組合化學(xué)在PFOS分子去除機(jī)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(jì)算機(jī)輔助、高通量篩選、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模型建立與應(yīng)用等多門(mén)學(xué)科有效結(jié)合的一門(mén)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(diǎn)，獨(dú)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(shí)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(duì)其表面功能化修飾，深入探討了PFOS分子的去除機(jī)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(guò)程中所發(fā)揮的作用。論文第二部分闡述了組合化學(xué)對(duì)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(shí)用性等特點(diǎn)。
　　環(huán)境的破壞與修復(fù)是目前社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。對(duì)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(guò)程中重要的一環(huán)。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在

3、2009年對(duì)《持久性有機(jī)污染物名錄》進(jìn)行了重新修訂，具有8個(gè)碳鏈長(zhǎng)度的全氟類化合物PFOS/A被列為可持續(xù)性有機(jī)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(gè)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(wèn)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(kāi)放水域都檢測(cè)出PFOS的存在。不光是在開(kāi)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(huì)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(qiáng)的穩(wěn)定性，常用的用來(lái)處理污染物的簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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(diǎn)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(guò)一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以開(kāi)發(fā)出受專利保護(hù)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(lái)，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(diǎn)專一性;提升先導(dǎo)化合物的生物可以利用性，同時(shí)

6、優(yōu)化藥物動(dòng)力性能;進(jìn)行臨床前藥物試驗(yàn)。由于先導(dǎo)化合物的自身特點(diǎn)，在其被選擇出來(lái)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(diǎn)的選擇性不好，藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不理想等等。通過(guò)一系列的化學(xué)修飾對(duì)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(gè)部分:第一部分為采用組合化學(xué)的方法設(shè)計(jì)合成一個(gè)功能化金納米顆粒庫(kù)，對(duì)PFOS分子去除機(jī)制進(jìn)行研究，第二部分是采用組合化學(xué)方法對(duì)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(kù)對(duì)PFOS分子去除機(jī)制的研究
　　由于PFOS對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物的影響，其原位檢測(cè)技術(shù)和痕量去除方法的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。而為了實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)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(jì)合成了一個(gè)功能化的金納米顆粒庫(kù)，以此作為一個(gè)研究PFOS分子與吸附劑分子之間作用力的平臺(tái)。通過(guò)對(duì)兩者的分子作用機(jī)制的了解可以有

8、效的幫助設(shè)計(jì)具有原位分析功能的納米探針和高吸附效率的可以用來(lái)除去痕量級(jí)別PFOS的納米材料。為了實(shí)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(lái)吸附去除PFOS分子。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，F(xiàn)-F作用力在PFOS的去除過(guò)程中相比疏水作用，可以表現(xiàn)出更強(qiáng)的作用力。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)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(guò)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(guò)對(duì)氨基苯甲酸將全氟烷烴與硫辛酸連接，在吸附過(guò)程中主要與PFOS分子的全氟端發(fā)生F-F作用力。
　　通過(guò)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(duì)一定初始濃度的PFOS模擬廢液進(jìn)行吸附篩選實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(duì)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(qiáng)于疏水作用的作用力，同時(shí)在一定的全氟烷烴鏈長(zhǎng)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(guò)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(dòng)力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jià)作用力可以在PFOS的去除過(guò)程中產(chǎn)生較為穩(wěn)定的吸附作用，有助于設(shè)計(jì)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(lái)除去痕量級(jí)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(shí)驗(yàn)室先前報(bào)道過(guò)一系列噻唑烷酮類化合物可以靶向微管蛋白和熱動(dòng)蛋白來(lái)達(dá)到殺死肺癌細(xì)胞的作用。這些化合物對(duì)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(shí)對(duì)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(gè)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(huì)在體外或體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中帶來(lái)麻煩，還會(huì)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(kāi)發(fā)一種可以快速有效的對(duì)多藥效參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的方法。
　　本論文通過(guò)組合化學(xué)設(shè)計(jì)合成了一個(gè)可以對(duì)噻唑

14、烷酮化合物水溶性和抗癌活性同時(shí)優(yōu)化的化合物庫(kù)。首先以噻唑烷酮環(huán)為母環(huán)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)原有的可變基團(tuán)進(jìn)行親水性基團(tuán)的替代，得到一個(gè)具有25種不同結(jié)構(gòu)的化合物庫(kù)，經(jīng)過(guò)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(tuán)，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(méi)有得到提升。第二輪設(shè)計(jì)中，在原有化合物中尋找到一個(gè)新的可變修飾位點(diǎn)，合成得到10種化合物，經(jīng)過(guò)水溶性和抗癌活性的篩選，發(fā)

15、現(xiàn)該位點(diǎn)的甲基取代可以顯著地提升化合物整體的水溶性，同時(shí)得到了3種具有抗癌活性的化合物，通過(guò)對(duì)兩輪篩選中具有抗癌活性的10種化合物的藥效團(tuán)模擬得出，活性化合物共同特征為具有兩個(gè)氫鍵受體區(qū)和三個(gè)疏水區(qū)域，與之前結(jié)論相吻合。同時(shí)對(duì)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(shí)驗(yàn)得出其抗癌活性相比之前的化合物有了10倍的提升，同時(shí)其水溶性也得到了5倍的提升。
　　最終通過(guò)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