Articles

den utvecklande rollen av naturliga produkter från de tropiska regnskogarna som en påfyllningsbar källa till nya läkemedel leder

annons

moderna tillvägagångssätt i läkemedelsupptäckt från naturliga produkter

ankomsten av nya tekniker i masspektrometri, NMR och andra spektroskopiska tekniker, bimolekylärt mål eller cellbaserad screening, tidig träffkarakterisering och användningen av beräkningsmetoder har förbättrat effekterna av naturliga produkter i HTS-baserad läkemedelsupptäckt . Naturliga produktextrakt innehåller ofta ett stort antal beståndsdelar innefattande de, som är svåra att separera. De otvetydiga strukturerna av rena föreningar kan bestämmas genom kombinationen av konventionella tekniker som ultraviolett absorptionsspektroskopi (UV), IR, MS och NMR. I sällsynta fall, där det är svårt att bestämma den absoluta konfigurationen, används enkelkristallröntgenanalysen. De konventionella separationsteknikerna är tidskrävande och tröttsamma. Den direkta avstavningen av en skicklig separationsteknik med effektiva spektroskopiska tekniker såsom HPLC-FTIR kan användas för att stödja dereplikationsprocessen . HPLC-FTIR har använts för att detektera funktionella grupper i huvudbeståndsdelar i blandningar men har inte funnit omfattande tillämpning på grund av begränsningar i Kompatibilitet; dvs. uppnå optimal separation åtföljd av adekvat detektering .

en av de nya teknikerna inom läkemedelsupptäckt från naturliga produkter är användningen av kapillärelektrofores (CE) i screeningprogram som först utvecklades av Cetek Corporation och Cubist. Analysen kan identifiera aktiva naturliga produktföreningar / extrakt och genom att detektera någon förändring i proteinet när en ligand binder till den på grund av konformations-och ytladdningsförändringar. CE-tekniken kan skilja mellan svaga och starka bindningsföreningar i extrakt före bestämning av deras koncentration . Denna teknik har tillämpats på Ceteks interna läkemedelsupptäcktsprogram för att hitta nya naturliga produktföreningar som hämmar cancermålet, HSP90, ett molekylärt chaperonin som är ansvarigt för att upprätthålla korrekt vikning och stabilitet av proteiner . Ett annat intressant exempel som nyligen rapporterades av Wang, et al.visade att en CE-metod i samband med vätskekromatografi-tandem masspektrometri (LC-MS/MS) har framgångsrikt tillämpats vid screening av växtextrakt, framgångsrikt identifierat en naturlig förening som kallas baicalin från Radix scutellariasom en ny proteinkinas en hämmare . I en annan separat studie, Zhao och Chen, utvecklat en enkel och effektiv neuraminidas-immobiliserad kapillär mikroreaktor facbricated av glutaraldehyd tvärbindningsteknik för screening av neuraminidashämmare från traditionella kinesiska läkemedel. Sex av arton naturliga produkter inklusive bavachinin, bavachin, baicalein, baicalin, chrysin och vitexin har hittats som potenta hämmare från screeningen. Några viktiga aspekter av CE som förtjänar ett erkännande i detta kapitel är dess användarvänlighet, mångsidighet och högupplösta separationskomponenter, hög separationseffektivitet och dess låga mängd prov-och reagensförbrukning.

