DE10221158A1 - Method for the discovery of ligands that bind to a drug target by means of heteronuclear nuclear magnetic resonance spectroscopy - Google Patents
Method for the discovery of ligands that bind to a drug target by means of heteronuclear nuclear magnetic resonance spectroscopy Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Auffindung von Liganden bereit, die an ein vorgegebenes drug target binden. Dieses Verfahren basiert auf der Messmethode der Kernresonzspektroskopie (NMR) und speziell auf der Möglichkeit, die Testsubstanzen eindeutig anhand von Isotopenmarkern NMR-spektral selektieren zu können. Hierzu beschreibt die vorliegende Erfindung auch Verfahren zum Aufbau entsprechender Substanzbanken. Die vorliegende Erfindung umfaßt demnach folgende Aspekte: (1) Ein Verfahren zur Zusammenstellung einer Substanzbank ausschließlich aus solchen Verbindungen, die zum Zwecke ihrer selektiven NMR-spektroskopischen Beobachtbarkeit mindestens einen Kern eines NMR-beobachtbaren Elementes oder Isotopes enthalten, welches im drug target nicht oder nur mit sehr geringer Häufigkeit vorkommt; (2) die mit diesem Verfahren herstellbare Substanzbank; (3) ein Verfahren zur Identifizierung von Wirkstoffen, die an ein drug target binden unter Verwendung dieser Substanzbank, welches durch die Aufnahme von nach dem vorliegenden Element bzw. Isotop editierten oder gefilterten NMR-Spektrumen gekennzeichnet ist.The present invention provides a method for finding ligands that bind to a given drug target. This method is based on the measurement method of nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and specifically on the possibility of being able to clearly select the test substances using NMR isotope markers. To this end, the present invention also describes methods for setting up corresponding substance banks. The present invention accordingly comprises the following aspects: (1) A method for compiling a substance bank exclusively from those compounds which, for the purpose of their selective NMR spectroscopic observability, contain at least one core of an NMR-observable element or isotope which does not or only in the drug target occurs with a very low frequency; (2) the substance bank that can be produced with this method; (3) a method for identifying active substances which bind to a drug target using this substance bank, which is characterized by the recording of NMR spectra edited or filtered according to the present element or isotope.
Description
1. Einleitung1 Introduction
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auffindung von Liganden, die an ein vorgegebenes drug target binden, mittels heteronuklearer Kernresonanzspektroskopie (NMR), sowie hierfür geeignete Substanzbanken und ein Verfahren zu deren Zusammenstellung.The present invention relates to a method of finding ligands attached to a given drug bind target using heteronuclear nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), as well as for this suitable substance banks and a process for their compilation.
2. Hintergrund und Stand der Technik2. Background and state of the art
Die Suche nach Wirkstoff-Kandidaten in den Life Sciences (Pharma, Tier- und Pflanzenschutz) wird heute mittels vielfaltiger biologischer, chemischer und physikalischer Screening-Verfahren betrieben. Dabei wird aus einer möglichst umfangreichen und chemisch diversen Sammlung niedermolekularer Substanzen nach Verbindungen gesucht, die an ein vorgegebenes krankheitsrelevantes Zielmolekül (drug target; in der Regel ein Protein, RNA- oder DNA-Abschnitt) binden und dessen biologische Funktion beeinflussen. Derart aufgefundene Liganden (initial hits) sind Ausgangsverbindungen für die Entwicklung von Wirkstoff-Kandidaten. Sie müssen in der anschließenden Phase der Wirkstoffentwicklung hinsichtlich ihrer Affinität und Selektivität gegenüber dem drug target in der Regel noch verbessert werden, bevor ihre Wirksamkeit, Toxizität und pharmakokinetischen Eigenschaften (wie die Aufnahme, Verteilung, Metabolisierung und Ausscheidung in biologischen Systemen) durch Variation der chemischen Struktur gemäß Prinzipien der medizinischen Chemie und ersten in vivo Tests angepaßt werden können. Bei diesen Wirkstoff-Optimierungsprozessen ist es von entscheidendem Vorteil, die relevanten Wechselwirkungen und Charakteristika der Bindung eines Liganden am drug target genau zu kennen. Basierend auf diesem Wissen kann die weitere Wirkstoffentwicklung rational, zielgerichtet und beschleunigt durchgeführt werden.The search for drug candidates in the life sciences (pharmaceuticals, animal and plant protection) today by means of diverse biological, chemical and physical Screening process operated. Thereby one becomes as possible extensive and chemically diverse collection of small molecules Connections searched to a given disease-relevant target molecule (drug target; usually a protein, RNA or DNA section) bind and affect its biological function. So found Ligands (initial hits) are starting compounds for development of drug candidates. You need to in the subsequent Phase of drug development in terms of their affinity and selectivity for drug target usually need to be improved before their effectiveness, toxicity and pharmacokinetic properties (such as uptake, distribution, Metabolism and excretion in biological systems) by Variation of chemical structure according to principles of medical Chemistry and first in vivo tests can be adapted. With these drug optimization processes it is vital to have the relevant interactions and characteristics of the binding of a ligand to the drug target exactly to know. Based on this knowledge, further drug development can rational, targeted and accelerated.
Die magnetische Kernresonanz-Spektroskopie (NMR), mit der molekulare Strukturen, Beweglichkeiten und Wechselwirkungen mit atomarer Auflösung charakterisiert werden können, bietet für die kommerzielle Wirkstoffsuche und -entwicklung eine Kombination besonderer Stärken, die nachfolgend näher ausgeführt sind. Sie löst damit viele Probleme, die alternativen Verfahren inhärent sind.
- – NMR stellt eine universell einsetzbare physikalische Meßmethode dar, die das Screening nach (bindenden) Liganden ermöglicht. Es müssen also nicht erst zeitaufwändig system- bzw. funktionsspezifische biochemische Nachweisverfahren (bio-assays) entwickelt werden, die zudem das Risiko häufiger falschpositiver Nachweise durch Nebenreaktionen bergen. Ebenso kann bereits ohne Kenntnis der Proteinfunktion unmittelbar im Anschluß an die Identifizierung eines drug targets (z.B. mittels Methoden der Bioinformatik) mit der Wirkstoffsuche per NMR begonnen werden.
- – NMR ist die derzeit empfindlichste Screeningmethode zum Nachweis auch sehr schwach bindender Wirkstoff-Vorläufer. Sie kann daher insbesondere auch neuartige Ansätze der Wirkstoffentwicklung über neue Ausgangsmoleküle erschließen.
- – NMR erlaubt zudem die Klassifizierung aufgefundener Liganden nach ihrer Bindungsstärke (Affinität) über einfache Titrationsexperimente.
- – NMR liefert atomar aufgelöste Spektren. Damit können anhand von NMR-Spektren des drug targets unmittelbar verschiedene Bindungsstellen des Liganden am drug target erkannt und unterschieden werden. Dies wiederum erlaubt es, schnell unspezifische oder irrelevante Wechselwirkungen und damit falschpositive Anzeigen auszuschließen. Mittels NMR-spektroskopischer Methoden (in Verbindung mit geeigneten rechnergestützten Simulationsverfahren wie molecular dynamics etc.) ist es weiterhin möglich, die räumliche Struktur des Komplexes aus Ligand und drug target und damit den Bindungsmodus zu bestimmen (H.-J.Böhm, G.Klebe, H.Kubinyi: "Wirkstoffdesign", Spektrum Akademischer Verlag GmbH, 1996, Heidelberg/Berlin/Oxford, ISBN 3-8274-0174-7). Die Entdeckung neuer Bindungsstellen und -modi eröffnet neuartige Ansätze der Wirkstoffentwicklung.
- – Mittels NMR können molekulare Strukturen, Beweglichkeiten und Wechselwirkungen mit atomarer Auflösung bestimmt und umfassend charakterisiert werden. Damit schafft NMR die essentiellen Grundlagen für die erfolgreiche Optimierung der aufgefundenen ersten bindenden Liganden (inital hits) nach Prinzipien der rationalen strukturbasierten Wirkstoffentwicklung (rational drug design). Die besondere Stärke der NMR-Spektroskopie liegt also in der Kombination und gleichzeitigen Eignung zum Aufspüren und zielgerichteten Optimieren neuer Liganden.
- - NMR represents a universally applicable physical measurement method that enables screening for (binding) ligands. System-specific and function-specific biochemical detection methods (bio-assays) do not have to be developed, which also involve the risk of false positive evidence from side reactions. Likewise, the knowledge of the protein function can be started immediately after the identification of a drug target (for example by means of bioinformatics methods) with the active ingredient search by NMR.
- - NMR is currently the most sensitive screening method for the detection of very weakly binding precursors. In particular, it can therefore also open up new approaches to drug development using new starting molecules.
- - NMR also allows ligands found to be classified according to their binding strength (affinity) using simple titration experiments.
- - NMR provides atomically resolved spectra. Different binding sites of the ligand on the drug target can thus be immediately recognized and differentiated on the basis of NMR spectra of the drug target. This in turn allows non-specific or irrelevant interactions and thus false positives to be excluded quickly. Using NMR spectroscopic methods (in connection with suitable computer-aided simulation methods such as molecular dynamics etc.) it is also possible to determine the spatial structure of the complex of ligand and drug target and thus the binding mode (H.-J.Böhm, G.Klebe , H.Kubinyi: "Active ingredient design", Spektrum Akademischer Verlag GmbH, 1996, Heidelberg / Berlin / Oxford, ISBN 3-8274-0174-7). The discovery of new binding sites and modes opens up new approaches in drug development.
- - Using NMR, molecular structures, mobilities and interactions can be determined and comprehensively characterized with atomic resolution. Thus NMR creates the essential basis for the successful optimization of the first binding ligands (initial hits) according to the principles of rational structure-based drug development (rational drug design). The particular strength of NMR spectroscopy lies in the combination and simultaneous suitability for the detection and targeted optimization of new ligands.
Grundlage für die Eignung der NMR-Spektroskopie zum Screening ist die Empfindlichkeit, mit der NMR-Signale auf bindungsinduzierte molekulare Veränderungen – wie beispielsweise der chemischen Umgebung, molekularen Struktur und Dynamik – reagieren. Hierdurch verändern sich oft mehrere Signalcharakteristika bzw. Indikatoren gleichzeitig, zu denen vor allem die Signalfrequenz, -intensität und -form gehören. Die Reporter-Signale, auf denen diese bindungsinduzierten Veränderungen erfaßt werden, müssen dabei eindeutig im NMR-Spektrum erkannt und separiert werden können. Zwei methodische Hauptaspekte aller NMR-Screeningverfahren sind demnach die Empfindlichkeit des gewählten Indikators sowie die Auflösbarkeit bzw. selektive Beobachtbarkeit der gewählten Reporter-Signale.The basis for the suitability of NMR spectroscopy for screening is the sensitivity with which NMR signals react to binding-induced molecular changes - such as the chemical environment, molecular structure and dynamics. This often changes several signal characteristics or indicators at the same time, which primarily include the signal frequency, intensity and shape. The reporter signals on which these binding-induced changes are recorded must be clear can be recognized and separated in the NMR spectrum. Accordingly, two main methodological aspects of all NMR screening methods are the sensitivity of the selected indicator and the resolvability or selective observability of the selected reporter signals.
Die Verfahren des NMR-Screenings können in prinzipiell zwei Klassen eingeteilt werden (Diercks, Coles et al.: Current Opinion in Chemical Biology 2001, 5, 285–291):
- – auf den Liganden detektierende Verfahren (ligandendetektierende Verfahren)
- – auf dem drug target detektierende Verfahren (targetdetektierende Verfahren)
- - methods for detecting ligands (methods for detecting ligands)
- - on the drug target-detecting method (target-detecting method)
Die meisten ligandendetektierenden Verfahren, bei denen nach bindungsinduzierten Veränderungen in den NMR-Spektren von Liganden gesucht wird, erfassen entweder direkte intermolekulare Wechselwirkungen zwischen dem drug target und einem Liganden über dipolare Relaxationsphänomene, oder aber die Abnahme der freien Beweglichkeit eines Liganden durch scheinbare Erhöhung der Molekülgröße aufgrund der Bindung an das (viel größere und trägere) drug target, d.h. die Verlangsamung seiner Diffusion und/oder Eigendrehung.Most ligand-detecting Procedures in which after changes in binding caused by the NMR spectra of ligands are searched, either direct intermolecular interactions between the drug target and a Ligands over dipolar relaxation phenomena, or the decrease in the free mobility of a ligand apparent increase due to the molecular size the attachment to the (much larger and sluggish) drug target, i.e. slowing down its diffusion and / or self-rotation.
Diffusion wird NMR-spektroskopisch direkt über die Signalabnahme bei Einsatz magnetischer Feldgradienten-Echos erfaßt. Bei der Diffusions-geordneten NMR-Spektroskopie, DOSY (Johnson: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1999, 34, 203– 256), wird die Abhängigkeit der Signalabnahme von Echostärke oder -dauer zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten aufgezeichnet. Diese werden dann in einer zweiten Pseudo-Dimension aufgetragen und erlauben so eine schnelle Auftrennung von Stoffgemischen in einzelne, verschieden schnell diffundierende Komponenten (Barjat, Morris et al.: Journal of Magnetic Resonance 1995, B108, 170–172). Ein konstantes Feldgradienten-Echo wirkt als einfacher Diffusionsfilter, der die an das drug target bindenden Liganden selektiv dämpft. Ein derartiger Diffusionsfilter findet in dem in WO 98/48264 beschriebenen Verfahren des ligandendetektierenden NMR-Screenings Anwendung.Diffusion becomes NMR spectroscopic directly above the signal decrease when using magnetic field gradient echoes detected. In diffusion-ordered NMR spectroscopy, DOSY (Johnson: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1999, 34, 203–256), becomes dependency the signal decrease of echo strength or duration to determine the diffusion coefficients. These are then plotted in a second pseudo dimension and thus allow a quick separation of substance mixtures in individual components diffusing at different rates (Barjat, Morris et al .: Journal of Magnetic Resonance 1995, B108, 170-172). On constant field gradient echo acts as a simple diffusion filter, which selectively dampens the ligands that bind to the drug target. On such diffusion filter takes place in that described in WO 98/48264 Method of ligand-detecting NMR screening application.
Die molekulare Eigendrehung ist nur indirekt über die Beeinflussung von NMR-Relaxationsprozessen zu erfassen. Hierzu gehört die entropische T2-Relaxation, die zur Verbreiterung und Dämpfung der NMR-Signale führt und mit abnehmender Molekülbeweglichkeit zunimmt. T2-Relaxationsraten können mit geeigneten NMR-Experimenten aus der Signalabnahme in Abhängigkeit von der Dauer einer SpinLock- oder z.B. CPMG-Echosequenz ermittelt werden. Eine konstante SpinLock- bzw. Echodauer wirkt als T2-Relaxationsfilter, der analog dem beschriebenen Diffusionsfilter nur bindende Liganden dämpft. Dieses Prinzip des ligandendetektierenden NMR-Screenings wird ebenfalls in WO 98/48264 beschrieben.The intrinsic molecular rotation can only be detected indirectly by influencing NMR relaxation processes. This includes entropic T 2 relaxation, which leads to the broadening and attenuation of the NMR signals and increases with decreasing molecular mobility. T 2 relaxation rates can be determined with suitable NMR experiments from the signal decrease depending on the duration of a SpinLock or eg CPMG echo sequence. A constant SpinLock or echo duration acts as a T 2 relaxation filter, which, like the diffusion filter described, only attenuates binding ligands. This principle of ligand-detecting NMR screening is also described in WO 98/48264.
Ein weiteres NMR-Relaxationsphänomen ist
der Kern-Overhauser-Effekt (Nuclear Overhauser Effect, NOE), bei
dem Magnetisierung zwischen räumlich
nahen Kernspins übertragen
wird. Das Ausmaß des
NOE hängt,
außer
vom Abstand der Kernspins und der gewählten Entwicklungsdauer, stark
von der molekularen Beweglichkeit ab. Insbesondere wechselt das
Vorzeichen des homonuklearen NOE (zwischen Protonen) beim Übergang
von kleinen zu großen
Molekülen.
Ein kleiner Ligand verhält
sich dabei im gebundenen Zustand wie das große drug target und nimmt nach
seiner Dissoziation die temporär
erworbene NOE-Intensität
als sogenannten Transfer-NOE (trNOE) in den freien Zustand mit.
Ein auch nur vorübergehend
bindender Ligand kann folglich NMR-spektroskopisch dadurch von nicht
bindenden kleinen Molekülen
unterschieden werden, daß er im
Gegensatz zu diesen auch trNOE mit umgekehrtem Vorzeichen aufweist.
Dieses Prinzip ist Grundlage des in
Neben den beschriebenen intramolekularen NOE-Phänomenen zwischen Kernspins innerhalb desselben Moleküls (hier dem Ligand) kann Magnetisierung auch zwischen Kernspins des drug targets und Kernspins seines Liganden ausgetauscht werden. Ein solcher intermolekularer NOE kann prinzipiell sowohl auf dem Ligand als auch auf dem drug target beobachtet werden und ist ein unmittelbar zugänglicher, nicht primär von Änderungen molekularer Beweglichkeit beeinflußter lokaler Indikator der Ligandenbindung. Er ist beispielsweise Grundlage des ligandendetektierenden NMR- Screenings über Sättigungs-Transfer-Differenz = STD (Klein, Meinecke et al.: Journal of the American Chemical Society 1999, 121, 5336–5337; Mayer and Meyer: Angewandte Chemie, International Edition in English 1999, 38, 1784–1788), NOE-Pumping (Chen and Shapiro: Journal of the American Chemical Society 1998, 120, 10258–10259; Chen and Shapiro: Journal of the American Chemical Society 2000, 122, 414–415) und WaterLOGSY (Dalvit, Pevarello et al.: Journal of Biomolecular NMR 2000, 18, 65–68).In addition to the intramolecular described NOE phenomena Magnetization can occur between nuclear spins within the same molecule (here the ligand) also between nuclear spins of the drug target and nuclear spins of its ligand be replaced. Such an intermolecular NOE can in principle be observed both on the ligand and on the drug target and is an immediately accessible, not primarily changes Molecular mobility affected local indicator of Ligand binding. It is the basis of ligand detection, for example NMR screenings using saturation transfer difference = STD (Klein, Meinecke et al .: Journal of the American Chemical Society 1999, 121, 5336-5337; Mayer and Meyer: Angewandte Chemie International Edition in English 1999, 38, 1784-1788), NOE pumping (Chen and Shapiro: Journal of the American Chemical Society 1998, 120, 10258-10259; Chen and Shapiro: Journal of the American Chemical Society 2000, 122, 414-415) and WaterLOGSY (Dalvit, Pevarello et al .: Journal of Biomolecular NMR 2000, 18, 65-68).
