組合化學(xué)在PFOS分子去除機制和先導(dǎo)物優(yōu)化中的應(yīng)用.pdf

1、組合化學(xué)更確切的稱為組合科學(xué)，是將化學(xué)合成、計算機輔助、高通量篩選、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、模型建立與應(yīng)用等多門學(xué)科有效結(jié)合的一門科學(xué)。它的平行合成、分析純化和高通量篩選等技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。納米科技更是近期研究的熱點，獨特的尺寸效應(yīng)賦予了納米材料與常規(guī)材料不同的性能。將納米材料與組合化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，則可以加速納米新材料的研發(fā)速度，縮短納米催化劑的優(yōu)化時間，快速的篩選和優(yōu)化功能性納米材料。本論文第一部分采用納米組合化學(xué)的方法，以金納米顆粒為基

2、質(zhì)，對其表面功能化修飾，深入探討了PFOS分子的去除機制。并引入了一種新的F-F作用力，綜合比較了它與傳統(tǒng)的電荷作用力和疏水作用力在PFOS去除過程中所發(fā)揮的作用。論文第二部分闡述了組合化學(xué)對一種治療非小細(xì)胞肺癌先導(dǎo)化合物多藥效參數(shù)的快速優(yōu)化策略。展現(xiàn)了組合化學(xué)和高通量篩選的高效性，實用性等特點。
　　環(huán)境的破壞與修復(fù)是目前社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。對現(xiàn)有的環(huán)境污染物進(jìn)行徹底的清除是環(huán)境修復(fù)過程中重要的一環(huán)。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在

3、2009年對《持久性有機污染物名錄》進(jìn)行了重新修訂，具有8個碳鏈長度的全氟類化合物PFOS/A被列為可持續(xù)性有機污染物。但是在此前，PFOS和其前驅(qū)物質(zhì)已經(jīng)生產(chǎn)了有半個世紀(jì)之久，已經(jīng)有大量的PFOS進(jìn)入環(huán)境乃至各種生物體內(nèi)，且PFOS極其穩(wěn)定，所以PFOS的污染問題一直在持續(xù)著。由于其穩(wěn)定性和生物累積性，在全球很多自然的開放水域都檢測出PFOS的存在。不光是在開放的水域中，在人的食物飲品甚至人體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了PFOS的存在。PFOS在體內(nèi)的

4、累積會引起一些顯著性的毒性包括:抑制免疫系，影響線粒體代謝，肝細(xì)胞和生殖細(xì)胞損傷，降低繁殖與生育能力，影響胎兒的晚期發(fā)育，改變基因表達(dá)，酶活性干擾，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，改變甲狀腺功能等等。由于PFOS極強的穩(wěn)定性，常用的用來處理污染物的簡單氧化還原和微生物降解等方法是不能有效的去除PFOS的。
　　疾病的發(fā)生與治療則是人類可持續(xù)發(fā)展的重要因素，其中對各種疾病治療藥物的先導(dǎo)物優(yōu)化是關(guān)鍵步驟。先導(dǎo)化合物(Lead Compound)是一種

5、從大量的候選化合物中經(jīng)過特定的生物篩選，發(fā)現(xiàn)和選定的具備某種藥物活性的新型化合物。其特點是:具備新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行衍生化并存在改變結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展的潛力，可被用作研究模型，并且經(jīng)過一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以開發(fā)出受專利保護的新藥品種。新藥研發(fā)中的第一步往往就是先導(dǎo)化合物的確定。先導(dǎo)化合物一旦被確定下來，就要進(jìn)入下一步的優(yōu)化階段。優(yōu)化先導(dǎo)化合物的主要步驟有:1）根據(jù)藥物化學(xué)原理提升先導(dǎo)化合物的靶點專一性;提升先導(dǎo)化合物的生物可以利用性，同時

6、優(yōu)化藥物動力性能;進(jìn)行臨床前藥物試驗。由于先導(dǎo)化合物的自身特點，在其被選擇出來之后往往存在著某一或某些缺陷的，比如活性達(dá)不到成藥要求，毒性較大導(dǎo)致副作用，靶點的選擇性不好，藥代動力學(xué)性質(zhì)不理想等等。通過一系列的化學(xué)修飾對先導(dǎo)化合物進(jìn)行改造，才能使其成為最終理想的藥物。
　　本論文共分為兩個部分:第一部分為采用組合化學(xué)的方法設(shè)計合成一個功能化金納米顆粒庫，對PFOS分子去除機制進(jìn)行研究，第二部分是采用組合化學(xué)方法對抗癌先導(dǎo)化合物噻唑

7、烷酮的水溶性和抗癌活性進(jìn)行優(yōu)化。
　　第一部分功能化金納米顆粒庫對PFOS分子去除機制的研究
　　由于PFOS對生態(tài)環(huán)境和生物的影響，其原位檢測技術(shù)和痕量去除方法的開發(fā)勢在必行。而為了實現(xiàn)這兩項任務(wù)，我們需要深入探索PFOS分子與吸附劑分子之間相互作用的一些基本原理。本研究中，我們采用組合化學(xué)方法設(shè)計合成了一個功能化的金納米顆粒庫，以此作為一個研究PFOS分子與吸附劑分子之間作用力的平臺。通過對兩者的分子作用機制的了解可以有

