يعد الفحص القائم على الشظايا بواسطة الرنين المغناطيسي النووي طريقة قوية لتحديد روابط الجزيئات الصغيرة للجزيئات الحيوية بسرعة (الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي أو البروتينات). يتم تقديم البروتوكولات التي تصف إعداد العينات القائم على الأتمتة وتجارب الرنين المغناطيسي النووي وشروط الاستحواذ وسير عمل التحليل. تسمح هذه التقنية بالاستغلال الأمثل لكل من النوى النشطة 1H و 19F NMR للكشف.
الفحص القائم على الشظايا (FBS) هو مفهوم تم التحقق منه وقبوله جيدا في عملية اكتشاف الأدوية في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعة. أكبر ميزة لفحص الشظايا القائم على الرنين المغناطيسي النووي هي قدرته ليس فقط على اكتشاف المجلدات التي تزيد عن 7-8 أوامر من حجم التقارب ولكن أيضا لمراقبة النقاء والجودة الكيميائية للشظايا وبالتالي إنتاج ضربات عالية الجودة والحد الأدنى من الإيجابيات الخاطئة أو السلبيات الكاذبة. أحد المتطلبات الأساسية داخل FBS هو إجراء مراقبة الجودة الأولية والدورية لمكتبة الأجزاء ، وتحديد قابلية الذوبان والسلامة الكيميائية للشظايا في المخازن المؤقتة ذات الصلة ، وإنشاء مكتبات متعددة لتغطية سقالات متنوعة لاستيعاب مختلف فئات الجزيئات المستهدفة (البروتينات / الحمض النووي الريبي / الحمض النووي). علاوة على ذلك ، يلزم تحسين بروتوكول الفحص الشامل القائم على الرنين المغناطيسي النووي فيما يتعلق بكميات العينات ، وسرعة الاكتساب والتحليل على مستوى البناء البيولوجي / الفضاء الشظوي ، في مساحة الحالة (العازلة ، والمواد المضافة ، والأيونات ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة) وفي مساحة الرباط (نظائر الربيطة ، تركيز الرباط). على الأقل في الأوساط الأكاديمية ، تم تنفيذ جهود الفحص هذه يدويا حتى الآن بطريقة محدودة للغاية ، مما أدى إلى محدودية توافر البنية التحتية للفحص ليس فقط في عملية تطوير الأدوية ولكن أيضا في سياق تطوير المسبار الكيميائي. من أجل تلبية المتطلبات اقتصاديا ، يتم تقديم مهام سير العمل المتقدمة. إنهم يستفيدون من أحدث الأجهزة المتقدمة ، والتي يمكن من خلالها ملء مجموعة العينات السائلة بطريقة يتم التحكم في درجة حرارتها في أنابيب الرنين المغناطيسي النووي بطريقة آلية. 1ثم يتم جمع الأطياف القائمة على الرباط H / 19F NMR عند درجة حرارة معينة. يمكن لمبدل العينات عالي الإنتاجية (مبدل العينات HT) التعامل مع أكثر من 500 عينة في كتل يتم التحكم في درجة حرارتها. هذا جنبا إلى جنب مع أدوات البرمجيات المتقدمة يسرع الحصول على البيانات وتحليلها. علاوة على ذلك ، يتم وصف تطبيق إجراءات الفحص على عينات البروتين والحمض النووي الريبي للتعرف على البروتوكولات المعمول بها لقاعدة واسعة من المستخدمين في أبحاث الجزيئات الحيوية.
أصبح الفحص القائم على الشظايا الآن طريقة شائعة الاستخدام لتحديد جزيئات بسيطة ومنخفضة الوزن الجزيئي (MW <250 Da) التي تظهر ارتباطا ضعيفا بالأهداف الجزيئية الكبيرة بما في ذلك البروتينات والحمض النووي والحمض النووي الريبي. تعمل النتائج الأولية من الشاشات الأولية كأساس لإجراء شاشة ثانوية من نظائرها الأكبر المتاحة تجاريا للزيارات ثم استخدام نمو الأجزاء القائمة على الكيمياء أو استراتيجيات الربط. من أجل منصة ناجحة لاكتشاف الأدوية القائمة على الشظايا (FBDD) ، بشكل عام ، هناك حاجة إلى طريقة فيزيائية حيوية قوية للكشف عن وتوصيف الضربات الضعيفة ، ومكتبة شظايا ، وهدف جزيئي حيوي واستراتيجية لمتابعة الكيمياء. أربع طرق فيزيائية حيوية شائعة التطبيق في حملات اكتشاف الأدوية هي مقايسات التحول الحراري ، ورنين البلازمون السطحي (SPR) ، وعلم البلورات ، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR).