Flödesinjektionsanalys-NMR (FIA-NMR) omfattar ett prov som injiceras som en plugg i en vätskeström och sedan sveps in i NMR-detektorspolen. I en FIA-NMR används den mobila fasen som ett hydrauliskt trycklösningsmedel som överför det injicerade provet från injektorporten till NMR-flödescellen. Scout-skanningen som används för att bestämma placeringen av lösningsmedelstopparna erhålls av spektrometern när pumpen stannar. Slutligen skickas en signal till lösningsmedelspumpen så att det gamla provet från NMR-flödescellen kan spolas ut . HPLC-NMR-MS är en ny och mest avancerad spektrometrisk metod som används vid avreplikation av naturliga produktextrakt . Trots att den är den mest effektiva metoden är fördelen med ovanstående bindestreckmetodik matchningen av MS-data till NMR-spektrumet. Dessutom informationen om de funktionella grupperna (t. ex., hydroxyl-och aminodelar) som levereras av HPLC-NMR identifieras lätt med MS-tekniker. Tillkomsten av högre fält magneter och cryo sonder hade visat HPLC-NMR att vara en stark och effektiv spektroskopiskt instrument och tillämpas på de råa extrakt (NMR och UV-profil från PDA HPLC detektion). Det finns en signifikant förbättring i profilering känslighet och de-replikation av naturliga produkter på grund av utnyttjandet av högre fält magneter och den senaste utvecklingen av mikro spole HPLC-NMR och kapillär NMR (CapNMR) som har gjort det möjligt för mindre mängder av prover som skall undersökas i storleksordningen 40-120 oc . Mikrospolen HPLC-NMR är bäst lämpad för online HPLC-NMR som använder on-flöde , stoppflöde eller tidstjusteringsexperiment för att separera komponenter som finns i större koncentrationer och analyserar detsamma , medan kapillär NMR använder de icke-deutererade lösningsmedlen i en off-line HPLC-separation och därmed erbjuder ett brett utbud av lösningsmedel med låg kostnad. De isolerade föreningarna löses upp igen i deutererade lösningsmedel och injiceras sedan i CapNMR-flödessonden med användning av volymer på cirka 6 oc med 1H-NMR-spektra förvärvade för provmängder i storleksordningen 2-30 oc, vilket ökar känsligheten med utsikter att klassificera de nya sekundära metaboliterna på låg nivå .

förutom ovanstående är informationen erhållen från 1D-och 2D NMR-spektra tillräcklig för att klassificera föreningarna utöver tillhandahållandet av en ’high-fidelity’ ögonblicksbild av beståndsdelarna i extraktet, vilket ger den information som banar väg för rationella beslut om toppmetoden för fraktionering eller för att fortsätta med isolering ytterligare. Många nya publikationer har rapporterats med hjälp av detta tillvägagångssätt .Tekniken och användningen av HPLC-NMR i identifiering/klassificering av naturliga produkter är välkänd i litteraturen, men tillämpningar av dess användningsområden har huvudsakligen endast behandlat kemisk profilering av växter . Många lägen av HPLC-NMR (mestadels on-flow och stop-flow-lägen) kombinerar upplösningskraften för kromatografi, som är kopplad till den strukturella förståelsen som tillhandahålls av NMR. Det reduktionistiska tillvägagångssättet har inte varit särskilt framgångsrikt för att upptäcka effektiva läkemedel för att behandla komplexa sjukdomar, såsom cancer, metaboliska, kardiovaskulära och neurologiska sjukdomar. Enstaka läkemedel kan inte alltid inducera den önskade effekten för hela det biologiska systemet även om de framgångsrikt hämmar eller aktiverar ett specifikt mål.Det finns begränsningar i användningen av reduktionistisk eller mono-target-tillvägagångssätt vid läkemedelsupptäckt. Tillvägagångssättet ger endast en begränsad förståelse för komplicerad patogenes och multimålpatologier av systemiska sjukdomar som cancer, hjärt-kärlsjukdomar och neurodegenerativa störningar. Det är svårt att identifiera relevanta insatser för att rikta sådana komplexiteter. Bullet-baserade eller mono-target läkemedelsintervention kan inte effektivt bekämpa komplexa patologier av systemiska sjukdomar eftersom de regleras av komplexa biologiska nätverk och beror på flera steg av genetiska och miljömässiga utmaningar för framsteg. Nyligen finns det ett växande intresse att använda innovativa metoder för läkemedelsupptäckt från naturliga produkter av nätverksfarmakologi som integrerar systembiologi och farmakologi . Det integrerade tvärvetenskapliga konceptet med flera mål, flera effekter och komplexa sjukdomar i nätverksfarmakologi har berikat vår förståelse för komplicerad patogenes och multi-target patologier av systemiska sjukdomar och minskad svårighet att identifiera relevanta ingrepp för att rikta sådana komplexiteter. ’- Omic ’ – teknologierna i systembiologi har nu använts i stor utsträckning för att korrelera och belysa flera mål och nätverk av mänskliga sjukdomar och läkemedelsåtgärder . Begreppet nätverksfarmakologi är särskilt användbart för att korrekt översätta och tolka de terapeutiska effekterna av växtbaserade läkemedel till moderna biokemiska och biologiska betydelser. Växtbaserade läkemedel kan fungera som värdefulla resurser för nätverksbaserad läkemedelsupptäckt med flera mål. Begreppet nätverksfarmakologi är särskilt användbart för att korrekt översätta och tolka de terapeutiska effekterna av växtbaserade läkemedel till moderna biokemiska och biologiska betydelser. Effekten av multi-target-läkemedlen från växtbaserade extrakt utvecklas följt av identifiering av deras huvudsakliga bioaktiva komponenter och ombyggnad av en helt ny flerkomponentformuleringar bestående av de viktigaste bioaktiva komponenterna för att nå en synergistisk och optimal kombination .

