Կոմբինատորային քիմիա

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Jump to navigation Jump to search

Կոմբինատորային (համակցային) քիմիա, ԿՔ, կենսաակտիվ նյութերի որոնման եղանակ՝ տարբեր տեղակալիչներով նույնատիպ միացությունների շարքերի (սերիա) մասսայական սինթեզի և մասսայական սկրինինգի հիման վրա։

Պատմություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Մինչև 20-րդ դարի վերջը նոր դեղանյութերի ստացման կարևորագույն փուլը նախակլինիկական փորձարկումն էր՝ սկրինինգը (screening՝ մաղում, ջոկում), ինչը երկարատև և թանկ գործընթաց է: Ըստ վիճակագրական տվյալների մեկ հեռանկարային նյութի բացահայտման համար անհրաժեշտ էր փորձարկել 25000-50000 միացություն: Նոր միացությունների սինթեզի արագությունը շատ ավելի մեծ էր, քան դրանց կենսաբանական փորձարկման գործընթացը: Շնորհիվ մոլեկուլային կենսաբանության և գենային տեխնոլոգիաների առաջընթացի, բացահայտվել են բազմաթիվ հիվանդությունների առաջացման և զարգացման մոլեկուլային մեխանիզմները, ինչպես նաև գեների կառուցվածքը: Այժմ օրգանիզմում տարբեր կենսական գործընթացներին մասնակցող սպիտակուցները կարելի է անջատել մաքուր վիճակում և դրանց հիման վրա ստեղծել թեստային համակարգեր (թիրախներ), որոնց օգնությամբ մոլեկուլային մակարդակով արագ բացահայտվում են միացությունների որոշակի կենսաակտիվությունը՝ բջջային ընկալիչների հետ դրանց ընտրողական փոխազդեցության արդյունքում, ծախսելով փորձարկվող նյութի չնչին քանակներ (մգ): Եթե նախկինում հզոր ֆարմացևտիկ ֆիրմաները1 տարում հասցնում էին ստուգել մոտ 10 000 միացություն 1 տիպի կենսաակտիվության բացահայտման համար, ապա ներկայում 1 օրում կարելի է ստուգել մինչև 100000 նմուշ (նույնիսկ դեռ չսինթեզված կառուցվածքներ[1]):

Առաջատար-միացություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Տաքսանային կմախք

Դեղաբանական փորձարկման ժամանակակից տեխնոլոգիան կոչվում է «գերարտադրողական սկրինինգ» (անգլ.՝ high-throughput screening, HTS), որի նպատակը ոչ միայն տարբեր միացությունների կենսաակտիվության, այլ նաև միատիպ մոլեկուլների մեծ շարքերում (սերիա) լավագույն բնութագրերով օժտված, այսպես կոչված առաջատար միացության (ԱՄ) բացահայտումն է:

Սկզբունքորեն ԱՄ կարող է լինել նաև բնական աղբյուրներից անջատված միացությունը, այսինքն, կենսաակտիվության փորձարկման համար նմուշ կարող է հանդիսանալ նաև անսովոր և բարդ կառուցվածքով բնական մոլեկուլը, որը երբեմն հայտնաբերվում է պատահաբար: Օրինակ՝ բնական միացությունների համակարգված սկրինինգի արդյունքում որպես ԱՄ բացահայտվել է տաքսոլը (I, Paclitaxel, կիսասինթետիկ ածանցյալը – տաքսոտեր, R = երր-բութօքսի, R’ = H), որն անջատվել է խաղաղօվկիանոսային կարմրածառի (тис կամ тисс) կեղևից (Taxus blevifolia) և օժտված է կենդանական ծագումով մոդելների վրա in vivo հակաուռուցքային բարձր ակտիվությամբ, և ըստ ԱՄՆ-ում և Ֆրանսիայում իրականացված կլինիկական փորձարկումների նախնական տվյալների՝ այն հանդիսանում է ամենահեռանկարային հակաուռուցքային միացությունը, որի թերություններից է ջրում վատ լուծելիությունը, ինչը սահմանափակում է դեղաձևերի քանակը: Տաքսանային բեկորը (ֆրագմենտ, txn, I) տաքսանային կմախքն է՝ բաղկացած ածխածնի 20 ատոմներից:

Լովաստատին, սիմվաստատին, ատենոլ, կրոմակալիմ

Որպես ամբողջական սկրինինգի (total screening) մեթոդի հաջողված օրինակ կարելի է նշել լովաստատինը (II), որն արյան մեջ խոլեսթերինը նվազեցնող նոր սերնդի դեղանյութերի (սիմվաստատին (II), պրավաստատին և այլն) համար դարձավ ԱՄ (II):

