nagy ÁtbocsÁtÓ kÉpessÉg Ű analitikai mÓdszerek (high throughput analytical methods)

NAGY ÁTBOCSÁTÓKÉPESSÉGŰ ANALITIKAI

MÓDSZEREK

(High Throughput Analytical Methods)

MODERN GYÓGYSZERKUTATÁS MODERN GYÓGYSZERKUTATÁS

• GÉNTECHNOLÓGIA • VALIDÁLT CÉLMOLEKULA KIVÁLASZTÁS • CÉLMOLEKULA ORIENTÁLT VEZETŐMOLEKULA

(LEAD) KERESÉS• HTS (HIGH THROUGHPUT SCREENING)• AUTOMATIZÁLÁS (ROBOTTECHNIKA) • MINIATÜRIZÁLÁS • BIOINFORMATIKA

Nagyhatékonyságú tesztelés Farmakofórmodell

3D szerkezet

QSAR, Neural Network

Term.hat.anyagok

Randomkönytárak

Hipotézis Célzott könytárak

Primér „assay”

Fokuszált könyvtárakOptimization process

Racionális hatóanyag tervezés

Vezetőmolek.

Virtuális „screening”

Optimalizált vez. molekulák

Gyógy-szer

Ismert hatóanyagmolekulák

Farmakofór modell

(Validált célmolekula))

Gyógyszerkutatási paradigma

A FEW "CLASSIC" REFERENCES IN A FEW "CLASSIC" REFERENCES IN COMBINATORIAL CHEMISTRYCOMBINATORIAL CHEMISTRY

• Use of peptide synthesis to probe viral antigens for epitopes to a resolution of a single amino acid," H.M. Geysen, R.H. Meloen, and S.J. Barteling, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 81, 3998-4002 (1984).

• "General method for the rapid solid-phase synthesis of large numbers of peptides: Specificity of antigen-antibody interactions at the level of individual amino acids," R.A. Houghten, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 82, 5131-5135 (1985).

• "General method for rapid synthesis of multicomponent peptide mixtures", A. Furka, F. Sebestyen, M. Asgedom, and G. Dibo, Int. J. Peptide Protein Res., 37, 487-493 (1991).

• "A new type of synthetic peptide library for identifying ligand-binding activity", K.S. Lam, S.E. Salmon, E.M. Hersh, V.J. Hruby, W.M. Kazmierski, and R.J. Knapp, Nature, 354, 82-84 (1991).

• "Generation and use of synthetic peptide combinatorial libraries for basic research and drug discovery", R.A. Houghten, C. Pinilla, S.E. Blondelle, J.R. Appel, C.T. Dooley, and J.H. Cuervo, Nature, 354, 84-86 (1991).

• "Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis", S. Fodor, J.L. Read, M.C. Pirrung, L. Stryer, A.T. Lu, and D. Solus, Science, 251, 767-773 (1991).

• "Diversomers: An approach to nonpeptide, non-oligomeric chemical diversity", S. Hobbs Dewitt, J.S. Kiely, C.J. Stankovic, M.C. Schroeder, D.M.R. Cody, and M.R. Pavia, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 90, 6909-6913 (1993).

• "The combinatorial synthesis and chemical and biological evaluation of a 1,4-benzodiazepine library", B.A. Bunin, M.J. Plunkett, and J.A. Ellman, Proc. Natl. Acad Sci., USA, 91, 4708-4712 (1994).

VEGYÜLETTÁRAK ANALITIKAI VIZSGÁLATAVEGYÜLETTÁRAK ANALITIKAI VIZSGÁLATA

• VEGYÜLETTÁRAK TÍPUSAI– TERMÉSZETES ANYAGOK– KOMBINÁCIÓS KÖNYVTÁRAK

• KEVERÉKEK (POOLS)• EGYEDI ANYAGOK

• ANALITIKAI PROBLÉMÁK – REAKCIÓ KÖVETÉS (MONITOROZÁS) – TISZTASÁG VIZSGÁLATA (KONCENTRÁCIÓ MEGHATÁROZÁSA)– SZERKEZET IGAZOLÁS

