Приклади науково-технічних розробок хімбіоцентру

Дослідження нових методів у комбінаторній хімії

Одним з найбільш результативних сучасних методів пошуку "хітів" - нових хімічних сполук, що проявляють бажану біологічну активність - є так званий високоефективний скринінг (high-throughput screening, HTS). Цей метод базується на експрес-методиках визначення біологічної активності, які дозволяють тестувати тисячі сполук на день. За допомогою цього методу можна дуже швидко виявити "хіт", аналізуючи величезну кількість хімічних сполук. Але де взяти так багато сполук, щоб забезпечити ефективність і швидкість пошуку? Як синтезувати тисячі хімічних речовин на день, достатньо чистих і в кількості, що необхідна для біологічних тестів, 1-50 мг? Донедавна для вирішення цієї задачі була би потрібна ціла армія хіміків-синтетиків. Зараз такий синтез може виконувати одна людина, або навіть робот, з використанням прийомів і методології комбінаторної хімії.

Основна ідея комбінаторної хімії полягає у переборі, здебільшого автоматизованому, всіх можливих сполучень вихідних реагентів синтезу сполук. Наприклад, якщо кінцева сполука синтезується у дві стадії, причому на кожній стадії можна використовувати по 100 різних реагентів, то при комбінаторному переборі сполучень цих реагентів можна синтезувати 100х100=10000 різних аналогів сполуки. Аналогічний тристадійний синтез може дати набір з 1 000 000 хімічних речовин! Технічно перебрати всі можливі сполучення реагентів, провести з ними реакції у спеціальних мікрореакторах-платах з використанням, як правило, твердофазного синтезу (див. нижче), порівняно нескладно, за однієї умови: реакції, що використовуються, повинні перебігати швидко і "чисто", без побічних процесів, а кінцеві сполуки мають бути отримані без додаткової очистки. Лише за такої умови можна забезпечити необхідну швидкість синтезу. Зрозуміло, що не кожна відома хімічна реакція відповідає такій умові. Більше того: таких реакцій розроблено на сьогодні дуже мало, і актуальним є пошук нових реагентів та методик для комбінаторного синтезу. Завдяки зусиллям хіміків Хімбіоцентру, було розроблено декілька таких методик, які було використано для синтезу великої кількості нових сполук для HTS.

Одна з методик комбінаторного синтезу, що розроблена в Хімбіоцентрі, розширила можливості реакцій конденсації карбонільних сполук, зокрема, реакції Кневенагеля. Ця методика може бути використана в паралельному синтезі для отримання бібліотек на основі карбонільних сполук з великим різноманіттям структур та властивостей. Грунтується ця методика на використанні триметилхлорсилану як конденсуючого реагенту, причому для проведення реакцій з цим реагентом розроблена спеціальна процедура – проведення реакцій в товстостінних герметичних скляних реакторах.

За допомогою вищезгаданої методики вперше введено в реакцію Кневенагеля велику кількість CHкислотних компонент, серед яких особливу увагу слід приділити 2-оксиметилгетероциклам, з яких були отримані 2-фенацетилгетероцикли, що є досить важкодоступними сполуками за іншими методами. Також за допомогою реакції Кневенагеля отримана ціла низка гетарилгалоїдвінілів, виходячи з альдегідів та галоїдметилгетероциклів, розроблено зручний альтернативний підхід до отримання гетарилхлорвінілів, виходячи з тозильованих оксиметилгетероциклів. В реакцію Т-аміноефекту з орто-диалкіламіноанілінами вперше введено циклічні кетони та ацетофенони. Знайдено зручний метод окиснення отриманих таким чином бензімідазолінів в бензімідазоли. Для реакціі Т-аміноефекту з орто-диалкіламіноальдегідами запропоновані нові типи альдегідів та нові типи СН-кислотних компонент. Шляхом введення до цієї реакції кислоти Мельдрума з подальшим гідролізом утвореної сполуки розроблено препаративний метод отримання 1,2-анельованих тетрагідрохінолін-3-карбонових кислот та їх гетероциклічних аналогів, що є важкодоступними сполуками за іншими методами. Циклізацією орто-диаміноурацилів з альдегідами отриманий цілий ряд пуринів з великим структурним різноманіттям.