Die intermolekulare Wechselwirkung zwischen den Kernspins eines Liganden und Elektronenspins eines paramagnetisch markierten drug targets ist Grundlage des SLAPSTIC-Verfahrens zum ligandendetektierenden NMR-Screening (Jahnke, Rüdisser et al.: Journal of the American Chemical Society 2001, 123, 3149–3150). Diese Wechselwirkung führt zu einer extremen Beschleunigung der T2-Relaxation und damit zur Auslöschung von NMR-Signalen nur derjenigen Liganden, die in der Nähe des paramagnetischen Labels am drug target binden. Das Nachweisprinzip ist den beschriebenen Relaxations-gefilterten Verfahren vergleichbar. Nachteilig ist jedoch die Notwendigkeit zur aufwändigen Markierung des drug targets sowie die Beschränkung des Nachweises auf lokalisierte Bindung in der Nähe der paramagnetischen Markierung.The intermolecular interaction between the nuclear spins of a ligand and electron spins of a paramagnetically labeled drug target is the basis of the SLAPSTIC method for ligand-detecting NMR screening (Jahnke, Rüdisser et al .: Journal of the American Chemical Society 2001, 123, 3149–3150). This interaction leads to an extreme acceleration of the T 2 relaxation and thus to the extinction of NMR signals only of those ligands that bind to the drug target in the vicinity of the paramagnetic label. The detection principle is comparable to the relaxation-filtered methods described. However, the disadvantage is the need for elaborate labeling of the drug target and the restriction of detection to localized binding in the vicinity of the paramagnetic labeling.
Der größte Vorteil liganden-detektierter NMR-Screeningverfahren ist ihre potentiell hohe Durchsatzrate, da in der Regel nur sehr kurze Meßzeiten (wenige Minuten pro Probe) benötigt werdenThe biggest advantage of ligand-detected NMR screening is its potentially high throughput rate because usually only very short measuring times (a few minutes per sample) become
Sämtliche bekannten liganden-detektierenden NMR-Screeningverfahren beobachten (d.h. messen den FID) auf Protonen, die jedoch ebenfalls mit großer Häufigkeit in allen drug target Molekülen vorliegen. Daraus ergibt sich das generelle und fundamentale Problem, innerhalb der Screening-Spektren die Reporter-Signale der Substanzen eindeutig, unmittelbar und einfach von den Hintergrund-Signalen des drug targets unterscheiden zu können. Hierfür werden in den bekannten Verfahren zwei prinzipielle, in der Praxis jedoch sehr unzureichende Methoden beschrieben. Zum einen kann man das Protonenspektrum des freien drug targets vom Screening-Spektrum subtrahieren. Allerdings ist diese Subtraktion aus grundsätzlichen Erwägungen nie vollständig, insbesondere nicht in Gegenwart bindender Liganden, die ja auch im Spektrum des drug targets Verschiebungen induzieren. Die einzige meßtechnische Möglichkeit der direkten Signalunterdrückung besteht im Einbau eines (T2- oder T1ρ-) Relaxationsfilters, der die Signale des weniger mobilen drug targets viel stärker unterdrückt als die Reporter-Signale der hochmobilen Testsubstanzen. Diese mobilitätsabhängige Selektion setzt jedoch voraus, daß die Testsubstanzen erheblich beweglicher als die drug target Moleküle sind und unterdrückt prinzipiell nicht nur das drug target, sondern auch den target gebundenen Zustand eines Liganden. Zwar kann der Bindungsnachweis im Prinzip immer noch indirekt über die Signalabnahme für die freie Form des Liganden erfolgen. Jedoch erfordert die verläßliche Erfassung von Signalintensitäten eine in der Praxis kaum erreichbare vollständige Unterdrückung der Hintergrund-Signale durch den Mobilitätsfilter, der insbesondere die Signale lokal flexibler Molekülbereiche des drug targets passieren läßt.All known ligand-detecting NMR screening methods observe (ie measure the FID) for protons, which, however, are also present with high frequency in all drug target molecules. This results in the general and fundamental problem of being able to clearly, directly and simply distinguish the reporter signals of the substances from the background signals of the drug target within the screening spectra. For this purpose, two basic methods are described in the known methods, but in practice very inadequate. On the one hand, the proton spectrum of the free drug target can be subtracted from the screening spectrum. However, for fundamental reasons, this subtraction is never complete, especially not in the presence of binding ligands, which also induce shifts in the spectrum of the drug target. The only metrological possibility of direct signal suppression is to install a (T 2 - or T 1ρ -) relaxation filter , which suppresses the signals of the less mobile drug target much more than the reporter signals of the highly mobile test substances. However, this mobility-dependent selection presupposes that the test substances are considerably more mobile than the drug target molecules and in principle suppresses not only the drug target but also the target-bound state of a ligand. In principle, the detection of the bond can still take place indirectly via the signal decrease for the free form of the ligand. However, the reliable detection of signal intensities requires complete suppression of the background signals by the mobility filter, which can hardly be achieved in practice, which in particular allows the signals of locally flexible molecular regions of the drug target to pass.
Das Problem der Signal-Unterdrückung der Resonanzen des drug targets kann auch auf elegante Weise gelöst werden, indem Liganden eingesetzt werden, die NMR-aktive Heterokerne tragen, die nicht oder nur in sehr geringer Häufigkeit im drug target vorkommen. Diese Liganden ermöglichen die Durchführung von NMR-Experimenten, bei denen auf den Heterokernen detektiert wird, oder die mit dem Heterokern gefiltert oder editiert werden. In den daraus resultierenden NMR-Spektren ist das Heterokern-freie drug target unsichtbar.The problem of signal suppression Resonances of the drug target can also be solved elegantly, by using ligands which carry NMR-active heteronuclei, that do not occur in the drug target or only occur with very little frequency. Enable these ligands the implementation from NMR experiments, where detected on the hetero nuclei or that are filtered or edited with the hetero core. In the resulting NMR spectra, the nucleus is free drug target invisible.
Ein Nachteil dieser Methode ist natürlich, daß die zu testenden Liganden den Heterokern tragen müssen. Dies schränkt die Auswahl der geeigneten Verbindungen drastisch ein und/oder erfordert einen zusätzlichen synthetischen Aufwand.A disadvantage of this method is of course that the testing ligand must carry the heterocore. This limits the Choosing the right connections drastically and / or requires An additional synthetic effort.
Die Eignung des Heterokerns 19F wird in diesem Zusammenhang in dem Artikel „NMR-Based Approaches for Lead Generation in Drug Discovery" von J.W.Peng in Methods of Enzymology, Vol. 338 (2001), 202–230 und in der Veröffentlichung „Cross-Correlated Relaxation Measurements for the Study of Fluorinated Ligand-Receptor Interactions" ebenfalls von J.W. Peng in Journal of Magnetic Resonance 153 (2001) 32–47 angedeutet. Keine dieser Veröffentlichungen beschreibt jedoch konkrete Ausführungsformen dieses Konzepts.The suitability of the hetero core 19 F is in this connection in the article "NMR-Based Approaches for Lead Generation in Drug Discovery" by JWPeng in Methods of Enzymology, Vol. 338 (2001), 202-230 and in the publication "Cross-Correlated Relaxation Measurements for the Study of Fluorinated Ligand-Receptor Interactions "also indicated by JW Peng in Journal of Magnetic Resonance 153 (2001) 32-47. However, none of these publications describes specific embodiments of this concept.
Diese Probleme umgehen die bekannten target-detektierten Verfahren, die bindungsinduzierte Veränderungen an Reporter-Signalen des drug targets aufzeigen und – da diese einzelnen Atomen des drug targets zuordenbar sind – unmittelbar Ort und Art der Ligandenbindung auf dem drug target erfassen. Die eindeutige Selektion der Reporter-Signale geschieht bei diesen Verfahren über eine NMR-spektroskopisch herbeigeführte magnetische Kopplung (Korrelation) mehrerer Kernspins innerhalb des drug target Moleküls, wie sie so für die niedermolekularen Testsubstanzen nicht möglich ist. Auf diese Weise werden zwei- oder höherdimensionale charakteristische fingerprint-Spektren aus Korrelationssignalen der drug targets erhalten, in denen (so gut wie) keine NMR-Signale der Testsubstanzen auftreten. Entscheidend ist, daß diese selektive Erfassung der Reporter-Signale sowohl im freien wie auch im liganden-assoziierten Zustand des drug targets möglich ist, wodurch nunmehr auch hochaffine Liganden direkt beobachtet werden können. Als Indikator wird meist einfach eine bindungsinduzierte Verschiebung der Korrelationssignale erfaßt.The known work around these problems Target-detected methods that detect binding-induced changes point at reporter signals of the drug target and - since these can be assigned to individual atoms of the drug target - immediately Record the location and type of ligand binding on the drug target. The In these methods, the reporter signals are clearly selected using a Magnetic magnetic fields Coupling (correlation) of several nuclear spins within the drug target molecule, like they do for the low molecular weight test substances is not possible. In this way become characteristic of two or more dimensions get fingerprint spectra from correlation signals of drug targets, in which (almost) no NMR signals of the test substances occur. It is crucial that this selective detection of the reporter signals both outdoors and is possible in the ligand-associated state of the drug target, whereby high-affinity ligands can now be observed directly can. A binding-induced shift is usually simply used as an indicator of the correlation signals.
Als fingerprint-Spektren können im target-detektierten NMR-Screening einerseits homonukleare Korrelationsspektren mit zwei gekoppelten 1H-Dimensionen aufgenommen werden, wie in der deutschen Patentanmeldung 101 60 177.8 (vom 07.12.2001) beschrieben. Andererseits können auch heteronukleare Korrelationsspektren gemessen werden, bei denen typischerweise die Frequenzen eines von Protonen verschiedenen Kerns in der indirekten Dimension mit den Frequenzen der direkt gebundenen Protonen in der direkt gemessenen Dimension korreliert werden. Die häufigsten Vertreter dieser Technik sind 15N,1H-(WO 97/18469, WO 97/18471) und 13C,1H-(WO 00/62074) NMR-Korrelationsexperimente. Hierfür muß das drug target mit den NMR-detektierbaren stabilen Isotopen 15N-Stickstoff bzw. 13C-Kohlenstoff angereichert werden, da deren natürliche Häufigkeit (0.36% bzw. 1.1%) unzureichend für schnelle NMR-Spektroskopie ist. Das drug target wird durch diesen – gentechnisch einfach möglichen – Isotopenaustausch eindeutig markiert und vor den Testsubstanzen und dem Lösungsmittel ausgezeichnet. Die Isotopenmarkierung erlaubt also eine hochaufgelöste spezifische und ausschließliche Erfassung der gewünschten Reporter-Signale des drug targets in freier und assoziierter Form.In the target-detected NMR screening, on the one hand, homonuclear correlation spectra with two coupled 1 H dimensions can be recorded as fingerprint spectra, as described in German patent application 101 60 177.8 (dated December 7, 2001). On the other hand, heteronuclear correlation spectra can also be measured, in which the frequencies of a nucleus different from protons in the indirect dimension are typically correlated with the frequencies of the directly bound protons in the directly measured dimension. The most common representatives of this technique are 15 N, 1 H (WO 97/18469, WO 97/18471) and 13 C, 1 H (WO 00/62074) NMR correlation experiments. For this, the drug target must be enriched with the NMR-detectable stable isotopes 15 N-nitrogen or 13 C-carbon, since their natural frequency (0.36% or 1.1%) is insufficient for fast NMR spectroscopy. The drug target is clearly marked by this - genetically simple - isotope exchange and marked in front of the test substances and the solvent. The isotope labeling thus allows a high-resolution specific and exclusive detection of the desired reporter signals of the drug target in free and associated form.
Den erwähnten Vorteilen target-detektierter NMR-Screeningverfahren – atomar aufgelöste unmittelbare Detektion und räumliche Zuordnung sowohl schwach als auch beliebig stark bindender Liganden – stehen jedoch im wesentlichen zwei Nachteile gegenüber. Einerseits werden die aufgenommenen Spektren des drug targets mit zunehmender Molekülgröße immer komplexer und aufgrund rascher Relaxationsphänomene immer intensitätsschwächer; immobilisierte oder unlösliche drug targets sind der NMR-Spektroskopie in Lösung kaum mehr zugänglich. Zum anderen ist die erzielbare effektive Durchsatzrate im Vergleich zu den o.a. liganden-detektierten NMR-Screeningverfahren erheblich niedriger, weil die erforderlichen mehrdimensionalen Spektren mehr Meßzeit benötigen.However, the advantages of target-detected NMR screening methods mentioned - atomically resolved direct detection and spatial assignment of both weakly and arbitrarily strongly binding ligands - are essentially offset by two disadvantages. On the one hand, the recorded spectra of the drug targets with increasing molecular size more and more complex and weaker in intensity due to rapid relaxation phenomena; immobilized or insoluble drug targets are hardly accessible to NMR spectroscopy in solution. On the other hand, the effective throughput rate that can be achieved is considerably lower compared to the above-mentioned ligand-detected NMR screening methods because the required multidimensional spectra require more measuring time.
3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary the invention
Die vorliegende Erfindung zum liganden-detektierten NMR-Screening hat zur Aufgabe, Verfahren zur NMR-basierten Wirkstoffsuche bereitzustellen, welche frei sind von den eingangs beschriebenen Nachteilen der bekannten Verfahren. Es wird insbesondere die Aufgabe behandelt, ein Verfahren bereitzustellen, welches maximale Durchsatzraten ermöglicht. Weiterhin hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, Verfahren zur NMR-basierten Wirkstoffsuche bereitzustellen, welche eine erhöhte Sicherheit gegenüber falsch-positiven und/oder falsch-negativen Ergebnissen bietet.The present invention for ligand-detected NMR screening has the task of methods for NMR-based drug search to provide, which are free from those described above Disadvantages of the known methods. It becomes the task in particular treated to provide a method that has maximum throughput rates allows. Furthermore, the present invention has the task of methods for NMR-based search for active substances to provide an increased Security towards offers false positive and / or false negative results.
Das erfindungsgemäße Verfahren überträgt hierzu das eingangs erwähnte Prinzip des target-detektierten Screenings auf das liganden-detektierte Screening, indem die herkömmliche Selektion der Ligandensignale nach Molekülgröße durch eine eindeutige und gänzlich größenunabhängige Selektion nach NMR-Frequenzen ersetzt wird. Der Ligand wird damit sowohl in freier (dissoziierter) als auch in gebundener (targetassozüerter) Form selektiv beobachtbar.For this purpose, the method according to the invention transmits the aforementioned Principle of target-detected screening for the ligand-detected Screening by the conventional Selection of the ligand signals by molecular size through a clear and completely size-independent selection after NMR frequencies is replaced. The ligand is thus both in free (dissociated) as well as bound (target associated) form selectively observable.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Zusammenstellung einer speziellen Bank, welche besonders auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit gesteigerten Durchsatzraten hin ausgerichtet ist. Diese Bank besteht ausschließlich aus Mischungen solcher Substanzen, die mit NMR-beobachtbaren Isotopen markiert sind, welche im drug target nicht oder nur mit sehr geringer Häufigkeit vorkommen. Die wesentlichen Merkmale dieses Verfahrens sind in Anspruch 1 aufgeführt. Die Unteransprüche 2 bis 5 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens. Es werden insbesondere Möglichkeiten aufgezeigt, wie derartige Substanzbanken mit isotopenmarkierten Verbindungen einfach und kostengünstig erhalten werden können, die unter Ausnutzung der einzigartigen Affinitätsempfindlichkeit des NMR-Screening eine maximale chemische Vielfalt erschließen und als molekulare Bausteine gleichzeitig hohe pharmakologische Relevanz besitzen.The present invention further encompasses a method of assembling a special bank, which especially on the implementation of the method according to the invention is aligned with increased throughput rates. That bank exists exclusively from mixtures of such substances with NMR-observable isotopes those that are not marked in the drug target or only with a very small number are marked Frequency. The essential features of this method are listed in claim 1. The Subclaims 2 to 5 describe preferred embodiments of this method. There will be particular opportunities demonstrated how such substance banks with isotope-labeled Connections simple and inexpensive can be obtained taking advantage of the unique affinity sensitivity of NMR screening open up maximum chemical diversity and as molecular building blocks at the same time have high pharmacological relevance.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Substanzbank gemäß Anspruch 6, die durch diese Verfahren erhältlich ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Substanzbank sind in den Unteransprüchen 7 bis 10 angegeben.The present invention relates continue to refer to the substance bank according to claim 6 by this Process available is. Advantageous embodiments of the substance bank according to the invention are in the subclaims 7 to 10 specified.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ligandendetektierte screening-Verfahren zur Wirkstoffsuche unter Verwendung der oben beschriebenen Substanzbank, die auf der Messung von Elementen oder Isotopen beruhen, die nicht (oder nur in geringer Häufigkeit) im drug target vorliegen. Die wesentlichen Merkmale dieses Verfahrens sind in Anspruch 11 genannt, während die Unteransprüche 12 bis 17 besonders vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens beschreiben. Ein alternatives Verfahren wird in den Ansprüchen 18 bis 21 genannt. Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem der Steigerung der Durchsatzraten wird erfindungsgemäß durch die gleichzeitige Vermessung einer Vielzahl von Substanzen in den Gemischen der Substanzbank gelöst, welche ihrerseits erst durch die Vereinfachung der erhaltenen Spektren durch den Einsatz der Heterokerne ermöglicht wird.Another aspect of the present Invention relates to ligand-detected screening methods to search for active substances using the substance bank described above, that are based on the measurement of elements or isotopes that are not (or only infrequently) are present in the drug target. The main features of this procedure are mentioned in claim 11 while the subclaims 12 to 17 particularly advantageous embodiments of this method describe. An alternative method is set out in claims 18 called to 21. The underlying problem of the invention According to the invention, the throughput rates are increased by the simultaneous measurement a large number of substances in the mixtures of the substance bank solved, which in turn can only be achieved by simplifying the spectra obtained enables the use of hetero cores becomes.