• KÖVETELMÉNYEK (MILYEN AZ IDEÁLIS MÓDSZER?)– EGYSZERÜ– GYORS– RONCSOLÁSMENTES– SZELEKTIV– ÉRZÉKENY– OLCSÓ

REAKCIÓ KÖVETÉSI MÓDSZEREKREAKCIÓ KÖVETÉSI MÓDSZEREK

• SZILÁRD FÁZISÚ SZINTÉZISEKNÉL (SPS)– LEHASITÁS MINDEN LÉPÉSBEN, ÉS ELLENŐRZÉS SZOKÁSOS

MÓDSZEREKKEL

– "ON-BEAD" ANALIZIS (GYANTÁN) : • MIKROANALIZIS (RONCSOLÁSOS, HALOGÉN KÉN STB.

MÉRÉSÉRE, GRAVIMETRIA)• KÉMIAI (PL. KAISER -NINHIDRINES, PIKRINSAVAS ) REAKCIÓ• NMR (MAGIC ANGLE SPINNING "MAS" TECHNIKA = SZILÁRD/GÉL

FÁZISÚ NMR)• UV SPEKTROSZKÓPIA (PL. A LEHASITOTT VÉDŐCSOPORT

(FMOC= DIBENZOFULVÉN) KVANTITATIV MÉRÉSÉRE )• FT-IR, REFLEXIÓS MÉRÉS • KVANTITATIV IR MIKROSZKÓPIA

IR MIKROSZKÓPIAIR MIKROSZKÓPIA• PROBLÉMÁK:

– GYANTASZEMCSE MÉRET (60-110 mm)– ÉRZÉKENYSÉG– SUGÁRMENET TORZULÁS (REFRAKCIÓ A LEVEGŐ-GYANTA-LEVEGŐ

HATÁRRÉTEGEN)– GYENGE SZELEKTIVITÁS A HASONLÓ FUNKCIÓS CSOPORTOKRA (PL.

SAV, ÉSZTER, ALDEHID)• MEGOLDÁS

– IR MIKROSZKÓP (BRUKER)– 0.1 mm-es HIGANY-KADMIUM-TELLURID DETEKTOR– FOLYÉKONY NITROGÉN HÜTÉSSEL– EGY GYANTASZEMCSE KBr PASZTILLÁRA HELYEZVE– AZ IR SUGARAT A GYANTASZEMCSE KÖZEPÉRE FÓKUSZÁLJÁK– DEUTERÁLT VÉDŐCSOPORTOK (BOC) ALKALMAZÁSA NÖVELI A

SZELEKTIVITÁST• DEUTERÁLT REAGENSEK KAPHATÓAK • A C-D REZGÉS 2200-2300 cm-1 -NÉL ELKÜLÖNÜLTEN LÁTSZIK A

SPEKTRUMBAN• A POLISZTIROL GYANTA ELNYELÉSÉT KI LEHET SZÜRNI

(DIFFERENCIA SPEKTRUM)

• HASZNÁLHATÓSÁG:– KVANTITATIV REAKCIÓ KÖVETÉS– GYANTÁRA KÖTÖTT PEPTIDEK KVANTITATIV MEGHATÁROZÁSA– MÉRÉSI IDŐ KB 1 PERC

MAS (MAGIC ANGLE SPINNING) NMR MAS (MAGIC ANGLE SPINNING) NMR (TÖBBNYIRE H)(TÖBBNYIRE H)

• GÉL FÁZISBAN TÖRTÉNIK A FELVÉTEL

• AZ OLDÓSZER MOZGÁSA A POLIMERBEN KINYÚJTJA A LÁNCOKAT ÉS IGY GYORSITJA A KÖTÖTT MOLEKULÁK MOZGÁSÁT

• A MEGNÖVEKEDETT MOLEKULÁRIS MOBILITÁS KÖVETKEZTÉBEN A SZILÁRD ANYAG SPEKTRUMÁBAN NÉHA 20 Hz-ES VONALKISZÉLESEDÉST OKOZÓ KÖLCSÖNHATÁSOK (PL. HOMONUKLEÁRIS DIPOLÁRIS ~) KIÁTLAGOLÓDNAK, IGY A VONALKISZÉLESEDÉS CSÖKKEN.

