组合化学及其在抗生素研究中的应用
杨宪文
（中国药科大学南京210009）
摘要：组合化学作为一种新兴高效的合成方法，被广泛应用于新药开发等领域，对于抗生素的合成与结构优化意义重大。本文着重就组合化学在基于新
靶位、基于结构多样性等方面的抗生素开发和抗生素结构修饰优化上的应用进
行概述，宏观把握分析了组合化学这门新技术的优缺点，并对其发展前景进行
了探讨。
关键词：组合化学；新靶位；结构多样性；结构修饰
Combinatorial chemistry and its application to antibiotics
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管理类 在职研究生Y ang XW
日向友好学校
（China Pharmaceutical University Nanjing 210009）Abstract: As an emerging and efficient synthetic method, combinatorial chemistry has been applied to variety of aspects including drug discovery, meanwhile it is also significant to the synthesis and structure optimization of the antibiotics. This review emphasizes the discovery of antibiotics bad on the new target and the structural diversity and the application of antibiotics structure optimization, analys the advantages and disadvantages about this technology,finally, current situation and future development of combinatorial chemistry were also discusd in this paper.
Key words:combinatorial chemistry; new target; structural diversity; structure optimization
1.前言
近两个世纪以来，化学家所探索的中心任务之一是创造新的具有各种功能的化学物质，并发展各种有效的方法以获得尽可能纯净的单一化合物。我们应用一系列传统的研究方式，许多化合物被制备成候选药物分子，并进行生物测试研究。众所周知的是，一个化学小分子新药的研发是一个在时间、人力、物力和财力上高消耗的过程，人们一直在探索新的更好的解决方案。20世纪80年代，一个新
领域的发现革新了传统化学在药物研发中的理论和实践，其被称为组合化学（Combinatorial Chemistry），即可定义为平行、系统、反复地共价连接不同结构的构建单元（building block），得
到大量化合物，建立成化合物库（Compound-Library）并对其药效进行高通量筛选（High-Throughput Screening，HTS）的一类策略与方法[1]。
从其基本原理和本质上来看，组合化学摒弃了许多在传统有机合成（Traditional Organic Synthesis）中的固有规则，在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，利用这些结构单元的排列组合，通过少数几步的反应系统地合成大量化合物，并将这些化合物集合建成一个化合物库，接下来就是对化合物库进行高通量筛选，最后得到与特定靶点相互作用的活性化合物（见图1）。虽然组合化学方法发展很快，各种衍生方法层出不穷，但就其本质来看，其核心技术可以大体总结为混合合成方法（Mixed Synthesis）、平行合成方法（Parallel Synthesis）和固相合成方法（Solid Pha Synthesis），其中混合合成方法又可分为组分混分法（Portion-Mixing Synthesis）和混合试剂法（Mixed Reagent Method）[2]。除了提供由大量的化合物组成的化合物库进行结构筛选之外，组合化学还有一个特点是也可以提供一个由结构类似物（analogue）分子构成的的化学库，为研究构效关系（Structure–Activity Relationship,SAR）提供了省时省力的平台。例如，结构生物学（Structure Biology）的研究表明，目前已经认识到人体蛋白的折叠形式为600~8000种，由此可知特定的分子骨架结构有可能和一组相似的蛋白质都发生作用，这样以特定骨架分子为模板所建立的组合库，会为研究和理解有机小分子和蛋白质间的相互作用提供可靠的信息[3]。