أظهر التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي أدوارا متنوعة في المراحل المختلفة من FBDD. بصرف النظر عن ضمان النقاء الكيميائي وقابلية ذوبان الشظايا في مكتبة شظايا مذابة في نظام عازل محسن ، يمكن لتجارب الرنين المغناطيسي النووي المرصودة أن تكتشف ارتباط الشظايا بهدف ذي تقارب منخفض ويمكن لتجارب الرنين المغناطيسي النووي المرصودة الهدف تحديد حاتمة الربط للجزء ، وبالتالي تمكين دراسات مفصلة للعلاقة بين الهيكل والنشاط. ضمن رسم الخرائط ، لا يمكن لتغييرات التحول الكيميائي القائمة على الرنين المغناطيسي النووي تحديد مواقع الربط التقويمي فحسب ، بل أيضا المواقع الخيفية التي قد تكون مشفرة ولا يمكن الوصول إليها إلا في ما يسمى بالحالات التوافقية المثارة للهدف الجزيئي الحيوي. إذا كان الهدف الجزيئي الحيوي يربط بالفعل ليجند داخلي المنشأ ، فيمكن تصنيف ضربات الشظية المحددة بسهولة على أنها خيفية أو تقويمية عن طريق إجراء تجارب المنافسة القائمة على الرنين المغناطيسي النووي. يعد تحديد ثابت التفكك (KD) لتفاعل الرباط والهدف جانبا مهما في عملية FBDD. يمكن إجراء معايرات التحول الكيميائي القائمة على الرنين المغناطيسي النووي ، إما الرباط أو الهدف الملاحظ بسهولة لتحديد KD. الميزة الرئيسية للرنين المغناطيسي النووي هي أن دراسات التفاعل يتم إجراؤها في محلول وبالقرب من الظروف الفسيولوجية. وبالتالي ، يمكن التحقيق في جميع الحالات المطابقة لتحليل تفاعل الرباط / الشظايا مع هدفها. علاوة على ذلك ، لا تقتصر الأساليب القائمة على الرنين المغناطيسي النووي على فحص البروتينات القابلة للذوبان المطوية جيدا فحسب ، بل يتم تطبيقها أيضا لاستيعاب مساحة مستهدفة أكبر بما في ذلك الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتينات المرتبطة بالغشاء والمضطربةجوهريا 1.
تعد المكتبات المجزأة جزءا لا غنى عنه من عملية FBDD. بشكل عام ، تعمل الشظايا كسلائف أولية تصبح في النهاية جزءا (بنية تحتية) من المانع الجديد الذي تم تطويره لهدف بيولوجي. تم الإبلاغ عن أن العديد من الأدوية (Venetoclax2 ، Vemurafenib3 ، Erdafitinib4 ، Pexidartnib5) قد بدأت كشظايا ويتم استخدامها الآن بنجاح في العيادات. عادة ما تكون الشظايا عبارة عن جزيئات عضوية منخفضة الوزن الجزيئي (<250 دا) ذات قابلية ذوبان مائية عالية واستقرار. يمكن لمكتبة الأجزاء المصممة بعناية والتي تحتوي عادة على بضع مئات من الأجزاء أن تعد بالفعل باستكشاف فعال للفضاء الكيميائي. تطور التكوين العام لمكتبات الأجزاء مع مرور الوقت وغالبا ما تم اشتقاقها عن طريق تشريح الأدوية المعروفة إلى أجزاء أصغر أو مصممة حسابيا. تحتوي مكتبات الأجزاء المتنوعة هذه بشكل أساسي على ذرات عطرية مسطحة أو غير متجانسة وتلتزم بقاعدة Lipinski ل 5 6 ، أو بقاعدة الاتجاه التجاري الحالي 3 7 ، ولكنها تتجنب المجموعات التفاعلية. كما تم اشتقاق بعض مكتبات الأجزاء أو تكوينها من مستقلبات عالية الذوبان ومنتجات طبيعية و / أو مشتقاتها8. التحدي العام الذي تشكله معظم مكتبات الأجزاء هو سهولة الكيمياء النهائية.