• A KIÁTLAGOLÓDÁS NEM TELJES A GYANTA ANIZOTRÓPIÁJA FOLYTÁN, A MARADÉK "DIPOLÁRIS" VONALSZÉLESEDÉS A MINTA "MÁGIKUS SZÖGBEN" TÖRTÉNŐ, MEGFELELŐ SEBESSÉGÜ (A NEM FORGATOTT MINTA VONALKISZÉLESEDÉSÉNÉL NAGYOBB FREKVENCIÁJÚ) FORGATÁSÁVAL ELIMINÁLHATÓ.

KEVERÉKEK ANALIZISEKEVERÉKEK ANALIZISE

• MÓDSZEREK– VRK

– HPLC

– MS

– HPLC-MS

– GC-MS

– MS-MS (TANDEM)

• ALAPVETŐ PROBLÉMA: – 20 ÚJ ANYAG ESETÉN MÁR KICSI AZ ESÉLY AZ ELVÁLASZTÁSRA– EZÉRT INKÁBB AZT CÉLOZZÁK, HOGY A TERVEZETT ANYAGOK

TÖBBSÉGE BENNE VAN AZ ELEGYBEN (ES-MS)

• ÁLTALÁBAN MINDEN REAKCIÓLÉPÉST LEGALÁBB EGY EGYEDI MINTA VIZSGÁLATÁVAL KÖVETNEK. A REFERENCIA MINTÁT HAGYOMÁNYOS ESZKÖZÖKKEL VIZSGÁLJÁK.

AUTOMATIZÁLT SZINTETIKUS MÓDSZEREKAUTOMATIZÁLT SZINTETIKUS MÓDSZEREK

• STANDARDIZÁLT ELJÁRÁSOK

• PARALLEL MÓDSZER

• AUTOMATA PIPETTOROK

• MIKROTITER LAPOK (96 MULTIWELL), CSÖVEK

AUTOMATIZÁLT ANALITIKAI MÓDSZEREKAUTOMATIZÁLT ANALITIKAI MÓDSZEREK• AUTOMATA INJEKTOROK• AUTOMATA FRAKCIÓSZEDŐK (SPLITTEREK)• SZÁMITÓGÉPES VEZÉRLÉS

• HPLC – RÖVIDEBB OSZLOPOK (5 CM)– SPECIÁLIS DETEKTOROK (UV, MS)– ALACSONY OLDÓSZERIGÉNY– GYORSABB FUTÁS (3 PERC)– PREPARATIV ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEK

• TÖMEGSPEKTROMETRIA– A MOLEKULÁKAT (ATOMOKAT) TÖMEGÜK ALAPJÁN VÁLASZTJA

EL– ALKALMAS ELEMEK, MOLEKULÁK, MAKROMOLEKULÁK

(PROTEINEK) ANALIZISÉRE– A GRAVITÁCIÓS KÖLCSÖNHATÁS NEM ELEGENDŐ AZ

ELVÁLASZTÁSHOZ -> IONIZÁLNI KELL A RÉSZECSKÉKET, ÉS IONFIZIKAI MÓDSZEREKET KELL ALKALMAZNI

MILYEN ADATOKAT SZOLGÁLTAT AZ MS?MILYEN ADATOKAT SZOLGÁLTAT AZ MS?

• PONTOS RÉSZECSKE TÖMEGET

• FRAGMENTÁCIÓS UJJLENYOMATOT (A VEGYÜLETRE JELLEMZŐ) AMI ADATBÁZISBÓL VISSZAKERESHETŐ

• A KONTROLLÁLT FRAGMENTÁCIÓ (MS-MS) ÚJ VEGYÜLETEK SZERKEZETÉNEK MEGHATÁROZÁSÁRA ALKALMAS

• EGYES FUNKCIÓS CSOPORTOK JELLEMZŐ CSÚCSOK FORMÁJÁBAN AZONOSITHATÓAK A SPEKTRUMBAN

• A RELATIV IZOTÓPELŐFORDULÁSOK INFORMÁLNAK A VEGYÜLETBEN LEVŐ ELEMEKRŐL

• KEVERÉKEK VIZSGÁLHATÓAK KAPCSOLT TECHNIKÁKKAL (LC-MS, GC-MS)