att kombinera naturproduktkemi och metabolomics tillvägagångssätt vid läkemedelsupptäckt är en ny strategi för att upptäcka nya droger. Det finns få rapporter i den vetenskapliga litteraturen, som diskuterar unison av klassisk naturprodukt Kemi metoder med metabolomics att identifiera nya bioaktiva naturliga produkter. Dessa har i allmänhet fokuserat på studier av växter . Identifiering av bioaktiva naturprodukter från växter är fortfarande en mångfacetterad uppgift på grund av deras höga kemiska mångfald och komplexitet. Genom att mäta metabolomen av olika extrakt eller fraktioner av en växt och kombinera dessa data med dess motsvarande biologiska aktivitet kan signaler relaterade till föreningarna relaterade till den visade aktiviteten potentiellt bestämmas. Systembiologi är ett mest lovande fält som omfattar verktyg i postgenomikrevolutionen, såsom transkript omics, proteomics, glycomics och fluxomics med avsikt att karakterisera alla gen-och cellprodukter helt inklusive mRNA, proteiner, glykanstrukturer och metaboliter. Metabolomics syftar till att konstruera balanserade observationer med hjälp av mycket reproducerbara verktyg följt av analys av data för att lokalisera korrelationerna mellan tillgängliga data. Profilering av alla lågmolekylära metaboliter av en organism är inte möjligt och därmed detta framväxande område av metabolomics kombinerar analytisk kemi, biokemi och beräkningsbiologi tillåter analys av tusentals metaboliter i alla biologiska system. De huvudsakliga analytiska plattformarna är masspektrometri med gaskromatografi (MS-GC), vätskekromatografi (LC) eller kapillärelektrofores (CE) och NMR-spektroskopi. Ett balanserat extraktionsförfarande för att effektivt extrahera alla primära och sekundära metaboliter från vävnader och kroppsvätskor används för att erhålla dem i naturlig form före analysen i de olika lösningsmedlen som används. Metabolitextraktionsprocedurerna är mer komplicerade och komplexa på grund av den diversifierade naturen hos små molekyler närvarande och på grund av otillgängligheten av en enda analytisk teknik och plattform som hjälper till att analysera alla metaboliter samtidigt. Flera separationstekniker och metoder måste tillämpas för att uppnå fullständig analys av metaboliterna . Samtidig analys av hundratals föreningar uppnås genom olika verktyg inom informatik som extraherar information från data, tar bort bakgrundsbrus, detektering och integration av toppar i stora datamängder och normaliserar och omvandlar de resulterande datamatriserna före någon statistisk analys . Metabolomics har en begränsad tillgång till förmågan att identifiera signalerna med avseende på den kemiska naturen. Cirka 60 till 80% av alla upptäckta föreningar är okända även idag och den metaboliska disciplinen har skapat en stor massa spektral NMR-bibliotek för att ta itu med detta problem. Dessa okända sekundära metabolit strukturer kan vara en bland de oupptäckta resurser naturliga produkter, fingeravtryck, fot utskrift, profilering eller mål analyser är vanliga termer som används inom detta område. Fingeravtryck syftar till att ta en ögonblicksbild av organismen där signalerna inte nödvändigtvis kan användas för att detektera/identifiera specifika metaboliter och beror starkt på vilken teknik som används. Signalerna tilldelas en metabolit oberoende av dess natur för att vara en känd eller en ny förening. Termen målanalys syftar till att bestämma och kvantifiera en specifik metabolit av intresse .