Результати роботи ілюструє наведена нижче схема:

Триметилхлорсилан виявився надзвичайно ефективним для промотування так званих багатокомпонентних реакцій. Багатокомпонентні реакції є особливо цінними для комбінаторної хімії, адже вони дозволяють отримати велику кількість органічних сполук для біологічного скринінгу в одну стадію. Ці реакції, крім того, дають змогу отримати дуже складні сполуки з достатньо простих вихідних речовин, з утворенням багатьох хімічних зв’язків, без виділення проміжних речовин. Співробітниками ХімБіоЦентру вдалося ввести в багатокомпонентну реакцію типу Біджінеллі альдегіди, тіосечовини та ціанокетони з утворенням в одну стадію різноманітних тетрагідропіримідин-2[1H]-тіонів (див. Схему нижче). Реакції промотувалися триметилхлорсиланом і йшли з високими виходами. Аналогічна реакція бензальдегіду, тіосечовин та ціанацетаміду привела до утворення невідомих раніше гексагідро-5Н-піримідо-[5,4-e][1,3]-тіазін-5-онів з високими виходами. Нові сполуки досліджувались з використанням сучасних фізичних методів дослідження, в тому числі – за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

Молекулярне моделювання

Відділ молекулярного моделювання є окремою ланкою Хіміко-Біологічного Центру, метою якого стоїть вивчення та розробка комп’ютерних алгоритмів та методик раціонального дизайну ліків. Досвід сучасної фармацевтичної індустрії показує, що час пошуку та розробки нових ліків можна скоротити майже у п’ять разів за рахунок вдалої координованої роботи хімічної, біологічної груп та групи комп’ютерного моделювання.

Завдяки використанню найсучасніших комп’ютерних програм можна дізнатися про механізм дії тієї чи іншої біологічно активної молекули. Основними роботами є розробка фармакофорних моделей взаємодії лігандів з відповідними білками-мішенями, віртуальний пошук у базі даних хімічних сполук, оптимізація початкових хітів та ін.

Завдяки впровадженню розрахунків певних фізичних, хімічних та біологічних властивостей (AMDE-Tox) вдалося підвищити якість нових сполук, що синтезуються в Центрі для подальших біологічних випробувань. Основним програмним пакетом є Schodinger, який містить майже всі сучасні алгоритми, що дозволяють максимально компетентно проводити віртуальний пошук проти більшості мішеней. Група займається розробкою також власних оригінальних алгоритмів та методів віртуального пошуку, що буде відображено публікаціями у рейтингових зарубіжних виданнях.

Одним з прикладів раціонального дизайну ліків є співпраця Хіміко-Біологічного Центру з Університетом Ховарда, США, де за мету проекту було поставлено пошук сполук, що перешкоджали б взаємодії білку Тат з вірусу імунодефіциту людини (Tat HIV-1) та протеін фосфатази 1 (PP1). Нещодавно цей інтерфейс було запропоновано, як нову мішень для інгібування транскрипції ВІЛ. В результаті віртуального пошуку з майже 300 000 сполук нами було відібрано 146, серед яких було виявлено декілька мікромолярних (<10 uM) інгібіторів транскрипції ВІЛ. Подальші біологічні експерименти у національному інституті здоров’я (NIH) показали, що кращі сполуки інгібують реплікацію ВІЛ у клітинах. Результати першого етапу цього дослідження було представлено на XVII International AIDS Conference, де вони отримали приз за кращу фундаментальну роботу. Зараз ведеться оптимізація отриманих сполук для випробувань in vivo.

Синтез наноструктур

Розроблено простий та зручний метод нековалентного синтезу наноструктур типу "комплекс в комплексі" (молекулярна "лялька-матрьошка"). Методами спектроскопії ЯМР встановлено, що шість молекулярних чаш (калікс[4]резорциноларенів) та вісім молекул води утворюють нанорозмірну капсулу, в яку включається молекулярна ваза (калікс[4]арен). Молекулярна ваза в свою чергу включає катіон тетраметиламонію. Крім катіону тетраметиламонію в порожнині гексамерної нанокапсули знаходиться одна молекула води, протони якої зазнають суттєвого магнітного екранування. Встановлено, що для утворення нано-"матрьошок" необхідна наявність у розчині всіх компонентів.