Das erfindungsgemäße Screening-Verfahren kann unter Verwendung verschiedener NMR-Experimente durchgeführt werden, die die ligandenspezifischen Reporter-Signale der Isotopenmarker detektieren und daran einen oder mehrere der erwähnten Bindungsindikatoren sowohl im dissoziierten als auch im assoziierten Zustand erfassen. Die erhaltenen heteronuklear editierten oder gefilterten Screening-Spektren enthalten keine Störsignale unmarkierter Komponenten mehr. Damit wird erstmals das meßtechnisch überragende Problem der Wasserunterdrückung vollständig gelöst. Ebenso löst die vorliegende Erfindung das in der Spektrenauswertung überragende Problem störender Restsignale des drug targets, die bei den bisherigen Verfahren nur unvollständig unterdrückt werden. Die Screening-Spektren sind überdies von maximaler Einfachheit, da sie nur wenige Reporter-Signale pro Testsubstanz (entsprechend der Anzahl eingebauter Isotopenmarker) aufweisen. Bevorzugt ist die Verwendung von Substanzgemischen, bei denen jede Testsubstanz nur ein einziges Reporter-Signal erzeugt. Dies vereinfacht zum einen die automatisierte Spektrenauswertung und Identifizierung bindender Liganden. Die Übersichtlichkeit der Gemisch-Spektren erlaubt zum anderen die Zusammenstellung und eindeutige spektrale Unterscheidbarkeit von umfangreicheren Substanzgemischen und ist somit im Hinblick auf das der Erfindung zu Grunde liegende Problem als optimal einzustufen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit den bislang höchsten Durchsatz aller NMR-Screening-Verfahren, mit dem über 10.000 Substanzen pro Tag getestet und bindende Liganden unmittelbar identifiziert werden können.The screening method according to the invention can be carried out using various NMR experiments, which are the ligand-specific reporter signals of the isotope markers detect and thereupon both one or more of the binding indicators mentioned record in the dissociated as well as in the associated state. The obtained heteronuclearly edited or filtered screening spectra do not contain interference signals unmarked components more. This is the first time that the metrologically outstanding problem becomes of water suppression Completely solved. Likewise solves the present invention is superior in spectra evaluation Problem more troublesome Residual signals of the drug target, which were only possible with the previous methods incomplete repressed become. The screening spectra are also of maximum simplicity because they have few reporter signals per test substance (corresponding to the Number of built-in isotope markers). The is preferred Use of substance mixtures in which each test substance only generates a single reporter signal. On the one hand, this simplifies automated spectra evaluation and identification binding Ligands. The clarity on the other hand, the mixture spectra allow the compilation and clear spectral differentiation of larger substance mixtures and is thus in view of that on which the invention is based Classify problem as optimal. The method according to the invention allows the highest so far Throughput of all NMR screening methods with which over 10,000 Tested substances per day and immediately identified binding ligands can be.
4. Beschreibung der Zeichnungen4. Description of the drawings
5. Ausführliche Beschreibung der Erfindung5. Detailed Description of the invention
5.1 Definitionen5.1 Definitions
Im folgenden wird unter einem drug target ein Molekül verstanden, dessen biologische Funktion und/oder Aktivität durch Wechselwirkung mit einem Liganden so verändert werden soll, daß eine bestimmte gewünschte Wirkung (z.B. die Therapie einer Krankheit) erzielt wird. Typische drug targets umfassen natürlich vorkommende Proteine, DNA- und/oder RNA-Moleküle. Derartige drug targets haben typischerweise ein deutlich größeres Molekulargewicht als die Testsubstanzen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche drug targets beschränkt. Es ist sogar möglich, der NMR-Spektroskopie in Lösung nicht zugängliche (große oder immobilisierte) drug targets einzusetzen, da diese bei dem erfindungsgemäßen Verfahren des liganden-detektierten NMR-Screenings selber nicht erfaßt werden. Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens muß das drug target in ausreichender Menge (ca. 102 mg je 1000 zu testende Substanzen) und Reinheit dargestellt werden. Hierfür sind insbesondere gentechnisch veränderte mikrobielle Expressionssysteme geeignet. Die entsprechenden biochemischen Methoden sind dem Fachmann bekannt, insbesondere da für das erfindungsgemäß beanspruchte Verfahren des NMR-Screenings keine Isotopenmarkierung erforderlich ist.In the following, a drug target is understood to mean a molecule whose biological function and / or activity is to be changed by interaction with a ligand in such a way that a certain desired effect (for example the therapy of a disease) is achieved. Typical drug targets include naturally occurring proteins, DNA and / or RNA molecules. Such drug targets typically have a significantly larger molecular weight than the test substances. However, the present invention is not limited to such drug targets. It is even possible to use (large or immobilized) drug targets which are not accessible to NMR spectroscopy in solution, since these are not themselves detected in the method of ligand-detected NMR screening according to the invention. To carry out the described method, the drug target must be presented in sufficient quantity (approx. 10 2 mg per 1000 substances to be tested) and purity. Genetically modified microbial expression systems are particularly suitable for this. The corresponding biochemical methods are known to the person skilled in the art, in particular since isotope labeling is not required for the method of NMR screening claimed according to the invention.
Der Begriff Ligand bezeichnet eine chemische (Test)Substanz, die an das drug target bindet. Derartige Liganden sind typischerweise niedermolekulare chemische Verbindungen, die als Naturstoffe isoliert werden können oder über chemische Synthese zugänglich sind; die vorliegende Erfindung zur Suche nach Liganden (Screening) ist jedoch unabhängig von der Größe der zu testenden Substanzen.The term ligand denotes one chemical (test) substance that binds to the drug target. Such ligands are typically low molecular weight chemical compounds that can be isolated as natural substances or are accessible via chemical synthesis; is the present invention for ligand search (screening) however independent from the size of the to testing substances.
Mit Bindung des Liganden an das drug target wird jede Wechselwirkung beider Moleküle bezeichnet, die ausreichend stark ist, um die NMR-Spektren des Liganden charakteristisch zu beeinflussen. Typischerweise können mit dem vorliegenden Verfahren Bindungen nachgewiesen werden, deren Dissoziationskonstante KD zumindest im millimolaren Bereich liegen. Es besteht keine Affinitäts-Obergrenze.Binding of the ligand to the drug target denotes any interaction between the two molecules that is strong enough to characteristically influence the NMR spectra of the ligand. Typically, the present method can detect bonds whose dissociation constant K D is at least in the millimolar range. There is no upper limit on affinity.
Als Isotopenmarker oder Heterokern wird im Rahmen dieser Erfindung ein Element oder Isotop bezeichnet, welches NMR-spektroskopisch erfaßbar ist und in allen Molekülen der Testsubstanzen enthalten ist, während es im entsprechenden drug target nicht oder nur in so geringer natürlicher Häufigkeit (bevorzugt unter 5%, stärker bevorzugt unter 2%) vorkommt, daß es beim erfindungsgemäßen Screening-Verfahren zu keinen beobachtbaren NMR-Signalen des drug targets führt. Diese Erfordernis kann auch erfüllt sein wenn das drug target zwar ebenfalls Isotopenmarker enthält, diese jedoch zu NMR-Signalen deutlich außerhalb des Frequenzbereiches der Isotopenmarker der Testverbindungen führen. Die Aufgabe der Isotopenmarker im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei, ausschließlich für die Testsubstanzen NMR-beobachtbare Reportersignale zu liefern, die immer eine eindeutige Unterscheidung vom drug target ermöglichen. Der Begriff „Isotopenmarkierung" impliziert nicht, daß die betreffende Markierung extra durch eine spezifische chemische Reaktion in die Verbindung eingeführt wird. Für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es ebenso möglich, dass die Verbindung bereits mit dem Isotopenmarker neu hergestellt wird.As an isotope marker or hetero core an element or isotope is referred to in the context of this invention, which can be detected by NMR spectroscopy and in all molecules the Test substances is included while it does not exist in the corresponding drug target, or only in so little natural frequency (preferably less than 5%, stronger preferably less than 2%) occurs in the screening method according to the invention leads to no observable NMR signals of the drug target. This Requirement can also be met if the drug target also contains isotope markers, these however to NMR signals clearly outside of the frequency range of the isotope markers of the test compounds. The Object of the isotope marker in the context of the present invention is going to exclusively for the Test substances to provide NMR-observable reporter signals that always allow a clear differentiation from the drug target. The term "isotope labeling" does not imply that the Marking in question through a specific chemical reaction introduced into the connection becomes. For execution the present invention it is also possible that the connection is already being produced with the isotope marker.
Unter einem heteronuklearen NMR-Experiment wird ein solches NMR-Experiment verstanden, bei dem entweder die Anregung der letztlich beobachtbaren NMR-Kohärenz auf einem Heterokern erfolgt, oder bei dem zumindest ein Kohärenz- oder Magnetisierungstransfer zwischen zwei Kernen verschiedener Typen (unter Einschluß von mindestens einem Heterokern) erfolgt. Im Rahmen dieser Erfindung werden allerdings auch solche Protonen der Testsubstanzen wie Heterokerne behandelt und zusammen mit diesen unter dem Begriff Isotopenmarker zusammengefaßt, deren Signalfrequenzen deutlich außerhalb des Protonenspektrums des drug targets liegen. Die angeregte NMR-Kohärenz kann in Form eines heteronuklear editierten NMR-Spektrums erfaßt werden, in dem die Frequenzen der Heterokern-Signale (in vorliegender Erfindung als Reportersignale bezeichnet) direkt aufgezeichnet werden. Im Gegensatz dazu wird in einem heteronuklear gefilterten NMR-Experiment die heteronuklear angeregte NMR-Kohärenz auf koppelnde Protonen übertragen und auf diesen indirekt in Form eines selektierten Protonenspektrums erfaßt.Under a heteronuclear NMR experiment is understood such an NMR experiment in which either the The ultimately observable NMR coherence is excited on a hetero core, or where at least a coherence or magnetization transfer between two different cores Types (including at least one hetero core). Within the scope of this invention However, protons of the test substances such as heteronuclei also become treated and together with these under the term isotope marker summarized, whose signal frequencies are clearly outside the proton spectrum of the drug targets lie. The excited NMR coherence can be in the form of a heteronuclear edited NMR spectrum recorded in which the frequencies of the hetero core signals (in the present Invention referred to as reporter signals) are recorded directly. In contrast, a heteronuclear filtered NMR experiment the heteronuclear excited NMR coherence coupling protons and on this indirectly in the form of a selected proton spectrum detected.
Unter Meßbedingungen werden im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung die bei der Aufnahme eines NMR-Spektrums gewählte Pulssequenz, die bei der Messung vorliegende Temperatur, das Lösungsmittel und der pH der zu messenden Lösung, sowie die bei der Messung verwendeten NMR-spektroskopischen Parameter (insbesondere Delays, Sendefrequenzen und Pulsleistungen) verstanden.Under measurement conditions are related of the present invention when recording an NMR spectrum elected Pulse sequence, the temperature at the time of measurement, the solvent and the pH of the solution to be measured, and the NMR spectroscopic parameters used in the measurement (in particular delays, transmission frequencies and pulse powers) understood.
5.2 Verfahren zur Zusammenstellung der erfindungsgemäßen Substanzbank5.2 Compilation procedure the substance bank according to the invention
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Zusammenstellung von Substanzen nach den allgemeinen und speziellen Erfordernissen des erfindungsgemäßen Screening-Verfahrens. Dieses Verfahren umfasst die folgenden wesentlichen Schritte:
- (i) Auswahl einer Anzahl von Substanzen, die jeweils eine oder mehrere Isotopenmarker des selben Typs aufweisen;
- (ii) Bestimmung der NMR-Resonanzfrequenzen der Isotopenmarker der ausgewählten Substanzen;
- (iii) Gruppierung der ausgewählten Substanzen in eine oder mehrere Teilmenge(n), so daß innerhalb jeder Teilmenge sich die Signalfrequenz eines jeden Isotopenmarkers mindestens um das Doppelte der jeweiligen Breite des Signals auf halber Höhe (sogenannte Linien- oder Halbwertsbreite) von den Signalfrequenzen aller anderen Isotopenmarker innerhalb der Teilmenge unterscheidet (d.h. daß der Abstand benachbarter Signale größer als die Summe ihrer Halbwertsbreiten ist) und innerhalb jeder Teilmenge alle Signalfrequenzen der Isotopenmarker innerhalb eines spektralen Bereiches von 15 kHz fallen, mit der Maßgabe, daß die Substanzen jeder Teilmenge untereinander nicht reagieren;
- (iv) Herstellung von einem oder mehreren Substanzgemisch(en), wobei für jedes Substanzgemisch alle Substanzen der jeweiligen Teilmenge gemäß Schritt (iii) gemischt werden.
- (i) selecting a number of substances, each having one or more isotope markers of the same type;
- (ii) determination of the NMR resonance frequencies of the isotope markers of the selected substances;
- (iii) Grouping of the selected substances into one or more subset (s), so that within each subset the signal frequency of each isotope marker is at least twice the respective width of the signal at half height (so-called line or half-value width) from the signal frequencies of all distinguishes other isotope markers within the subset (i.e. that the distance between adjacent signals is greater than the sum of their half-value widths) and within each subset all signal frequencies of the isotope markers fall within a spectral range of 15 kHz, with the proviso that the substances in each subset do not react with one another ;
- (iv) Production of one or more substance mixture (s), with all substances of the respective subset according to step (iii) being mixed for each substance mixture.
Die erfindungsgemäße Substanzbank ist eine Zusammenstellung einer großen Anzahl (beispielsweise über 102, bevorzugt über 103, stärker bevorzugt über 5.103) an Substanzen, die in Form von Gemischen vorliegen. Die maximale Anzahl an Substanzen, die in der Substanzbank enthalten sein können, ist grundsätzlich nicht beschränkt. Aus finanziellen Gründen und aus Gründen der Praktikabilität wird die maximale Anzahl an Verbindungen in den meisten Fällen im Bereich von 104 bis 106 Substanzen liegen, wobei ein typischer Maximalwert bei 105 liegt. Die Verwendung von Gemischen ist im Hinblick auf den maximal möglichen Durchsatz an Substanzen in dem erfindungsgemäßen sceening-Verfahren ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Anzahl an Gemischen sollte so gering wie möglich gehalten werden. Die erforderliche Mindestzahl an Gemischen richtet sich nach dem Quotienten aus der Gesamtzahl an Substanzen in der Substanzbank und der maximalen Anzahl an Substanzen, die in einem Gemisch vereint werden können ohne die wesentlichen Kriterien des oben genannten Teilschrittes (iii) zu verletzen. Bei einer Größe der Substanzbank von etwa 104 Verbindungen und einer Anzahl von 50 bis 100 Verbindungen pro Gemisch ergibt sich beispielsweise eine Anzahl von etwa 100 bis 200 Gemischen.The substance bank according to the invention is a compilation a big one Number (e.g. over 102, preferably over 103, stronger preferably over 5.103) on substances that are in the form of mixtures. The maximal Number of substances that can be contained in the substance bank in principle not limited. Because of financally reasons and for reasons the practicability the maximum number of connections in most cases is The range is from 104 to 106 substances, with a typical maximum value is 105. The use of mixtures is with regard to the maximum possible Throughput of substances in the sceening process according to the invention essential aspect of the present invention. The number of mixtures should be as low as possible being held. The minimum number of mixtures required according to the quotient of the total number of substances in the Substance bank and the maximum number of substances in one Mixture can be combined without the essential criteria of the above step (iii) hurt. With a size of the substance bank of about 104 connections and a number of 50 to 100 connections for example, there is a number of about 100 per mixture up to 200 mixtures.
Es ist natürlich auch nicht ausgeschlossen, daß in den Gemischen neben den nach den oben beschriebenen Kriterien ausgesuchten Substanzen auch noch weitere Substanzen vorliegen, die beispielsweise einen anderen Isotopenmarker (z.B. 2H statt 19F) tragen. Derartige zusätzliche Substanzen tragen zu dem erfindungsgemäßen Konzept der Erhöhung des Durchsatzes nicht bei, können jedoch zusätzliche Probleme verursachen, da sie
- – die Wahrscheinlichkeit erhöhen, daß innerhalb der Gemische unerwünschte Reaktionen zwischen den Substanzen auftreten;
- – Löslichkeitsprobleme in den Stocklösungen (s. Abschnitt 5.2.8 unten) verursachen können, da sie die Gesamtkonzentration an gelösten Substanzen in der Stocklösung erhöhen; und
- – da sie das Risiko bergen, daß stark bindende Liganden innerhalb der Gruppe der zusätzlichen Substanzen schwach bindende Liganden aus der Gruppe der erfindungsgemäßen Substanzen verdrängen, so daß letztere nicht oder nur schlecht als Liganden identifiziert werden.
- - increase the likelihood that undesirable reactions between the substances occur within the mixtures;
- - can cause solubility problems in the stock solutions (see section 5.2.8 below) as they increase the total concentration of dissolved substances in the stock solution; and
- - Since they carry the risk that strongly binding ligands within the group of additional substances displace weakly binding ligands from the group of substances according to the invention, so that the latter are not or only poorly identified as ligands.
