La química combinatoria comprende métodos químicos sintéticos que permiten preparar un gran número (de decenas a miles o incluso millones) de compuestos en un solo proceso. Estas bibliotecas de compuestos se pueden hacer como mezclas, conjuntos de compuestos individuales o estructuras químicas generadas por software de computadora. [ cita requerida ] La química combinatoria se puede utilizar para la síntesis de moléculas pequeñas y para péptidos.
Las estrategias que permiten la identificación de componentes útiles de las bibliotecas también forman parte de la química combinatoria. Los métodos utilizados en química combinatoria también se aplican fuera de la química.
Introducción [ editar ]
La síntesis de moléculas en forma combinatoria puede conducir rápidamente a un gran número de moléculas. Por ejemplo, una molécula con tres puntos de diversidad ( R 1 , R 2 y R 3 ) puede generarposibles estructuras, donde , y Son los números de los diferentes sustituyentes utilizados. [ cita requerida ]
El principio básico de la química combinatoria es preparar bibliotecas de un gran número de compuestos y luego identificar los componentes útiles de las bibliotecas.
Aunque la química combinatoria en realidad sólo ha sido adoptado por la industria desde la década de 1990, [ cita requerida ] sus raíces se pueden ver ya en la década de 1960 cuando un investigador en la Universidad Rockefeller , Bruce Merrifield , comenzó a investigar la síntesis en fase sólida de péptidos .
En su forma moderna, la química combinatoria probablemente ha tenido su mayor impacto en la industria farmacéutica . [1] Los investigadores que intentan optimizar el perfil de actividad de un compuesto crean una " biblioteca " de muchos compuestos diferentes pero relacionados. [ cita requerida ] Los avances en robótica han llevado a un enfoque industrial para la síntesis combinatoria, que permite a las empresas producir de forma rutinaria más de 100,000 compuestos nuevos y únicos por año. [ cita requerida ]
Para manejar la gran cantidad de posibilidades estructurales, los investigadores a menudo crean una "biblioteca virtual", una enumeración computacional de todas las estructuras posibles de un farmacóforo determinado con todos los reactivos disponibles . [2] Dicha biblioteca puede constar de miles a millones de compuestos "virtuales". El investigador seleccionará un subconjunto de la 'biblioteca virtual' para la síntesis real, en función de diversos cálculos y criterios (consulte ADME , química computacional y QSAR ).
Polímeros (péptidos y oligonucleótidos) [ editar ]
La "síntesis de mezcla dividida" combinatoria [3] se basa en la síntesis en fase sólida desarrollada por Merrifield. [4] Si una biblioteca de péptidos combinatoria se sintetiza utilizando 20 aminoácidos (u otros tipos de bloques de construcción), el soporte sólido en forma de perla se divide en 20 porciones iguales. Esto es seguido por el acoplamiento de un aminoácido diferente a cada porción. El tercer paso es mezclar todas las porciones. Estos tres pasos comprenden un ciclo. El alargamiento de las cadenas peptídicas se puede realizar simplemente repitiendo los pasos del ciclo.
El procedimiento se ilustra mediante la síntesis de una biblioteca de dipéptidos utilizando los mismos tres aminoácidos como bloques de construcción en ambos ciclos. Cada componente de esta biblioteca contiene dos aminoácidos dispuestos en diferentes órdenes. Los aminoácidos utilizados en los acoplamientos están representados por círculos amarillos, azules y rojos en la figura. Las flechas divergentes muestran la división de la resina de soporte sólida (círculos verdes) en porciones iguales, las flechas verticales significan que el acoplamiento y las flechas convergentes representan la mezcla y la homogeneización de las porciones del soporte.
La figura muestra que en los dos ciclos sintéticos se forman 9 dipéptidos. En un tercer y cuarto ciclos se formarían 27 tripéptidos y 81 tetrapéptidos, respectivamente.
La "síntesis de mezcla dividida" tiene varias características sobresalientes:
- Es altamente eficiente. Como la figura demuestra el número de péptidos formados en el proceso sintético (3, 9, 27, 81) aumenta exponencialmente con el número de ciclos ejecutados. Usando 20 aminoácidos en cada ciclo sintético, el número de péptidos formados es: 400, 8,000, 160,000 y 3,200,000, respectivamente. Esto significa que el número de péptidos aumenta exponencialmente con el número de ciclos ejecutados.