mikroarrayen är en ny teknik som nyligen utvecklats som har bemyndigat det vetenskapliga samfundet att förstå de grundläggande aspekterna som understryker livets tillväxt och utveckling samt att utforska de genetiska orsakerna till anomalier som uppstår i människokroppens funktion.DNA-mikroarrayteknologi kan analysera och jämföra förändringar i DNA eller protein. En kromosomförändring hos en onormal individ kan identifieras när DNA från denna individ jämförs med DNA (kontroll) från en frisk individ. Det är mycket exakt och användbart genom att det kan upptäcka mycket mindre förändringar jämfört med konventionell karyotypteknik. Denna kompetenta teknik gjorde det möjligt för oss att förstå de elementära aspekterna som understryker livets tillväxt och utveckling samt att utforska de genetiska orsakerna till anomalier som uppstår i människokroppens funktion. Mikroarrayteknologi har använts i stor utsträckning i pharmacogenomics var jämförande analys av generna från en ohälsosam och en normal cell kommer att hjälpa identifieringen av den biokemiska konstitutionen av proteinerna syntetiserade av de onormala/ohälsosamma generna. Den information som erhållits från analysen kan sedan användas för syntes och design av läkemedel som bekämpar de onormala proteinerna och minskar deras effekt .Kwon och hans kollegor har utvecklat en in vitroapproach som använder ett multienzyminnehållande mikroarraysystem för syntes med hög genomströmning av polypeptid-härledd produkt och deras efterföljande fullständiga polyketidbaserade biblioteksscreening av humant tyrosinkinas (TK), på en enda glasmikroarray. TK-hämmarna förväntas behandla kronisk myeloid leukemi, gastrointestinala stromala tumörer och bröstcancer .

