Կոմբինատորային քիմիա

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

Պատմություն 
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):

Առաջատար-միացություն 

Դեղաբանական փորձարկման ժամանակակից տեխնոլոգիան կոչվում է «գերարտադրողական սկրինինգ» (), 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։ 

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 
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 

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։

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 
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։

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 
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 (), 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

Աղբյուրներ 
 Сочетательная химия, С. М. Лукьянов Н. А. Резцова, “Химия и жизнь”, М., 2004, 5.
 Քիմիայի և դեղագիտության համառոտ հանրագիտարան , Ռ. Հ. Հակոբյան, 2016։
 Лекарственные средства, М. Д. Машковский, Новая волна, Москва, 2012.

Դեղագիտություն
Օրգանական սինթեզ