- Todas las secuencias de péptidos se forman en el proceso que puede deducirse mediante la combinación de los aminoácidos utilizados en los ciclos.
- La división del soporte en muestras iguales garantiza la formación de los componentes de la biblioteca en cantidades molares casi iguales.
- Sólo se forma un único péptido en cada cordón del soporte. Esta es la consecuencia de usar solo un aminoácido en los pasos de acoplamiento. Es completamente desconocido, sin embargo, cuál es el péptido que ocupa una cuenta seleccionada.
- El método de mezcla dividida se puede usar para la síntesis de bibliotecas orgánicas o de cualquier otro tipo que se puedan preparar a partir de sus componentes básicos en un proceso paso a paso.
En 1990, tres grupos describieron métodos para preparar bibliotecas de péptidos por métodos biológicos [5] [6] [7]y un año después, Fodor et al. publicó un método notable para la síntesis de matrices de péptidos en pequeños portaobjetos de vidrio. [8]
Mario Geysen y sus colegas desarrollaron un método de "síntesis paralela" para la preparación de matrices de péptidos. [9] Sintetizaron 96 péptidos en varillas de plástico (pasadores) recubiertas en sus extremos con el soporte sólido. Los pines se sumergieron en la solución de reactivos colocados en los pocillos de una placa de microtitulación . El método se aplica ampliamente en particular mediante el uso de sintetizadores paralelos automáticos. Aunque el método paralelo es mucho más lento que el combinatorio real, su ventaja es que se sabe exactamente qué péptido u otro compuesto se forma en cada pin.
Se desarrollaron procedimientos adicionales para combinar las ventajas de la mezcla dividida y la síntesis paralela. En el método descrito por dos grupos [10] [11], el soporte sólido se incluyó en cápsulas de plástico permeable junto con una etiqueta de radiofrecuencia que llevaba el código del compuesto que se formará en la cápsula. El procedimiento se llevó a cabo de manera similar al método de mezcla dividida. Sin embargo, en la etapa dividida, las cápsulas se distribuyeron entre los recipientes de reacción de acuerdo con los códigos leídos en las etiquetas de radiofrecuencia de las cápsulas.
Un método diferente para el mismo propósito fue desarrollado por Furka et al. [12] se llama "síntesis de cadenas". En este método las cápsulas no llevaban código. Se encadenan como las perlas en un collar y se colocan en los recipientes de reacción en forma de cuerda. La identidad de las cápsulas, así como su contenido, se almacenan por su posición ocupada en las cuerdas. Después de cada paso de acoplamiento, las cápsulas se redistribuyen entre las nuevas cadenas de acuerdo con las reglas definidas.
Moléculas pequeñas [ editar ]
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Esta sección se lee como una reseña en lugar de una descripción enciclopédica del tema . ( Julio de 2018 )
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En el proceso de descubrimiento de fármacos, la síntesis y evaluación biológica de pequeñas moléculas de interés ha sido típicamente un proceso largo y laborioso. La química combinatoria ha surgido en las últimas décadas como un enfoque para sintetizar de manera rápida y eficiente un gran número de posibles candidatos a fármacos de moléculas pequeñas. En una síntesis típica, solo se produce una única molécula diana al final de un esquema sintético, y cada paso en una síntesis produce solo un producto único. En una síntesis combinatoria.Cuando se usa solo un material de partida único, es posible sintetizar una gran biblioteca de moléculas que utilizan condiciones de reacción idénticas que luego se pueden analizar por su actividad biológica. Este conjunto de productos luego se divide en tres porciones iguales que contienen cada uno de los tres productos, y luego cada uno de los tres conjuntos individuales reacciona con otra unidad de reactivo B, C o D, produciendo 9 compuestos únicos de los 3 anteriores. Este proceso se repite hasta que se agrega el número deseado de bloques de construcción, generando muchos compuestos. Cuando se sintetiza una biblioteca de compuestos mediante una síntesis en varias etapas, se deben emplear métodos de reacción eficientes, y si se usan métodos de purificación tradicionales después de cada etapa de reacción, los rendimientos y la eficiencia sufrirán.
