определены, как наличие продуктов синтеза (соединений) в соответствующих вместилищах (мешочках, каплях и др.).

Обычно комбинаторные библиотеки, содержащие вещества, различающиеся по нескольким параметрам, синтезируются путем последовательного слияния мультифункциональных блоков с ортогональными защитными группами, с использованием Меррифилдовской концепции твердофазного синтеза [649]. После присоединения первого блока твердофазная основа начинает выполнять функции защитной группы для последующего слияния. При последующем отделении ортогонального защитного блока следующие блоки присоединяются поодиночке до тех пор, пока не будут заняты все доступные для них позиции. После оптимизации амидного соединения на твердой фазе оно начинает интенсивно использоваться в комбинаторном синтезе. Несколько подходов к синтезу, которые включают в себя либо комбинирование различных ионообменных смол («разнопарная рекомбинация (DCR)», «сплит-синтез», «по- частевое смешивание») или использование смесей начальных реагентов, в настоящее время используются наиболее часто для слияния строительных блоков в единую комбинаторную библиотеку.

В процессе синтеза химической библиотеки необходимо учесть два важных аспекта: приблизительное равенство, по количеству веществ, участвующих в реакциях и необходимость проведения синтеза с высокими показателями продуктивности. Таким образом, различные конструктивные блоки должны быть помещены во все нужные позиции в количествах, как можно более близких к эквимолярным. Процесс DCR предполагает нанесение каждого функционального блока на отдельную порцию ионообменных смол, а затем перемешивания этих частей [650].

С учетом статистических особенностей распределения носителей на каждой стадии процесса, особое внимание следует уделить участию в реакции соответствующего количества носителя с каждым видом реагента. После прохождения реакции химическая библиотека может быть смыта с носителей для проведения биологических исследований, либо оставлена на твердых носителях для проведения твердофазных реакций.

Самое существенное ограничение, присущее методу DCR, определяется его природой. После того, как определено место вещества в реакционной схеме, необходимо присоединять следующие вещества в строгом соответствии с количеством реакционноспособных участков на носителе, для чего носители, содержащие каждый из функциональных блоков, в ходе всех последующих реакций должны быть разделены. Таким образом, на практике ограничивается вариативность получаемой библиотеки.

Метод реакционной смеси [651], позволяет наносить смесь на носитель на любой стадии реакционной схемы. Метод реакционной смеси предполагает использование при синтезе химических библиотек заранее определенные количества реагентов, находящихся в эквимолярном соотношении. Реакция присоединения структурных блоков в условиях избытка аминогрупп часто используется в твердофазном синтезе ввиду различий в реакционной способности, участвующих в реакции веществ. При синтезе с использованием смеси компонентов может возникнуть ситуация, когда данные компоненты вступают в реакцию в неэквивалентных количествах, что приводит к неравномерному распределению структурных единиц в составе библиотеки. Использование реакционных смесей, таким образом, требует углубленных знаний о структуре и кинетических особенностях реакций компонентов смеси. Преимуществом данного метода является то, что при фиксированных условиях реакции и правильном подборе компонентов смеси полученная библиотека будет содержать большее количество отдельных компонентов. Например [645], реакционная смесь, содержащая три различные аминокислоты (А, В, С), составляющие в трипептидном синтезе взаимодействие 3x3x3 (рис. 12.7). Такая техника использует три начальные смеси ионнообменных смол (шарики), связанные с отдельными аминокислотами, которые взаимодействуя с другой на мицелле смолы, образуют дипептиды, которые затем смываются для дальнейшего присоединения соответствующей аминокислоты. Повторение процесса три раза приводит к генерации комбинаторной синтетической библиотеки трипептидов в количестве 27, образующихся всего в шести реакциях. Понятно, что в случае взаимодействия 10x10x10x10 образуется 10000 веществ, полученных всего с помощью пятидесяти реакций.

Для достижения эквимолярного взаимодействия реагирующих компонентов имеются два основных подхода. Во-первых, значительный избыток реагирующих компонентов используется для получения реакции с кинетикой псевдопервого порядка, и количество структурных блоков в реагирующей смеси регулируется в соответствии с их различной реакционной способностью, т. е. чем выше кажущаяся реакционная способность вещества, тем меньше его концентрация в реакционной смеси. Важно отметить, что относительные уровни реакционной способности приблизительно равны таковым для связанных со смолами реагентов. Эти уровни определяются относительной концентрацией каждого реакционного блока в соответствии с его степенью связывания в эквимолярной смеси.