مركز الرنين المغناطيسي الجزيئي الحيوي (BMRZ) في جامعة جوته في فرانكفورت ، هو شريك في iNEXT-Discovery (البنية التحتية للرنين المغناطيسي النووي و EM والأشعة السينية للأبحاث الانتقالية – الاكتشاف) ، وهو اتحاد للبنى التحتية للبحوث الهيكلية لجميع الباحثين الأوروبيين من جميع مجالات البحوث البيوكيميائية والطبية الحيوية. ضمن المبادرة السابقة ل iNEXT التي انتهت في عام 2019 ، تم إنشاء مكتبة أجزاء تتكون من 768 جزءا بهدف “الحد الأدنى من الشظايا والحد الأقصى للتنوع” الذي يغطي مساحة كيميائية كبيرة. علاوة على ذلك ، على عكس أي مكتبة أجزاء أخرى ، تم تصميم مكتبة أجزاء iNEXT أيضا بناء على مفهوم “الأجزاء المتوازنة” بهدف تسهيل التوليف النهائي للروابط المعقدة عالية التقارب والمعروفة من الآن فصاعدا باسم المكتبة الداخلية (الماس ، اتحاد الجينوم الهيكلي و iNEXT).
يتطلب إنشاء FBDD بواسطة الرنين المغناطيسي النووي القوى العاملة والمعرفة والأجهزة. في BMRZ ، تم تطوير تدفقات العمل المحسنة لدعم المساعدة الفنية لفحص الأجزاء بواسطة الرنين المغناطيسي النووي. وتشمل هذه مراقبة الجودة وتقييم الذوبان لمكتبة الشظايا 9 ، وتحسين المخزن المؤقت للأهداف المختارة ، والفحص القائم على 1D H أو 19F- المرصود 1D ligand ، وتجارب المنافسة للتمييز بين الربط التقويمي والخيفي ، وتجارب الرنين المغناطيسي النووي المرصودة على الهدف 2D لرسم خرائط الخاتمة ، ولتوصيفالتفاعل مع مجموعة ثانوية من مشتقات ضربات الشظايا الأولية. أنشأت BMRZ إجراءات آلية للتحليل ، كما تمت مناقشته سابقا في الأدبيات 10،11 ، للتفاعلات بين جزيئات البروتين الصغيرة ولديها جميع البنية التحتية الآلية اللازمة لفحص الأجزاء القائمة على الرنين المغناطيسي النووي. وقد نفذت فرق نقل التشبع NMR (STD-NMR) ، وليجند الماء الذي لوحظ عبر التحليل الطيفي المتدرج (waterLOGSY) ، وتجارب الاسترخاء القائمة على Carr-Purcell-Meiboom-Gill (القائمة على CPMG) لتحديد الشظايا ضمن مجموعة واسعة من أنظمة التقارب بالإضافة إلى أحدث أجهزة وبرامج الرنين المغناطيسي النووي الآلية لاكتشاف الأدوية. في حين أن فحص الشظايا القائم على الرنين المغناطيسي النووي راسخ للبروتينات ، فإن هذا النهج أقل استخداما للعثور على روابط جديدة تتفاعل مع الحمض النووي الريبي والحمض النووي. أنشأت BMRZ دليلا على مفهوم البروتوكولات الجديدة التي تمكن من تحديد تفاعلات الجزيئات الصغيرة – الحمض النووي الريبي / الحمض النووي. في الأقسام التالية من هذه المساهمة ، تم الإبلاغ عن تطبيق إجراءات الفحص على عينات البروتين والحمض النووي الريبي لإدراك البروتوكولات المعمول بها لقاعدة واسعة من المستخدمين في أبحاث الجزيئات الحيوية.