La síntesis en fase sólida ofrece soluciones potenciales para obviar la necesidad de pasos típicos de enfriamiento y purificación que se utilizan a menudo en la química sintética. En general, una molécula de partida se adhiere a un soporte sólido (típicamente un polímero insoluble), luego se realizan reacciones adicionales, y el producto final se purifica y luego se escinde del soporte sólido. Dado que las moléculas de interés están unidas a un soporte sólido, es posible reducir la purificación después de cada reacción a una sola etapa de filtración / lavado, eliminando la necesidad de tediosas etapas de extracción líquido-líquido y evaporación de solvente que implica la mayoría de la química sintética. Además, al usar reactivos heterogéneos, los reactivos en exceso se pueden usar para hacer que las reacciones lentas se completen, lo que puede mejorar aún más los rendimientos. El exceso de reactivos se puede lavar sin necesidad de pasos adicionales de purificación, como la cromatografía.
A lo largo de los años, se han desarrollado una variedad de métodos para refinar el uso de la síntesis orgánica en fase sólida en química combinatoria, incluidos los esfuerzos para aumentar la facilidad de síntesis y purificación, así como métodos no tradicionales para caracterizar productos intermedios. Aunque la mayoría de los ejemplos descritos aquí emplearán medios de reacción heterogéneos en cada etapa de reacción, Booth y Hodges proporcionan un ejemplo temprano del uso de reactivos con soporte sólido solo durante la etapa de purificación de las síntesis tradicionales en fase de solución. [13] En su opinión, la química en fase de solución ofrece las ventajas de evitar las reacciones de unión y escisión necesarias para anclar y eliminar las moléculas a las resinas, así como eliminar la necesidad de recrear los análogos en fase sólida de las reacciones en fase de solución establecidas.
La única etapa de purificación al final de una síntesis permite eliminar una o más impurezas, asumiendo que la estructura química de la impureza ofensiva es conocida. Si bien el uso de reactivos con soporte sólido simplifica en gran medida la síntesis de compuestos, muchas síntesis combinatorias requieren múltiples pasos, cada uno de los cuales aún requiere alguna forma de purificación. Armstrong, et al. describe un método de un solo recipiente para generar bibliotecas combinatorias, llamadas condensaciones de múltiples componentes (MCC). [14]En este esquema, tres o más reactivos reaccionan de manera que cada reactivo se incorpora al producto final en un solo paso, eliminando la necesidad de una síntesis de varios pasos que implique muchos pasos de purificación. En los CCM, no se requiere una deconvolución para determinar qué compuestos son biológicamente activos porque cada síntesis en una matriz tiene solo un producto único, por lo tanto, la identidad del compuesto debe ser conocida inequívocamente.
En otra síntesis de matriz, Still generó una gran biblioteca de oligopéptidos por síntesis dividida. [15] La desventaja de hacer muchos miles de compuestos es que es difícil determinar la estructura de los compuestos formados. Su solución es utilizar etiquetas moleculares, donde una pequeña cantidad (1 pmol / perla) de un colorante se adhiere a las perlas, y la identidad de una cierta perla se puede determinar analizando qué etiquetas están presentes en la perla. A pesar de la facilidad con la que las etiquetas se adhieren a la identificación de los receptores, sería imposible seleccionar cada compuesto individualmente para determinar su capacidad de unión al receptor, por lo que se unió un tinte a cada receptor, de manera que solo los receptores que se unen a su sustrato producen un cambio de color.
Cuando es necesario ejecutar muchas reacciones en una matriz (como las 96 reacciones descritas en una de las matrices de MCC de Armstrong), algunos de los aspectos más tediosos de la síntesis pueden automatizarse para mejorar la eficiencia. DeWitt y Czarnik detallan un método llamado " método DIVERSOMER " , en el que se ejecutan simultáneamente muchas versiones miniaturizadas de reacciones químicas. [16] Este método utiliza un dispositivo que automatiza los ciclos de carga y lavado de la resina, así como el monitoreo y purificación del ciclo de reacción, y demuestra la viabilidad de su método y aparato al usarlo para sintetizar una variedad de clases de moléculas, como las hidantoínas. y benzodiazepinas , ejecutando 40 reacciones individuales en la mayoría de los casos.
A menudo, no es posible utilizar equipos costosos, y Schwabacher, et al. describe un método simple de combinar la síntesis paralela de miembros de la biblioteca y la evaluación de bibliotecas completas de compuestos. [17] En su método, un hilo que se divide en diferentes regiones se enrolla alrededor de un cilindro, donde un reactivo diferente se acopla a cada región que lleva solo una única especie. Luego, el hilo se vuelve a dividir y se envuelve alrededor de un cilindro de un tamaño diferente, y este proceso se repite. La belleza de este método es que la identidad de cada producto se puede conocer simplemente por su ubicación a lo largo del hilo, y la actividad biológica correspondiente se identifica mediante la transformación de Fourier de las señales de fluorescencia .
