互动科普

一种可以很快生产大量结构上相近的化合物的创新技术正在改变发现药物的方式。

为了与疾病作斗争，免疫系统产生与侵袭微生物相结合的称为抗体的蛋白质。身体可以通过改组与重新改组抗体的组成部分而制造出大约一万亿种不同的抗体。但是免疫系统没有装备到每次都能精巧地制作它所面对的一种新病原的特化的抗休。身体只是有选择性地利用那些将会最有效地起作用以反对特殊敌人的现有抗体。免疫系统实际上是通过大量筛选其抗体的所有组成部分，鉴别最起作用的那些组成部分并更多地制造它们来做到这一点的。在过去几年中，我们与其他化学家开始跟踪自然的实例以开发新的药物。在称为组合化学的过程中、我们开始制出大量相近的化合物，然后从中筛选，以便获得可能有医疗价值的化合物。

这种方法不同于药物制造者们发现新药物的最普通的方法，他们一般从他们能够找到的几乎任何东西，如像合成化合物或者由细菌、植物或其它自然来源派生的化合物的种种收集物中寻找理想活性的征兆。一旦他们鉴别出一种有希望的物质(在这一领域中被称为领头化合物)、他们就对其结构孜孜不倦地进行许多次逐步改性，每一步骤后都进行测试以确定这些变化怎样影响化合物的化学与生物特性。

这些过程时常产生具有满意的效力与安全性的化合物。但是，研究人员以这种方式投放市场的每一种新药物，完全可能在途中拼凑与舍弃数千种其它化合物。整个过程既费时又费钱、要花许多年与数亿美元才能将实验室中的领头化合物变为你当地药房货架上的一瓶药。

这种传统的方法己经被比以前更快和更可靠的筛选试验与正在积累的关于各种改性将可能怎样改变分子的生物活性的知识所改进。但是随着医药科学的进展，对那些能够干预病程的药物的要求提高了。为了寻找那些药物，研究人员需要多得多的化合物来筛选以及寻找需要较少改性的领头化合物的方法。

寻找适当的组合

组合化学与那种需要相符合。它使药物研究人员能够很快产生多达数百万个结构上相近的分子。而且它们不只是一般的分子、而且是在了解了原始材料属性后化学家指望会有预期特性的分子。对由此所产生的化合物库的筛选展示最有效的品种。组合化学从而能够提供可更快用于临床试验候选药物，其成本比以往任何时候都低。

化学家们以相当简单的方法建造可筛选化合物的组合收集物或程序库。我们依靠标准的化学反应将经过选择的成套组合块装配成种种较大的结构。作为一个简化的例子，让我们考虑4种分子：A1, A2, B1与B2。分子A1与A2在结构上是相近的，所以可以说是属于同一类别的化合物；B1与B2属于第二种类。假定这两种类别的化合物能够反应形成分子，我们推测其中有一些变型就能够产生一种有效的药物。组合化学技术使我们容易建立所有可能的组合：A1一B1，A1一B2与A2一B2。

当然，在现实世界中，科学家们一般以大量的分子为研究对象。例如，我们可以选择30种结构上相近的化合物，比方说，它们都具有一个氨基(一NN2)。第二步，我们可以选择全都含有羧基(一CO2H)的第二组的30种化合物，然后，在适当的条件下，我们将每一种胺与每一种羧酸混合与相配，以形成称为酞胺(一CONH一)的新分子。30种胺中的各种胺与30种羧酸中的各种酸反应，产生总数为30 × 30，即900个不同的组合。如果我们再加入第三组的30种组合块分子，最后的总结构数会达到27000(30× 30×  30)。如果我们在每组中使用超过30个分子，最后的组合数会急剧上升。