براعة فحص الشظايا / المخدرات القائم على الرنين المغناطيسي النووي. نفذت BMRZ بنجاح أحدث أجهزة الرنين المغناطيسي النووي الآلية بالإضافة إلى تجارب STD-NMR و waterLOGSY والاسترخاء لتحديد الشظايا ضمن مجموعة واسعة من نظام التقارب لاكتشاف الأدوية. تشتمل الأجهزة المثبتة على روبوت تحضير عينات عالي الإنتاجية ووحدة تخزين ومبدل ووحدة للحصول على بيانات عالية الإنتاجية مرتبطة بمطياف 600 ميجاهرتز. يضمن المسبار المبرد الذي تم شراؤه مؤخرا ل 1 H و 19 F و 13C و 15 N الحساسية المطلوبة للقياسات المقترحة ويسمح بفصل 1 H (1) أثناء اكتشاف 19F. يتصل هذا المسبار بأحدث جيل من وحدة تحكم الرنين المغناطيسي النووي التي توفر إمكانية استخدام أدوات البرامج المتقدمة من Bruker ، بما في ذلك CMC-q و CMC-assist و CMC-se و FBS (المضمنة في TopSpin). تم تضمين أداة الفحص القائمة على الأجزاء (FBS) في أحدث إصدار من TopSpin وتساعد على تحليل البيانات عالية الإنتاجية التي تتكون من STD و waterLOGSY و T2 / T1r-relaxation experiments. يمكن ملء مجموعة العينات السائلة 1D 1H في أنابيب الرنين المغناطيسي النووي بطريقة آلية باستخدام روبوت ملء العينة. عادة ، يتم ملء كتلة من 96 أنبوبا (3 مم) في حوالي ساعتين. يتم وضع رفوف 96 لوحة بئر مباشرة في مبدل عينة HT ، الذي يقرأ الرمز الشريطي للكتلة ويعين أنابيب الرنين المغناطيسي النووي للتجارب التي يتحكم فيها برنامج الأتمتة (IconNMR). يمكن تخزين خمسة رفوف ذات 96 بئرا وبرمجتها في مبدل عينات HT في نفس الوقت. يمكن التحكم في درجة حرارة كل من الرفوف الفردية وتنظيمها بشكل منفصل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكييف كل عينة فردية مسبقا (التسخين المسبق وتجفيف الأنبوب لإزالة الرطوبة المكثفة) إلى درجة الحرارة المطلوبة قبل القياس.
ملاءمة لمجموعة واسعة من التطبيقات. أحد التطبيقات الواسعة لهذا الفحص الآلي القائم على الرنين المغناطيسي النووي هو تحديد وتطوير روابط جديدة مرتبطة بهدف جزيئي حيوي (DNA / RNA / Proteins). يمكن أن تشتمل هذه الروابط على مثبطات تقويم العظام ومثبطات الستيريك التي ترتبط عادة بشكل غير تساهمي. علاوة على ذلك ، عادة ما يتم استخدام FBDD بواسطة الرنين المغناطيسي النووي كخطوة أولى لاختيار المركبات الواعدة ، والمتطلبات التي يجب الوفاء بها هي توافر الهدف الجزيئي الحيوي بكميات كافية. وينقسم هذا الهدف إلى مهمتين رئيسيتين.
المهمة الأولى هي تطوير وتوصيف مكتبة أجزاء داخلية للأسباب التالية: مراقبة الجودة الأولية والدورية ، وتوصيف ، وتحديد كمية أكثر من 1000 جزء ؛ تحديد قابلية ذوبان الشظايا في المخازن المؤقتة المحسنة لكل هدف ، ولا سيما بالنسبة لأهداف البروتين ؛ وإنشاء العديد من المكتبات لاستيعاب سقالات متنوعة وتمتد نحو فئات الجزيئات الكبيرة الأخرى. وتتمثل المهمة الثانية في إدماج تدفقات العمل لتصميم العقاقير المرتكزة على الأجزاء (FBDD) بواسطة الرنين المغناطيسي النووي باستخدام: الفحص الآلي لليجند المرصود 1D (1 H و 19 F المرصود)؛ والفحص الآلي لليجند (1 H و 19 F)؛ والفحص الآلي لليجند (1 H و 19 F المرصود)؛ والفحص الآلي 1D-ligand (1 H و 19 F المرصود)؛ والفحص الآلي لليجند (1H و 19F المر مقايسات الاستبدال الآلي (تجارب المنافسة مع الرباط (الطبيعي)) للتمييز بين الربط التقويمي والخيفي ؛ الفحوصات الثانوية الآلية مع أجزاء متعددة ؛ الفحص الآلي لبروتين 2D ، والفحص الثانوي لمجموعة من المشتقات حول ضربة أولية باستخدام مكتبة EU-OPENSCREEN أو أي مكتبة أخرى ؛ وإعادة فحص التنميط لمكتبة إدارة الغذاء والدواء مقابل الأهداف المختارة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إجراء التمثيل الغذائي لخطوط الخلايا المختلفة (ذات الصلة بالمرض) من أجل كشف الآليات التنظيمية التي تربط التحكم في دورة الخلية والتمثيل الغذائي. أيضا ، هناك توصيف وظيفي لعناصر تنظيم الحمض النووي الريبي / الحمض النووي / البروتين في الجسم الحي وفي المختبر لتحسين البناء / المجال (تحسين الاستقرار للتحقيقات الهيكلية (المخزن المؤقت ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة ، وفحص الملح) ، وتمديد فحص الشظايا القائم على الرنين المغناطيسي النووي إلى البروتينات الغشائية والبروتينات المضطربة جوهريا ، والتي لا يمكن الوصول إليها بشكل عام لتقنيات أخرى.