Данное положение справедливо для реакционных смесей таких реагентов, как альдегиды, карбоновые кислоты, аминокислоты

/
\


-А -В -С

-А -В -С


-А - В -С

- А-А - В-В - С-С

- А-А - В-В - С-С

-


А-А - В-В - С-С


9 димеров :•:* Рекомбинация

- А-А-А -А-А-В - А-А-С -А-В-А - А-В-В -А-В-С -А-С-А - А-С-В -А-С-С -В-А-А - В-А-В - В-А-С -В-В-А - В-В-В -В-В-С -В-С-А - В-С-В -В-С-С -С-А-А - С-А-В -С-А-С -С-В-А -С-В-В -С-В-С

- С-С-А -С-СВ - С-С-С

27 трипептидов

Рис. 12.7. Схема синтеза трипептидов методом реакционной смеси

и т. п. Метод реакционной смеси был также применен при синтезе гетероциклических соединений, включая цикломочевину, циклотиомочевину и бициклогуанидиновую библиотеку [649].

Второй подход состоит из внесения в реагирующую смесь двойного количества структурных реакционных блоков в приблизительно равных (эквимолярных) концентрациях. Это позволяет исключить присоединения к носителю части структурных блоков в количествах, больших чем другие. Потенциальным недостатком, присущим этому подходу, является то, что соединение блоков является реакцией второго порядка, чей порядок определяется обоими компонентами реагирующей пары. Следовательно, после того, как смесь реагентов соединяется со связанными с ионообменными смолами в рамках такого метода, некоторые комбинации, получаемые в итоге, образуются в сильно различающихся количествах, несмотря на эквимолярную структуру первоначальной смеси.

При синтезе смесевых комбинаторных библиотек нужно учитывать много различных факторов. После отработки реакционной схемы она должна быть оптимизирована для получения возможно большего разнообразия веществ с наибольшей возможной продуктивностью. Это подразумевает тот факт, что схема синтеза должна быть протестирована с использованием контрольных веществ, полученных из наиболее и наименее реакционноспособных блоков. Оптимальными условиями являются те, при которых может быть получено удовлетворительное количество искомых веществ при максимально возможном их разнообразии. Методы, используемые для определения количества и степени чистоты продуктов, также являются факторами воздействия на систему. Авторы [649] определяли чистоту веществ по УФ поглощению в полосе 215 нанометров. В зависимости от имеющихся хроматофоров, может быть получен широкий спектр веществ в зависимости от их молярного поглощения. Чистота вещества также может быть определена исходя из измерения ионного потока при масс-спектрометрии. Однако они установили, что ионизация даже в одном классе веществ может сильно варьировать. Альтернативой является определение параметров светорассеивания. Снова-таки, различные вещества одного класса могут при этом давать сильно различающиеся результаты. Таким образом, анализ следует проводить, исходя из структурных особенностей полученных веществ.

При определении общих условий реакций важным пунктом является синтез серии контролей через некоторые промежутки времени для определения продуктивности синтеза. Также весьма осторожно нужно подходить к градуировке параметров реакции. Хотя начальные опыты могут быть произведены с количеством реагентов, колеблющимся от миллиграммов до граммов твердой основы, синтез библиотеки требует до ста граммов смол.

Также должна быть предварительно определена степень вариативности метода синтеза. Каждый из запланированных к использованию в синтезе реакционных блоков должен быть проверен в реакциях с контролем до включения в библиотеку. После определения условий прохождения реакции, обычно варьируют первоначальными соединениями в комбинациях с каждым из предполагаемых блоков библиотеки (как это показано в схеме синтеза библиотека бициклических гуанидинов) [650]. Комплекс начальных реагентов был подобран с расчетом на получение большого количества веществ достаточно высокой чистоты при средних значениях скорости реакции. Таким образом, появилась возможность изучить эффект каждого структурного блока в ходе реакции. Существует вероятность, что при таком подходе часть нежелательных реакций между структурными блоками останется незамеченной. Контроль таких реакций был учтен при разработке общих характеристик реакционного процесса [651].

Однажды определенный для синтеза химической библиотеки структурный блок обусловливает синтез контрольных веществ одновременно с синтезом библиотеки, как контрольных показателей полноты реакции и ее продуктивности. При синтезе библиотеки из смеси такой контроль приобретает чрезвычайно большое значение. Отдельные контрольные вещества могут быть выделены на любой из стадий реакционного процесса и быть показателем полноты прохождения реакции.