Diesen potenziellen Problemen steht lediglich ein geringer Zeitgewinn gegenüber, der dadurch entsteht, daß weitere Messungen an den zusätzlichen Substanzen durchgeführt werden können, ohne daß dazwischen ein Probenwechsel erforderlich ist (soweit der Probenkopf dies überhaupt zuläßt). Bei moderner Ausrüstung mit automatischem Probenwechsler oder Durchflußprobenkopf kann dieser Zeitgewinn jedoch die oben genannten potenziellen Probleme nicht kompensieren. Die Herstellung und Verwendung von Gemischen, in denen keine weiteren ausser nach den einleitend genannten Regeln ausgewählen Substanzen mit Isotopenmarker enthalten sind, ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt.Faces these potential problems just a small amount of time saved compared to that more Measurements on the additional Substances carried out can be without in between a sample change is necessary (as far as the sample head is at all allows). at modern equipment With an automatic sample changer or flow probe, this time can be saved however, do not compensate for the above potential problems. The production and use of mixtures in which no other except for substances selected according to the introductory rules containing isotope markers is therefore within the scope of the present Invention preferred.
5.2.1 Allgemeine Voraussetzungen5.2.1 General requirements
Wie für ligandendetektierte NMR-Screeningverfahren allgemein gilt, müssen die Substanzen in wäßriger Lösung über die Dauer eines Screening-Durchlaufes (> 1 Tag) chemisch stabil sein und dürfen im Gemisch nicht miteinander reagieren. Die NMR-Spektren von Gemischen geeigneter Substanzen (Gemischspektren) sollten auch keine Überlagerungen aufweisen, um die einzelnen Komponenten weiterhin unmittelbar spektral unterscheiden zu können. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn benachbarte Signalpositionen um mindestens das Doppelte der Summe ihrer Halbwertsbreiten auseinander liegen. Zur Aufnahme hinreichend intensiver NMR-Spektren innerhalb von kurzer Zeit sollten die Testsubstanzen in wäßriger Lösung zu mindestens 0.05 mM, stärker bevorzugt 0.1 mM, besonders bevorzugt 0,2 mM löslich sein. Da das erfindungsgemäße Verfahren jedoch erstmals auch die selektive NMR-Beobachtung der Liganden im gebundenen Zustand erlaubt, gilt diese Löslichkeitsbedingung weniger streng: nunmehr müssen die Liganden entweder in wäßriger Lösung (d.h. im freien Zustand) oder im Komplex mit dem drug target diese Mindestlöslichkeit erfüllen. Es ist jedoch nicht auszuschließen, daß diese Mindestkonzentrationen in der Zukunft durch die Entwicklung und den Einsatz empfindlicherer Probenköpfe weiter gesenkt werden können. In diesem Falle erniedrigen sich natürlich auch die erforderlichen Mindestkonzentrationen in der DMSO-Stocklösung (s. Abschnitt 5.2.8 unten) entsprechend.As is generally true for ligand-detected NMR screening methods, the substances in aqueous solution must be chemically stable over the duration of a screening run (> 1 day) and must not react with one another in a mixture. The NMR spectra of mixtures of suitable substances (mixture spectra) should also have no superimpositions in order to be able to further differentiate the individual components directly by spectral means. This condition is met if adjacent signal positions are at least twice the sum of their half-value widths apart. Adequate for inclusion in Intensive NMR spectra within a short time, the test substances should be at least 0.05 mM, more preferably 0.1 mM, particularly preferably 0.2 mM soluble in aqueous solution. However, since the method according to the invention also allows selective NMR observation of the ligands in the bound state for the first time, this solubility condition applies less strictly: now the ligands must meet this minimum solubility either in aqueous solution (ie in the free state) or in complex with the drug target. However, it cannot be ruled out that these minimum concentrations can be further reduced in the future through the development and use of more sensitive probe heads. In this case, of course, the required minimum concentrations in the DMSO stock solution (see section 5.2.8 below) decrease accordingly.
Als wesentliches Merkmal müssen die ausgewählten Testsubstanzen jeweils mindestens einen Isotopenmarker enthalten, d.h. einen Kern eines Elementes oder Isotopes, der NMR-spektroskopisch beobachtbar ist und im drug target nicht bzw. nur mit sehr viel geringerer (bevorzugt weniger als 5%, stärker bevorzugt weniger als 2%) Häufigkeit vorkommt, oder der ein NMR-Signal deutlich außerhalb des Frequenzbereiches gleichartiger Elemente oder Isotope im drug target liefert. Aus NMR-spektroskopischer Sicht sind dabei besonders Kerne mit hoher NMR-Empfindlichkeit und spektraler Dispersion vorteilhaft, die zu intensiven und gut aufgelösten Reportersignalen führen.As an essential feature, the chosen Test substances each contain at least one isotope marker, i.e. a nucleus of an element or isotope, the NMR spectroscopic is observable and not in the drug target or only with a great deal less (preferably less than 5%, more preferably less than 2%) frequency occurs, or an NMR signal of the same kind clearly outside the frequency range Delivers elements or isotopes in the drug target. From NMR spectroscopic Nuclei with high NMR sensitivity and are particularly visible spectral dispersion advantageous to the intensive and well-resolved reporter signals to lead.
Weiterhin müssen alle Testsubstanzen der Substanzbank den selben Isotopenmarker aufweisen.Furthermore, all test substances of the Substance banks have the same isotope marker.
Es ist bevorzugt, wenn möglichst wenige Reportersignale pro Testverbindung vorliegen, um NMR-Spektren minimaler Komplexität zu erhalten. Die Anzahl erhaltener Reportersignale ist dabei gleich der Anzahl Isotopenmarker bzw. magnetisch äquivalenter Isotopenmarker (z.B. in CX3-Einheiten). Besonders bevorzugt sind Testverbindungen, die nur ein einziges Reportersignal liefern. So können maximal umfangreiche Substanzmischungen (beispielsweise mit bis zu 100 oder 150 Verbindungen) ohne Überlagerungen in ihren Gemisch-Spektren zusammengestellt werden, die dann im erfindungsgemäßen NMR-Screeningverfahren direkt eingesetzt und unmittelbar nach den einzelnen Komponenten unterschieden werden können. Die Durchsatzraten werden so um mindestens eine Zehnerpotenz gegenüber herkömmlichen NMR-Screeningverfahren erhöht. Eine minimale Anzahl Isotopenmarker erschwert zwar die Erkennung von Ligandenbindung über lokale Effekte (wie Verschiebung der Signalfrequenz oder direktem intermolekularen Magnetisierungstransfer zwischen Ligand und drug target). Die daraus resultierende Gefahr falsch-negativer Anzeige wird aber durch die (gleichzeitige) Erfassung der Ligandenbindung über globale Effekte (wie diffusions- oder relaxationsmodulierte Signalintensitäten) aufgehoben, welche ohne größeren Meßaufwand an beliebiger Position im Liganden ermittelt werden können. Sollen jedoch primär lokale Bindungseffekte erfaßt werden, ist eine möglichst hohe Verteilung der Isotopenmarker im Liganden vorteilhaft.It is preferred if there are as few reporter signals as possible per test compound in order to obtain NMR spectra of minimal complexity. The number of reporter signals received is equal to the number of isotope markers or magnetically equivalent isotope markers (eg in CX 3 units). Test compounds which deliver only a single reporter signal are particularly preferred. In this way, a maximum of extensive substance mixtures (for example with up to 100 or 150 compounds) can be compiled in their mixture spectra without superimpositions, which can then be used directly in the NMR screening method according to the invention and can be distinguished immediately according to the individual components. The throughput rates are increased by at least a power of ten compared to conventional NMR screening methods. A minimal number of isotope markers makes it difficult to detect ligand binding via local effects (such as shifting the signal frequency or direct intermolecular magnetization transfer between ligand and drug target). The resulting risk of false negative display is eliminated by the (simultaneous) detection of ligand binding via global effects (such as diffusion or relaxation-modulated signal intensities), which can be determined at any position in the ligand without major measurement effort. However, if primarily local binding effects are to be recorded, the highest possible distribution of the isotope markers in the ligand is advantageous.
Die Isotopenmarkierung der zumeist synthetischen, nicht-biogenen Testsubstanzen ist schwieriger als die mittlerweile fast routinemäßig durchgeführte gentechnische Isotopenmarkierung der drug targets mit den NMR-aktiven Kernen 13C, 15N oder 2H (Goto and Kay: Current Opinion in Structural Biology 2000, 10, 55–592). Insbesondere ist ein allgemeiner Isotopenaustausch – beispielsweise des überwiegenden, NMR-unsichtbaren 12C Kohlenstoffs (mit 99% natürlicher Häufigkeit) gegen das seltene, NMR-spektroskopierbare 1 3C Isotop – synthetisch nur schwer durchführbar. Es gibt aber eine Reihe von Methoden, auf dem Weg chemischer Derivatisierung NMR-aktive Kerne an die Testsubstanzen als Isotopenmarker anzuhängen.Isotope labeling of the mostly synthetic, non-biogenic test substances is more difficult than the now almost routine genetic labeling of drug targets with the NMR-active nuclei 13 C, 15 N or 2 H (Goto and Kay: Current Opinion in Structural Biology 2000, 10 , 55-592). In particular, a general isotope exchange - for example of the predominant, NMR-invisible 12 C carbon (with 99% natural frequency) against the rare, NMR-spectroscopic 1 3 C isotope - is difficult to carry out synthetically. However, there are a number of methods for attaching NMR-active nuclei to the test substances as isotope markers by chemical derivatization.
Während der Isotopenmarker als Lieferant des NMR-Reporter-Signales essentiell für das erfindungsgemäße Verfahren ist, sind an die Substanzbank zur erfolgreichen Wirkstoffsuche noch weitere allgemeingültige Anforderungen zu stellen. Vor allem sollte sie eine möglichst große chemische Vielfalt abdecken, um die Trefferwahrscheinlichkeit des NMR-Screeningverfahrens zu erhöhen. Die Empfindlichkeit des Screeningverfahrens hinsichtlich der minimalen erfaßbaren Bindungsstärke ist beim NMR-Screening unübertroffen hoch. Daher müssen die aufzufindenden Liganden bei weitem nicht so exakt in ihre komplementäre Bindungstasche am drug target passen, wie für eine Trefferanzeige bei den unempfindlicheren Hochdurchsatz-Screeningmethoden (HTS) erforderlich ist. Der chemisch-strukturelle Raum muß deshalb durch eine für das NMR-Screening optimierte Substanzbank weniger dicht abgedeckt werden. Die Substanzbank kann auf eine erheblich geringere Anzahl (103 – 105 Verbindungen) einfacher chemischer Grundgerüste beschränkt werden, die im allgemeinen zwar weniger stark, dafür aber mit höherer Wahrscheinlichkeit an ein vorgegebenes drug target binden. Im Gegensatz zu komplexeren Verbindungen können diese einfachen Grundmotive käuflich erworben oder durch chemische Synthese leicht mit bestimmten Isotopenmarkern hergestellt werden. Damit ist das Problem der Zugänglichkeit einer für das NMR-Screening ausreichenden chemischen Vielfalt mit isotopenmarkierten Verbindungen gut lösbar.While the isotope marker as the supplier of the NMR reporter signal is essential for the method according to the invention, further general requirements have to be made of the substance bank for the successful search for active substances. Above all, it should cover the greatest possible chemical diversity in order to increase the likelihood of being hit by the NMR screening process. The sensitivity of the screening process with regard to the minimum detectable binding strength is unsurpassed in NMR screening. For this reason, the ligands to be found do not have to fit into their complementary binding pocket on the drug target as closely as is necessary for a hit display in the less sensitive high-throughput screening methods (HTS). The chemical-structural space must therefore be covered less densely by a substance bank optimized for NMR screening. The substance bank can be limited to a considerably smaller number (10 3 - 10 5 compounds) of simple chemical frameworks, which are generally less strong, but are more likely to bind to a given drug target. In contrast to more complex compounds, these simple basic motifs can be purchased or can be easily synthesized using certain isotope markers. The problem of accessibility of a chemical diversity sufficient for NMR screening with isotope-labeled compounds can thus be solved easily.
Ein mögliches Problem ist die Beeinflussung der pharmakologischen oder bindungschemischen Eigenschaften eines Liganden durch den Isotopenmarker. Falls der Isotopenmarker nur temporär eingebaut wird und im medizinisch-chemischen Optimierungsprozeß wieder entfernt werden soll, sind die pharmakologischen Eigenschaften (z.B. Toxizität, Bioverfügbarkeit etc.) des Isotopenmarkers irrelevant. Wichtig ist dann jedoch, daß der Isotopenmarker die Ligandenbindung an das drug target nicht wesentlich beeinflußt, so daß die Affinität zwischen drug target und Ligand auch bei der nachträglichen Entfernung des Isotopenmarkers erhalten bleibt. Verbleibt der Isotopenmarker permanent im Liganden, so sind ausschließlich seine pharmakologischen Eigenschaften relevant.A possible problem is the influence of the isotope marker on the pharmacological or binding chemical properties of a ligand. If the isotope marker is only installed temporarily and is to be removed again in the medical-chemical optimization process, the pharmacological properties (eg toxicity, bioavailability, etc.) of the isotope marker are irrelevant. It is then important, however, that the isotope marker does not significantly influence the ligand binding to the drug target, so that the affinity between the drug target and the ligand is maintained even when the isotope marker is subsequently removed remains. If the isotope marker remains permanently in the ligand, only its pharmacological properties are relevant.
5.2.2 Fluor als Isotopenmarker5.2.2 Fluorine as an isotope marker
In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isotopenmarker das Element Fluor benutzt und entsprechend eine Substanzbank aus fluorhaltigen Verbindungen zum Zwecke des Fluor-detektierten NMR-Screenings zusammengestellt. Das Element Fluor liegt mit 100% natürlicher Häufigkeit in Form des hervorragend NMR-zugänglichen Isotopes 19F vor und ist überdies in praktisch keiner bekannten Biogenen Substanz und damit auch in praktisch keinem bekannten drug target vorhanden. Gleichzeitig sind mehrere Zehntausend fluorierte Substanzen kommerziell erhältlich, mit denen die für effektives 19F-NMR-Screening notwendige chemische Vielfalt abgebildet werden kann. Fluorierte Verbindungen besitzen überdies überdurchschnittlich günstige pharmakologische Eigenschaften, weshalb 19F meist als permanenter Isotopenmarker verbleiben kann. So werden z.B. aromatische Wirkstoff-Kandidaten bei der medizinisch-chemischen Optimierung bevorzugt in para-Stellung fluoriert, um ihren raschen cytochromatischen Abbau zu blockieren. Auch als nur temporärer Isotopenmarker ist 19F besonders geeignet, da das Atom nahezu isoster (gleich groß) zu Wasserstoff ist und sich die chemischen Eigenschaften einer Verbindung nach Austausch von 19F durch 1H meist nur marginal ändern. Hinsichtlich seiner NMR- spektroskopischen Eigenschaften ist der Spin-½-Kern 19F mit 83% relativer Empfindlichkeit dem Proton 1H nahezu gleichwertig. Bei vergleichbaren Linienbreiten und Signalintensitäten ist die spektrale Dispersion für 19F hingegen ca. 30fach größer als für Daher können erheblich umfangreichere Substanzmischungen (beispielsweise mit bis zu 100 bis 150 Verbindungen) ohne Überlagerungen in ihren Gemisch-Spektren im 19F-NMR-Screening eingesetzt und unmittelbar unterschieden werden, was die Durchsatzraten um mindestens eine Zehnerpotenz gegenüber herkömmlichen (protonendetektierenden) NMR-Screeningverfahren erhöht. Zusätzlich reagieren die Signalfrequenzen von 19F gegenüber 1H ca. 30fach empfindlicher auf Veränderungen der lokalen chemischen Umgebung und können bindungsinduzierte Effekte daher auch noch in erheblich größerer Entfernung registrieren. Für die bevorzugt eingesetzten kleinen chemischen Grundgerüste reicht so oftmals bereits ein einziger 19F-Kern aus, um selbst anhand des lokalen Indikators Signalfrequenz eine Ligandenbindung verläßlich erfassen zu können.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the element fluorine is used as the isotope marker and, accordingly, a substance bank composed of fluorine-containing compounds is put together for the purpose of fluorine-detected NMR screening. The element fluorine is present with 100% natural abundance in the form of the outstandingly NMR-accessible isotope 19 F and, moreover, is present in practically no known biogenic substance and thus also in practically no known drug target. At the same time, tens of thousands of fluorinated substances are commercially available, which can be used to image the chemical diversity required for effective 19 F-NMR screening. Fluorinated compounds also have above-average pharmacological properties, which is why 19 F can mostly remain as a permanent isotope marker. For example, aromatic active substance candidates are preferably fluorinated in the para-position in medical-chemical optimization in order to block their rapid cytochromatic degradation. 19 F is also particularly suitable as a temporary isotope marker, since the atom is almost isosteric (of the same size) to hydrogen and the chemical properties of a compound usually change only marginally after 19 H is replaced by 1 H. With regard to its NMR spectroscopic properties, the spin-½ core 19 F with 83% relative sensitivity is almost equivalent to the proton 1 H. With comparable line widths and signal intensities, the spectral dispersion for 19 F, on the other hand, is approx. 30 times larger than for Therefore, considerably more extensive substance mixtures (for example with up to 100 to 150 compounds) can be used without overlaps in their mixture spectra in 19F NMR screening and immediately a distinction is made, which increases the throughput rates by at least a power of ten compared to conventional (proton-detecting) NMR screening methods. In addition, the signal frequencies of 19 F are about 30 times more sensitive to changes in the local chemical environment compared to 1 H and can therefore register binding-induced effects even at a considerably greater distance. For the small chemical backbones that are preferably used, a single 19 F core is often sufficient in order to be able to reliably detect a ligand binding even on the basis of the local signal frequency indicator.
