眾所周知，天然產(chǎn)物藥物發(fā)現(xiàn)是一項耗時耗資的龐大工程。長久以來，科學(xué)家們一直渴望尋找到能夠縮短研發(fā)周期，并且能夠節(jié)省研發(fā)投資的方法，組合化學(xué)則應(yīng)運(yùn)而生。組合化學(xué)（combinatorial chemistry）是以構(gòu)件單元（building block）的組合、連接為特征，平行、系統(tǒng)、反復(fù)地合成大量化學(xué)實體形成組合化學(xué)庫（combinatorial library）的合成技術(shù)。組合化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在發(fā)展現(xiàn)代藥物研究中的范例，實際上就是利用一系列合成測試技術(shù)，實現(xiàn)合成微量化和操作自動化，可以在短時間內(nèi)合成數(shù)目龐大的有機(jī)化合物，經(jīng)過高通量篩選，從中發(fā)現(xiàn)具有生物活性的先導(dǎo)化合物。近20年間其得到了日新月異的快速發(fā)展，組合化學(xué)思想直接沖擊了原有的化學(xué)合成理念，在新藥研發(fā)領(lǐng)域中更是掀起了一場新方法、新技術(shù)和新成果的革新浪潮。

（一）組合化學(xué)庫設(shè)計策略

組合化學(xué)庫首先要合理設(shè)計全部可以合成的化合物建立虛擬庫，然后根據(jù)一定的適宜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類建立子庫，來限定實際合成和篩選對象的范疇。按照這樣的方法組合化學(xué)剛剛起步的10年里，合成出的化合物的數(shù)量是越來越龐大，但是并沒有達(dá)到預(yù)期的預(yù)案——篩選出更多數(shù)目的候選藥物。目前，組合化學(xué)庫設(shè)計理念發(fā)生了變化，其研究重點已經(jīng)從遵循Lipinski規(guī)則的多樣性組合化合物庫轉(zhuǎn)移到更重視生物活性的類先導(dǎo)化合物庫。在新藥研發(fā)階段，研發(fā)失敗出現(xiàn)得越晚，投資就會損失越大，如能盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在的問題，則能降低損失，加快研發(fā)步伐。類先導(dǎo)組合化合物庫就是通過虛擬篩選優(yōu)先獲得一系列關(guān)于化合物的吸收、分布、代謝、消除和毒性等性質(zhì)，從而在研發(fā)之初優(yōu)先進(jìn)行評價和預(yù)測，從而降低開發(fā)新藥的失敗率。目前世界上大多數(shù)的制藥公司均已開始不同程度地采用這種方法在組合化學(xué)庫設(shè)計階段就進(jìn)行預(yù)測。下面具體介紹幾個組合化學(xué)庫的設(shè)計策略，其都代表了“不求多，只求精”的科學(xué)理念。

1．多元優(yōu)化設(shè)計技術(shù) 傳統(tǒng)的優(yōu)化程序僅采用單一標(biāo)準(zhǔn)，通常是結(jié)構(gòu)上最大限度的多樣性，這在當(dāng)前的理性設(shè)計理念中是落后的。Gillet等提出以多元遺傳算法（MOGA）進(jìn)行庫的設(shè)計。依照該算法，他們編寫出另一套優(yōu)化程序，命名為MoSELECT。該程序可以彌補(bǔ)加權(quán)總數(shù)評價方法的許多局限。這一算法體系可以為多元庫的設(shè)計提供一整套優(yōu)化方案，化學(xué)家可以根據(jù)已提供的信息來選擇其中的一個或幾個方案，該設(shè)計方法建立的組合化學(xué)庫的優(yōu)越性則大大得到提高。

2．藥物代謝性質(zhì)（ADME）虛擬篩選技術(shù) 該技術(shù)在藥物研發(fā)早期總結(jié)出了大量生物學(xué)信息，并促進(jìn)了預(yù)測ADME相關(guān)性質(zhì)的計算機(jī)模型的發(fā)展。目前已經(jīng)有提供可預(yù)測ADME相關(guān)屬性的商業(yè)軟件，可以實現(xiàn)預(yù)測藥物的口服生物利用度，以及藥物的血腦屏障穿透性、溶解度、代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)、毒性以及藥物間的相互作用等。但是由于軟件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格，往往有一些值得繼續(xù)研究的化合物很有可能被篩除。