После выполнения синтеза масс-спектрометрический анализ используется для подтверждения того, что получен требуемый перечень веществ. Отдельные контрольные вещества, полученные при синтезе, могут быть использованы в сочетании со сме- севой библиотекой для получения различных данных об исследуемом классе молекул.

В целом, большое количество примеров успешного использования веществ, полученных из библиотек смесей, демонстрирует потенциальные возможности поиска веществ с заданными свойствами. Прежде чем проиллюстрировать определенные успехи данного направления приведем пример простого и понятного синтеза, взятого из работы [653]. В данном случае синтез проводился 5x5 соединений и их смесей. В реакциях присоединения, с одной стороны, были взяты 5 аминокислот: 4-амино- маслянная (1); 6-аминокапроновая (2); 8-аминокаприловая (3); 10-аминодеканоевая (4) и 12-аминодеканоевая (5), с другой стороны, соответствующие хлориды: ацетилсалицил- (а); бензоил- (б); 2-анизол- (в); флюоробензоил- (г) и 2-толуил- (д).

В параллельных синтезах используется соответствующая матрица (решетка). Это значит, что первые 5 синтезов включали смесь аминокислот (1—5), которые вносились к отдельным хлоридам. Другие 5 синтезов, наоборот, использовали смесь хлоридов (а—д), которые вносились к отдельным аминокислотам. Таким образом, создается определенная решетка (табл. 12.5), которая содержит 10 смесей (5 по вертикали и 5 по горизонтали) N-замещенных аминокислот (продуктов реакции в смеси 25).

Удобство параллельных синтезов заключается не только в том, что увеличивается продуктивность синтеза, но и интенсифицируется биологический скрининг, так как смесь содержит одновременно 5 соединений. Тем не менее, достоверный скрининг может быть гарантирован только в том случае когда он проводится перекрестно (табл. 12. 5). Тогда, сравнивая биологическую активность смесей по горизонтали и по вертикали

Таблица 12.5

Схематическое изображение параллельного синтеза (5x5) и антикоагуляционная активность (М ± т) индивидуальных соединений и их смесей

Синтоны 1 2 3 4 5 Смесь
а 1а(32±5) 2а(24±2) За

(125124)*

(153150)*

(86123)*

1а—5а (298159)
б 16(22tl) 2б(33±3) Зб(21±1) 46 (3115) 56(2413) 16—56

(150+41)

в 1в(26±4) 2в(31±10) Зв(27+2) 4в (50114) 5в(54±8) 1в—5в (68120)
г 1г(22±1) 2г(2&3) Зг(25±2) 4г (27+2) 5г(3315) 1г—5г (4514)
д 1д(24±2) 2д(26±2) 3д(233:1) 4д (3413) 5д(30±2) ІД—5д (88117)
Смесь 1а—1д (34±1) 2а—2д (35±6) За—Зд (168153)* 4а—4д (242153)* 5а—5д (128122)*


можно обнаружить достоверно активные соединения, например За, 4а, 5а. В' тоже время могут возникнуть некоторые сомнения относительно активностей соединений 16—56, которые сами по себе неактивны, а в смеси обладают довольно высокой активностью. Авторы [653] относят этот парадокс к возможному взаимодействию веществ в смеси.

Техника приготовления большого количества веществ в соответствующих смесях особенно полезная для лиганд-рецеп- торного изучения [643]. И если, в случае параллельного синтеза 5x5 мы в десяти смесях определяем активность 25-ти соединений, то увеличение параллельности до 10x10 даст 20 смесей скрининга т. е. для 100 веществ.

Библиотеки смесей с успехом используются в широком перечне биологических исследований [649]. Благодаря им были идентифицированы новые белковые ингибиторы, агонисты и антагонисты специфических рецепторов, антимикробные и антивирусные вещества, а также В- и Т-клеточные антигенные детерминанты. Библиотеки содержат широкий круг химических соединений — от низкомолекулярных до пептидов.

В то время когда польза комбинаторных библиотек некоторой частью ученых ставится под сомнение, сегодня уже известны более 100 отдельных веществ, изолированных из них. Такие работы были проведены 50 отдельными группами [649].

Количество соединений, полученных с помощью библиотечных смесей колеблется в широких пределах (от 10 и меньше до 1014 отдельных веществ). В отдельной смеси может быть 10—2x1010 веществ. Степень активности отдельных соединений, изолированных из библиотек не зависит от их сложности и химической природы.