图1、组合化学与经典合成化学相比较qisheng
Figure 1、The comparison between combinatorial chemistry and classic synthetic
chemistry
2.组合化学在抗生素结构合成或修饰方面的进展
现代药物的研发的第一个阶段，也就是目前最活跃的阶段即为先导化合物（Lead compound）的发现和优化阶段，组合化学在其中起到了关键性的作用，主要包括多样性化合物库的合成和药物先导化合物的优化。
Beatrice Ruhland[4]采用组合化学方法，把相同手性的氨基酸衍生胺一起键合到Tenta GelS树脂上，并与α,β-不饱和醛或非手性烯酮和芳香醛发生环加成反应，得到了一些3-氨基-2-氮杂环丁酮（可用于制备α-酰胺基-β-内酰胺），还包括许多重要抗生素的前体（precursor）。
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Nachiket S Dighe[5]在综述中报道，第一个完全采用组合化学技术发现和优化的新型抗生素linezolid（Zyvox）在2001年4月获得美国FDA批准上市，且是在全世界批准应用的噁唑烷酮类人工合成抗生素，前后共花了约9年时间，与传统开发新药的平均时间相比，节约了4~6年的时间。
Chuanguang Qin等[6]报道了来源于侧孢芽孢杆菌（Bacillus laterosporus）、侧孢芽孢杆菌素（laterocidin）及其类似物的环状十肽(cyclodecapeptide)抗生素的全合成已经完成，这是人类首次采用固定肽合成技术，并伴以线性前体细胞(linear precursors)在树脂中的无痕成环作用(traceless on-resin cyclisation)所获得的成功。从组合化学合成技术分类上来说，其总体合成思想是按照固相合成方法来进行实验的。
chipsKyungae Lee等[7]报道他们发现了一种可以抑制金黄色酿脓葡萄球菌（Staphylococcus aureus）细胞壁磷壁酸的小分子targocil（1835F03），其可以作为一种潜在的小分子抗生素(small-molecule antibiotics)进行研究，研究者采用了平行液相合成方法合成了一系列相关类似物的化合物库，为其构效关系和结构识别提供了详尽的信息。
3.组合化学在基于新靶位的抗生素研发中的应用
随着各项基因组计划的顺利实施，基因组学使得药物的研发策略从筛选化合物库转向了优先筛选靶位基因。研究表明，由于通过靶位筛选得到的先导化合物往往在整体细胞实验或进入体内后活性并不显
著，所以还要通过经典和组合化学技术对其进行化学修饰和改造，优化其活性，同时评估活性化合物可能发生的耐药性（drug resistance）问题，最后最有希望的先导化合物才能进入后续的临床试
验阶段（见图2）。
图2、基于靶位的抗生素发现、开发基本策略
Figure 2、The basic strategy of discovery and development for the antibiotics
bad on the target
Sunil K. V ooturi等[8]报道了采用平行液相法成功合成一系列含苯甲酮（benzophenone）的抗生素，主要是试图解决抗生素耐药性问题，通过DNA测序分析得知可以用有耐药性细菌等的细胞膜为潜在靶点进行研究，然后借助组合化学合成技术中的平行合成方法进行了58组实验获得了218种化合物，所有化合物均经过了HPLC和MALDI-TOF质谱的鉴定，最后，研究者通过筛选共获得了6种理想的化合
物。
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4.组合化学在基于结构多样性的抗生素研发中的应用
一个成功的抗生素必须满足很多方面的要求：它要能够穿过细菌细胞膜，避开细菌的外排泵，不会成为细菌修饰或水解酶(hydrolytic enzyme)的靶位而失去活性，并且能以足够的浓度到达细菌的靶位，因而抑制细菌的重要功能使细菌失活；同时出于经济和诊断方面的考虑，它要有广谱抗菌活性，没有毒性或很小，并在人体中不良反应最小。这一系列的限制意味着在筛选过程中那些最初令人感兴趣的抗微生物活性的新化合物要最终成为合格的药物，需要经过许多化学修饰。在这一过程中药物化学特别是组合化学在构建和扩充化学库以及优化先导化合物方面起着越来越重要的作用。“基于结构多样性的导向合成”是目前正在兴起的另一合成策略，其目的是合成大量结构多样且复杂的小分子化合物。通过筛选这些化合物的生物学活性，最终鉴定出活性受小分子调控的具有治疗学意义的蛋白质靶位。