En la mayoría de las síntesis descritas aquí, es necesario unir y eliminar el reactivo de inicio a / desde un soporte sólido. Esto puede llevar a la generación de un grupo hidroxilo, que potencialmente puede afectar la actividad biológica de un compuesto objetivo. Ellman usa soportes de fase sólida en un esquema de síntesis de varios pasos para obtener 192 derivados individuales de 1,4-benzodiazepina, que son agentes terapéuticos bien conocidos. [18] Para eliminar la posibilidad de una posible interferencia del grupo hidroxilo, se utiliza un método novedoso que utiliza la química del silil-arilo para unir las moléculas al soporte sólido que se separa del soporte y no deja rastro del enlazador.
Cuando se ancla una molécula a un soporte sólido, los intermedios no se pueden aislar entre sí sin separar la molécula de la resina. Dado que muchas de las técnicas de caracterización tradicionales utilizadas para rastrear el progreso de la reacción y confirmar la estructura del producto están basadas en soluciones, se deben usar diferentes técnicas. La espectroscopia de RMN 13C en fase de gel, la espectrometría de masas MALDI y la espectroscopia de IR se han utilizado para confirmar la estructura y monitorear el progreso de las reacciones en fase sólida. [19] Gordon et al., Describen varios estudios de casos que utilizan iminas y peptidilfosfonatos para generar bibliotecas combinatorias de moléculas pequeñas. [19]Para generar la biblioteca de iminas, un aminoácido unido a una resina se hace reaccionar en presencia de un aldehído. Los autores demuestran el uso de la espectroscopía de RMN en fase de gel 13C rápida y la espectroscopia de RMN 1H con giro del ángulo mágico para controlar el progreso de las reacciones y demostraron que la mayoría de las iminas podrían formarse en tan solo 10 minutos a temperatura ambiente cuando se usó ortoformato de trimetilo el solvente Las iminas formadas se derivaron luego para generar 4-tiazolidinonas, B-lactamas y pirrolidinas.
El uso de soportes en fase sólida simplifica enormemente la síntesis de grandes bibliotecas combinatorias de compuestos. Esto se hace anclando un material de inicio a un soporte sólido y luego ejecutando las reacciones subsiguientes hasta que se construya una biblioteca lo suficientemente grande, después de lo cual los productos se escinden del soporte. El uso de la purificación en fase sólida también se ha demostrado para el uso en esquemas de síntesis en fase de solución junto con las técnicas estándar de purificación de extracción líquido-líquido.
Deconvolución y la detección [ editar ]
Las moléculas sintetizadas de una biblioteca combinatoria se "escinden" del soporte sólido y se mezclan en solución. En tal solución, se pueden encontrar millones de compuestos diferentes. Cuando se desarrolló este método sintético, por primera vez parecía imposible identificar las moléculas y encontrar moléculas con propiedades útiles. Sin embargo, se desarrollaron estrategias de purificación, identificación y selección para resolver el problema. Todas estas estrategias se basan en la síntesis y prueba de bibliotecas parciales.
La primera estrategia, el "método de iteración" se describe en el documento mencionado anteriormente de Furka notariado en 1982. La identificación de la secuencia del péptido activo implica la eliminación de muestras después de cada paso de acoplamiento de la síntesis antes de la mezcla. Estas muestras se utilizan en la identificación paso a paso mediante el ensayo y el acoplamiento a partir de la N-terminal .
El método de "escaneo de posición" [20] se basa en la síntesis y prueba de una serie de sub-bibliotecas en las que una cierta posición de secuencia en todos los componentes está ocupada por el mismo aminoácido.
Las "bibliotecas de omisión" [21] [22] en las que falta un cierto aminoácido de todos los péptidos de la mezcla, así como las "bibliotecas de probadores de aminoácidos" [23] que contienen aquellos péptidos que faltan en las bibliotecas de omisión también pueden ser Utilizado en el proceso de deconvolución.
Si los péptidos no se escinden del soporte sólido, tratamos con una mezcla de perlas, cada perla contiene un solo péptido. Smith y sus colegas [24] demostraron anteriormente que los péptidos también podrían analizarse en forma atada. Este enfoque también se usó en la selección de bibliotecas de péptidos. [25] La biblioteca de péptidos atados se probó con una proteína diana disuelta. Las perlas a las que se unía la proteína se extrajeron, se extrajo la proteína de la perla y luego se identificó el péptido unido mediante secuenciación .