5.2.3 Deuterium als Isotopenmarker5.2.3 Deuterium as an isotope marker
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isotopenmarker das Wasserstoff-Isotop Deuterium (2H) benutzt und entsprechend eine Substanzbank aus deuteriumhaltigen Verbindungen zum Zwecke des 2H-detektierten NMR-Screenings zusammengestellt. Deuterium ist mit nur 0.015% natürlicher Häufigkeit in allen biogenen Verbindungen und drug targets praktisch nicht nachweisbar. Im Gegensatz zu fluorierten Verbindungen sind deuterierte Verbindungen jedoch nicht in der erforderlichen Vielfalt kommerziell erhältlich. Allerdings ist der gezielte Einbau von Deuterium mittels chemischer Syntheseverfahren breit möglich und kann die erforderliche chemische Vielfalt gut abdecken. Als Beispiel sei die Zugänglichkeit über kommerziell erhältliche halogenierte Verbindungen (Chlor-, Brom oder Iod-haltige Verbindungen) durch Umsetzung zu den entsprechenden Grignard-Salzen und Aufnahme in schwerem Wasser (2H2O) genannt (Jerry March: Advanced Organic Chemistry; Wiley-Interscience, ISBN 0-471-85472-7; H. Beyer, W. Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie; S. Hirzel Verlag Stuttgart; ISBN 3-7776-0406-2). Bindungschemische und pharmakologische Eigenschaften sind für die Isotope 2H und 1H identisch, so daß Deuterium als permanenter wie auch als jederzeit gegen 1H austauschbarer temporärer Isotopenmarker verwendet werden kann. Deuterium weist nur ca. 1% der NMR-Empfindlichkeit von 1H auf, die jedoch immer noch für hinreichend schnelles 2H-detektiertes NMR-Screening ausreichend ist. Spektrale Dispersion (in ppm) und chemische Verschiebung (in ppm) sind für die Isotope 1H und 2H gleich. Im Unterschied zu 1H ist 2H jedoch ein Quadrupol-Kern (Spin = 1), dessen Relaxation viel empfindlicher auf Änderungen der lokalen chemischen Umgebung reagiert als bei einem Spin-½-Kern wie dem Proton. Insofern werden Signalintensität und -breite als Bindungsindikatoren aussagekräftiger bzw. relaxationsgefilterte 2H-NMR-Messungen gegenüber 1H effizienter.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the hydrogen isotope deuterium ( 2 H) is used as the isotope marker and, accordingly, a substance bank composed of deuterium-containing compounds is put together for the purpose of 2 H-detected NMR screening. Deuterium is practically undetectable with only 0.015% natural frequency in all biogenic compounds and drug targets. In contrast to fluorinated compounds, however, deuterated compounds are not commercially available in the required variety. However, the targeted incorporation of deuterium using chemical synthesis methods is widely possible and can cover the required chemical diversity well. One example is the accessibility via commercially available halogenated compounds (chlorine, bromine or iodine-containing compounds) by conversion to the corresponding Grignard salts and absorption in heavy water ( 2 H 2 O) (Jerry March: Advanced Organic Chemistry; Wiley -Interscience, ISBN 0-471-85472-7; H. Beyer, W. Walter: Textbook of Organic Chemistry; S. Hirzel Verlag Stuttgart; ISBN 3-7776-0406-2). Binding chemical and pharmacological properties are identical for the 2 H and 1 H isotopes, so that deuterium can be used as a permanent or as a temporary isotope marker that can be exchanged for 1 H at any time. Deuterium has only about 1% of the NMR sensitivity of 1 H, which is, however, still sufficient for sufficiently fast 2 H-detected NMR screening. Spectral dispersion (in ppm) and chemical shift (in ppm) are the same for the 1 H and 2 H isotopes. In contrast to 1 H, 2 H is a quadrupole nucleus (spin = 1), the relaxation of which is much more sensitive to changes in the local chemical environment than with a spin ½ nucleus such as the proton. In this respect, signal intensity and width become more meaningful or relaxation-filtered 2 H-NMR measurements compared to 1 H as binding indicators.
5.2.4 Tritium als Isotopenmarker5.2.4 Tritium as an isotope marker
Die erfindungsgemäßen Verfahren können auch unter Benutzung des dritten Wasserstoff-Isotops, Tritium (3H), als Isotopenmarker angewendet werden. Die Ausführungen zum Wasserstoff-Isotop 2H gelten entsprechend. Die NMR-Eigenschaften dieses Spin-½-Kernes sind jedoch dem Proton viel ähnlicher. Es ist jedoch zu beachten, daß Tritium radioaktiv ist, so daß dessen Verwendung einen hohen sicherheitstechnischen Aufwand erfordert.The methods according to the invention can also be used as an isotope marker using the third hydrogen isotope, tritium ( 3 H). The explanations regarding the hydrogen isotope 2 H apply accordingly. However, the NMR properties of this spin ½ core are much more similar to the proton. However, it should be noted that tritium is radioactive, so that its use requires a high level of safety engineering.
5.2.5 13C als Isotopenmarker5.2.5 13 C as an isotope marker
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isotopenmarker das Kohlenstoff-Isotop 1 3C benutzt und entsprechend eine Substanzbank aus 1 3C-haltigen Verbindungen zum Zwecke des direkt 1 3C-detektierten oder indirekt 13C-gefilterten/1H-detektierten NMR-Screenings zusammengestellt. 1 3C ist mit nur 1.1% natürlicher Häufigkeit in allen biogenen Verbindungen und drug targets wie auch 2H praktisch nicht nachweisbar. Kommerziell sind 1 3C-markierte Verbindungen allerdings recht teuer und nur mit geringer chemischer Vielfalt erhältlich. Jedoch bestehen auch hier vielfältige Möglichkeiten, 1 3C mittels chemischer Syntheseverfahren einzuführen. Beispielsweise kann kommerziell erhältlicher 1 3C-Methylalkohol über gängige Veresterungs- und Veretherungsreaktionen eingebaut werden (Jerry March: Advanced Organic Chemistry, Wiley-Interscience, ISBN 0-471-85472-7; H. Beyer, W. Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie; S. Hirzel Verlag Stuttgart; ISBN 3-7776-0406-2). Bindungschemische und pharmakologische Eigenschaften sind für die Isotope 13C und 12C identisch, so daß 13C als permanenter wie auch als jederzeit gegen 12C austauschbarer temporärer Isotopenmarker verwendet werden kann. 13C ist ein NMR-spektroskopisch sehr gut meßbarer Spin-½-Kern. Die relative NMR-Empfindlichkeit von 1.6% (bzgl. 1H) ist ausreichend für schnelles 1 3C-detektiertes NMR-Screening. Sie kann noch deutlich erhöht werden, wenn auf 1 3C-gebundenen Protonen beobachtet, d.h. 13C-gefiltert/1H-detektiert gemessen wird (diese indirekten Isotop-gefilterten Meßmethoden sind allgemein gangbar, wenn das Isotop direkt an ein Proton gebunden ist). Bei direkt 1 3C- detektierendem NMR-Screening wirkt sich allerdings die gegenüber 1H ca. 20fach größere spektrale Dispersion insbesondere vorteilhaft auf die maximal mögliche Anzahl an Testsubstanzen aus, die ohne Überlappung ihrer Reportersignale im Gemisch vorliegen können. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung der Durchsatzraten, wie bereits für 1 9F-detektiertes NMR-Screening beschrieben.In a further preferred embodiment of the method the carbon-isotope is used 1 3 C and according to the right 1 3 C detected a substance Bank 1 3 C-containing compounds for the purpose or indirectly, 13 C-filtered / 1 H-detected as isotope labels NMR screenings compiled. With only 1.1% natural frequency, 1 3 C is practically undetectable in all biogenic compounds and drug targets, as is 2 H. However, 1 3 C-labeled compounds are commercially very expensive and only available with a low chemical diversity. However, here too there are numerous possibilities for introducing 1 3 C by means of chemical synthesis processes. For example, commercially available 1 3 C-methyl alcohol can be installed (Jerry March via standard esterification and etherification reactions: Advanced Organic Chemistry, Wiley-Interscience, ISBN 0-471-85472-7; H. Beyer, W. Walter: Textbook of Organic Chemistry ; S. Hirzel Verlag Stuttgart; ISBN 3-7776-0406-2). Binding chemical and pharmacological properties are identical for the isotopes 13 C and 12 C, so that 13 C can be used as a permanent as well as a temporary isotope marker that can be exchanged for 12 C at any time. 13 C is a spin ½ core that is very well measurable by NMR spectroscopy. The relative NMR sensitivity of 1.6% (related. 1 H) is sufficient for quick 1 3 C-detected NMR screening. It can be significantly increased if 1 3 C-bound protons are observed, ie 13 C-filtered / 1 H-detected is measured (these indirect isotope-filtered measurement methods are generally feasible if the isotope is directly bound to a proton) , In direct-1 3 C- be detected, NMR screening, however, the opposite 1 H greater ca. 20x spectral dispersion acts in particular advantageous effect on the maximum possible number of test substances that may be present in the mixture without overlap of their reporter signals. This allows a further increase in throughput rates, as already described for 1 9 F-detected NMR screening.
5.2.6 31P als Isotopenmarker5.2.6 31 P as an isotope marker
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isotopenmarker das Element Phosphor benutzt und entsprechend eine Substanzbank aus phosphorhaltigen Verbindungen zum Zwecke des phosphor-detektierten NMR-Screenings zusammengestellt. Das Element Phosphor liegt mit 100% natürlicher Häufigkeit in Form des gut NMR-zugänglichen Isotopes 3 1P vor, kommt jedoch auch häufig in drug targets vor (z.B. in phosphorylierten Proteinen sowie in DNA und RNA). Allerdings ist hier der NMR-Spektralbereich relativ eng umgrenzt und kann u.U. gut von den 3 1P-Signalen phosphorhaltiger Testsubstanzen unterschieden werden. Während die NMR-Eigenschaften des Spin-½-Kernes 31P günstig sind (6.6% der NMR-Epfindlichkeit von 1H, jedoch eine ca. 40fach größere spektrale Dispersion), ist die Zugänglichkeit einer breiten chemischen Vielfalt phosphorhaltiger Verbindungen problematisch. Wegen des oft deutlichen Einflusses auf die Bindungseigenschaften eignet sich Phosphor meist nur als permanenter Isotopenmarker. Eine allgemeine Aussage über die pharmakologischen Eigenschaften kann angesichts der sehr geringen Zahl bekannter phosphorhaltiger Wirkstoffe nicht gemacht werden. 3 1P-detektierte NMR-Spektroskopie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist demnach insbesondere in Einzelfällen mit spezialisierten Substanzbanken sinnvoll.In a further embodiment of the method according to the invention, the element phosphorus is used as the isotope marker and, accordingly, a substance bank composed of phosphorus-containing compounds is put together for the purpose of phosphorus-detected NMR screening. The element phosphorus is present with 100% natural frequency in the form of the isotope 3 1 P, which is easily accessible by NMR, but is also frequently found in drug targets (for example in phosphorylated proteins and in DNA and RNA). However, the NMR spectral range is relatively narrow here and can be distinguished from the 3 1 P signals of phosphorus-containing test substances. While the NMR properties of the spin ½ core 31 P are favorable (6.6% of the NMR sensitivity of 1 H, but an approximately 40 times greater spectral dispersion), the accessibility of a wide chemical variety of phosphorus-containing compounds is problematic. Because of the often significant influence on the binding properties, phosphorus is mostly only suitable as a permanent isotope marker. A general statement about the pharmacological properties cannot be made in view of the very small number of known phosphorus-containing active ingredients. 3 1 P-detected NMR spectroscopy using the method according to the invention is therefore particularly useful in individual cases with specialized substance banks.
5.2.7 Weitere Isotopenmarker5.2.7 Further isotope markers
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit weiteren NMR-observablen Isotopenmarkern durchgeführt werden. Eine Liste weiterer observabler Isotopenmarker kann z.B. dem BRUKER-Almanac der Firma BRUKER Biospin GmbH (nmr@bruker.de) entnommen werden.The method according to the invention can also be used further NMR-observable isotope markers. A list of other observable isotope markers can e.g. the BRUKER-Almanac from the company BRUKER Biospin GmbH (nmr@bruker.de).
5.2.8 Herstellung von Stocklösungen5.2.8 Production of stock solutions
Die derart ausgewählten Testsubstanzen werden bevorzugt hochkonzentriert in Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöst bereitgestellt, in dem sie allgemein sehr gut löslich und haltbar sind.The test substances selected in this way are preferably provided in highly concentrated form in dimethyl sulfoxide (DMSO), in which they are generally very soluble and are durable.
5.2.9 Herstellung von Substanzgemischen5.2.9 Production of mixtures of substances
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Testsubstanzen nicht einzeln, sondern bereits als Gemisch-Stocklösungen bereitgestellt, in denen die Komponenten einheitlich bevorzugt mindestens 0.05 M (stärker bevorzugt 0.1 M) Konzentration aufweisen sollten damit ihre spätere Zugabe zur wäßrigen Lösung des drug targets mit möglichst kleinem Volumen erfolgen kann; dies ist nötig, da oberhalb von etwa 5 bis 10 Volumenprozent DMSO-Anteil strukturelle Veränderungen des drug target Proteins eintreten können. Dies erleichtert die Screening-Routine erheblich, wobei das Screening von Substanzgemischen nicht nur zu einem erhöhten Probendurchsatz, sondern auch aus – nachfolgend noch näher erläuterten – Gründen im Hinblick auf die Spektrenstandardisierung von Vorteil ist. Bei der Zusammenstellung dieser Gemisch-Stocklösungen ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die Komponenten nicht untereinander reagieren. Die Reporter-Signale der Komponenten dürfen sich ferner nicht überlagern, um weiterhin deren eindeutige und direkte spektrale Unterscheidung zu ermöglichen. Aufgrund prinzipieller NMR-methodischer Probleme bei der homogenen Breitband-Anregung sollten die Mischungen zuletzt derart zusammengestellt sein, daß alle enthaltenen Reporter-Signale innerhalb eines spektralen Bereiches fallen, der von der maximalen Anregungsbreite des bei dem screening-Verfahren verwendeten NMR-Experiments abgedeckt wird (mit den derzeit verfügbaren Pulsprofilen sind dies maximal ca. 15 kHz; es ist jedoch nicht auszuschließen, daß im Rahmen zukünftiger Weiterentwicklungen von Hardware und der Entwicklung weiterer, verbesserter Pulsprofile die erzielbaren maximalen Anregungsbreiten über 15 kHz liegen werden; in diesem Falle ist natürlich möglich, im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Zusammenstellung der Mischung den verfügbaren Anregungsbreiten anzupassen). Die Reporter-Signale innerhalb eines Substanzgemisches sollten daher in einem spektralen Bereich von weniger als 15 kHz, bevorzugt von weniger als 10 kHz, liegen. Diese Bedingung ist insbesondere für den Isotopenmarker 1 9F zu beachten, dessen bekannte spektrale Dispersion bei über 150 kHz liegt (entsprechend 300 ppm bei 500 MHz Feldstärke). Unter Berücksichtigung der genannten Kriterien (ausreichende Löslichkeit, keine Signalüberlappung und spektrale Dispersion geringer als ca. 15 kHz) können Gemisch-Stocklösungen mit beispielsweise bis zu 100 bis 150 Komponenten zusammengestellt und unmittelbar im NMR-Screening eingesetzt werden. Natürlich bedingt das Erfordernis der Stabilität der Stocklösungen auch, daß die Verbindungen innerhalb jedes Gemisches nicht miteinander reagieren. Als Test für dieses Kriterium kann ein Vergleich der NMR-Spektren des Gemisches über einen bestimmten Zeitraum dienen: Die Gemische weisen eine ausreichende Stabilität auf wenn sich das NMR- Spektrum der Mischung über einen Zeitraum von mindestens einem Tag (bevorzugt: ein Monat, stärker bevorzugt: ein Jahr) nicht wesentlich ändert (d.h. daß keine Signalreduktionen über 10% (bevorzugt 5%) und keine neuen Signale von mehr als 5% (bevorzugt: 2%) der Intensität der jeweiligen Reportersignale auftreten). Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Aufgabe der Steigerung des Durchsatzes an gemessenen Verbindungen ist es bevorzugt, Mischungen herzustellen, die mindestens 10 (bevorzugt mindestens 20, stärker bevorzugt mindestens 50) Substanzen enthalten. Limitierende Faktoren für die maximale Anzahl an Verbindungen in einem Gemisch sind Signalüberlappung, spektrale Breite und Reaktivität der enthaltenen Substanzen.When carrying out the method according to the invention, the test substances are not provided individually, but already as mixture stock solutions, in which the components should preferably have a concentration of at least 0.05 M (more preferably 0.1 M) so that they can be added to the aqueous solution of the drug target as soon as possible small volume can take place; this is necessary because above about 5 to 10 percent by volume of DMSO, structural changes in the drug target protein can occur. This considerably simplifies the screening routine, the screening of substance mixtures not only for increased sample throughput, but also for reasons which will be explained in more detail below is advantageous in terms of spectra standardization. When compiling these mixed stock solutions, it is of course important to ensure that the components do not react with one another. Furthermore, the reporter signals of the components must not overlap in order to continue to enable their clear and direct spectral differentiation. Due to fundamental NMR methodological problems with homogeneous broadband excitation, the mixtures should finally be compiled in such a way that all reporter signals contained fall within a spectral range that is covered by the maximum excitation range of the NMR experiment used in the screening process ( with the currently available pulse profiles, this is a maximum of approx. 15 kHz; however, it cannot be ruled out that in the course of future further developments of hardware and the development of further, improved pulse profiles, the maximum excitation widths that can be achieved will be over 15 kHz; in this case it is of course possible adapt the composition of the mixture to the available excitation widths within the scope of the present invention). The reporter signals within a substance mixture should therefore be in a spectral range of less than 15 kHz, preferably less than 10 kHz. This condition is particularly important for the isotope marker 1 9 F, whose known spectral dispersion is above 150 kHz (corresponding to 300 ppm at 500 MHz field strength). Taking into account the criteria mentioned (sufficient solubility, no signal overlap and spectral dispersion lower than approx. 15 kHz), mixed stock solutions with, for example, up to 100 to 150 components can be put together and used directly in NMR screening. Of course, the requirement for the stability of the stock solutions also means that the compounds within each mixture do not react with one another. A comparison of the NMR spectra of the mixture over a certain period of time can serve as a test for this criterion: the mixtures have sufficient stability if the NMR spectrum of the mixture over a period of at least one day (preferably: one month, more preferred) : one year) does not change significantly (ie that there are no signal reductions of more than 10% (preferably 5%) and no new signals of more than 5% (preferably: 2%) of the intensity of the respective reporter signals). In view of the object according to the invention of increasing the throughput of measured compounds, it is preferred to prepare mixtures which contain at least 10 (preferably at least 20, more preferably at least 50) substances. Limiting factors for the maximum number of compounds in a mixture are signal overlap, spectral width and reactivity of the substances contained.