ett läkemedelsupptäcktsprogram syftar till att hitta nya bioaktiva naturprodukter, som har någon form av potent biologisk aktivitet. Isoleringen av kända och oönskade naturprodukter utan farmakologiskt intresse eller kemikalie är emellertid oundviklig. Termen dereplication som är en process för att identifiera kända föreningar som är ansvariga för aktiviteten hos ett extrakt före bioassay-guidad isolering blir populär bland naturproduktforskarna . Derepliceringsstrategier involverar i allmänhet en kombination av bioanalys, separationsvetenskap, spektroskopiska metoder och databassökning och kan betraktas som kemiska eller biologiska screeningprocesser. Det finns ett antal sätt på vilka naturliga produktprogram närmar sig dereplikation, som bygger på tillgänglighet av screeningmetoder/instrumentering, tid och kostnaden för att identifiera möjliga biologiska ledningar eller nya föreningar från ett råextrakt. För närvarande finns det många avancerade metoder och protokoll som skiljer nya enheter från kända naturliga föreningar i ett tidigt skede av ett läkemedelsupptäcktsprogram eller i en naturlig produktisoleringsstrategi . Dereplikationsprocessen kan enkelt göras genom att screena föreningarna genom de kommersiellt tillgängliga databaserna, vilket minskar den tid det tar för strukturförklaring av kända föreningar. Ett exempel är Chapman och Hall Dictionary of Natural Products; Dictionary of Marine Natural Products (on-line) (delmängd av Dictionary of Natural Products) som innehåller över 30 000 föreningar; MarinLit-databasen för marina naturprodukter som innehåller uppdaterade bibliografiska data om marina organismer med antalet referenser från 1 200 tidskrifter / böcker och data för ~21 000 föreningar ; AntiMarin är en nyare databas, där antalet metylgrupper, antalet sp3-hybridiserade metylen-eller metinprotoner, Alken -, acetal -, eter-och formylgrupper kan sökas . Dessutom SciFinder Scholar och SCOPUS är viktiga forsknings upptäckt verktyg (Chemical Abstracts on-line) och NAPRALERTTM är en databas med alla naturliga produkter, inklusive etnomedicinsk information, farmakologisk/biokemisk information om extrakt av organismer in vitro, in situ, in vivo, hos människor (fallrapporter, icke-kliniska prövningar) och kliniska studier . Tillgången till dessa vetenskapliga databaser som de som nämns för forskning och akademiska institutioner är ett grundläggande och avgörande steg i ett välreglerat naturproduktprogram. Med ökningen av antalet nya läkemedelsmål har beräkningsmetoder som virtuell screening med hög genomströmning, liganddockningsverktyg, ADME (absorption, distribution, metabolism och utsöndring) profilering och andra moderna beräkningsverktyg och programvaror tillämpats för att påskynda läkemedelsupptäcktsprocessen. Några av de gemensamma naturprodukter bibliotek och databaser som anges nedan tillåter snabb screening av stort antal naturliga föreningar som skall göras på kort tid mot en mängd olika läkemedelsmål. Ordbok av naturliga produkter (http://dnp.chemnetbase.com/intro/index.jsp); UCSD Marina naturliga produkter Databas (http://naturalprod.ucsd.edu/); naturliga produkter Alert (http://napralert.org/); zink (http://zinc.docking.org/browse/catalogs/natural-products); InterBioScreen (http://www.ibscreen.com/products.shtml); AnalytiCon Discovery (http://www.ac-discovery.com/); Molecular Diversity Preservation International (http://www.mdpi.org/). Datorgenererade modeller av proteiner inklusive nya enzym-och receptormål bortsett från proteinkristallstrukturerna som deponeras i Proteindatabank (http://www.pdb.org/) kan enkelt genereras genom homologimodellering följt av enkel molekylär dockning för att undersöka interaktionerna mellan de naturliga föreningarna och proteinmålen. Bioassays kan sedan genomföras selektivt på de naturliga träffar eller leder hämtas utan neccesities att slösa den dyrbara mängden av föreningarna och undvika dyra och tidskrävande experimentella metoder. Exempel på molekylära dockningsprogramvaror som för närvarande finns tillgängliga är AutoDock, AutoDockVina, FlexX, FRED, GOLD, eHiTS och Lead finders. Några exempel med virtuell screening med hög genomströmning inklusive Wang et al. där tio naturliga föreningar framgångsrikt har identifierats som flacipain-2 (FP-2) – hämmare och Liu et al. who har identifierat en naturlig produktliknande STAT3-dimeriseringshämmare genom strukturbaserad virtuell screening .

andra bioinformatikverktyg som ligand och strukturbaserad farmakofor screening har också rapporterats vara framgångsrika för att hjälpa processen med läkemedelsupptäckt från naturliga produkter. Chen et al. har föreslagit en tredimensionell kvantitativ struktur-aktivitetsförhållande farmakoformodell baserad på kända mTOR-hämmare. Virtuell screening med den bästa farmakoformodellen hämtade framgångsrikt 20 naturliga produkter som potentiella mTOR-hämmare. Det är också viktigt att nämna här att från den tidigare studien av Doman visade att av 365 molekyler som föreslogs genom dockning hämmade 127 (34, 8%) av dem aktiviteten av enzymproteintyrosinfosfatas-1b (PTP1B) medan endast 85 (0, 021%) av cirka 400 000 molekyler hämtades från experimentell analys med hög genomströmning. Det är cirka 1700-faldig anrikning av träfffrekvens från strukturbaserad dockning över slumpmässig screening .Å andra sidan tillåter införlivande av kemoinformatiska verktyg i läkemedelsupptäckt från naturliga produkter föreningarna att screenas för deras ADMET (absorption, distribution, metabolism, utsöndring och Toxicitet) egenskaper innan de är inskrivna i några läkemedelsutvecklingsprogram. Screening av naturliga föreningar med Pfizer ’Rule of 5’ gör det möjligt för forskarna att ta bort alla molekyler som inte följer reglerna. Eftersom dessa regler härleddes från en uppsättning experimentella observationer av tusentals kända läkemedel och läkemedelsliknande molekyler, kan en utbildad läkemedelskemist/biokemist enkelt använda in silicodata som en guide för att bestämma de potentiella läkemedelsliknande naturliga föreningarna följt av syntesen av ytterligare analoger så att de skulle ha en gynnsam läkemedelsliknande egenskaper. En bra läkemedelsliknande molekyl följer i allmänhet följande regler (i) molekylvikt 500, (ii) beräknad logP 5, (iii) antal vätebindningsgivare 5 och (iv) antal vätebindningsacceptorer 10. Införandet av in silikoscreening och naturliga produkter anläggningar för hög genomströmning screening i akademiska laboratorier samt i läkemedelsföretag minska kostnaden från slumpmässig screening av mycket stora samlingar av föreningar. I silikoor virtuell screening hjälper till att filtrera ner antalet föreningar som används i verkliga skärmar . Å andra sidan ger bioinformatiskt verktyg som Dictionary of Natural Products strukturell information om 150 000 olika föreningar som kan användas vid virtuell screening, även om föreningarna fortfarande måste vara fysiskt tillgängliga för att någon förutsagd aktivitet ska bekräftas genom testning i en relevant analys. Slutligen kan kluster av kemiskt relaterade byggnadsställningar vara mycket användbara för att styra syntesen av nya föreningar, men uppenbarligen finns det en fördröjning och kostnad i syntesen.

