互动科普

早期的药物研究过程是利用人类疾病的动物模型，广泛筛选各种来源的物质和原料，然后分离出具有活性的组分，进行结构的鉴定和性能的测试。在此基础上，合成一系列同类化合物或衍生物，并进行分子修饰，最后得到适合于药物开发的分子。

1950年代，有机化学由于提供了丰富的新分子源用于活性测试，它作为一种合成化学的方法已经成为现代药物化学的基础。因此，现代药物研究和制药工业的发展是与有机化学紧密相连的。

药物设计思想的进步

目前，一名制药公司的合成化学家平均每年可以合成50～100种新的化合物，这已满足过去那种药物分子的筛选速度。20世纪七八十年代，由于生物化学、分子生物学、细胞生物学及结构生物学的发展，人们认识到生物大分子与自然配体在各种疾病中扮演重要角色。由此发展了用(蛋白质基)靶分子的初步筛选代替复杂的动物模型试验的药物开发新思路。此外，依据生物大分子与配体之间相互作用的分子识别(如通过分子的形状、大小、所带电荷、氢键、疏水性和范德华力等方面的互补来调节)而对其生理过程的理解，已成为对药物分子进行合理的结构设计的基础。

按此理解，一个药物候选分子(drug candidate)可以被看作是一个自然键合配体的替代物，它控制着正确的结构互补，使其能选择性地模拟、阻断或者反向调节靶分子，对致病过程产生种种影响，从而在生理上对疾病产生疗效。基于这种生物技术以及计算机化学的进步，依据药物作用机理和构效关系进行的推理性药物分子设计方法有了迅速的发展。再加上对化合物活性测试方法的简化以及采用高通量筛选(high—through put screening，HTS)技术而使活性测试速度有了极大的提高(有的多达每天可测试数千种分子)，所以原有那种药物开发的模式已经远远不能满足对先导化合物(1eadcompound)的筛选需求。

对合成化学家来说，必须改变传统合成化学的观念和方法，发展新的合成技术，以满足提供大量化合物的需要。由此产生的组合化学(combinatorial chemistry)和分子库(molecular library)技术就是为适应这一需求有机合成技术发展的必然结果。分子库技术也称为化合物库(compound library)技术。

组合化学

组合化学是包括合成大量化合物及完成其活性测试等工作的一整套技术，其中心内容是采用相似的反应条件，一次性同步共价连接不同结构的“结构单元”(building block)，合成大量具有类似结构的化合物，以取代传统的单个化合物合成、逐一筛选的药物研究模式。通常在组合化学技术中应用HTS技术对分子库进行筛选，从中发现高活性的先导化合物。

由相同的合成方法将不同的“结构单元”构建而成的所有化合物，称为一个化合物库(分子库)。一个化合物库根据需要可以由数百种、数千种，甚至数十万种化合物组成。

组合化学技术的应用和发展，主要是基于固相合成技术的发展。1960年代初期，人们首先在聚苯乙烯树脂上成功地合成了短链肽，这标志着固相有机合成的开始。到1980年代中期，多中心技术(multipintechnology)应用于固相多肽的合成，逐步形成了组合化学的概念(当时并没有称之为“组合化学”)。之后，组合化学技术主要应用于由多肽、低聚核苷酸和肽的类似物等聚合性分子构成的化合物库的合成。然而，当多肽化合物作为药物使用时，存在诸如生物利用率低和蛋白质降解快等缺点，而且将肽类先导结构转化成非肽类结构则要经过漫长和烦琐的过程。

为此，到1990年代初期，组合化学发展的重点转向合成和筛选那些分子量在五百左右的有机小分子库，并且这一研究领域不断地扩大而几乎涵盖了整个制药和生物技术工业，同时也成为学术研究的热点。由于绝大多数从事药物研究和开发的机构都在以不同方式应用组合化学技术，这使得一大批相关的支撑技术和设备应运而生。这些支撑技术和设备是建立分子库所需的合成原料和试剂、HTS技术、化学合成方法、设计分子库的软硬件系统及分析技术等。

一套供基础研究或药物开发用的组合化学系统，应该包括如下几个部分：要具备合成大量化合物库的组合合成方法和设备，要具备高效、快捷地对所合成的化合物库进行结构和性能鉴定的分析方法和设备，要具备高效而灵敏地评价所合成化合物库的生物活性的方法和设备。而要设计一个组合化学系统时，还必须考虑其他多方面的因素，如在合成目标分子时每步单独的反应均要求是成功的反应，在构建“结构单元”的反应时应尽可能选择那些结构多样性(structural diversity)的反应，所选择的反应应该是高产率和选择性好的反应，所合成的化合物应该具有尽可能广的多样性，以利于利用尽可能多的空间结构，并提供氢键、疏水性和离子间的相互作用等以使其更可能与生物靶分子发生非共价作用，所选择的反应条件应满足可进行自动化操作的要求。

化合物库的建立

用组合化学技术合成有机小分子库的方法主要有两类：一类是固相合成法(solid—phase combinatorial synthesis)，另一类是液相合成法(solution—phasecorn—binatorial synthesis)。一些常见的有机化学反应都已经在固相载体上获得成功，并在固相组合反应中获得广泛应用。