Биологические исследования веществ комбинаторных библиотек включали, как рецепторные связывания, так и полный цикл исследований. Среди рецепторных исследований большая их часть (33 %) относится к известным G-протеинзависимым рецепторам (нейропептидных), а также опиоидных, брадикини- новых, соматостатиновых, нейрокининовых и др. Соответствующие библиотеки содержали пептиды, пептидомиметики и некоторые гетероциклические соединения количеством от 25 до 50 миллионов. Активность некоторых из них колебалась от 50 р моль до 850 нмоль. Среди идентифицированных лигандов около 60 % относились к антагонистам, остальные — к агонистам [654].

Некоторые публикации описывают пути поиска веществ в библиотеках с В- и Т-клеточной специфичностью [649]. Основными достижениями этого направления стали:

1) определение активных лигандов Т-клеток и антител;

2) получение ценных пептидов в качестве терапевтических вакцин;

3) изучение некоторых принципов иммунологического узнавания.

Приблизительно 15 % работ посвящены синтезу и определению активности ингибиторов синтеза белков. Ферментативная специфичность в тех исследованиях по ряду черт оказалась пограничной между аналогичными показателями для рецепторов и антител, что объясняет распределение данных активности от их микромолярных до наномолярных значений. Обнаруженная активность в большинстве случаев зависит от типа биологической мишени действия лекарств, а не от структуры библиотеки. Например, наномолярная активность была обнаружена и в гек- сапептидной, и в гетероциклических библиотеках.

Структура синтетических библиотек может быть разнообразной и она зависит от реагирующих компонентов. Например, библиотека тетрагидроизохинолинов (43 тыс. соединений) была образована 11-ю защищенными аминокислотами, 38 — альдегидами и 51 — аминами [655]. Библиотека из 22 540 дике- топиперазинов была синтезирована с использованием а-бром- карбоновых кислот и некоторых аминов. Библиотека дикето- флюраминов (980 веществ) создавалась методом параллельных синтезов 7 аминокислотх20 аминовх7 кислот [656].

Другие низкомолекулярные растворимые библиотеки включают: 1) синтез 4-триазолидинов и 4-метатиазонинов, с использованием трехкомпонентной системы; 2) синтез гидантоинов и тиогидантоинов, использующий изоцианат и тиоизоцианат в качестве синтонов для твердофазной основы; 3) синтез фосфоро- амидатных комбинаторных библиотек путем окисления первичных и вторичных аминов в присутствии связанных аминодио- нов; 4) синтез дигидропиридинов, пиридинов и пиридо(2, 3-с1)-пи- римидинов; 5) синтез библиотек, содержащих 1296 N-ацилиро- ванных дипептидов [649].

В последнее время в комбинаторной технологии появился новый подход, имеющий название «библиотека из библиотеки». Его суть заключается в том, что часть соединений на соответствующей стадии синтетической библиотеки используется для построения новой полноценной составной. Таким способом были получены некоторые дипептиды и производные линейной мочевины [657].

В заключение отметим, что учитывая огромное влияние комбинаторной химии в развитии науки о лекарствах в 1998 г.

журнал Science [658] отнес это направление к наиболее весомым достижениям научной мысли, что позволило сделать значительный прорыв в данной области естествознания.

12.3.1.

<< | >>
Источник: Головенко М. Я.. Фізико-хімічна фармакологія: Монографія. — Одеса: Астропринт,2004. —720 с.. 2004
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме КОМБИНАТОРНАЯ ХИМИЯ:

  1. РАЗДЕЛ III ХИМИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
  2. Химия лекарственных средств магния
  3. Химия лекарственных средств кальция
  4. Химия лекарственных средств бария
  5. ХИМИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
  6. ХИМИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
  7. Глущенко Н. Н.. Фармацевтическая химия: Учебник для студ. сред. проф. учеб, заведений / Н. Н. Глущенко, Т. В. Плетенева, В. А. Попков; Под ред. Т. В. Плете- невой. — М.: Издательский центр «Академия»,2004. — 384 с., 2004
  8. Литература
  9. Глава 1. СОДЕРЖАНИЕ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ. Связь фармацевтической химии с другими науками
  10. Коллектив авторов. Новые материалы для медицины / Коллектив авторов. Екатеринбург: УрО РАН, 2006, В монографии представлены данные о новых материалах медицинского назначения: диагностических и лекарственных средствах, их формах и способах получения. Сделана попытка раскрыть предмет нового направления медицинской химии - Медицинская химия твердого тела. Книга адресована специалистам некоторых областей хи­мии твердого тела, физической и медицинской химии, а также фармакологии
  11. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  12. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