5.3 Die erfindungsgemäße Substanzbank5.3 The substance bank according to the invention
Die erfindungsgemäße Substanzbank betrifft eine Zusammenstellung von Substanzen, die die obengenannten Erfordernisse erfüllt und die daher für die Durchführung des im folgenden beschriebenen screening-Verfahrens geeignet ist.The substance bank according to the invention relates to a Compilation of substances that meet the above requirements Fulfills and therefore for the implementation of the screening method described below is suitable.
5.4 Das erfindungsgemäße Screening-Verfahren5.4 The screening method according to the invention
Das erfindungsgemäße Screening-Verfahren umfasst in seiner bevorzugten Ausführungsform die folgenden Schritte:
- (A) Aufnahme eines nach dem vorliegenden Isotopenmarker editierten oder gefilterten Referenzspektrums einer Substanzmischung aus der Substanzbank gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10;
- (B) Herstellung einer Mischung aus dem drug target und der Substanz oder Substanzmischung nach Schritt (A);
- (C) Aufnahme eines Screeningspektrums der in Schritt (B) hergestellten Mischung unter den Meßbedingungen aus Schritt (A);
- (D) Identifizierung bindender Liganden durch Vergleich des Screeningspektrums mit dem Referenzspektrum anhand von Veränderungen der NMR Signale oder des NMR Signals der oder des bindenden Liganden.
- (A) recording a reference spectrum of a substance mixture from the substance bank edited or filtered according to the present isotope marker according to one of claims 6 to 10;
- (B) preparing a mixture of the drug target and the substance or substance mixture after step (A);
- (C) recording a screening spectrum of the mixture prepared in step (B) under the measurement conditions from step (A);
- (D) Identification of binding ligands by comparing the screening spectrum with the reference spectrum based on changes in the NMR signals or the NMR signal of the binding ligand or ligands.
5.4.1 Aufnahme des Referenzspektrums (Schritt A)5.4.1 Recording the reference spectrum (Step A)
Die Aufnahme des Referenzspektrums einer Substanzmischung in Schritt A des erfindungsgemäßen screening-Verfahrens wird in der Regel vor Zugabe zum drug target durchgeführt, so daß zwischen Referenz- und Screeningspektrum ein Probenwechsel erforderlich ist. Die Probenbedingungen – vor allem pH-Wert, Temperatur, Lösungsmittel, Proben- und Salzkonzentration – sollten dabei möglichst exakt übereinstimmen, da sie andernfalls Bindungsindikatoren ungewünscht beeinflussen und somit zu falsch-positiver Anzeige führen können. Diese Gefahr droht insbesondere für die hochempfindlichen NMR-Signalfrequenzen als Indikator. Für das erfindungsgemäße Verfahren werden die Testsubstanzen zwecks Aufnahme der Referenzspektren daher generell in verdünnter, wäßriger Lösung unter Screening-Bedingungen vermessen, d.h. bei gleicher Temperatur und Konzentration in derselben Pufferlösung, in der auch das drug target beim späteren Screening gelöst wird.The recording of the reference spectrum of a substance mixture in step A of the screening method according to the invention is generally carried out before addition to the drug target, so that a sample change is required between the reference and screening spectrum. The sample conditions - above all pH value, temperature, solvent, sample and salt concentration - should match as exactly as possible, since otherwise they will undesirably influence binding indicators and can therefore lead to a false positive display. This danger threatens in particular for the highly sensitive NMR signal frequencies as an indicator. For the method according to the invention, the test substances are therefore generally measured in dilute, aqueous solution under screening conditions in order to record the reference spectra, ie at the same temperature and concentration in the same buffer solution in which the drug target is also dissolved during the subsequent screening becomes.
Erfindungsgemäß werden die Referenzspektren nicht für Einzelsubstanzen, sondern für die nach o.a. Kriterien zusammengestellten Substanzmischungen aufgenommen. Hierzu wird durch entsprechende Zugabe der DMSO-haltigen Gemisch-Stocklösung zur wäßrigen Pufferlösung eine Substanzkonzentration eingestellt, wie sie später auch für das Screening gelten soll (in der Regel im Bereich 10–1 bis 100 mM). Dabei reicht meist eine nur größenordnungsmäßig gleiche Konzentrationseinstellung, da dieser Parameter die NMR-Indikatoren in der Regel wenig beeinflußt. Wie erwähnt sollte die DMSO-Zugabe 5 Volumenprozent jedoch nicht überschreiten und eine Ausfällung der Substanz vermieden werden. Die Auswirkung von Konzentrationsänderungen auf die Referenzspektren kann durch eine Titrationsreihe ermittelt werden. Die Pufferkonzentration muß ausreichend hoch sein, um pH-Änderungen durch saure oder basische Reaktion der Substanzmischung sowie des drug targets auffangen zu können. Unter Umständen begrenzt die Pufferkapazität mögliche Größe und Zugabe der Substanzgemische. Großen Einfluß auf die NMR-Indikatoren hat in der Regel die Meßtemperatur, die daher für Referenz- und Screeningspektren übereinstimmen muß. Die bei der Referenzmessung und bei der screening-Messung vorherrschenden Temperaturen sollten sich daher um nicht mehr als 1K unterscheiden.According to the invention, the reference spectra are not recorded for individual substances, but for the substance mixtures compiled according to the above criteria. For this purpose, by appropriately adding the DMSO-containing mixture stock solution to the aqueous buffer solution, a substance concentration is set which will later also apply to the screening (generally in the range 10 −1 to 10 0 mM). A concentration setting that is only of the same order of magnitude is usually sufficient, since this parameter generally has little effect on the NMR indicators. As mentioned, however, the DMSO addition should not exceed 5 percent by volume and precipitation of the substance should be avoided. The effect of concentration changes on the reference spectra can be determined using a titration series. The buffer concentration must be sufficiently high to be able to absorb pH changes due to acidic or basic reaction of the substance mixture and the drug target. The buffer capacity may limit the possible size and addition of the substance mixtures. As a rule, the measurement temperature has a major influence on the NMR indicators, which therefore has to be the same for reference and screening spectra. The temperatures prevailing in the reference measurement and in the screening measurement should therefore not differ by more than 1K.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens der Vermessung von Substanzgemischen ist neben dem Zeitgewinn die Tatsache, daß Referenzspektren von Substanzgemischen inhärent standardisiert sind. So können neben absoluten auch relative Signalfrequenzen ermittelt werden. Das Signal einer Testsubstanz wird somit durch seine Position relativ zu den Signalen der anderen Testsubstanzen im Gemisch standardisiert. Insbesondere ist aber auch die Standardisierung relativer Signalintensitäten möglich, die als Bindungsindikatoren in der Praxis meist höhere Bedeutung haben. Die relative Standardisierung von Signalfrequenzen und -intensitäten wird umso verläßlicher, je umfangreicher die Substanzgemische sind.The particular advantage of the method according to the invention the measurement of substance mixtures is next to the time saving Fact that reference spectra inherent in mixtures of substances are standardized. So can not only absolute but also relative signal frequencies can be determined. The signal of a test substance is thus relative by its position standardized to the signals of the other test substances in the mixture. In particular, however, the standardization of relative signal intensities is also possible are usually more important as binding indicators in practice. The relative Standardization of signal frequencies and intensities will all the more reliable the more extensive the mixtures of substances are.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Screening-Verfahrens können den Substanzmischungen auch zusätzliche Standards für (relative) Signalfrequenzen und -intensitäten hinzugefügt werden. Als Standard ist jede Substanz geeignet, die ausreichend wasserlöslich ist und nicht mit dem drug target wechselwirkt, damit also möglichst einfach und ohne funktionale Gruppen aufgebaut ist. Für das 19F-detektierte NMR-Screening wären somit beispielsweise TFE (Trifluorethanol), TFA (Trifluoressigsäure) oder Hexafluorbenzol geeignete Standards.In a further embodiment of the screening method according to the invention, additional standards for (relative) signal frequencies and intensities can also be added to the substance mixtures. As a standard, any substance is suitable that is sufficiently water-soluble and does not interact with the drug target, so that it is constructed as simply as possible and without functional groups. Suitable standards for 19 F-detected NMR screening would be TFE (trifluoroethanol), TFA (trifluoroacetic acid) or hexafluorobenzene.
Bei der wiederholten Durchführung des erfindungsgemäßen Screening-Verfahrens auf verschiedenen drug targets ist es besonders vorteilhaft, das NMR-Screening immer bei gleicher Meßtemperatur, pH-Wert und Pufferkonzentration durchzuführen, um nicht jedesmal erneut Referenzspektren aufnehmen zu müssen. Dies ist in der Tat für eine große Anzahl verschiedener drug targets möglich, die um Raumtemperatur (298K) und pH = 7 (bevorzugt in > 50mM Phosphatpuffer) stabil und funktional sind. Es ist dennoch empfehlenswert, pH- und Temperaturabhängigkeit der Referenzspektren einmal durch entsprechende Variation dieser Parameter zu ermitteln. Weiterhin sollte auch die Langzeit-Stabilität der Gemisch-Stocklösungen durch spätere Nachmessungen überprüft werden.When repeating the screening method according to the invention on different drug targets, it is particularly advantageous to: NMR screening always at the same measuring temperature, pH value and buffer concentration perform, in order not to have to record reference spectra each time. This is indeed for a big Number of different drug targets possible around room temperature (298K) and pH = 7 (preferably in> 50mM Phosphate buffer) are stable and functional. It is still recommended pH and temperature dependence of the reference spectra by varying them accordingly To determine parameters. Furthermore, the long-term stability of the mixture stock solutions should also be ensured latter Follow-up measurements are checked.
Die Aufnahme des Referenzspektrums sollte mit demselben NMR-Experiment und denselben Meßparametern erfolgen wie für das Screeningspektrum. Sie wird dort ausführlich beschrieben.The recording of the reference spectrum should use the same NMR experiment and the same measurement parameters done as for the screening spectrum. It is described in detail there.
5.4.2 Zugabe der Testsubstanzen zum drug target (Schritt B)5.4.2 Addition of the test substances to the drug target (step B)
Die Zugabe der Testsubstanzen zur Lösung des drug targets (Schritt B) erfolgt bevorzugt in Form einer entsprechenden Menge der Gemisch-Stocklösung bis zu maximal ca. 5 Volumenprozent DMSO-Gehalt. In dieser Screening Mischung soll die Konzentration jeder Substanz unter derjenigen des drug targets liegen, da ein Ligandenüberschuß das Verhältnis aus gebundener zu freier Spezies und damit meist den Ausschlag des Bindungsindikators reduziert. Außerdem verbleibt nur im Unterschuß auch in Gegenwart eines stark bindenden Liganden genug freies drug target zum Nachweis konkurrierender schwächerer Liganden. Viele Testsubstanzen sind in wäßriger Lösung ohnehin schwerer löslich als das drug target. Die Substanzkonzentration wird also nach oben durch die Eigenlöslichkeit bzw. die Löslichkeit des drug targets, nach unten durch die benötigte Meßdauer zur Aufnahme hinreichend intensiver NMR-Spektren begrenzt. Bevorzugt ist eine minimale Konzentration von 0.1 mM, die die Messung ausreichend intensiver eindimensionaler Spektren der heteronuklearen Isotopenmarker innerhalb von 5 Minuten ermöglicht. Der Einsatz hochempfindlicher Kryo-Meßköpfe kann die Konzentrations-Untergrenze auf unter 0.05 mM senken.The addition of the test substances to the solution the drug target (step B) is preferably in the form of a corresponding one Amount of mixture stock solution up to a maximum of about 5 percent by volume of DMSO. In this screening Mixture is said to be the concentration of each substance below that of the drug target because there is an excess of ligand the ratio of bound to free Species and thus usually the rash of the binding indicator reduced. Moreover remains only in the deficit too enough free drug target in the presence of a strongly binding ligand for the detection of competing weaker ligands. Many test substances are in aqueous solution anyway less soluble as the drug target. The substance concentration is therefore up through solubility or solubility of the drug target, sufficient for the exposure downwards through the required measuring time limited intense NMR spectra. A minimum concentration is preferred of 0.1 mM, which makes the measurement sufficiently intense one-dimensional Spectra of the heteronuclear isotope markers within 5 minutes allows. The use of highly sensitive cryo measuring heads can lower the concentration limit to below Lower 0.05 mM.
5.4.3 Aufnahme des Screeningspektrums (Schritt C)5.4.3 Recording the screening spectrum (Step C)
5.4.3.1 Allgemeines5.4.3.1 General
Zur Aufnahme des Screeningspektrums (Schritt C) wird ein nach dem vorliegenden Isotopenmarker editiertes oder gefiltertes NMR-Experiment an der Screening-Mischung durchgeführt, das geeignet ist, die NMR-Indikatoren Signalfrequenz und (bindungsmodulierte) Signalintensität auf den Reportersignalen aufzuzeichnen. Während die Signalfrequenz prinzipiell aus jedem denkbaren NMR-Experiment erhältlich ist, kann die Signalintensität mittels verschiedener NMR-Experimente von unterschiedlichen bindungsabhängigen Phänomenen (wie z.B. Diffusion, Relaxation oder Magnetisierungstransfer) moduliert werden.To record the screening spectrum (step C), an NMR experiment edited or filtered according to the present isotope marker is carried out on the screening mixture, which is suitable for recording the NMR indicators signal frequency and (bond-modulated) signal intensity on the reporter signals to draw. While the signal frequency can in principle be obtained from any conceivable NMR experiment, the signal intensity can be modulated by means of various NMR experiments of different bond-dependent phenomena (such as diffusion, relaxation or magnetization transfer).
Signalintensitäten unterliegen wie Signalfrequenzen dem Einfluß mehrerer Parameter, sind jedoch im Gegensatz zu letzteren weniger von Probenbedingungen als vielmehr von Meßparametern abhängig. Insofern muß primär meßtechnisch gewährleistet werden, daß die Modulation der Signalintensitäten von den gewünschten bindungsabhängigen Effekten dominiert wird. Bei den NMR-Screeningtechniken des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anregung auf den Isotopenmarkern, die teilweise lange enthalpische T1-Relaxationszeiten aufweisen können. Bei rascher Abfolge der Scans eines NMR-Experimentes kann es daher zu unterschiedlicher Sättigung der Reportersignale kommen, die vom Ausmaß der Anregung und der Interscan-Wartezeit abhängt. Partielle Sättigung verfälscht die Signalintensitäten und muß durch kleine Anregungspulswinkel oder ausreichend lange Interscan-Wartezeiten minimiert werden, die mindestens das Dreifache der längsten T1-Relaxationszeit betragen sollten. T1-Relaxationszeiten können vom Fachmann schnell durch Inversion-Recovery Experimente (Bodenhausen: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1981, 14, 137ff) einmalig an der reinen Substanzmischung bestimmt werden. In der Praxis dürfte eine Interscan-Wartezeit von 2–3 Sekunden meist ausreichen.Like signal frequencies, signal intensities are subject to the influence of several parameters, but, in contrast to the latter, are less dependent on sample conditions than on measurement parameters. In this respect, it must primarily be ensured by measurement technology that the modulation of the signal intensities is dominated by the desired binding-dependent effects. In the NMR screening techniques of the method according to the invention, the excitation takes place on the isotope markers, which can sometimes have long enthalpic T 1 relaxation times. With a rapid sequence of the scans of an NMR experiment, the saturation of the reporter signals can vary, depending on the extent of the excitation and the inter-scan waiting time. Partial saturation falsifies the signal intensities and must be minimized by small excitation pulse angles or sufficiently long inter-scan waiting times, which should be at least three times the longest T 1 relaxation time. T 1 relaxation times can quickly be determined by a person skilled in the art using inversion recovery experiments (Bodenhausen: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1981, 14, 137ff) on the pure substance mixture. In practice, an Interscan waiting time of 2-3 seconds is usually sufficient.
5.4.3.2 Einsatz inverser, heteronuklear gefilterter Experimente5.4.3.2 Use of inverse, heteronuclear filtered experiments
In einer alternativen Ausführungsform der nachfolgend beschriebenen heteronuklear editierten Experimente mit direkter Beobachtung und Frequenzaufzeichnung der Isotopenmarker kann auch nach diesen selektiert werden, falls der Isotopenmarker stark mit Protonen koppelt, wie beispielsweise 1 3C zu direkt gebundenen 1H. In diesem Fall wird indirekt auf den skalar gekoppelten Protonen detektiert. Die NMR-Module zum Selektieren von Heterokernen (sog. Isotopenfilter) sind dem Fachmann geläufig(Breeze: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2000, 36, 323–372). Vorteil dieses Verfahrens ist die Ausnutzung der meist erheblich höheren NMR-Empfindlichkeit sowie der u.U. günstigeren Relaxationseigenschaften der Protonen gegenüber dem Isotopenmarker. Problematisch sind jedoch die notwendige Unterdrückung des intensiven Wassersignals sowie die geringere Dispersion und hohe Überlagerung im homonuklearen (Gemisch-) Protonenspektrum. Bei starker Kopplung sollte im übrigen immer der nicht beobachtete Kern entkoppelt werden.In an alternative embodiment of the heteronuclearly edited experiments described below, with direct observation and frequency recording of the isotope markers, it is also possible to select for these if the isotope marker strongly couples with protons, such as, for example, 1 3 C to directly bound 1 H. In this case, indirect reference is made to the scalar coupled protons detected. The NMR modules for selecting hetero nuclei (so-called isotope filters) are familiar to the person skilled in the art (Breeze: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2000, 36, 323-372). The advantage of this method is the exploitation of the usually considerably higher NMR sensitivity and the possibly more favorable relaxation properties of the protons compared to the isotope marker. However, the necessary suppression of the intensive water signal as well as the lower dispersion and high superposition in the homonuclear (mixture) proton spectrum are problematic. With strong coupling, the unobserved core should always be decoupled.
