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Kombinatorisches Wirkstoffdesign

Identifikation der bioaktiven Chargen einer Substanzbibliothek

Je umfangreicher eine Substanzbibliothek wird, desto schwieriger wird die Bestimmung, welche Verbindungen für eine nachgewiesene biologische Aktivität verantwortlich sind. Bei der bereits beschriebenen one bead-one compound-Technik liegt in den Polymerkügelchen zwar jeweils nur eine einzige Verbindung vor, man weiß jedoch nicht, um welche es sich handelt. Falls es sich um eine Peptid-Bibliothek handelt, ist dieses Problem noch vergleichsweise einfach zu lösen: Man bedient sich der Mikrosequenzierung nach dem Edman-Abbau. Bei DNA- oder auch RNA-Polymeren werden verschiedene Formen der Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) eingesetzt, die zu einer Multiplikation und Anreicherung des codierenden DNA-Strangs führt. Für die Identifikation der aktiven Bestandteile organischer Molekülbibliotheken kommen vor allem Dekonvolutions- und Etikettier- bzw. Markier-Methoden (deconvolation and labeling/tagging methods) zum Einsatz.

Abb.1
Methoden zur Dekonvolution (Entschlüsselung, Entfaltung) aktiver Bestandteile von Festphasenbibliotheken

Methoden zur Dekonvolution (Entschlüsselung, Entfaltung) aktiver Bestandteile von Festphasenbibliotheken: A. Iterative Dekonvolution: Das Kernmolekül kann an vier Stellen R1 - R4 mit jeweils vier verschiedenen Resten substituiert werden. Zunächst wird das Gesamtgemisch auf biologische Aktivität überprüft. Daraus ergibt sich die optimale Substitution an Position 1. In einer Synthese wird nur diese Charge weiterverwendet und bei der Bestimmung der optimalen Substitution von Position 2 eingesetzt. Nacheinander werden die jeweils aktivsten Substituenten an jeder Position und damit die optimale Konfiguration bestimmt. B. Bei der positional scanning Dekonvolution wird jede Position separat untersucht und erst am Ende das Komposit erzeugt.

Die Dekonvolutions-Methoden fassen die Verbindungen einer Substanzbibliothek mathematisch in Gruppen zusammen (pooling) und berechnen daraus die wahrscheinlichsten Kandidaten für eine biologische Wirkung. Zur endgültigen Isolierung der aktiven Substanzen sind mehr oder weniger viele Synthesen notwendig. Die Markier- oder Etikettier-Methoden bedienen sich chemischer oder physikalischer Eigenschaften inerter Marker oder Etiketten, die den Polymer-Trägern hinzugefügt werden. Die chemischen oder molekularen tags erzeugen über eine individuelle Anordnung am Trägerpolymer, einen so genannten chemischen Binärcode, der jede Substanz eindeutig markiert. Der Code kann beispielsweise mit Hilfe einer Kapillar-Gaschromatographie (GC) ausgelesen und die Substanz identifiziert werden. Leider ist es nicht einfach, wirklich inerte chemische Marker zu erstellen.

Abb.2
Beispiel für molekulare tags

Beispiel für molekulare tags, die bei der Synthese der Bibliothek einen eindeutigen Binärcode erzeugen. Durch die Variation der Länge der Kohlenwasserstoff-Kette (N = 1-10) sowie 3 verschiedener aromatischer Elektrophore (A-C) konnten mehr als 20 Substanzen dargestellt und über kapillare GC in Konzentrationen < 1 pmol nachgewiesen werden. Nach Ohlmeyer et al., 1993.

Seit 1995 sind daher elektronische tags im Einsatz. Hierbei erhält entweder ein Gruppe oder sogar jedes individuelle Polymerkügelchen ein Etikett (ID) in Form eines Mikrochips. Während der meist im split-and-pool-Verfahren durchgeführten Synthese wird die ID jedes Reaktionspartners mittels eines Radiosignals einem Mikrochip hinzugefügt. Nachdem alle Reaktionsblöcke addiert wurden, enthalten die Mikrochips den vollständigen Syntheseweg jeder Verbindung der Substanzbibliothek. Da jeder Chip auf eine andere Wellenlänge des Radiosignals reagiert, können alle Produkte sofort identifiziert werden.

Abb.3
Radiofrequenz-Tags
Vorlage von Dr. Hans Briem (ehem. Uni Bremen).

Hinweis: Die Abbildung ist als Schaltfläche definiert, ein einfacher Mausklick öffnet die Animation eines Radiofrequenz-tags-unterstützten split-and-pool-Syntheseverfahrens.

Literatur

Ohlmeyer, M. H.; Swanson, R. N.; Dillard, L. W.; Reader, J. C.; Asouline, G.; Kobayashi, R.; Wigler, M.; Still, W. C. (1993): Complex synthetic chemical libraries indexed with molecular tags. In: Proc Natl Acad Sci USA. 90 , 10922-10926

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