3．天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 天然產(chǎn)物一直是新藥開發(fā)的主要來源，然而這一主導(dǎo)地位目前已被高度多樣性的組合化學(xué)庫所取代。不過將天然產(chǎn)物作為新藥的可能來源來建立組合化學(xué)庫的思想?yún)s一直未被人們所放棄。一些較大規(guī)模的天然產(chǎn)物組合化學(xué)庫通過相對較少的直線合成步驟被建立起來，但是由于許多天然產(chǎn)物的合成需要復(fù)雜得多的步驟反應(yīng)，只能被組合化學(xué)家無奈地從研究計劃中刪去。但是隨著合成化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這一方面的工作還會有更多的突破。

（1）Feher和Schmidt針對藥物、天然產(chǎn)物和組合化學(xué)庫內(nèi)容物在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上進(jìn)行了深入分析。分析結(jié)果顯示，在性質(zhì)上天然產(chǎn)物和組合化學(xué)庫化合物分布在藥物的兩端。組合化學(xué)庫化合物與天然產(chǎn)物相比有如下特性：①手性中心較少／芳環(huán)結(jié)構(gòu)較多／復(fù)雜環(huán)（橋、螺、駢）體系較少；②飽和度較大；③雜原子數(shù)目不同（組合化學(xué)庫化合物含氮原子數(shù)是天然產(chǎn)物的3倍）；④可轉(zhuǎn)動化學(xué)鍵較多；⑤剛性差；⑥親水性較高。

（2）Feher和Schmidt根據(jù)分析結(jié)果指出在組合化學(xué)庫設(shè)計應(yīng)更多地融入一些天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，從而來提高組合化學(xué)庫中活性和選擇性更好的化合物的出現(xiàn)概率。

（3）Lee和Schneider利用Kohonen特征映射技術(shù)分析比較了藥物、非藥物、天然產(chǎn)物及基于天然產(chǎn)物設(shè)計合成的組合化學(xué)庫的藥效團(tuán)，結(jié)果顯示天然產(chǎn)物與藥物的確具有相似的藥效團(tuán)，這一結(jié)果說明以天然產(chǎn)物為先導(dǎo)化合物，在一定程度上加以修飾、優(yōu)化，對新型分子骨架結(jié)構(gòu)的研究具有指導(dǎo)意義。

近年來計算機(jī)輔助設(shè)計和模擬技術(shù)的快速發(fā)展，使其在制藥行業(yè)已被廣泛應(yīng)用于組合化學(xué)庫設(shè)計和活性預(yù)測，其能更有效地提高新藥開發(fā)成功率。有專家預(yù)測目前有10%的新藥研發(fā)經(jīng)費用于計算機(jī)模擬和模型構(gòu)建，而到2016年這個數(shù)字將會上升到20%。

（二）固相組合合成技術(shù)應(yīng)用

固相合成技術(shù)曾經(jīng)是組合合成的主要方法。但是，不加修改的將普通合成方法轉(zhuǎn)移到固相化學(xué)中是行不通的，反而導(dǎo)致開發(fā)必要的方法學(xué)研究時間過長，與新藥開發(fā)周期日益縮短的要求相悖，從而限制應(yīng)用?？蒲泄ぷ髡哒谥铝τ谕黄七@一“瓶頸”，從而促進(jìn)固相合成化學(xué)的再次廣泛應(yīng)用。

1．固相載體研究進(jìn)展 固相合成技術(shù)中的載體必須滿足以下兩個條件：①該材料在合成條件下必須是化學(xué)惰性的、交聯(lián)的且不溶解于有機(jī)溶劑中；②連有活性反應(yīng)基團(tuán)，能與反應(yīng)物反應(yīng)，并且在反應(yīng)后目標(biāo)產(chǎn)物能從其上面解離下來。

應(yīng)用最早且最廣泛的載體是各種經(jīng)過官能團(tuán)修飾的交聯(lián)聚苯乙烯。在聚合過程中大約1%的二乙烯基苯被加入到苯乙烯中。這種高聚物骨架具有內(nèi)在可變性，同時內(nèi)表面積較大，允許溶劑和試劑自由擴(kuò)散到內(nèi)部。但是，該聚合物又受到熱穩(wěn)定性及試劑選擇的限制。值得注意的是，研究表明固相合成中聚苯乙烯并不總是惰性的。經(jīng)H-NMR和MS共同分析，確定不純物的主要來源是化合物合成和固相載體本身兩方面。因此，有必要在使用前進(jìn)行預(yù)處理來去除污染物。另一類使用較多的高聚物是聚酰胺樹脂，它們是以N，N-二甲基丙烯酰胺為骨架、N，N′-雙烯丙酰基乙二胺為交聯(lián)基并通過N-烯丙?；?，N′，丙氨酰六亞甲基二胺達(dá)到官能化的高聚物，N-烯丙?；量┩橥苽涞母呔畚锏取＿@類聚合物在多肽合成中能夠更好地接近多肽鏈。但是，以上兩類高聚物都缺乏結(jié)構(gòu)上的剛性，在多種溶劑及反應(yīng)物中都有一定的溶解度。于是，人們研究開發(fā)出一系列的新型固相載體以適應(yīng)各種反應(yīng)的需要。值得提及的是Tenta Gel樹脂，由于它既有聚乙二醇載體的可溶性又具有聚苯乙烯的不溶性和易操作性，使其非常有利于在水溶液的環(huán)境中釋放產(chǎn)物或在樹脂珠上進(jìn)行篩選，并且這種樹脂能為胰蛋白酶提供一個在水溶液中不影響酶的正常生物活性的內(nèi)部環(huán)境，也很少干擾對連在其上面的化合物的分析。