万古霉素（V ancomycin）是人们常用的糖蛋白抗生素，研究发现当万古霉素二聚后，可以加强万古霉素和靶标分子( L- Lys-D-Ala-D-Ala)的氢键结合。Nicolaou等[9]分别采用二硫键和碳碳双键连接不同的万古霉素分子，实现二聚，制备动态组合库（Dynamic Compound Library）。在靶标的存在下，通过二
硫键和碳碳双键的交换过程，筛选更有效的抗生素分子。在采用碳碳双键交换
制备的动态库中，当加入了靶标分子，会发现库倾向于生成桥联更短的二聚
体，单独合成该种二聚体，测得其最小抑菌浓度（Minimal Inhibitory Concentration, MIC）发现几乎比万古霉素小一个数量级。
5.现存问题
延续性动词
在此十分值得一提的是，也有一些学术界人士的意见认为组合化学对于药
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物发现并不具有积极的贡献。虽然在过去的十年里，药物开发方面的投资以每
年10%的速度增长，但是成百倍增长的活性筛选工作并未使先导化合物的出现产生相应的增长率，这是因为组合化学本身没有产生更多正在被发现的先导化
合物，一部分原因是因为这个系统能产生最大数量的化合物是以肽或寡核糖酸
为基础的，这意味着发现的任何活性化合物在性质上并不具备作为药物分子的
潜质。另一个原因是组合化学构建分子库存在的最大问题是分子库的多样性很差。单纯地将化合物的取代基做简单的转换从本质上并没有增加分子库的多样性，而只是简单地扩充了分子库的容量。因此这些年有越来越多的人开始质疑
组合化学，而重新倡导以天然产物作为先导物进行衍生化研究等传统的药物化
学策略。同时，又必须要继续发展追求分子多样性为目标的多样性导向合成策略，用以弥补组合化学在构建分子库方面的缺陷。
6.小结与展望
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综上，在抗生素研究领域，组合化学的主要贡献主要体现在两个方面：其一为从合成和半合成角度对现有抗生素进行结构修饰，从而提高某些抗生素的抗菌活性，或改善其水溶性，或降低使用抗生素带来的耐药性问题[10]，即从化学药物优化设计的结构修饰角度进行组合合成建立相关化合物库，以便通过高通量筛选从其中寻找到最理想结构，其中化合物库越大，寻找到的最优解也必然最理想，组合化学在这方面无疑具有传统化学所不具备的优势，它既保证了最终的理想结果，同时也大大加快了抗生素等药物研发和优化的效率[11]。其二不得不提出的一点是组合生物合成（Combinatorial Biosynthesis）在抗生素研究方面的较大贡献，其作为组合化学的一个分支是对化学合成的有力补充，是近年发展起来的一种扩展天然产物结构多样性、以满足药物发现和发展的新方法。组合生物学在产生结构复杂的大分子抗生素方面有着组合化学无法比拟的优势，它使得人们在短时间
南通翻译内迅速合成出大量不同的化合物以测试其抗菌活性成为了可能，它是在了解微生物生物合成途径以及克隆有关生物合成、调节等基因的基础上，在体外对这些不同来源（种内或种外）的基因进行删除、
添加、取代以及重组，然后导入到一个适当的微生物宿主中，并以之作为“细胞工厂”，通过对天然产物代谢途径的遗传控制来定向生物合成新型复杂化合物，并采用微生物发酵的方式达到大量生产的目的：一方面特异性地遗传修饰天然产物的生物合成途径，以此获得基因重组菌株，生产所需要的天然产物及其结构类似物；另一方面，将不同来源的天然产物生物合成基因进行重组，在微生物体内建立组合的新型代谢途径，由此重组微生物库所产生的新型天然产物构成的类似物库，有利于从中发现和发展更具有应用价值的药物。它是对组合化学在基因水平上由微生物合成大量各种各样的化合物的很有价值的补充[12]（见图3）。但由于组合生物合成主要采用了大量的生物技术，是在生物合成领域的一次技术革新，可以说它属于广义上的组合化学，严格来看仍然是有其较强的独立性，所以出于知识体系完整性角度考虑，在此我们只对其进行简要介绍，不再赘述罗列近年来研究者在这方面的研究进展，以保证论述的逻辑严谨性。
图3、组合生物合成的原理和方法
Figure 3、The principles and methods of combinatorial biosynthesis
尽管现在看来组合化学仍然存在这样那样的瑕疵，但是我们也同样看到其广阔的发展和应用前景：其与计算机辅助药物设计方法相结合而形成的虚拟组合化学方法；其在液相组合合成的基础上又发展出受体垂钓新技术；其与合理药物设计相结合，成为现代药物研究的重要方法之一。所以我们有理由相信方兴未艾的组合化学技术依旧有非常可观的发展前景，它在抗生素研究领域依旧大有用武之地。从批判和发展的眼光来看，未来的组合化学技术一定还会在包括抗生素药物在内的新药研发领域继续为人类健康事业做出卓越的贡献。