8、效的幫助設(shè)計具有原位分析功能的納米探針和高吸附效率的可以用來除去痕量級別PFOS的納米材料。為了實現(xiàn)這一目的我們首次引入了F-F作用力與靜電作用相結(jié)合的方法來吸附去除PFOS分子。通過實驗得出，F(xiàn)-F作用力在PFOS的去除過程中相比疏水作用，可以表現(xiàn)出更強的作用力。通過設(shè)計一個雙配體修飾的金納米顆粒，采用硫辛酸作為小分子與金納米顆粒的連接劑，將兩種不同功能的小分子配體修飾到金納米顆粒的表面，其中一種是以氨基作為末端，在一定pH條件下氨基

9、可以質(zhì)子化帶正電荷，在吸附過程中與PFOS分子的磺酸基負(fù)電端發(fā)生電荷作用力。另一種配體則是通過對氨基苯甲酸將全氟烷烴與硫辛酸連接，在吸附過程中主要與PFOS分子的全氟端發(fā)生F-F作用力。
　　通過組合化學(xué)合成的方法得到了18種功能化的金納米顆粒，分別進(jìn)行了TEM、DLS、Zeta potential和表面配體上載量等一系列表征，確保功能化金納米顆粒的有效合成。并對一定初始濃度的PFOS模擬廢液進(jìn)行吸附篩選實驗，通過不同pH條件下的

10、吸附篩選，得到金納米顆粒表面小分子與PFOS分子吸附作用力的拆分模型，對電荷作用力、疏水作用力和F-F作用力三種作用力的大小進(jìn)行分析得出，F(xiàn)-F作用是一種強于疏水作用的作用力，同時在一定的全氟烷烴鏈長度下，其作用力大小是電荷作用力的4倍。可以在PFOS的吸附過程中發(fā)揮重要作用。
　　選取兩種功能化的金納米顆粒進(jìn)行熱力學(xué)和動力學(xué)吸附實驗得出，PFOS在金納米顆粒表面的吸附更符合Freundlich單分子吸附層模型，其相關(guān)系數(shù)大于0.

11、95。動力學(xué)模型實驗得出kelectro＞kf-f＞khydro，靜電吸附力的發(fā)生速率遠(yuǎn)高于F-F作用力，而F-F作用力的速率常數(shù)是疏水作用力的3倍。
　　該研究結(jié)果闡述了在吸附劑與PFOS分子作用過程中廣泛存在的兩種作用力:靜電作用力和疏水作用力與本研究中首次引入的F-F作用力的大小比較，得出F-F作用力作為一種非共價作用力可以在PFOS的去除過程中產(chǎn)生較為穩(wěn)定的吸附作用，有助于設(shè)計具有原位分析功能的納米探針和高吸附效率的可以用

12、來除去痕量級別PFOS的納米材料。
　　第二部分抗癌先導(dǎo)化合物噻唑烷酮的水溶性和活性的優(yōu)化
　　由于其持續(xù)較低的存活率，肺癌仍然被公認(rèn)為全球最有威脅的癌癥之一。肺癌的治療藥物尤其是非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)的治療藥物的研發(fā)仍然是迫在眉睫。實驗室先前報道過一系列噻唑烷酮類化合物可以靶向微管蛋白和熱動蛋白來達(dá)到殺死肺癌細(xì)胞的作用。這些化合物對非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系(H460)和耐藥性非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系(H460TaxR)表現(xiàn)出良好的

13、抑制效應(yīng)，其半數(shù)有效濃度(EC50)值在1μM左右，同時對人正常纖維細(xì)胞表現(xiàn)出較低的毒性(EC50＞100μM)。然而這些化合物在水中的溶解度較低限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。溶解度是一個化合物是否可以成為候選藥物的必要條件。溶解度較差的先導(dǎo)化合物不僅會在體外或體內(nèi)實驗中帶來麻煩，還會成為該種先導(dǎo)化合物最終成藥的負(fù)擔(dān)。為了優(yōu)化先導(dǎo)化合物，急需開發(fā)一種可以快速有效的對多藥效參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的方法。
　　本論文通過組合化學(xué)設(shè)計合成了一個可以對噻唑

14、烷酮化合物水溶性和抗癌活性同時優(yōu)化的化合物庫。首先以噻唑烷酮環(huán)為母環(huán)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對原有的可變基團進(jìn)行親水性基團的替代，得到一個具有25種不同結(jié)構(gòu)的化合物庫，經(jīng)過水溶性和抗癌活性的初步篩選發(fā)現(xiàn)，有3種化合物的水溶性得到了提升，但是由于改變了其活性基團，造成了抗癌活性的下降，而篩選得到的具有抗癌活性的7種化合物的水溶性沒有得到提升。第二輪設(shè)計中，在原有化合物中尋找到一個新的可變修飾位點，合成得到10種化合物，經(jīng)過水溶性和抗癌活性的篩選，發(fā)

15、現(xiàn)該位點的甲基取代可以顯著地提升化合物整體的水溶性，同時得到了3種具有抗癌活性的化合物，通過對兩輪篩選中具有抗癌活性的10種化合物的藥效團模擬得出，活性化合物共同特征為具有兩個氫鍵受體區(qū)和三個疏水區(qū)域，與之前結(jié)論相吻合。同時對所得的活性化合物的抗癌活性進(jìn)一步分析，根據(jù)濃度依賴實驗得出其抗癌活性相比之前的化合物有了10倍的提升，同時其水溶性也得到了5倍的提升。
　　最終通過兩輪篩選得到一種化合物具有5倍的水溶性增加和10倍的抗癌活性