微小的玻璃珠竟在化學(xué)合成有如此威力!
在化學(xué)研究當(dāng)中，研究人員能完成的實(shí)驗(yàn)愈多，愈能增加發(fā)現(xiàn)新型反應(yīng)的機(jī)會(huì)。高通量反應(yīng)篩選可以對(duì)大量的反應(yīng)條件進(jìn)行快速的研究，從眾多的反應(yīng)條件中篩選出最優(yōu)的組合，而且通過(guò)將反應(yīng)規(guī)模最小化，以減少高價(jià)值中間體的消耗，是合成方法開(kāi)發(fā)很重要的部分。
然而，當(dāng)反應(yīng)規(guī)模小至納摩爾級(jí)別時(shí)，如何有效地準(zhǔn)確分配各種毫克級(jí)或亞毫克級(jí)的固體化學(xué)試劑就成為關(guān)鍵。由于缺乏合適的技術(shù)來(lái)有效處理反應(yīng)小型化，高通量反應(yīng)篩選的研究一直受到阻礙。
針對(duì)這個(gè)難題，制藥企業(yè)艾伯維 (AbbVie) 公司及其高通量化學(xué)組研究團(tuán)隊(duì)，較早前在 Angew. Chem. Int. Ed. 發(fā)表了一篇文章，創(chuàng)造性地發(fā)明了?ChemBeads (化學(xué)玻璃珠) 技術(shù)，解決在微量反應(yīng)規(guī)模下的高通量反應(yīng)條件篩選問(wèn)題。再配合自動(dòng)化的研發(fā)平臺(tái)，加速完成高通量反應(yīng)條件篩選，這種推陳出新的想法解決了微量固體試劑加樣的問(wèn)題，同時(shí)亦大大提升實(shí)驗(yàn)的成功率，研究人員可以更高效地篩選最優(yōu)的反應(yīng)條件。
ChemBeads (化學(xué)玻璃珠) 技術(shù)的誕生
在藥物開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，AbbVie 研究團(tuán)隊(duì)要從數(shù)千個(gè)合成的化學(xué)分子中篩選出合適的候選分子再進(jìn)行研究，更要面對(duì)在亞毫克規(guī)模下準(zhǔn)備數(shù)百個(gè)固體樣品，因此必須從這些瓶頸中找出新突破，以克服微量固體化學(xué)試劑精確稱(chēng)量及分配的問(wèn)題。
研究人員借鑒了制藥行業(yè)常用的干粉涂層技術(shù)，將小的粒子與較大的主粒子 (10 – 100 倍) 混合，并施加機(jī)械外力強(qiáng)化混合效果，最終使小粒子通過(guò)分子間作用力粘附在大主粒子表面。
在評(píng)估了幾種材料后，研究人員最后因玻璃珠具有好的流動(dòng)性、化學(xué)惰性，以及規(guī)則圓形的光滑表面等優(yōu)點(diǎn)，有利試劑分布均勻，所以選用了玻璃珠作為載體，負(fù)載不同的固體試劑。
研究人員更通過(guò)超聲處理將玻璃珠與固體試劑混合，這些攜帶試劑的玻璃珠 (ChemBeads) 直徑約 250 微米，化學(xué)試劑僅占其質(zhì)量的 1% – 20%，通過(guò)玻璃珠放大試劑的體積，利于日常稱(chēng)量操作，重量能較準(zhǔn)確地控制，可用于分配極微量的試劑，誤差可以控制在 ±10% 以?xún)?nèi)，足夠應(yīng)付篩選反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，測(cè)試證明玻璃珠可負(fù)載超過(guò) 300 種不同固體試劑，當(dāng)中包括對(duì)空氣或水分敏感的化學(xué)試劑。在穩(wěn)定性方面，更可保持穩(wěn)定 18 個(gè)月以上。?
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配合自動(dòng)化分配技術(shù)
2 - 3 天即有篩選結(jié)果
據(jù) AbbVie 研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員之一 Noah P. Tu 先生表示:
” 到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)用這種干粉涂層技術(shù)制造了 450 多種不同的化學(xué)玻璃珠樣品，所有玻璃珠樣品都具有非常好的固體特性，并且可以使用像 Chemspeed 這樣的固體分配機(jī)器人以高精度進(jìn)行分配。通過(guò)使用化學(xué)玻璃珠技術(shù)，全自動(dòng)機(jī)器人可以自動(dòng)化制備篩選多孔板，而且是以亞毫克級(jí)別分配不同的化學(xué)試劑，在無(wú)人值守的情況下，機(jī)器人可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成試驗(yàn)任務(wù)，甚至在 2 ?– 3 天內(nèi)，我們便可以將篩選結(jié)果反饋給我們的同事。傳統(tǒng)篩選過(guò)程通常需要數(shù)周時(shí)間，與之相比，這是非常高效的。”
在 AbbVie 這個(gè)案例中，研究團(tuán)隊(duì)亦將 ChemBeads 應(yīng)用于高通量偶聯(lián)篩選反應(yīng)中，以化學(xué)玻璃珠作為載體，配合自動(dòng)化研發(fā)平臺(tái) – Chemspeed SWAVE 及 Chemspeed ISYNTH，并利用自動(dòng)化固體稱(chēng)重分配工具 SDU / GDU-Pfd，精準(zhǔn)的將目標(biāo)量的 ChemBeads 轉(zhuǎn)移到目標(biāo)反應(yīng)小瓶中，以制備篩選反應(yīng)套件。在無(wú)人值守的條件下， Chemspeed 自動(dòng)化研發(fā)平臺(tái)在 1 小時(shí)內(nèi)即完成了 Suzuki-Miyaura 和 C-N 偶聯(lián)兩個(gè)篩選反應(yīng)套件，其中 Suzuki-Miyaura 包含 55 個(gè)篩選條件，68 個(gè)C-N 偶聯(lián)篩選條件。后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用和 ChemBeads 技術(shù)制備的篩選反應(yīng)套件，找到高度可行的反應(yīng)條件的成功率為 85%。
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參考資料：
1. Noah P. Tu, Amanda W. Dombrowski, Gashaw M. Goshu, Anil Vasudevan, Stevan W. Djuric, and Ying Wang, High‐Throughput Reaction Screening with Nanomoles of Solid Reagents Coated on Glass Bead, oah P. Tu, Amanda W. Dombrowski, Gashaw M. Goshu, Anil Vasudevan, Stevan W. Djuric, and Ying WangAngew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7987-7991, DOI: 10.1002/anie.201900536.
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201900536
2. M. Cynthia Martin, Gashaw M. Goshu, Jeffery R. Hartnell, Collin D. Morris, Ying Wang and Noah, Versatile Methods to Dispense Sub-Milligram Quantities of Solids using Chemical Coated Beads for High-Throughput Experimentation, P. Tu, Organic. Process Research &.Development 2019, 23, 9, 1900–1907.