Kapitel 2 : Kombinatorische Chemie

Die kombinatorische Chemie ist ein Zweig der Chemie, der sich auf die Entwicklung chemischer Syntheseverfahren konzentriert, die die Herstellung einer großen Anzahl von Verbindungen in einem einzigen Prozess ermöglichen, die von Zehntausenden bis hin zu Millionen reichen. Kombinationen, Sammlungen einzelner Verbindungen oder chemische Strukturen, die von Computersoftware hergestellt werden, sind Beispiele für die Arten von Verbindungsbibliotheken, die erstellt werden können. Die Produktion von Peptiden und kleinen Molekülen kann sowohl durch die Anwendung der kombinatorischen Chemie erreicht werden.

Darüber hinaus umfasst die kombinatorische Chemie die Strategien, die die Entdeckung wertvoller Komponenten ermöglichen, die in Bibliotheken enthalten sind. Die Methoden, die in der kombinatorischen Chemie verwendet werden, können auch in anderen Bereichen als der Chemie eingesetzt werden.

Das primäre Ziel der kombinatorischen Chemie ist es, Bibliotheken zusammenzustellen, die aus einer extrem großen Anzahl von Verbindungen bestehen, und zu bestimmen, welche dieser Verbindungen das Potenzial haben, als Pharmazeutika oder Agrarchemikalien verwendet zu werden. Der Einsatz eines Hochdurchsatz-Screenings, das in der Lage ist, den Output in einem ausreichenden Maßstab zu bewerten, ist daher unerlässlich.

Die kombinatorische Chemie lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen, als ein Forscher an der Rockefeller University namens Bruce Merrifield begann, die Festphasensynthese von Peptiden zu erforschen. Obwohl die kombinatorische Chemie erst seit den 1990er Jahren von der Industrie ernsthaft aufgegriffen wird, finden sich ihre Wurzeln bereits in den 1960er Jahren. Es ist möglich, durch die Synthese von Peptiden unter Verwendung eines kombinatorischen Ansatzes schnell eine große Anzahl von Verbindungen herzustellen. Es gibt 8.000 (203) verschiedene Optionen, die durch die Verwendung der zwanzig natürlichen Aminosäuren, zum Beispiel in einem Tripeptid, hergestellt werden können. Furka entwickelte eine «Split and Mix»-Methode, die schliesslich übernommen wurde, und später wurden Festphasenverfahren für winzige Moleküle entdeckt.

Wenn es um den Pharmasektor geht, hat die kombinatorische Chemie in ihrer aktuellen Version höchstwahrscheinlich den größten Einfluss gehabt. Um das Wirkungsprofil einer Chemikalie zu verbessern, entwickeln Forschende eine "Bibliothek", die aus einer Vielzahl von Verbindungen besteht, die miteinander verbunden sind. Als Ergebnis der Fortschritte in der Robotik wurde eine industrielle Methode zur kombinatorischen Synthese entwickelt. Dieser Ansatz hat es Unternehmen ermöglicht, routinemäßig mehr als 100.000 neue und einzigartige Moleküle pro Jahr zu erzeugen.

Eine "virtuelle Bibliothek" ist eine rechnerische Aufzählung aller möglichen Strukturen eines gegebenen Pharmakophors mit allen verfügbaren Reaktanten. Dies wird von Forschern durchgeführt, um die Vielzahl der verfügbaren strukturellen Optionen zu bewältigen. Eine solche Bibliothek kann Tausende bis Millionen von "virtuellen" Chemikalien oder Verbindungen enthalten. Für die eigentliche Synthese wählt der Forscher eine Teilmenge der "virtuellen Bibliothek" aus, die auf einer Reihe verschiedener Berechnungen und Kriterien basiert (weitere Informationen finden Sie unter ADME, Computational Chemistry und QSAR).

Die von Merrifield entwickelte Festphasensynthese dient als Grundlage für die kombinatorische Split-Mix-Synthese, die auch als Split- und Pool-Synthese bekannt ist. Wenn eine kombinatorische Peptidbibliothek durch die Synthese von zwanzig Aminosäuren (oder anderen Arten von Bausteinen) erstellt wird, wird der feste Träger in Form von Kügelchen in zwanzig gleiche Abschnitte unterteilt. Nach Abschluss dieses Schritts wird dann eine separate Aminosäure an jede Sektion gekoppelt. Das Mischen aller Elemente bildet die dritte Phase. Aus diesen drei Trittsteinen setzt sich ein Kreislauf zusammen. Die einfache Wiederholung der Schritte im Zyklus ist alles, was erforderlich ist, um das gewünschte Ergebnis der Verlängerung der Peptidketten zu erzielen.

Die Synthese einer Dipeptidbibliothek, die in beiden Zyklen die gleichen drei Aminosäuren als Bausteine verwendet, dient als Veranschaulichung der Technik. Es gibt zwei Aminosäuren, die in jeder der Komponenten, aus denen diese Bibliothek besteht, in einer anderen Reihenfolge angeordnet sind. Innerhalb des Bildes zeigen die Kreise, die gelb, blau und rot sind, die Aminosäuren, die in Kopplungen verwendet werden. Divergente Pfeile veranschaulichen den Prozess der Herstellung gleicher Mengen an festem Stützharz (dargestellt durch grüne Kreise), vertikale Pfeile zeigen den Prozess der Kopplung und konvergente Pfeile veranschaulichen den Prozess des Mischens und Homogenisierens der verschiedenen Komponenten des Stützs.