• IGY ELKERÜLHETŐ AZ ELŐZETES MINTA TISZTITÁS

TÖRTÉNETI ELŐZMÉNYEKTÖRTÉNETI ELŐZMÉNYEK

• J.J. THOMSON (CAVENDISH LABORATORIES, 1897) A KUTATÓCSOPORT HÉT FIZIKAI ILL. KÉMIAI NOBEL DIJAT NYERT EL

• AZ ELSŐ HASZNÁLHATÓ KERESKEDELMI MS 1948-BEN (MS-2 , MANCHESTER,UK) (KB 300 TÖMEGEGYSÉGIG MÉRT)

• UGYANEKKOR FEDEZTÉK FEL A TOF (TIME-OF-FLIGHT) MS TECHNIKÁT

• 1953. A QUADRUPOLE DETEKTORT SZABADALMAZTATTÁK

IONIZÁLÁSI MÓDSZEREKIONIZÁLÁSI MÓDSZEREK I. I.

• FAST ATOM BOMBARDMENT (FAB)– A SZILÁRD MINTA-MÁTRIX KEVERÉKET GYORS RÉSZECSKESUGÁRRAL

ÜTKÖZTETIK

– A MÁTRIX KISMOLEKULÁJÚ SZERVES ANYAG (GLICERIN VAGY 3-NITROBENZIL-ALKOHOL)

– A MÁTRIX SZEREPE A "FRISS FELÜLET" FENNTARTÁSA AZ ÜTKÖZTETÉSHEZ

– IGY NŐ A SPEKTRÁLIS ÉLETTARTAM ÉS NŐ AZ ÉRZÉKENYSÉG

– A RÉSZECSKESUGÁR ÁLTALÁBAN ARGON VAGY XENON, AZ ENERGIÁJA 4-10 KeV

– AZ ÜTKÖZÉSEK KÖVETKEZTÉBEN A FELÜLETBŐL POZITIVAN ÉS NEGATIVAN TÖLTÖTT IONOK LÉPNEK KI

– A KELETKEZETT IONOKAT ELVEZETVE A SPEKTROMÉTERREL ANALIZÁLJUK

– AZ ELVEZETŐ ELEKTRÓD POLARITÁSA ÁTKAPCSOLHATÓ, IGY LEHETŐSÉG VAN +FAB (POZITIV ION) ANALIZISRE (NEGATIV TÖLTÉS ESETÉN) ILL. -FAB ANALIZISRE IS.

– A FAB MS "SOFT" IONIZÁLÁSI TECHNIKA, IGY LEHETŐSÉG VAN KIS ILLÉKONYSÁGÚ MINTÁK MÉRÉSÉRE

– A MINTÁK PSZEUDO-MOLEKULA IONOKAT SZOLGÁLTATNAK (M+H)+ ill. (M-H)- JELLEMZŐ FRAGMENS IONOK ÉS NAGYOBB TÖMEGÜ DIMEREK, ASSZOCIÁTUMOK MELLETT

IONIZÁLÁSI MÓDSZEREKIONIZÁLÁSI MÓDSZEREK II. II.• ELEKTROSPRAY IONIZATION (ESI)

– 1930, CHAPMAN, 1960 DOLE, 1980 FENN ÉS MANN

– EGYIK LEGELTERJEDTEBB MÓDSZER

– TÖLTÖTT CSEPPEKET ÁLLITANAK ELŐ PL. EGY KAPILLÁRISON KERESZTÜLPRÉSELVE AZ ANYAG OLDATÁT, MELYRE MEGFELELŐ FESZÜLTSÉGET KAPCSOLNAK

– A FESZÜLTSÉG HATÁSÁRA AZONOS TÖLTÉSÜ FINOM CSEPPEK KELETKEZNEK

– AZ OLDÓSZER ELPÁROLOG, CSÖKKENTVE A RÉSZECSKEMÉRETET ÉS NÖVELVE A FELÜLETI TÖLTÉSKONCENTRÁCIÓT

– EGY ADOTT CSEPPMÉRETNÉL (RALEIGH LIMIT) A MEGNÖVEKEDETT TÖLTÉS SZÉTROBBANTJA A CSEPPEKET,MELYBŐL APRÓ KISEBB TÖLTÉSÜ RÉSZEK KELETKEZNEK

– A FOLYAMAT ADDIG FOLYTATÓDIK, MIG "CSUPASZ" IONOK KELETKEZNEK

– A TÖLTÉSEK STATISZTIKUSAN ELOSZLANAK A MOLEKULA TÖLTHETŐ RÉSZEI KÖZÖTT, MEGFELELŐ KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT TÖBBSZÖRÖS TÖLTÉSÜ IONOKAT HOZVA LÉTRE.