除了合成樹脂的官能團(tuán)對固相反應(yīng)具有影響之外，樹脂交聯(lián)度對反應(yīng)速率也有著顯而易見的影響。早期通過考察樹脂內(nèi)部反應(yīng)和三相催化反應(yīng)，表明增大交聯(lián)成分直接降低反應(yīng)速率且呈線性關(guān)系。擴(kuò)散速率與反應(yīng)速率也有著必然的聯(lián)系，Meldal及其同事采用染色手段全面研究了大孔樹脂上的擴(kuò)散形式，結(jié)果表明增加樹脂的交聯(lián)成分則會降低擴(kuò)散速率，從而降低反應(yīng)速率。擴(kuò)散速率還和其他因素有直接聯(lián)系：樹脂珠半徑越大，則擴(kuò)散越慢；升高溫度、改善溶脹性、增大濃度等都會提高擴(kuò)散速率。此外固相反應(yīng)的優(yōu)勢還在于樹脂的重復(fù)利用，但是這一點常常被忽視。通常情況下，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物從樹脂上脫離后，樹脂就被丟棄。然而從理論上講，如果樹脂上活性官能團(tuán)能夠再生，那么樹脂則有回收利用的價值。對大規(guī)模合成反應(yīng)來說，樹脂的重復(fù)利用不僅在經(jīng)濟(jì)上可以發(fā)掘潛在的價值，而且對環(huán)境保護(hù)也可作出貢獻(xiàn)。

2．微波輔助技術(shù) 微波輔助固相有機(jī)合成反應(yīng)已經(jīng)成為科研人員越來越重視的課題。與傳統(tǒng)熱源相比，微波是從分子水平對物質(zhì)進(jìn)行加熱，因此具有起熱快速、受熱均勻的特點。在微波輻射條件下進(jìn)行反應(yīng)的最大優(yōu)勢在于反應(yīng)速度和產(chǎn)率的顯著提高。國外學(xué)者最近采用多模式微波反應(yīng)裝置進(jìn)行了一項固相有機(jī)合成的研究。研究結(jié)果表明微波輔助手段可以有效地將芳香羧酸化合物引入到PS氯甲基樹脂上。同傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波輔助手段在提高反應(yīng)速率和上載量兩個方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。這個反應(yīng)是以NMP作溶劑在開口玻璃儀器中進(jìn)行的，傳統(tǒng)方法需加熱到80℃后反應(yīng)12～48h，改用微波加熱則片刻升溫至200℃，反應(yīng)時間減少到5～15min。重要的一點是PS樹脂即使置于微波輻射下200℃的環(huán)境里，較長時間內(nèi)仍未發(fā)生降解。相關(guān)研究中，通過微波加熱將芳香羧酸上載到PS樹脂上。常壓下200℃反應(yīng)10min，芳香羧酸幾乎達(dá)到定量上載；而與此相對照，傳統(tǒng)方法室溫條件下則需要2～3d。使用微波輔助方法，即使是通常情況下不易反應(yīng)的苯胺，脫載仍然能夠在140℃左右15min內(nèi)全部完成。運(yùn)用這一手段，研究者選用10個帶有不同?；≧2）的氨基酸（R1）和88個不同的胺（R3R4NH）參加切離反應(yīng)，在96孔板上通過微波輻射進(jìn)行平行合成，完成了一個880個成員的組合化學(xué)庫的構(gòu)建。因此，將微波加熱技術(shù)與組合合成化學(xué)的結(jié)合應(yīng)用，可以收到一個“快上加快”的效果，十分有利于新藥的發(fā)現(xiàn)。