Wie auf dem Bild zu sehen ist, werden in den beiden Zyklen des Syntheseprozesses neun Dipeptide hergestellt. Siebenundzwanzig Tripeptide und einundachtzig Tetrapeptide würden während des dritten bzw. vierten Zyklus produziert werden.

Die "Split-Mix-Synthese" besitzt eine Reihe bemerkenswerter Eigenschaften:

Im Jahr 1990 wurden die Beschreibungen von Verfahren zur Herstellung von Peptidbibliotheken mit biologischen Verfahren in drei verschiedenen Gruppen veröffentlicht. Im folgenden Jahr präsentierten Fodor et al. einen bemerkenswerten Ansatz für die Synthese von Peptidarrays auf dünnen Glasobjektträgern.

Um den Prozess der Erstellung von Peptidarrays zu beschleunigen, entwickelten Mario Geysen und seine Kollegen eine Technik, die als "parallele Synthese" bekannt ist. Sie erreichten die Synthese von 96 Peptiden mit Hilfe von Kunststoffstäben (Pins), bei denen der feste Träger an den Enden der Stäbe beschichtet war. In den Vertiefungen einer Mikrotiterplatte wurden die Stifte in die Lösung von Reagenzien getaucht, die ursprünglich dort abgeschieden worden waren. Eine der häufigsten Anwendungen dieser Technologie ist die Verwendung von automatischen parallelen Synthesizern. Trotz der Tatsache, dass die parallele Technik deutlich langsamer ist als die echte kombinatorische, hat sie den Vorteil, dass sie genau bestimmen kann, welches Peptid oder andere Molekül sich auf jedem verschiedenen Pin bildet.

Um die Vorteile der Split-Mix-Synthese und der Parallelsynthese zu kombinieren, wurden zusätzliche Verfahren entwickelt. Für das Verfahren, das von zwei verschiedenen Gruppen berichtet wurde, wurde die feste Halterung von durchlässigen Kunststoffkapseln umhüllt und an jeder Kapsel ein Radiofrequenz-Tag angebracht. Das Etikett enthielt den Code der Verbindung, die in der Kapsel hergestellt werden sollte. In einer Weise, die dem Split-Mix-Verfahren entspricht, wurde das Verfahren durchgeführt. Während der Split-Phase hingegen wurden die Kapseln an die verschiedenen Reaktionsgefäße gesendet, und zwar in Übereinstimmung mit den Codes, die von den an den Kapseln angebrachten HF-Tags gelesen wurden.

Der Begriff «Stringsynthese» bezieht sich auf einen separaten Ansatz, der von Furka und Kollegen für das gleiche oder ein ähnliches Ziel entwickelt wurde. Die Kapseln enthielten bei Verwendung dieser Methode keinen Code. Sie werden dann in einer String-Konfiguration in die Reaktionsgefäße eingeführt, ähnlich wie Perlen in einer Halskettenfassung aneinandergereiht werden. Die Position der Kapseln auf den Fäden wird verwendet, um nicht nur den Inhalt der Kapseln, sondern auch die Identität der Kapseln selbst zu speichern. In Übereinstimmung mit vorgegebenen Richtlinien werden die Kapseln nach jedem Schritt des Kopplungsprozesses neu auf die neuen Fäden verteilt.

Die Synthese und biologische Bewertung kleiner Verbindungen von Interesse ist traditionell ein zeitaufwändiger und schwieriger Schritt im Prozess der Wirkstoffforschung. In den letzten Jahrzehnten hat sich die kombinatorische Chemie zu einer Methode entwickelt, mit der eine Vielzahl möglicher Verbindungen schnell und effektiv synthetisiert werden kann.

winzige Moleküle, die als Medikamente verwendet werden könnten. Eine typische Synthese führt zur Herstellung eines einzelnen Zielmoleküls am Ende eines Syntheseschemas. Darüber hinaus führt jeder Schritt einer Synthese zur Herstellung eines einzigen Produkts. Während einer kombinatorischen Synthese ist es möglich, eine riesige Bibliothek von Verbindungen unter identischen Reaktionsbedingungen zu synthetisieren. Diese Moleküle können dann auf ihre biologische Aktivität getestet werden. Dies ist denkbar, wenn nur ein einziges Ausgangsmaterial verwendet wird. Im Anschluss daran wird der Produktpool in drei gleiche Teile aufgeteilt, die jeweils jedes der drei Produkte enthalten. Danach wird jeder der drei einzelnen Pools mit einer weiteren Einheit des Reagenzes B, C oder D umgesetzt, was zur Produktion von neun verschiedenen Verbindungen aus den drei zuvor hergestellten führt. Anschließend wird das Verfahren so lange fortgesetzt, bis die erforderliche Menge an Bausteinen hinzugefügt wird, was zur Herstellung einer großen Anzahl von Verbindungen führt. Um eine Bibliothek von Verbindungen mit einer mehrstufigen Synthese erfolgreich zu synthetisieren, ist es notwendig, effiziente Reaktionsmethoden einzusetzen. Werden jedoch nach jedem Reaktionsschritt konventionelle Aufreinigungsmethoden eingesetzt, würden sowohl die Ausbeute als auch die Effizienz leiden.

Es gibt mögliche Antworten, die durch die Festphasensynthese gefunden werden können, die die Notwendigkeit der Standard-Abschreck- und Reinigungsverfahren überflüssig macht, die typischerweise in der synthetischen Chemie verwendet werden. Der Prozess beginnt mit dem Anhaften eines Ausgangsmoleküls an einen festen Träger, bei dem es sich oft um ein...