Որպես առաջատար միացություն կարող է ծառայել նաև արդեն հայտնի դեղանյութը, որն օժտված է բավականին արտահայտված երկրորդային ազդեցությամբ: Այս դեպքում հետազոտությունները ուղղորդվում են այդ երկրորդային հատկության ուղղությամբ: Օրինակ՝ 80-ական թվականներին պարզվել է, որ հակաադրեներգիկ (β-ադրենապաշարիչ) դեղանյութերը, օրինակ՝ ատենոլոլը, օժտված են նաև հիպոթենզիվ հատկություններով: Այդ կառուցվածքն օգտագործվեց որպես առաջատար միացություն՝ հակահիպերթենզիվ, սակայն β-ադրենապաշարիչ հատկություններից զուրկ դեղանյութերի ստացման համար և պարզվեց, որ դրանք օժտված են արյան ճնշումն իջեցնելու այլ մեխանիզմով։ Կրոմակալիմն առաջին միացությունն է, որն ազդում է բացառապես կալիումական անցուղիների ակտիվացման վրա (II):

Կոմբինատորային գրադարաններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Այդ միանման բազային կառուցվածքով և տեղակալիչների տարբեր դասավորվածությամբ շատ մեծ քանակի միացությունների շարքերը, որոնք ստացվում են նույնատիպ եղանակներով, նույնանման ազդանյութերով և ունեն կարգավորվող բաղադրություն, կոչվում են «կոմբինատորային (համակցային) գրադարաններ» (ԿԳ):

Ակնհայտ է, որ համակցային սինթեզը մեծ տարածում չէր ստանա, եթե ժամանակին չհաստատվեր այն վարկածը, որ սկրինինգը կարելի է իրականացնել նաև խառնուրդներում: Սկրինինգի նոր տեխնոլոգիան՝ գերարտադրողական սկրինինգը թույլ է տալիս միաժամանակ և արագ փորձարկել հարյուրական նմուշներից բաղկացած հազար «գրադարան», ինչի համար ավանդական եղանակների օգնությամբ կպահանջվեր մի ամբողջ տարի:

Այժմ արդեն սինթեզողները փորձարկումների համար չէին հասցնում ստեղծել նոր միացություններ: Անհրաժեշտ էր օրգանական սինթեզի նոր ուղղություն՝ գերարտադրողական սինթեզ (high-throughput synthesis), որի համար հիմք հանդիսացավ 1991 թվականին կոմբինատորային քիմիայի (combinatoric chemistry, ԿՔ) ստեղծումը: Կոմբինատորային քիմիայի հիմնական սկզբունքը՝ ողջ կոմբինատորային գրադարանի (ԿՔ-ի հանգուցային հասկացողություններից է) միաժամանակյա սինթեզն է (զուգահեռ սինթեզ, աղյ. 1): Կոմբինատորային քիմիան ոչ շատ ելանյութերից մեծ քանակությամբ ընդհանուր կառուցվածքային միջուկով նմատիպ մոլեկուլների սինթեզի (կամ համակարգչային մոդելավորումով ստեղծման) եղանակ է: Կոմբինատորային քիմիան առանձնանում է նրանով, որ մեծ քանակությամբ նույնատիպ ազդանյութերի՝ կառուցվածքային աղյուսիկների (building block) մասնակցությամբ ռեակցիաները տեղի են ունենում զուգահեռ, միաժամանակ մեկ կամ մի քանի տարբեր ռեակցիոն անոթներում, որոնք ավելի քիչ են, քան սինթեզվող նյութերը: Կոմբինատորային գրադարանը կարճատև ժամանակահատվածում և միաժամանակ ընթացող զուգահեռ ռեակցիաների արդյունքում ստացված և որոշակի սկզբունքով ընտրված մեծ քանակությամբ նյութերն են: Օրինակ, կոմբինատորային գրադարանում 20 բնական ամինաթթուների փոխազդեցությունից ստացված սպիտակուցների կամ պեպտիդների բազմաթիվ մակրոմոլեկուլները միմյանցից տարբերվում են ֆրագմենտների յուրօրինակ դասավորվածությամբ, որոնք միացած են միանման քիմիական (ամիդային) կապերով: Ամենաընդարձակ բնական կոմբինատորային գրադարաններ են պոլիպեպտիդները, նաև ալկալոիդները, ստերոիդները:

High-throughput synthesis[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կոմբինատորային օրգանական սինթեզ

Ի տարբերություն դասական սինթեզի մեթոդների (մի միացության հաջորդական միացումը մյուսին), կոմբինատորային քիմիայի հիմնական սկզբունքը ողջ կոմբինատորային գրադարանի միաժամանակյա սինթեզն է (զուգահեռ սինթեզներ): Տեղի է ունենում ելանյութերի (building block, An և Bn) փոխազդեցություն՝ յուրաքանչյուր համակցությանը բնորոշ այդ բլոկների յուրատեսակ դասավորվածությամբ: Եթե անտեսենք քիմիապես անհնար տարբերակները (AnAm, BnBm), ապա 20 միացությունների (A1-10, B1-10) զուգակցումներից կարող են առաջանալ 100 համակցված մոլեկուլներ (AnBm, տես աղյ. 1): Աղյուսիկների քանակի ավելացումը համապատասխանաբար մեծացնում է արգասիքների քանակը:

Սկզբունքորեն բոլոր ռեակցիաները (աղյ․ 1) կարելի է իրականացնել մի փորձանոթում, որի արդյունքում ստացվում է 100 նյութերից բաղկացած խառնուրդ և կենսաակտիվության բացահայտման նպատակով փորձարկում են ոչ թե առանձին միացությունները (ինչպես դասական մեթոդներում), այլ դրանց խառնուրդները: Ենթադրենք սինթեզված է 1000 միացություն պարունակող գրադարան՝ բաղկացած 100-ական խառնուրդներ պարունակող (A1B1 – A1B10, A1B1-A10B1 կամ A1C1-A1C10 և այլն) 10-ական խմբերից: Եթե որոշակի ընկալիչի վրա միաժամանակ փորձարկելիս 1000 նյութից թեկուզ 1-ը ցուցաբերում է սպասվելիք ակտիվություն, ապա այն այդ խմբերից մեկում է (օր., AnBn, աղյ. 1), այսինքն՝ հետազոտությունների շրջանակը միանգամից 10 անգամ փոքրանում է՝ 1000-ից հասնելով 100-ի: 10 փորձարկումով հայտնաբերվում է ակտիվ հարյուրակը, որից կազմում են 10 շարք նոր խառնուրդներ (աղյ. 1, օր., I, II, III…), յուրաքանչյուրում 10 նյութ (AnBn): Ակտիվ շարքի բացահայտման համար պահանջվում է 10 փորձարկում, իսկ այդ շարքի անդամները տասն են, հետևաբար՝ ևս 10 փորձարկումից հետո բացահայտում են ակտիվ նյութը: Այսպիսով, շատ կարճ ժամանակահատվածում (մինչև 31 փորձարկում) կարելի է բացահայտել ակտիվ միացությունը՝ 1000 անհատական (ինդիվիդուալ) նյութերի փորձարկումների փոխարեն: Սա նման է նվազագույն թվով կշռումներով 100 միանման գնդիկներից միակ ծանրի ընտրությանը:

Եռպեպտիդների սինթեզի հնարավոր տարբերակները

Գրադարանի սինթեզը կարելի է իրականացնել հատուկ ռեակցիոն բլոկների խորշերում տեղադրված առանձին 100 միկրոփորձանոթներում, որոնց մեջ չափիչ-կաթոցիչներով լցնում են ելանյութերի լուծույթները: Բլոկներում բոլոր ռեակցիաներն ընթանում են նույն պայմաններում (ճնշում, ջերմաստիճան, լույս): Արդյունքում ստացվում է 100 ինդիվիդուալ միացություն, որոնք կարող են օգտագործվել փորձարկումների կամ հետագա զուգահեռ սինթեզների համար:

Պինդ ֆազային կոմբինատորային սինթեզ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կոմբինատորային սինթեզը կարելի է իրականացնել նաև պինդ ֆազի մակերևույթին: Այս դեպքում պոլիմերային կրողի մակերևույթին առկա ֆունկցիոնալ (խարսխային) խմբերը քիմիապես կապում են ելանյութերին (սովորաբար դրանք էսթերային կամ ամիդային կապեր են) և մշակում են ավելցուկով վերցված (որպեսզի ռեակցիան գնա մինչև վերջ) երկրորդ ելանյութի լուծույթով: Հատիկների տեսքով պոլիմերը ֆիլտրում են, լվանում ու քիմիական եղանակով անջատում չփոխազդած ավելցուկ ամինաթթուն և նպատակային միացությունը: Այս եղանակով պինդ ֆազի մակերևույթին պեպտիդների բազմափուլ զուգահեռ սինթեզի մեթոդն առաջարկվել է 1982 թվականին և հայտնի է տրոհման եղանակ (սպլիտ-մեթոդ) անունով: Ենթադրենք՝ A, B, C ամինաթթուներից պետք է ստանալ եռպեպտիդների բոլոր (27) հնարավոր համակցությունները։ Այդ նպատակով պինդ պոլիմերային կրողը (P) բաժանում են 3 հավասար մասերի և յուրաքանչյուրը մշակում են A, B, C ամինաթթուներից մեկի լուծույթով: Ամինաթթուները որևէ ֆունկցիոնալ խմբի միջոցով քիմիապես կապվում են պոլիմերի մակերևույթին: Ստացված 3 տեսակի պոլիմերները (P-A, P- B, P-C) մանրակրկիտ խառնում և խառնուրդը նորից բաժանում են 3 մասի: Յուրաքանչյուր մաս, որը պարունակում է հավասար քանակով բոլոր 3 ամինաթթուները, նորից մշակում են նույն 3 ամինաթթուներից մեկով և ստանում են 9 դիպեպտիդ՝ 3 խառնուրդ 3-ական արգասիքով: Դրանք նորից խառնում են իրար, բաժանում 3 հավասար մասերի և մշակում առանձին ամինաթթուներով: Այսպիսով՝ 9 փուլերի ընթացքում ստացվում է 27 տրիպեպտիդ (3 խառնուրդ 9-ական արգասիքով), որոնք դասական եղանակով (Մերիֆիլդ, 1962 թ․) առանձին-առանձին ստանալու համար կպահանջվեր 81 փուլ:

Ընդամենը 3 փորձարկումով կարելի է պարզել, թե 10-ական միացություն պարունակող վերջնական 3 խմբերից որում է ակտիվ նյութը, ևս 10 փորձարկումից հետո բացահայտում են այն:

Բիլդինգ բլոկների օգնությամբ կոմբինատորային գրադարանների ստեղծումը

Բազմաթիվ համակցային գրադարաններ ստեղծվում են ելանյութ աղյուսիկների (building block), որոնց անվանում են թեմփլեյթ (T, template-մոդել, նմուշ, շաբլոն), հաջորդական միացումների եղանակով: T-ը ունի հաստատուն բազային կառուցվածք և մի քանի ֆունկցիոնալ խմբեր, որոնք սինթեզի տարբեր փուլերում հաջորդաբար փոխազդում են այլ բիլդինգ-բլոկերի հետ: Թեմփլեյթները (T) և առաջին մակարդակի միջանկյալ արգասիքները (intermediate, TA) սովորաբար ստանում են մեծ քանակությամբ (10-100 գ) դասական եղանակով, իսկ հետո իրականացնում են զուգահեռ սինթեզ (3, 3a):

Առանձնահատկություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կոմբինատորային քիմիայում բացակայում են դասական թորման, վերաբյուրեղացման և այլ ֆիզիկական մեթոդներ, խստորեն սահմանված է փուլերի հերթականությունը: Ելանյութի (T) սինթեզի և առաջին մակարդակի միջանկյալ նյութի (TA) վերածվելու համար հաճախ պահանջվում են յուրահատուկ պայմաններ, ազդանյութեր և մետաղակոմպլեքսային կատալիզատորներ, ինչպես նաև որոշ ֆունկցիոնալ խմբերի մեկուսիչներ (պաշտպանիչ խմբեր), որոնք մոլեկուլում որոշ խմբերի թույլ չեն տալիս անիմաստ կամ վաղաժամ մասնակցել ռեակցիաներին: Պաշտպանիչ խմբերը պետք է հեռացնել խիստ հաջորդականությամբ, հաջորդ փուլին նախապատրաստվելու համար:

Կոմբինատորային սինթեզը զուգակցված գերարտադրողական սկրինինգի տեխնոլոգիայի հետ մեծացնում է բարձրարդյունավետ դեղերի ստացման հնարավորությունները, սակայն չի կրճատում ընտրված ակտիվ նյութերի փորձարկման ողջ կոմպլեքի (նախակլինիկական, կլինիկական փորձարկումները) իրականացման ժամանակը: Նոր դեղերի որոնումը դառնում է առավել նպատակադրված։ Կրճատվում են անհեռանկարային նյութերի վրա ծախսված ժամանակն ու միջոցները: Ընտրված նմուշները կարելի է ստանալ մաքուր վիճակում և ենթարկել բազմակողմանի ուսումնասիրության:

Ներկայում (2016) դեղերի սինթեզը ուղղորդված է խիստ որոշակի մոլեկուլային կառուցվածքների նպատակադրված ստեղծմանը՝ մոլեկուլների, որոնք ընդունակ են ցուցաբերել յուրատեսակ ազդեցություն:

Կոմբինատորային քիմիայի հետ զուգընթաց զարգանում է նաև մեկ այլ կարևոր նորագույն ուղղություն՝ գերմոլեկուլային քիմիան (անգլ.՝ Supramolecular chemistry), որի հիմնական սկզբունքը՝ փորձանոթում բազմաթիվ ազդանյութերի խառնուրդում միաժամանակ ընթացող մի քանի ռեակցիաների պայմաններում բարդ մոլեկուլների զտումն է:

Հավանական է, որ այս էքսպոնենտորեն աճող բնագավառի զարգացումը հնարավոր է, որ ազդի նաև քիմիայի մյուս ուղղությունների վրա:

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. Դեղերի դիզայնի սկզբունքները «Գիտության աշխարհում», 1, 2008, 38

Աղբյուրներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]