（三）篩選先導(dǎo)化合物的快速發(fā)展

在過去幾年里，許多具有發(fā)展為候選藥物潛力的先導(dǎo)化合物不斷地從組合化學(xué)庫里篩選出來，目前有兩個策略用于發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物：一個是對現(xiàn)有的化合物庫進(jìn)行高通量生物篩選；另一個是針對目標(biāo)庫或靶點庫進(jìn)行合成與篩選。近年來許多有發(fā)展?jié)摿Φ南葘?dǎo)化合物被篩選出來，而且一些成功的例子包括幾個已進(jìn)入臨床研究的藥物的發(fā)現(xiàn)，都證明了組合化學(xué)庫的確是用于新藥開發(fā)的先導(dǎo)化合物的來源。

1．從組合化學(xué)庫中發(fā)掘先導(dǎo)物 很多大的醫(yī)藥研究公司都建立了自己的化合物庫，并且從中發(fā)現(xiàn)了許多具有潛力的先導(dǎo)物。

（1）通過對拜耳化合物庫的篩選，得到一個芳香酮結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)物，可作為半胱氨酸蛋白酶K的一個可逆性競爭抑制藥。通過組合化學(xué)途徑結(jié)合藥理測試，得到活性更好的化合物，有望成為抗骨質(zhì)疏松新藥。

（2）對輝瑞化合物庫的篩選，得到一個新型的非肽HIV蛋白酶抑制藥4-羥基吡喃酮，以此進(jìn)行優(yōu)化和篩選，最終得到4-羥基-5，6-二氫吡喃酮的衍生物CI-1029。該化合物表現(xiàn)出極佳的抗HIV蛋白酶活性。此外，CI-1029還表現(xiàn)出良好的藥動學(xué)參數(shù)，與細(xì)胞色素P450相互作用非常小，目前已進(jìn)入臨床前研究階段。

（3）通過對葛蘭素史克化合物庫進(jìn)行抗Staphylococcus aureus的細(xì)菌脂肪酸合成酶（FabI）篩選，得到一個咪唑衍生物的先導(dǎo)化合物。構(gòu)效關(guān)系考察結(jié)果表明，1，4-位合適取代的咪唑衍生物是FabI有效的抑制藥，而且對革蘭陽性菌和陰性菌均有著顯著的抗菌活性。這項研究同時也證明了FabI可作為抗菌藥物的作用靶點模型。由此可見通過組合化學(xué)結(jié)合高通量篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物成果非常顯著，在此不一一列舉。

2．建立主題庫成為新的趨勢

（1）目前組合化學(xué)庫的一個新的發(fā)展趨勢正逐步引起重視，那就是建立主題庫。之前組合化學(xué)庫大多數(shù)建立在有機(jī)化學(xué)主題上，例如特殊的雜環(huán)體系（苯并二氮雜、乙內(nèi)酰脲、二酮哌嗪）、特殊的官能團(tuán)體系（胍、氧肟酸、α-羰基酰胺）或特殊的反應(yīng)順序（關(guān)環(huán)、多組分縮合、芳基偶聯(lián)）等。而主題庫是基于特定的生物藥靶而建立的，因此又被稱為靶點主題平臺。例如，旨在抑制天門冬氨酸蛋白酶的組合化學(xué)庫提供的先導(dǎo)物可以適用于多個臨床適應(yīng)證，如心血管疾?。ㄑ芫o張肽原酶），病毒感染（HIV蛋白酶），真菌感染（天門冬氨蛋白酶），癌癥和Alzheimer癥（組織蛋白酶D）等。目前的治療藥靶主要為兩大類，酶占28%，受體占45%。因此基于特定的酶和受體而設(shè)計的主題庫進(jìn)行新藥開發(fā)更有可能取得商業(yè)上的成功。

（2）作為創(chuàng)新藥物研發(fā)的主要研究手段之一，組合化學(xué)已經(jīng)建立起不可動搖的地位。過去十年里，藥物開發(fā)方面的投資以每年10%的速度增長，這也促使先導(dǎo)化合物的數(shù)量快速的增長。同樣值得注意的是，成百倍增長的活性篩選工作并未使先導(dǎo)化合物的出現(xiàn)產(chǎn)生相應(yīng)的增長率。部分原因是簡化的合成不能簡單等同于產(chǎn)物的價值。只有組合化學(xué)庫中的化合物能被進(jìn)一步認(rèn)真的設(shè)計，其數(shù)據(jù)被進(jìn)一步仔細(xì)的分析，那么這個不等的差距才能不斷地縮小。