Un enfoque algo diferente fue seguido por Taylor y Morken. [26] Usaron termografía infrarroja para identificar catalizadores en bibliotecas atadas no peptídicas. Cuando las perlas se sumergieron en una solución de un sustrato. El catalizador que contenía las perlas brillaba debido al calor que se desprendía de ellas y se podía elegir.
Los componentes de las bibliotecas combinatorias también se pueden probar uno por uno después de separarlos de las cuentas individuales.
Si tratamos con una biblioteca de bibliotecas orgánicas no peptídicas , no es tan sencillo determinar la identidad del contenido de una cuenta como en el caso de una péptido. Para evitar esta dificultad, se desarrollaron métodos para unir a las perlas, en paralelo con la síntesis de la biblioteca, moléculas que codifican la identidad del compuesto formado en la perla. Las moléculas unidas pueden formar secuencias peptídicas [27] [28] o nucleótidas [29] [27] o un código binario. [30]
Ciencia de los materiales [ editar ]
La ciencia de los materiales ha aplicado las técnicas de química combinatoria al descubrimiento de nuevos materiales. Este trabajo fue iniciado por PG Schultz et al. a mediados de los años noventa [31] en el contexto de materiales luminiscentes obtenidos mediante la deposición conjunta de elementos sobre un sustrato de silicio. Su trabajo fue precedido por JJ Hanak en 1970 [32] pero las herramientas de computación y robótica no estaban disponibles para que el método se extendiera en ese momento. El trabajo ha sido continuado por varios grupos académicos [33] [34] [35] [36] , así como por empresas con grandes programas de investigación y desarrollo ( Symyx Technologies , GE , Dow Chemicaletc.). La técnica se ha utilizado ampliamente para catálisis, [37]recubrimientos, [38] electrónica, [39] y muchos otros campos. [40] La aplicación de herramientas informáticas adecuadas es fundamental para manejar, administrar y almacenar los vastos volúmenes de datos producidos. [41]También se han desarrollado nuevos tipos de métodos de Diseño de experimentos para abordar de manera eficiente los grandes espacios experimentales que pueden abordarse utilizando métodos combinatorios. [42]
Bibliotecas orientadas a la diversidad [ editar ]
Aunque la química combinatoria ha sido una parte esencial del descubrimiento temprano de fármacos durante más de dos décadas, hasta ahora solo un químico sintetizado de química combinatoria de novo ha sido aprobado para uso clínico por la FDA ( sorafenib , un inhibidor de multikinase indicado para cáncer renal avanzado) . [43] El análisis de la escasa tasa de éxito del enfoque ha sido sugerido para conectarse con el espacio químico bastante limitado cubierto por los productos de química combinatoria. [44] Al comparar las propiedades de los compuestos en bibliotecas de química combinatoria con las de los medicamentos y productos naturales aprobados, Feher y Schmidt [44] observaron que las bibliotecas de química combinatoria adolecen particularmente de la falta deLa quiralidad , así como la rigidez de la estructura, las cuales son ampliamente consideradas como propiedades similares a las de los medicamentos. A pesar de que producto natural de descubrimiento de fármacos no ha sido probablemente la tendencia más de moda en la industria farmacéutica en los últimos tiempos, [ citación necesaria ]una gran proporción de nuevas entidades químicas todavía son compuestos naturales derivados, [ cita requerida ] y por lo tanto, se ha sugerido esa eficacia de la química combinatoria podría mejorarse al mejorar la diversidad química de las bibliotecas de selección. [45]Como la quiralidad y la rigidez son las dos características más importantes que distinguen los medicamentos aprobados y los productos naturales de los compuestos en las bibliotecas de química combinatoria, estos son los dos temas que se destacan en las denominadas bibliotecas orientadas a la diversidad, es decir, las colecciones de compuestos que apuntan a la cobertura del espacio químico. de sólo un gran número de compuestos. [ cita requerida ]
Clasificación Patente subclase [ editar ]
En la 8ª edición de la Clasificación Internacional de Patentes (IPC), que entró en vigor el 1 de enero de 2006, se creó una subclase especial para solicitudes de patentes y patentes relacionadas con invenciones en el ámbito de la química combinatoria: "C40B".
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