制药的人有两种基本的组合技术可以使用。第一种被称为平行合成法，是在本世纪80年代中期由现在在葛兰素公司工作的H. Mario Geysen发明的。他开始将平行合成法用作为一种快速的方法来鉴别任何特定的大蛋白质中的哪一个小的部份结合到了抗体上。Geysen通过以不同的排列结合多氨基酸(肽与蛋白质的组合块)制出了种种短蛋白质断片，即肽。通过同时进行数十次，或者有时数百次反应，然后试验最后所得到的肽是否会结合到使人感兴趣的特殊抗体上，他从大量可能的分子中很快找到了活性肽。

在平行合成中，所有的产物都是在它们自己的反应容器内分别组合的。为了进行这种程序，化学家们时常用一种所谓的微滴定板—一一块模制的塑料，它一般包含8排× 12列小穴，每个小穴装有反应将在其中发生的几毫升液体。这种排与列的布置使研究人员能够组织他们要结合的组合块，并提供一种简便的手段来鉴别在一个特殊的穴中的化合物。

例如，如果研究人员要通过用我们以前描述过的反应结合8种不同的胺与12种羧酸来制造一系列的酞胺，他们就会将含有第一种胺的溶液放在第一排的穴中，将含有第二种胺的溶液放在第二排的穴中，并且依此类推。他们接着会将各种羧酸顺序地加到穴中，对各列提供不同的变体。研究人员从仅仅20种不同的组合块就获得96种不同化合物的结构库。

化学家们时常通过将第一组组合块连接到由聚苯乙烯(被当作固体支承物)制成的细微惰性小珠上。每次反应后，研究人员都洗去没有反应的材料，只留下仍然被束缚在小珠上的想要的产物。虽然将化合物连接到小珠上，过后又分开它们的那些化学反应使合成过程复杂化了，但是便于纯化这一优点比上述问题可能更为重要。

今天在许多实验室中，机器人可以协助从事平行合成法的例行工作，如像传送少量的反应分子到适当的穴中。这样，该方法就为更准确，也不那么令人生厌。Parke-Davis公司的科学家们开发了用于平行合成的第一个自动化的方法——能够一次就产生40种化合物的机器人装置。在俄勒冈的研究人员已经研制出了能够一天就产生高达1000个化合物的机器人。一般来说，完成平行合成所需时间取决于要产生好多化合物。当制造数千种化合物时，使产品的数目翻一番所需时间几乎是原来的两倍那样多。这种实践上的考虑使平行合成法局限于产生只含有数万种化合物，而不是更多化合物的库。

分离与混合

产生组合库的第二种方法被称为分离与混合法，是本世纪80年代末，现在在路易斯维尔的高级化学技术研究所的Arpad Furka所首创的，与各种化合物都留在它自己的容器中的平行合成法不同，分离与混合合成法在同一个反应容器内产生相近的化合物的混合物。这种方法显著减少了所需容器的数目，并使化合物的数目增加到几百万种。但是，比较评定的结果是，保持对数目这样大的化合物的跟踪，然后测试它们的生物活性则变得十分复杂。

一个简易的例子可以解释这种方法，设想一下，研究人员有3组分子(将它们称为A,B与C)各组有3个成员(A1,A2,A3； B1,B2,B3等等)。在1个容器内，他们使A1分子附着到聚苯乙烯小珠上；在第2个容器内，使A2分子附着到聚苯乙烯小珠上；在第3个容器内，使A3附着到聚苯乙烯小珠上。然后，研究人员将所有小珠束缚的A分子放进一个反应容器内，进行充分混合，再将其分成3个相等的部分，结果是各个小瓶盛有3种化合物的混合物，研究人员接着将B1分子加到第1个容器内，B2加到第2容器内，B3加到第3个容器内。下一循环添加引进C分子，共产生27种不同的化合物。

为了分离这些结构中的最有效者，科学家们首先筛选化合物中最后的混合物，测定各批化合物的平均活性。接着，他们用各种各样的技术可推断在最有活性的一批中哪一个组合具有理想的生物活性。