固相合成法和液相合成法的优劣一直是组合化学领域中最有争议的地方。固相合成的特点就是反应后的处理简单，便于进行多步有机反应，在每步反应之后可以方便地除去剩余的反应试剂，这样可利用过量试剂促使反应进行完全，而且固相合成便于进行自动化操作。对液相合成而言，其最大的优点就是不需要进行与连接基团的键合与断裂等附加反应，对存在于液相中的目标分子可以直接进行活性评价。目前，对小分子化合物库合成技术而言，其发展趋势是将液相条件下易反应和固相条件下易分离的特点结合起来，扬长避短。

卡尔多(S．W．Kaldor)等发展了一种使用液相“共价清除剂”(covalent scavenger)的技术，它保留了某些固相合成方法的优点，大大弥补了液相合成技术本身的不足。该技术是将反应液中未反应完全的原料或试剂通过选择性地与键合在固相树脂上的亲电试剂以共价键的形式键合，然后通过简单的过滤分离便可以达到纯化产物的目的。该研究小组应用此技术发现了一类先导化合物，这类化合物是目前进行临床试验的一种作为医治中枢神经系统周期性偏头疼的药物。

根据组合化学的原理，所构建的化合物库能以分离的单个化合物的形式存在，也能以被限定的混合物形式存在，这主要取决于化合物库的类型。当需要构建的化合物库是由大量具有广泛多样性的混合物组成的随机性库(random library)时，以混合物的形式为主；当需要构建的化合物库是由少量包含被设计的多样性因素的混合物所组成的限制性库(focused library)或由围绕一个先导结构中心的少量“定制的”(tailor—made)化合物所组成的先导优化库(1eadoptimization library)时，则最好以单个化合物的形式构建库，即以平行合成法(parallel synthesis)为主。所谓平行合成法，是指在n个反应瓶中进行个反应而得到n个彼此分离的产物。目前正在广泛使用的自动化合成过程就是基于这种合成法而发展起来的。

当构建混合物库时，为避免不同反应物具有不同的反应性或反应速度，从而得到非等摩尔的产物分布的难题，人们发展了一种被称为“裂分一混合”的组合技术。在构建混合物库时，还必须解决怎样快速有效地从化合物库中找到高活性的化合物并确定其结构的问题。若要直接测试键合在固相载体上的化合物的活性，可采用“一珠一化合物”(one bead—one compound)的方法，利用荧光或染色等手段，将连有活性化合物的载体挑选出来，再使化合物从载体上断裂下来并进行结构鉴定。也可以采用编码的方法，利用检测同时键合在载体上的标签基团而间接地获得活性化合物的信息。若要测试那些已从载体上断裂下来的混合物，则可采用交替一循环逆旋绕法(iterative or recursive deconvolution)、位置扫描法(positional scanning)和索引法等技术来获取活性化合物的信息。

为适应组合化学技术发展的需要，必须发展与之配套的化合物库分析技术。为此，许多适合组合化学技术的新的分析方法不断被各个制药公司和分析仪器公司开发出来。例如，有的研究小组已将传统的多步分析程(放大反应、萃取或分馏分离混合物，然后再用光谱分析每一单个组分等)合并在一种仪器上进行操作和分析，从而大大提高了分析速度和效率。

此外，在组合化学中，也发展了一些适合于对化合物库中某一化合物进行分析和结构鉴定的方法。若化合物库是通过平行合成法构建的，对于液相合成，可采用常规的高效液相色谱法(high performance liquid chromatography，HPLC)、薄层色谱法(thin layer chromatography，TLC)、红外光谱、核磁共振(NMR)或质谱(massspectrum．MS)等方法鉴定每个独立的化合物；对于固相合成，则可采用一些特殊的检测方法，如傅里叶变换红外光谱、“魔角白旋”核磁共振和凝胶相”C—NMR等。若构建的是混合库，可采用HPLC—MS、GC—MS(GC是gas chromatography的缩写，意指气相色谱法)、MS—MS等串联分析方法。

目前，许多在组合化学领域出现的自动合成仪和工作站主要适用于平行组合合成。因为这种方法可避免诸如编码等复杂的操作，而且还可以根据需要扩大或缩小所构建的化合物库的大小。虽然各种合成仪和工作站的规格、数据处理系统和自动化程度各不相同。但基本的工作原理是一致的。

研究人员正试图将组合化学技术应用到非生物学的研究领域，如无机催化剂的鉴定等。但大多数从事组合化学的研究人员仍然集中在对药物的开发研究上，因为在传统药物研究中，从初始先导化合物的发现到试用于临床研究的药物候选分子的确定往往需要1～2年，而采用组合化学技术可使这一过程缩短到不到半年时间。由此可见，组合化学不失为一种高效、快速的新药开发研究途径。

在不远的将来，组合化学将在药物开发过程中产生几大作用：第一，使药物开发的速度加快；第二，依靠特殊的目标化合物和原始资料的信息，可使原来万分之一的命中率得到显著的提高(因为该方法设计的指标有1％～10％的活性化合物产生率)；第三，能快速持续地归类和优化活性化合物得到药物候选分子；第四，能获得不断增加的感兴趣的目标化合物的数量。这一点尤为重要，因为基因方法研究表明，潜在目标分子的范围正在迅速扩展。