– SZÁRITÓ GÁZT VEZETVE A FOLYADÉKÁRAMBA ILL. NÖVELVE AZ ÁRAMLÁSI SEBESSÉGET, NŐ A TÖBBSZÖRÖS TÖLTÉSÜ IONOK SZÁMA

– CSÖKKENTVE A KAPILLÁRISÁTMÉRŐT, CSÖKKENTVE AZ ÁRAMLÁSI SEBESSÉGET = NANOSPRAY ("SOFT" IONIZATITON) NAGYOBB M/Z ARÁNYOKAT EREDMÉNYEZ, AMI A BIOANALIZISBEN IS HASZNÁLHATÓ

IONIZÁLÁSI MÓDSZEREKIONIZÁLÁSI MÓDSZEREK III. III.

• MATRIX ASSISTED LASER DESORPTION/IONIZATION (MALDI)

– POLÁRIS, NAGYMOLEKULÁJÚ ANYAGOK VIZSGÁLATÁRA

– A LÉZERSUGÁRZÁST ABSZORBEÁLÓ MÁTRIX ALKALMAZÁSÁVAL NAGY MOLEKULATÖMEGÜ VEGYÜLETEK VIZSGÁLATA VÁLT LEHETŐVÉ

– NAGYON KICSI MENNYISÉGÜ MINTÁT IGÉNYEL

– AZ IONOK ASSZOCIÁCIÓJA EZÉRT CSEKÉLYEBB MÉRTÉKÜ

– A MINTA MOLEKULÁI EGYENLETESEN DISZPERGÁLVA VANNAK A MÁTRIXBAN (SZILÁRD OLDAT)

– A LÉZERREL GERJESZTETT MÁTRIXBÓL MINTA RÉSZECSKÉK LÉPNEK KI, MELYEKET SEMLEGES ÉS GERJESZTETT MÁTRIXMOLEKULÁK VESZNEK KÖRÜL

– A MÁTRIXMOLEKULÁK ELPÁROLOGVA GERJESZTETT MINTA MOLEKULÁT HAGYNAK VISSZA

– TIPIKUSAN (M+X)+ IONOK KELETKEZNEK, AHOL X= H, Li, Na, K STB.) ILL. KISEBB MENNYISÉGBEN TÖBBSZÖRÖS TÖLTÉSÜ RÉSZECSKÉK

– NEGATIV IONOK IS KELETKEZNEK DEPROTONÁLÓDÁSSAL (M)-

ANALIZÁTOROKANALIZÁTOROK I. I.

• TIME-OF-FLIGHT (TOF)

– A LEGEGYSZERÜBB ANALIZÁTOR

– NAGYON ÉRZÉKENY

– GYAKORLATILAG NINCS TÖMEGHATÁR

– AZ ALKALMAZOTT POTENCIÁLKÜLÖNBSÉG A FORRÁS ÉS A DETEKTOR KÖZÖTT FELGYORSITJA AZ IONOKAT

– IDEÁLIS ESETBEN MINDEN ION EGYSZERRE HAGYJA EL A FORRÁST, UGYANAKKORA ENERGIÁVAL. IGY A REPÜLÉSI IDŐ CSAK A TÖMEGTŐL ÉS A TÖLTÉSTŐL FÜGG.

– NAGY FELBONTÁSÚ MÉRÉSHEZ VISZONYLAG HOSSZÚ CSŐBEN KEL MÉRNI

A TOF tömegspektrometriás mérések sémája és alapegyenlete

mi = mass of analyte ion zi = charge on analyte ion E = extraction field ti = time-of-flight of ion ls = length of the source ld = length of the field-free drift region e = electronic charge (1.6022x10-19 C)

TOF

ANALIZÁTOROKANALIZÁTOROK II. II.