一些制药公司也使分离与混合过程自动化。最早宣布结果的科学家中有一个来自Chiron公司的科学研究小组。化学家们在那里开发了一个机器人系统，它能够用这种方法在几周内就制造出几百万种化合物。机器人传送化学制品并完成混合和分离固相载体的工作。

正如我们从前所提到的，分离与混合合成法的问题之一是鉴别一个大混合物内活性化合物的成份。亚利桑那大学的Kit Lam研究出了一种方法来克服这一障碍。他注意到，在分离与混合合成的最后，所有连到单个小珠上的分子都具有相同的结构。科学家们能够从混合物中分出载有生物活性分子的小珠，然后灵敏的检测技术确定所连结的化合物的分子结构。可惜，这种技术只适用于如像肽或DNA的小片断这样的某些化合物。

其他的研究人员提出了将化学标签加到各个小珠上的方法，这种化学标签实质上编排了特殊组合块被加到该结构(也就是说，一种UPC条形码的化学同等物)的次序。读出在一个特殊小珠上的这些所谓的标签的收集物就会看到独特的标志，从而了解在那个小珠上的化合物的本性。Pharmacopeia生物技术公司的研究人员凭借哥伦比亚大学的W. Clark Still所开发的技术，很成功地将强有力的标记技术应用到他们的组合库中。然而，由于鉴定在分离与混合合成中制造的化合物所遇到的困维，大多数制药公司今天继续依靠平行合成法。

药物库

组合化学的平行方法与分离和混合方法一开始就成为制造肽的方法。虽然这些分子在生物系统中很重要，但是肽由于在肠内会降解，不能通过胃被很好吸收，又会很快从血流中被清除出去，所以它们作为药物的效用是有限的。了解了组合化学方法也能够被应用到如像称为苯并二氮杂罩这一类类似药物的化学物后，制药工业界开始更积极地采取组合方法。

苯并二氮杂草是处方最广泛的一类药物。最著名的代表是安定，但是这类药物包括若干具有重要生物活性的其它衍生物：抗惊厥药，抗眠剂，活化血小板因子(凝聚血液的一种重要物质)的拮抗物，在HIV中反向转录酶的抑制剂与碎片法呢基转移酶(与癌有关的一种酶)的抑制剂。由于这类药物的活性很广泛，苯并二氮杂草是在寻求新药物的组合合成中第一个被研究的化合物。在1992年Ellman和也在伯克利加利福尼亚大学工作的Bang Bunin描述了在固体支承物上合成苯并二氮杂䓬的一种方法，它使含有数千苯并二氮杂䓬衍生物的库的合成成为可能。

新近，Dlunkett与Ellman研究出了在固体支承物上制造苯并二氮杂䓬的一种更好的方法：我们的新合成法提供了容易接近数目大得多的化合物的机会。对任何组合的最复杂的间题是确定将生成杂质的副反应减至最小的试验条件。我们花了一年多的时间来微调用于我们新的苯并二氮杂䓬合成的反应条件，但是在确定了最佳程序后，我们与Burin一道，在3个月内用平行合成法制出了11200种化合物。

有希望的榜样

 从苯并二氮杂䓬库中，我们鉴别出了几种有生物活性的化合物。在与休斯敦市得克萨斯大学M.D.Anderson癌症中心的Victor Levin和Ragmond Budde一起进行的一个项目中，我们鉴别出了一种苯并二氮杂䓬衍生物，它能够抑制一种和结肠癌与骨质疏松癌有牵连的酶。与密执安大学的Garg Glick及其同事合作，我们发现了另一种苯并二氮杂䓬，它能够抑制抗体与单链DNA的互相作用一一可能与系统性红斑狼疮有关的一种过程。这些化合物仍处在实验室试验的早期阶段。