ett akademiskt samarbete har etablerat Drug Discovery Portal (se http:// www.ddp.strath.ac.uk/) i ett försök att kombinera teknikerna för virtuell screening av kemiskt olika naturprodukter och deras syntetiska analoger med snabb tillgänglighet av fysiska prover för testning möjliggör detta ett brett utbud av föreningar från akademiska laboratorier i många olika institutioner i en databas som kan användas för virtuell screening. Akademiska biologiska grupper föreslår också nya och nya proteinstrukturer som mål för virtuell screening med Portalens databas (och med konventionella kommersiellt tillgängliga databaser). När träffar förutses från in silikoscreening kan föreningarna erhållas från den ursprungliga kemisten för bekräftande test. Ofta finns det en omedelbar länk till expertis för beredning av analoger för att hjälpa till att starta ett blyoptimeringsprogram. Ändå är tillgången till portalen fritt tillgänglig för den akademiska gruppen. Den fortsatta expansionen av den kemiska databasen innebär att det finns en värdefull och växande täckning av kemiskt utrymme för många nya kemiska föreningar. Även om föreningarna i portalens databas i allmänhet redan har avslöjats i en avhandling eller i en kemitidskrift, har mycket få av dem tidigare testats för biologisk aktivitet. Detta är ett vanligt inslag i kända naturprodukter: av de 150 000 strukturerna i CRC-ordboken för naturprodukter har endast 1% av dem undersökts. Introduktionen av metabolomics-teknologier i naturliga produktupptäcktsprocesser kommer att vara fördelaktiga på flera nivåer. Genom att öka antalet identifieringar i våra metabolomics-data kan föreningar med nya strukturer enkelt erhållas och testas för någon sjukdom som undersöks. Vidare kommer multiparallell analys med metabolomicsteknologier också att förbättra genomströmningen av kemiska karakteriseringsprocesser av många olika arter från naturresurser. Eftersom naturliga produkt kemister har samlat en livstid av sammansatta bibliotek av aktiva och även inaktiva rena föreningar, kan dessa data användas för att konstruera masspektrala och NMR spektrala bibliotek, utan tvekan hjälpa de biologiska tolkningar av metabolomics data göras med mindre svårighet. Framstegen inom analytisk instrumentering och sofistikerad avstavning av separationstekniker med högkänsliga detektorer har möjliggjort större detektion av små molekylföreningar mätbara i biologiska system (dvs. primära och sekundära metaboliter). Dessa tekniker kan användas för att främja upptäckten av naturlig produktkemi för att identifiera potentiella nya läkemedelskandidater som kommer att hjälpa till att upprätthålla hälsan och kampen mot sjukdomar och sjukdomar. När det gäller NMR av råa extrakt kan mönster Lätt visualiseras och tolkas med hjälp av multivariat dataanalys. Detta kan utföras på ett jämförande sätt som skiljer skillnader mellan relativt liknande extrakt eller det kan kopplas till en specifik (generellt in vitro) biologisk aktivitet. I slutändan möjliggör detta konstruktionen av en komplex databas av metabolomen .

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.