5.4.3.3 Basisexperiment5.4.3.3 Basic experiment
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das einfachste denkbare NMR-Experiment, bestehend aus nur einem Anregungspuls für die Isotopenmarker, zur Generierung eines eindimensionalen Spektrums der heteronuklearen Reportersignale durchgeführt. Dieses Experiment besitzt naturgemäß die größte Anregungsbreite und ist deshalb besonders für die Isotopenmarker 19F und 1 3C geeignet. Das resultierende Spektrum erfaßt nicht nur die Signalfrequenzen, sondern auch die relaxationsabhängigen und damit bindungsmodulierten Signalintensitäten, die während der Dauer der Signalaufzeichnung entropischer T2-Relaxation unterliegen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the simplest conceivable NMR experiment, consisting of only one excitation pulse for the isotope markers, is carried out to generate a one-dimensional spectrum of the heteronuclear reporter signals. This experiment has naturally the largest excitation width and is therefore suitable especially for the C 1 3 19 F isotope marker and. The resulting spectrum not only records the signal frequencies, but also the relaxation-dependent and thus bond-modulated signal intensities that are subject to entropic T 2 relaxation during the duration of the signal recording.
Dieses Basisexperiment weist – aufgrund der minimalen Anzahl von nur einem Anregungspuls – die größte homogene Bandbreite auf und ist daher besonders geeignet, wenn Substanzmischungen mit sehr hoher spektraler Dispersion der Reportersignale vermessen werden müssen. Das Experiment weist allerdings aufgrund seiner Einfachkeit auch die geringste Anzeigesicherheit auf, da die NMR-beobachtbaren bindungsinduzierten Effekte hier nicht verstärkt werden.This basic experiment shows - due to the minimum number of just one excitation pulse - the largest homogeneous Bandwidth and is therefore particularly suitable when substance mixtures with very high spectral dispersion of the reporter signals Need to become. However, the experiment also points out because of its simplicity the least certainty of display because the NMR-observable binding-induced Effects not intensified here become.
5.4.3.4 Einsatz von Relaxationsfiltern 5.4.3.4 Use of relaxation filters
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ausmaß der bindungsmodulierten Signaldämpfung aufgrund entropischer Relaxation noch durch den Einbau eines Relaxationsfilters verstärkt. Diese T2- bzw. T1 ρ-Relaxation ist besonders geeignet, die bindungsbedingte Mobilitätsabnahme eines Liganden eindeutig anzuzeigen. Dies gilt in besonderem Maße für Isotopenmarker mit Quadrupolkern (z.B. 2H) die besonders relaxationsempfindlich auf Änderung ihrer chemischen Umgebung reagieren. Zur Betonung des Relaxationseffektes muß lediglich die Laufzeit der NMR-Kohärenz im Experiment verlängert werden. Im Fall der T2-Filterung geschieht dies durch Einbau eines oder mehrerer zentrischer 180°-Rephasierungspulse auf dem Isotopenmarker zwecks Erzielung von Spin-Echos. Im Fall der T1ρ Filterung wird die NMR-Kohärenz nicht durch Pulse periodisch rephasiert, sondern durch kontinuierliche Einstrahlung eines schwachen Radiofrequenzfeldes eingefroren (sog. SpinLock). Beide Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt (Meiboom S., Gill D., Rev. Sci. Instrum. 1958, 29, 688; Hajduk P.J., Olejniczak E.T., Fesik S.W., J.Am.Chem.Soc. 1997, 119, 12257–12261: "One-dimensional relaxation- and diffusion-edited NMR methods for screening compounds that bind to macromolecules"). Die zusätzliche Betonung der bindungsinduzierten Relaxationsverluste durch den Relaxationsfilter stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem in 5.4.3.3 erwähnten Basisexperiment dar. Die Wirksamkeit des Moduls nimmt stark ab mit zunehmender spektraler Dispersion der Reportersignale in Mischungen; oberhalb ca. 10 kHz spektraler Dispersion sollte diese Ausführungsform nicht mehr verwendet werden.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the extent of the bond-modulated signal attenuation due to entropic relaxation is further increased by the installation of a relaxation filter. This T 2 or T 1 ρ relaxation is particularly suitable for clearly indicating the binding-related decrease in mobility of a ligand. This applies in particular to isotope markers with quadrupole nuclei (eg 2 H) which are particularly sensitive to relaxation when their chemical environment changes. To emphasize the relaxation effect, only the runtime of the NMR coherence has to be extended in the experiment. In the case of T 2 filtering, this is done by installing one or more centric 180 ° rephasing pulses on the isotope marker in order to achieve spin echoes. In the case of T 1ρ filtering, the NMR coherence is not periodically rephased by pulses, but is frozen by continuous irradiation of a weak radio frequency field (so-called SpinLock). Both methods are well known to the person skilled in the art (Meiboom S., Gill D., Rev. Sci. Instrum. 1958, 29, 688; Hajduk PJ, Olejniczak ET, Fesik SW, J.Am.Chem.Soc. 1997, 119, 12257 –12261: "One-dimensional relaxation- and diffusion-edited NMR methods for screening compounds that bind to macromolecules"). The additional emphasis on the binding indu decorated relaxation losses through the relaxation filter represents a significant improvement compared to the basic experiment mentioned in 5.4.3.3. The effectiveness of the module decreases sharply with increasing spectral dispersion of the reporter signals in mixtures; above about 10 kHz spectral dispersion, this embodiment should no longer be used.
5.4.3.5 Einsatz von Diffusionsfiltern5.4.3.5 Use of diffusion filters
In einer weiteren Ausführung des beanspruchten Verfahrens wird ein Diffusionsfilter zur bindungsinduzierten Modulation der Signalintensitäten implementiert. Dies geschieht durch Einbau eines Feldgradienten-Echos (Johnson: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1999, 34, 203–256; Wu, Chen und Johnson: Journal of Magnetic Resonance 1995, A115, 260). Durch den Diffusionsfilter wird die mobile freie Form stärker gedämpft als die immobile target-gebundene Form der Liganden; in derselben Richtung wirkt die (schwächere) T1-Relaxationsdämpfung während der Diffusions-Mischzeit. Die gerade für die immobile target-gebundene Form bedeutsame entropische T2-Relaxationsdämpfung, die unweigerlich während der Gradientenechos und der Akquisitionszeit wirkt, ist dem Effekt des Diffusionsfilters jedoch entgegengesetzt und reduziert somit unerwünscht die Amplitude der bindungsinduzierten Signalmodulation. Zur Vermeidung falsch-positiver Anzeige, bei der die diffusionsbedingte Signalverstärkung durch T2-bedingte Signaldämpfung kompensiert wird, sollte das drug target selbst noch NMR-beobachtbar, d.h. nicht so groß sein, daß seine rasche Relaxation zur Signalauslöschung führt.In a further embodiment of the claimed method, a diffusion filter for binding-induced modulation of the signal intensities is implemented. This is done by incorporating a field gradient echo (Johnson: Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1999, 34, 203-256; Wu, Chen and Johnson: Journal of Magnetic Resonance 1995, A115, 260). The diffusion filter dampens the mobile free form more than the immobile target-bound form of the ligands; the (weaker) T 1 relaxation damping acts in the same direction during the diffusion mixing time. The entropic T 2 relaxation attenuation, which is of particular importance for the immobile target-bound form and which inevitably acts during the gradient echoes and the acquisition time, is opposite to the effect of the diffusion filter and thus undesirably reduces the amplitude of the bond-induced signal modulation. To avoid false-positive display, in which the diffusion-related signal amplification is compensated by T 2 -related signal attenuation, the drug target itself should still be observable by NMR, ie not so large that its rapid relaxation leads to signal cancellation.
Ansonsten besitzt das Diffusionsfilter-Modul eine höhere Bandbreite als das Relaxationsfilter-Modul und kann daher auch für Gemischspektren mit über 10 kHz gut eingesetzt werden.Otherwise, the diffusion filter module a higher one Bandwidth than the relaxation filter module and can therefore also be used for mixture spectra with more than 10 kHz can be used well.
5.4.3.6 Einsatz und Messung des heteronuklearen 1H,X-NOE als Bindungsindikator5.4.3.6 Use and measurement of the heteronuclear 1 H, X-NOE as a binding indicator
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reporter-Signalintensität durch den bindungsabhängigen heteronuklearen 1H→X-NOE moduliert. Wie dem Fachmann bekannt, wird hierzu die Protonenmagnetisierung gestört, beispielsweise durch Inversion oder bevorzugt durch kontinuierliche Einstrahlung (Sättigung). Die durch dipolare Kopplung auf den Isotopenmarker übertragene Magnetisierung wird nach einer gewissen NOE-Entwicklungszeit bzw. Sättigungsdauer (von 10–1 bis 101 Sekunden) als Intensitätsmodulation des Reportersignales abgelesen. Sie ergibt sich durch Vergleich mit einem identischen Spektrum ohne Störung der Protonenmagnetisierung (hierzu wird bevorzugt im selben Experiment einfach die Protonen-Sendefrequenz um mindestens 20 kHz (bevorzugt um mindestens 50 kHz) außerhalb des Resonanzbereiches geschoben). Division beider (eindimensionalen) Spektren liefert den Wert des 1H→X-NOE; Division der Differenz beider Spektren durch die ungestörten Signalintensitäten liefert den Wert der 1H→X-NOE-Verstärkung, η.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the reporter signal intensity is modulated by the bond-dependent heteronuclear 1 H → X-NOE. As is known to the person skilled in the art, proton magnetization is disturbed for this purpose, for example by inversion or preferably by continuous irradiation (saturation). The magnetization transferred to the isotope marker by dipolar coupling is read off after a certain NOE development time or saturation period (from 10 −1 to 10 1 seconds) as intensity modulation of the reporter signal. It is obtained by comparison with an identical spectrum without disturbing the proton magnetization (for this purpose, the proton transmission frequency is preferably simply shifted outside the resonance range by at least 20 kHz (preferably by at least 50 kHz) in the same experiment). Division of both (one-dimensional) spectra gives the value of the 1 H → X-NOE; Division of the difference between the two spectra by the undisturbed signal intensities gives the value of the 1 H → X-NOE gain, η.
Der meßbare 1H→X-NOE setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen. Der intermolekulare 1H→X-NOE zwischen Protonen des drug targets und dem Isotopenmarker des Liganden ist ein unmittelbarer und lokaler Bindungsindikator, zu dessen sicherer Erfaßbarkeit daher möglichst mehrere Isotopenmarker über das Ligandenmolekül verteilt vorliegen sollten. Der intramolekulare 1H→X-NOE zwischen Protonen und Isotopenmarker desselben Ligandenmoleküls zeigt als Relaxationsphänomen Bindung hingegen indirekt und global über eine Mobilitätsabnahme an. Mit Ausnahme des dem homonuklearen 1H→1H-NOE vergleichbaren heteronuklearen 1H→19F-NOE nehmen allgemein sowohl die Amplitude als auch die Aufbaurate des 1H→X-NOE mit der Mobilität ab. Für stark bindende Liganden werden zwei separate Signalsätze für freie bzw. gebundene Form beobachtet. Nur letztere kann naturgemäß die Bindung anzeigen. Für schwach bindende Liganden wird ein gemittelter Signalsatz beobachtet, in dem sich die 1H→X-NOE der freien und gebundenen Formen überlagern. Wiederum wird nur der Beitrag des intramolekularen 1H→X-NOE für den gebundenen Liganden, als Transfer-NOE (trNOE) bezeichnet, durch die bindungsbedingte Mobilitätsabnahme moduliert.The measurable 1 H → X-NOE is made up of several contributions. The intermolecular 1 H → X-NOE between protons of the drug target and the isotope marker of the ligand is an immediate and local binding indicator, so that if possible, several isotope markers should be distributed over the ligand molecule to ensure that they can be detected. The intramolecular 1 H → X-NOE between protons and isotope markers of the same ligand molecule, however, indicates binding as a relaxation phenomenon indirectly and globally via a decrease in mobility. With the exception of the heteronuclear 1 H → 19 F-NOE, which is comparable to the homonuclear 1 H → 1 H-NOE, both the amplitude and the build-up rate of the 1 H → X-NOE generally decrease with mobility. For strong binding ligands, two separate sets of signals are observed for free and bound forms. Naturally, only the latter can indicate the bond. For weakly binding ligands, an averaged set of signals is observed in which the 1 H → X-NOE of the free and bound forms overlap. Again, only the contribution of the intramolecular 1 H → X-NOE for the bound ligand, known as transfer NOE (trNOE), is modulated by the decrease in mobility due to binding.
In einer bevorzugten Ausformung dieser Ausführung wird auf die Unterscheidung von inter- und intramolekularem 1H→X-NOE verzichtet, da jedwede Veränderungen der durch den 1H→X-NOE modulierten Reportersignal-Intensitäten nach Zugabe der Substanzmischung zum drug target offensichtlich auf Ligandenbindung zurückgeführt werden können. Dieses sehr einfache Experiment hat eine dem in 5.4.3.3 erwähnten Basisexperiment vergleichbare Bandbreite, mit den dort geschilderten Einsatzschwerpunkten. Es kann jedoch zur Kompensation intensitätmodulierender intra- und intermolekularer NOE kommen, mit der Gefahr falsch-negativer Anzeige.In a preferred embodiment of this embodiment, the distinction between intermolecular and intramolecular 1 H → X-NOE is dispensed with, since any changes in the reporter signal intensities modulated by the 1 H → X-NOE after addition of the substance mixture to the drug target are obviously attributed to ligand binding can be. This very simple experiment has a range comparable to the basic experiment mentioned in 5.4.3.3, with the main areas of application described there. However, intensity-modulating intra- and intermolecular NOE can be compensated for, with the risk of false negative display.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden inter- und intramolekulare 1H→X-NOE unterschieden, wozu eine Unterscheidung der Protonen der Substanzen und des drug targets anhand ihrer Frequenzen nötig ist. Die Zuordnung des 1H→X-NOE zu einem bestimmten Proton ist durchselektive Störung seiner Frequenzen und Beobachtung der Auswirkung auf die Reporter-Signalintensität überprüfbar. Alternativ zu diesen selektiven eindimensionalen 1H→X-NOE-Spektren kann ein zweidimensionales 1H,X-NOESY-Spektrum aufgenommen werden. Es enthält ausschließlich Korrelationssignale, die die Frequenzen der Isotopenmarker (in der direkten Dimension) und aller dipolar koppelnden Protonen (in der zweiten, indirekten Dimension) korrelieren.In a further preferred embodiment, intermolecular and intramolecular 1 H → X-NOE are distinguished, for which purpose it is necessary to differentiate the protons of the substances and the drug target based on their frequencies. The assignment of the 1 H → X-NOE to a specific proton can be checked by selective interference of its frequencies and observation of the effect on the reporter signal intensity. As an alternative to these selective one-dimensional 1 H → X-NOE spectra, a two-dimensional 1 H, X-NOESY spectrum can be recorded. It contains only correlation signals that indicate the frequencies of the isotope markers (in the direct dimension) and all dipolar coupling protons (in the second, indirect dimension) correlate.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausformung werden selektiv nur eindeutig dem drug target zuordenbare Protonenfrequenzen gestört (Klein, Meinecke et al.: Journal of the American Chemical Society 1999, 121, 5336–5337; Mayer and Meyer: Angewandte Chemie, International Edition in English 1999, 38, 1784–1788). Je größer das drug target Molekül, umso rascher hilft das Phänomen der Spin-Diffusion bei der erwünschten Verteilung der Störung über das gesamte Molekül. Im eindimensionalen Spektrum des Isotopenmarkers offenbart sich dann ausschließlich der intermolekulare Transfer von Magnetisierung bzw. Sättigung vom drug target auf den Ligand. Dieser unmittelbare und eindeutige Bindungsindikator benötigt als besonderen Vorteil keine Referenzmessung an der freien Substanz(mischung), mithin keinen Probenwechsel – es muß lediglich ein Vergleichsspektrum ohne Protonensättigung durchgeführt werden. In seiner Breitbandigkeit ist das Experiment dem in 5.4.3.3 erwähnten Basisexperiment vergleichbar. Es soll nur dann nicht zum Einsatz kommen, wenn sehr stark bindende Liganden (mit KD < 10–8M) gesucht werden, die mit dieser Methode nicht entdeckt werden können. Die Methode kann nur dann angewendet werden, wenn mindestens ein deutlich verschiedenes Protonen-Spektralband für das drug target bzgl. der Testsubstanzen existiert, das die erforderliche selektive Sättigung des targets erlaubt. In einer speziellen Ausführungsform wird der intermolekulare Magnetisierungs- bzw.In a particularly preferred embodiment of this embodiment, only proton frequencies which can be clearly assigned to the drug target are selectively disturbed (Klein, Meinecke et al .: Journal of the American Chemical Society 1999, 121, 5336-5337; Mayer and Meyer: Angewandte Chemie International Edition in English 1999, 38, 1784-1788). The larger the drug target molecule, the faster the phenomenon of spin diffusion helps in the desired distribution of the perturbation over the entire molecule. The one-dimensional spectrum of the isotope marker then reveals only the intermolecular transfer of magnetization or saturation from the drug target to the ligand. As a particular advantage, this immediate and unambiguous binding indicator does not require a reference measurement on the free substance (mixture), and therefore no sample change - only a comparison spectrum without proton saturation has to be carried out. The broad spectrum of the experiment is comparable to the basic experiment mentioned in 5.4.3.3. It should only be used if very strong binding ligands (with KD <10 –8 M) are sought which cannot be discovered with this method. The method can only be used if there is at least one clearly different proton spectral band for the drug target with respect to the test substances, which allows the required selective saturation of the target. In a special embodiment, the intermolecular magnetization or
Sättigungstransfer invers als X→1H-NOE auf dem drug target gemessen, besonders bevorzugt im Falle X = 19F. Dies hat den Vorteil, daß aufgrund der Abwesenheit des Isotopenmarkers im drug target immer eine selektive Sättigung, in diesem Fall auf den Testsubstanzen, möglich ist und damit falsch-positive Anzeige aufgrund teilweiser intramolekularer Sättigung nicht auftreten können. Dieser Vorteil wird allerdings erkauft mit der Notwendigkeit, das drug target NMR-spektroskopisch beobachten zu können, was dessen Größe auf maximal ca. 40–50 kDa begrenzt. Ebenso müssen die Signale aller Isotopenmarker innerhalb von Substanzmischungen innerhalb 10 kHz liegen, da sonst keine homogene Sättigung mehr möglich ist.Saturation transfer inversely measured as X → 1 H-NOE on the drug target, particularly preferred in the case of X = 19 F. This has the advantage that, due to the absence of the isotope marker in the drug target, selective saturation, in this case on the test substances, is always is possible and therefore false positive indication cannot occur due to partial intramolecular saturation. However, this advantage is bought with the necessity to be able to observe the drug target by NMR spectroscopy, which limits its size to a maximum of approximately 40-50 kDa. Similarly, the signals of all isotope markers within substance mixtures must be within 10 kHz, since otherwise homogeneous saturation is no longer possible.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Asführungsform wird ein zweidimensionales 1H,X-NOESY-Spektrum aufgenommen, in dem intra- und intermolekulare 1H→X-NOE über die Protonenfrequenzen unterschieden werden können. Die Beobachtung intermolekularer Korrelationssignale zwischen eindeutig dem drug target zuordenbaren Protonen und dem Reportersignal eines Liganden ist wiederum unmittelbarer Beweis der Bindung. Sofern die Signalpositionen der intramolekularen Protonen der einzelnen Liganden bekannt sind, kann eine Referenzmessungen entfallen. Im Falle des 1H,19F-NOESY ist ausnahmsweise auch anhand der intramolekularen Korrelationssignale des Liganden unmittelbar eine Ligandenbindung erkennbar, da sich hier wie auch im homonuklearen 1H,1H-NOESY eine Vorzeichenumkehr beim Übergang zwischen hochmobiler freier (negativ) und immobiler gebundener Form (positiv) ergibt. Im Gegensatz zum homonuklearen Fall sind – wie eingangs erwähnt – nun aber aufgrund des Isotopenmarkers sowohl schwache als auch stark bindende Liganden eindeutig erfaßbar, da auch der gebundene Zustand des Liganden selektiv beobachtbar ist. Diese Experimente sind besonders dann bevorzugt, wenn mangels hinreichender spektraler Unterscheidung der Protonensignale von drug target und Testsubstanzen keine selektive Sättigung nur einer Spezies (meist das drug target) möglich ist.In a further particularly preferred embodiment of this embodiment, a two-dimensional 1 H, X-NOESY spectrum is recorded, in which intra- and intermolecular 1 H → X-NOE can be differentiated using the proton frequencies. The observation of intermolecular correlation signals between protons clearly assignable to the drug target and the reporter signal of a ligand is again direct evidence of the binding. If the signal positions of the intramolecular protons of the individual ligands are known, a reference measurement can be omitted. In the case of the 1 H, 19 F-NOESY, an exception is also immediately recognizable from the intramolecular correlation signals of the ligand, since here as in the homonuclear 1 H, 1 H-NOESY there is a sign reversal in the transition between highly mobile free (negative) and immobile bound form (positive) results. In contrast to the homonuclear case - as mentioned at the beginning - both weak and strongly binding ligands can now be clearly detected due to the isotope marker, since the bound state of the ligand can also be observed selectively. These experiments are particularly preferred when, due to a lack of adequate spectral differentiation of the proton signals from drug target and test substances, selective saturation of only one species (usually the drug target) is not possible.