 我们其他人证明了组合化学能够用于组合一些类似药物的分子后，制药工业立即就开始在这一领域进行更多的项目。在过去5年中，数十家完全致力于组合化学的小公司开始投入运行。几乎所有较大的制药公司现在都有自己的组合化学部，或者已经开始和较小的组合化学专业公司合作。

 正如预料的那样，研究人员己经向苯并二氮杂䓬以外的新方向发展，常规地将组合技术应用于范围很广的一系列起始材料。化学家一般将有机小分子的库用作为有希望的领头化合物的来源，或者用它们来使已知的领头化合物的活性最佳化。在寻求一种新的领头结构时，研究人员时常制出大的库，有成千上万种，甚至数百万种最终产品。相反，设计用来改善现有重要化合物的效力与安全性的库一般小得多，只有几百种化合物。

几家制药公司现正在进行通过组合化学发现的候选药物的人类临床试验。因为这样的计划是相当新的，这些候选药物中还没有哪一种的研究时间长得足以通过美国食品与药物管理局的批准。但是，藉助于组合方法开发的一种药物要进人市场只是时间早迟同题。

Pfiaer公司在其管道中有一个实例。这家公司在1993年用标准方法发现了一种领头化合物，它显然有潜力防止动脉粥样硬化或者动脉硬化。在不到一年中，Dliaer的一个实验室用平行合成法产生了原来结构的1000个以上的衍生物，其中一些效力比领头化合物大100倍。从这一系列化合物衍生出来的一种药物现正在进行人类临床试验。值得注意的是，在研究人员注意到在生物活性上有任何改进以前，他们已经组成了900多个分子。对领头化合物作出标准的逐一改性的少数实验室能够提供时间与金钱来产生将近1000种不比原来的物质优越的衍生物。

Eli Lilly公司的化学家也用平行合成法来研制一种治疗偏头痛的化合物，它现正在做临床试验。他们早先发现了一种与所期望的药物目标，(即受体)能有效结合的领头物质.但是这种领头物质对其它同类受体也有高度的亲合力，这是一种能够产生不想要的副作用的特性。研究人员用平行合成法在达到那种领先物质目前正在被评价的阶段以前就制造出了大约500种它的衍生物。

研究人员将必然会找到更快的与低成本的产生组合库的方法。他们已经设计出了灵巧的反应方法，这种方法将提高产物最后的产量，或者取代需要添加与后来除去聚苯乙烯小珠的现有方法。今后也会在制药工业中怎样收集与分析有关测试化合物活性的信息方面出现变化。例如，关于在一个组合库中数千种化合物怎样结合到一个特定受体的数据能够被用来预测那种受体的形状、尺寸与电子载荷特性，即使不知道它的精确结构。这样的信息可以在改变现有的领头化合物或者在为建造新的组合库选择启动材料上帮助化学家。

虽然本文的主题是药物的发现，但组合化学的威力也开始影响其它领域，如像材料科学。伯克利加利福尼亚大学的Peter G Schulta及其同事用了组合方法来鉴别高温超导体。其他研究人员把组合技术用在平板显示器的液晶与用在建造薄膜电池的材料。为这些项目工作的科学家们希望迅速便宜地生产新材材。显然，这一强有力的方法的全部潜力才开始被了解。

组合化学可能多少出自偶然；结合各种组合块与希望一些有用的东西从混合物中脱颖而出，这对于知识与小心预言来说似乎是盲目幸运的胜利。然而，这种印象决不是真实的。一个好的库是深人开发与计划的结果。化学家们必须决定要结合甚么组合块，并且确定怎样测试所得到结构的活性。组合化学使研究人员能够用种种新的与激动人心的方法来收集、组织与分析大量的数据。从一批相近的化合物中选择最有效的化合物的原理——免疫系统的指导原则——正在改变化学家们发现新药物的方法。当自然防御失败的时候，从自然防御中发现的这种原理可能帮助我们，这简直是一种有趣的讽刺。

〔丁彬 译 王世德 校〕