• QUADRUPOLE ANALIZÁTOROK

– KETTŐ-KETTŐ ELLENTÉTES TÖLTÉSÜ RÚDON EGY SZINUSZOSAN VÁLTAKOZÓ RF TERET ALAKITANAK KI. AZ IONOK A RUDAK KÖZÖTT OSZCILLÁLNAK. MEGFELELŐ FESZÜLTSÉG-KÜLÖNBSÉG ÉS FREKVENCIA ESETÉN CSAK EGYETLEN M/Z JUT EL A DETEKTORBA, A TÖBBI NAGYOBB AMPLITUDÓVAL OSZCILLÁLVA BELEÜTKÖZIK VALAMELYIK RÚDBA.

– AZ OSZCILÁCIÓS FREKVENCIA PRAKTIKUS OKOKBÓL 1-2 MHZ

– A RUDAK MÉRETE SZABJA MEG A TÖMEGINTERVALLUMOT ÉS A FELBONTÁST, AMI ÁLTALÁBAN 4000 DA (A FELBONTÁS 2000)

Kettő szemben levő rúd +(U+Vcos(t)) potenciállal rendelkezik mig a másik kettő -(U+Vcos(t))-vel ahol U egy adott optimális, stabil potenciál és Vcos(t) a rádiófrekvenciás tér (RF), melynek amplitúdója V és frekvenciája . Amikor cos(t) időben periodikusan változik,, az alkalmazott feszültség az ellentétes rúdpárok között szinuszosan vált6zik, de ellentétes polaritással. A kvadrupól elrendezés központi tengelye mentén és az egymás melletti rudak között is az eredő elektromos tér zérus. A transzverzális irányban egy ion bonyolult módon oszcillálni fog a rudak között, m/z értékétől, a feszültségtől, V-től és a frekvenciától függően. U, V és alkalmas megválasztásával csak egy adott m/z értékkel rendelkező ionok fognak stabilan keresztül oszcillálni a rudak között, és eljutni a detektorig. Az összes többi ion nagyobb amplitudóval fog rendelkezni, és a rudak egyikébe ütközik. A gyakorlatban ez a frekvencia, , általában 1-2 MHz. A rudak hossza és átmérője megszabja a tömegtartományt és a felbontást. Ezzel az analizátorral vizsgálható tömeg határ 4000Da kb. 2000 körüli felbontással.

KVADRUPÓL

ANALIZÁTOROKANALIZÁTOROK III. III.

• IONCSAPDA ANALIZÁTOR

– ÚGY MÜKÖDIK MINT A RÉSZECSKEGYORSITÓK

– A BEVEZETETT IONOKAT FÓKUSZÁLJÁK, KÜLÖNBÖZŐ FESZÜLTSÉGEKET ALKALMAZVA "CSAPDÁZZÁK" ILL. ELENGEDIK A KÜLÖNBÖZŐ TÖLTÉSÜ ÉS TÖMEGÜ IONOKAT.

– MEGFELELŐEN KIALAKITOTT 3D POTENCIÁL TÉR AZ IONOKAT STABIL PÁLYÁKRA KÉNYSZERITI (FOGLYUL EJTI).

– A DETEKTÁLÁS SORÁN VÁLTOZTATJÁK AZ ELEKTRÓDRENDSZER POTENCIÁLJÁT, ÉS IGY INSTABILLÁ VÁLNAK AZ IONPÁLYÁK, MELYNEK KÖVETKEZTÉBEN A CSAPDA ELERESZTI AZ IONOKAT A TENGELY IRÁNYÁBA.

– AZ ELERESZTETT IONOK A TÖMEG/TÖLTÉS NÖVEKVŐ ARÁNYA SZERINTI SORRENDBEN REFÓKUSZÁLHATÓAK ÉS DETEKTÁLHATÓAK .

FOURIER TRANSFORMÁCIÓS ION-CYCLOTRON FOURIER TRANSFORMÁCIÓS ION-CYCLOTRON REZONANCIA (FT-ICR)REZONANCIA (FT-ICR)

F = Lorentz force (observed by the incident ion) B0 = ICR magnetic field

mi = mass of the ion

zi = charge on the ion

v = incident velocity of the ion c = induced rotational (cyclotron) frequency

KVADRUPÓL IONCSAPDA ANALIZÁTOR

Vannak még lehetőségek....