القيود. استخدام مكتبات أجزاء 19F و 1H له إيجابيات وسلبيات ، سيتم ذكر القليل منها في ما يلي. أكبر فائدة من قياسات 19F مقابل 1H هي سرعة كل من وقت القياس الفعلي والتحليل اللاحق ، حيث تحتوي المخاليط على ضعف عدد الأجزاء تقريبا ويجب إجراء عدد أقل من التجارب. يعد تحليل المتابعة أسهل أيضا لفحص 19درجة فهرنهايت ، حيث لا يوجد تداخل من المخازن المؤقتة ويوفر بالإضافة إلى ذلك نطاق تحول كيميائي أوسع مع عدم وجود تداخل إشارة تقريبا لخليط شظايا مصمم على النحو الأمثل. يتم تبسيط الأطياف نفسها إلى حد كبير ، وعادة ما تحتوي على إشارة واحدة أو اثنتين فقط لكل جزء ، اعتمادا على عدد ذرات الفلور. وبالتالي يمكن أتمتة تحليل هذه الأطياف ، مما يقلل مرة أخرى من الوقت. يأتي هذا على حساب التنوع الكيميائي ، على الأقل بالنسبة للمكتبة المستخدمة في هذه الدراسة. نظرا لأن ~ 13٪ فقط من المكتبة تحتوي على 19 فهرنهايت ، ولكن من الطبيعي أن تكون جميعها قابلة للاستخدام في فحص 1H ، فإن تنوع أجزاء الفحص 19F سيكون أقل. يمكن التحايل على ذلك باستخدام مكتبات 19F المصممة خصيصا مع المزيد من الأجزاء والتنوع الكيميائي الأكبر. عيب آخر لفحص 19F هو انخفاض عدد الإشارات لكل جزء. تتكون الشظايا بشكل عام من أكثر من ذرة هيدروجين واحدة. لذلك ، يمكن أن تعتمد تجارب الفحص المرصودة 1H على إشارات مختلفة لنفس الجزء للكشف عن الارتباط. يعطي هذا درجة أعلى من الثقة عند تحديد النتائج لفحص 1H ، في حين يجب أن يعتمد فحص 19F على إشارة أو إشارتين معطيتين لكل جزء.
وقدم بيان مفصل عن أجهزة فحص الشظايا الآلية الحديثة القائمة على الرنين المغناطيسي النووي، والبرمجيات وأساليب التحليل والبروتوكولات الخاصة بها. تشتمل الأجهزة المركبة على روبوت تحضير عينات عالي الإنتاجية ووحدة تخزين ومبدل واكتساب بيانات عالية الإنتاجية مرتبطة بمطياف 600 ميجاهرتز. يضمن رأس المسبار المبرد الذي تم تركيبه مؤخرا ل 1 H و 19 F و 13C و 15 N الحساسية المطلوبة للقياسات المقترحة ويسمح بفصل 1H أثناء اكتشاف 19F. علاوة على ذلك ، يوفر أحدث جيل من وحدة التحكم NMR إمكانية استخدام برامج تحليلية متقدمة للمساعدة في الاستحواذ والتحليل السريع. يجب أن تعزز التكنولوجيا التي تمت مناقشتها أعلاه وسير العمل والبروتوكولات الموصوفة نجاحا ملحوظا للمستخدمين الذين يتابعون FBS بواسطة الرنين المغناطيسي النووي.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من قبل iNEXT-Discovery ، المشروع رقم 871037 ، بتمويل من برنامج Horizon 2020 التابع للمفوضية الأوروبية.
Bruker Avance III HD | Bruker | 600 MHz NMR Spectrometer | |
Matrix Clear Polypropylene 2D Barcoded Open-Top Storage Tubes | 3731-11 0.75ML V-BOTTOM TUBE/LATCH RACK | ThermoFisher Scientific | Barcoded Tubes |
Matrix SepraSeal und DuraSeal& | 4463 Cap Mat, SeptraSeal 10/CS | ThermoFisher Scientific | |
SampleJet | Bruker | HT Sample Changer | |
SamplePro Tube | Bruker | Pipetting Robot |