Durch die selektive Erfassung des intermolekularen 1H→X-NOE als unmittelbarem Bindungsindikator mittels eines dieser Experimente ergibt sich also ein modifizierter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Aufnahme des Referenzspektrums erleichtert bzw. sogar überflüssig wird. Er umfaßt die folgenden Schritte:
- (A') Herstellung einer Mischung aus dem drug target und der Substanzmischung aus der Substanzbank gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10;
- (B') Aufnahme eines NMR-Screeningspektrums der Mischung aus Schritt (A), mit dem selektiv ein intermolekularer heteronuklearer Magnetisierungstransfer zwischen Protonen des drug targets und Isotopenmarkern der Liganden erfaßt werden kann;
- (C') Aufnahme eines Referenzspektrums anhand derselben Mischung und mit demselben NMR-Experiment wie in Schritt (B), wobei nunmehr jedoch die Störung der Protonenmagnetisierung unterbleiben muß; im Falle des zweidimensionalen 1H,X-NOESY-Experimentes kann die Aufnahme eines Referenzspektrums entfallen;
- (D') Identifizierung bindender Liganden anhand von Veränderungen ihrer NMR-Signale zwischen Referenz- und Screeningspektrum bzw.
- (A ') Preparation of a mixture of the drug target and the substance mixture from the substance bank according to one of claims 6 to 10;
- (B ') Recording an NMR screening spectrum of the mixture from step (A), with which an intermolecular heteronuclear magnetization transfer between protons of the drug target and isotope markers of the ligands can be detected selectively;
- (C ') recording a reference spectrum using the same mixture and with the same NMR experiment as in step (B), but the interference with the proton magnetization must now be avoided; in the case of the two-dimensional 1 H, X-NOESY experiment, the inclusion of a reference spectrum can be omitted;
- (D ') Identification of binding ligands based on changes in their NMR signals between the reference and screening spectrum or
Zu den in diesem Abschnitt beschriebenen Experimenten ist weiterhin zu vermerken, daß diese, abweichend von den anderen beschriebenen Experimenten, keine stark bindenden Liganden nachzuweisen vermögen. Andererseits haben diese Experimente den Vorteil, daß sie bereits mit weitaus niedrigeren Konzentrationen des drug targets (beispielsweise im Bereich von 10 μm bis 100 μm) durchgeführt werden können. Es empfiehlt sich deshalb bei diesen Experimenten mit einem möglichst hohen Liganden- (bzw. Substanzen-)überschuß zu arbeiten, da der Bindungsindikator durch den Anteil an dissoziierenden Liganden und nicht durch den Anteil an gebundenen Liganden geprägt ist.It should also be noted about the experiments described in this section that, unlike the other experiments described, they are unable to detect any strongly binding ligands. On the other hand, these experiments have the advantage that they can be carried out with much lower concentrations of the drug target (for example in the range from 10 μm to 100 μm). It is therefore advisable to work with as high a ligand (or substance) excess as possible in these experiments, since the binding indicator is not due to the proportion of dissociating ligands is characterized by the proportion of bound ligands.
5.4.4 Die Identifizierung bindender Liganden (Schritt D)5.4.4 Identification binding ligand (step D)
Die Identifizierung bindender Liganden (Schritt D) erfolgt über einen Vergleich der Reportersignale der Isotopenmarker im Referenz- und im Screeningspektrum; bei Beobachtung des heteronuklearen 1H→X-NOE als Bindungsindikator gelten die dort beschriebenen Besonderheiten. In jedem Fall werden sowohl die Signalfrequenz als auch die relative Signalintensität, bedarfsweise auch die Signalbreite verglichen und aus signifikanten Veränderungen auf Ligandenbindung geschlossen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des beanspruchten Verfahrens werden zunächst die Frequenzen und relativen Intensitäten aller Reportersignale des Referenzspektrums für jedes Substanzgemisch erfaßt. Derartige Referenz-Signallisten können einfach und automatisch durch kommerzielle NMR-Software generiert werden. Anschließend wird im zugehörigen Screeningspektrum innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches um die in der Referenz-Signalliste vorgegebenen Frequenzen nach dem (lokalen) Intensitäts maximum gesucht; dies erfaßt Frequenz- und Intensitätsänderungen gleichermaßen. Danach werden die Quotienten korrespondierender Signalintensitäten und ihr Mittelwert berechnet. Ein signifikant abweichender Intensitätsquotient deutet für die entsprechende Substanz auf Bindung hin. Als signifikant kann beispielsweise Divergenz um mehr als die Standardabweichung gelten. Es ist bei diesem Verfahren gleichgültig, ob bindende Liganden durch das NMR-Experiment eine Signalerhöhung (z.B. durch verlangsamte Diffusion) oder eine Signaldämpfung (z.B. durch beschleunigte Relaxation) erfahren.Binding ligands are identified (step D) by comparing the reporter signals of the isotope markers in the reference and screening spectrum; When observing the heteronuclear 1 H → X-NOE as a binding indicator, the special features described there apply. In any case, both the signal frequency and the relative signal intensity, if necessary also the signal width, are compared and significant changes suggest ligand binding. In a particularly preferred embodiment of the claimed method, the frequencies and relative intensities of all reporter signals of the reference spectrum are first recorded for each substance mixture. Such reference signal lists can be easily and automatically generated by commercial NMR software. Subsequently, the (local) intensity maximum is searched for in the associated screening spectrum within a certain tolerance range around the frequencies specified in the reference signal list; this detects frequency and intensity changes equally. The quotients of corresponding signal intensities and their mean are then calculated. A significantly different intensity quotient indicates binding for the corresponding substance. For example, divergence by more than the standard deviation can be considered significant. With this method it is immaterial whether binding ligands experience a signal increase (eg due to slow diffusion) or a signal attenuation (eg due to accelerated relaxation) through the NMR experiment.
6. Ausführungsbeispiele6. Embodiments
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft für 1 9F-detektiertes NMR-Screening eines Satzes von 12 fluorierten Verbindungen erläutert. Als target-Protein wird bovines all-Chymotrypsin eingesetzt (Sigma-Aldrich-Nr. C4129). Gemessen wurde auf einem BRUKER DMX600 (mit 600 MHz Protonenfrequenz) mit einem 1 9F, 1H – Dualmeßkopf. Bei dieser Feldstärke liegt die 19F-Frequenz bei ca. 564.6 MHz.The inventive method is exemplified a set of 12 fluorinated compounds for 1 9 F-detected NMR screening. Bovine all-chymotrypsin is used as the target protein (Sigma-Aldrich No. C4129). Measurements were taken on a BRUKER DMX600 (with 600 MHz proton frequency) with a 1 9 F, 1 H dual measuring head. At this field strength, the 19 F frequency is approximately 564.6 MHz.
Die fluorierten Substanzen sind samt ihrer 19F Signalfrequenzen in Tabelle 1 aufgelistet. Die Meßbedingungen hierfür (0.25mM wäßrige Lösungen bei pH = 7,50mM Phosphat-Puffer, 298K) entsprechen den Probenbedingungen des target-Proteins, die für das Screening bestimmend sind. Die Substanzen wurden als 0.5M Gemisch-Stocklösung in D6-DMSO bereitgestellt.The fluorinated substances are listed in Table 1 together with their 19 F signal frequencies. The measurement conditions for this (0.25mM aqueous solutions at pH = 7.50mM phosphate buffer, 298K) correspond to the sample conditions of the target protein, which are decisive for the screening. The substances were provided as 0.5M mixture stock solution in D 6 -DMSO.
Für jede der Testsubstanzen wurde unter den o.a. Standardbedingungen die 1 9F chemische Verschiebung bestimmt (vgl. Tabelle 1). Um noch eine weitgehend homogene Reportersignal-Anregung gewährleisten zu können, wurden die Testsubstanzen anschließend in drei Submischungen zusammengestellt, so daß die enthaltenen 19F-Signale jeder Submischung eine Dispersion von maximal ca. 15 kHz aufweisen (bei 600 MHz Feldstärke). Diese drei Submischungen wurden als Gemisch-Stocklösungen bereitgestellt und auch nachfolgend vermessen. Die festen stöchiometrischen Verhältnisse der einzelnen Testsubstanzen untereinander erlauben so eine relative Referenzierung sowohl der Frequenzen als auch der Intensitäten der Reportersignale.The 1 9 F chemical shift was determined for each of the test substances under the above-mentioned standard conditions (cf. Table 1). In order to be able to guarantee a largely homogeneous reporter signal excitation, the test substances were then put together in three submixtures, so that the 19 F signals contained in each submixture have a maximum dispersion of approximately 15 kHz (at 600 MHz field strength). These three sub-mixes were provided as mixed stock solutions and also measured subsequently. The fixed stoichiometric ratios of the individual test substances to one another thus allow a relative referencing of both the frequencies and the intensities of the reporter signals.
Die gezeigten 19F-Spektren wurden mit dem einfachsten und breitbandigsten Basisexperiment, bestehend aus nur einem einzigen Puls auf der 19F-Frequenz, aufgenommen. Der Puls hatte bei maximaler Senderleistung (ca. 50W) eine Dauer von 15 μs, entsprechend einem Pulswinkel von ca. 75°. Während der Aufzeichnung des Fluorsignales wurde breitbandig von den Protonen entkoppelt (mittels WALTZ16-Sequenz (Shaka A.J., Keeler, J., Frenkiel T., Freeman R., J.Mag.Reson. 1983, 52, 335– 338: "An improved sequence for broadband decoupling: WALTZ16") und einem 90°- Entkoppelpuls von 74 μs Länge). Da keine dominanten 19F-Hintergrundsignale existieren, konnte der Empfangsvorverstärker auf den geräteverfügbaren Maximalwert von 32K eingestellt werden. Die Spektren wurden mit 32 Scans aufgenommen und dauerten jeweils ca. 2 Minuten. Die Wartezeit zwischen einzelnen Scans betrug 3.2 s, innerhalb der die enthalpische Relaxation der 1 9F-Spins weitgehend abgeschlossen ist (verantwortlich hierfür ist primär die rasche Relaxation bei 600 MHz Feldstärke aufgrund der z.T. sehr großen chemischen Verschiebungsanisotropie des 19F-Kerns). Unterschiede in den Signalintensitäten sind daher primär auf leicht unterschiedliche Konzentrationen der einzelnen Testsubstanzen im Gemisch zurückzuführen. Dabei weist Flurbiprofen aufgrund seiner sehr geringen Löslichkeit in Wasser die deutlichste Abweichung der Signalintensität auf. Diese Intensitätsunterschiede sind jedoch unerheblich, da sie von der Gemisch-Stocklösung vorgegeben werden und damit einheitlich reproduzierbar sind im Verlauf des Screenings.The 19 F spectra shown were recorded with the simplest and broadest-band basic experiment, consisting of only a single pulse on the 19 F frequency. The pulse had a duration of 15 μs at maximum transmitter power (approx. 50 W), corresponding to a pulse angle of approx. 75 °. During the recording of the fluorine signal, broadband decoupling from the protons (using the WALTZ16 sequence (Shaka AJ, Keeler, J., Frenkiel T., Freeman R., J.Mag.Reson. 1983, 52, 335-338: "An improved sequence for broadband decoupling: WALTZ16 ") and a 90 ° decoupling pulse of 74 μs length). Since there are no dominant 19 F background signals, the receive preamplifier could be set to the maximum available device value of 32K. The spectra were recorded with 32 scans and each lasted approximately 2 minutes. The waiting time between individual scans was s 3.2, is within the largely completed the enthalpic relaxation of 1 9 F spins (responsible for this is primarily the rapid relaxation at 600 MHz field strength due to the sometimes very large chemical shift of 19 F-core). Differences in signal intensities are primarily due to slightly different concentrations of the individual test substances in the mixture. Because of its very low solubility in water, flurbiprofen exhibits the most significant deviation in signal intensity. However, these differences in intensity are insignificant, since they are determined by the mixture stock solution and are therefore reproducible in the course of the screening.
Zur Suche nach bindenden Liganden unter den Testsubstanzen wurden die Gemisch-Stocklösungen zur 1 mM wäßrigen Lösung des target-Proteins all-Chymotrypsin zugegeben, bis ein vierfacher Substanzunterschuß erreicht war (d.h. 0.25mM Substanzkonzentration). Dieses inverse Konzentrationsverhältnis (bei dem das target-Protein im Überschuß vorliegt) wurde für das beschriebene Anschauungsbeispiel gewählt, da die Substanzbank mit vermuteten bzw. bekannten Ligandenmotiven angereichert war, für deren gleichzeitigen Nachweis ausreichende Proteinmengen vorhanden sein sollten. Anschließend wurde dasselbe Basisexperiment unter gleichen Proben- und Meßbedingungen wiederholt wie oben zur Aufnahme der Referenzspektren beschrieben.To search for binding ligands among the test substances, the mixture stock solutions were added to the 1 mM aqueous solution of the target protein all-chymotrypsin until a fourfold substance was reached (ie 0.25mM substance concentration). This inverse concentration ratio (in which the target protein is present in excess) was chosen for the illustrative example described, since the substance bank was enriched with suspected or known ligand motifs, for the simultaneous detection of which sufficient amounts of protein should be present. The same basic experiment was then repeated under the same sample and measurement conditions as described above for recording the reference spectra.
Die erhaltenen 1
9F-Screening-Spektren sind in
Als Blindprobe zur Verifizierung
der Ergebnisse für
all-Chymotrypsin wurde das Screening mit Lysozym als target-Protein
wiederholt (unter identischen Proben- und Meßbedingungen). Von allen Testsubstanzen war
zu erwarten, daß sie
nicht an dieses Enzym binden. Die 19F-Spektren
bestätigen
dies (
Tabelle 1 Übersicht der verwendeten fluorierten Testsubstanzen samt ihrer bei 298K bestimmten 1 9F NMR-Frequenzen (in ppm, gemessen in wäßriger Lösung mit 50mM Phosphatpuffer, pH = 7.2, bei 25°C). Die angegebenen Nummern dienen der Identifizierung in den abgebildeten Spektren. Nach Analyse der 1 9F Frequenzen wurden die Substanzen in drei Submischungen dergestalt zusammengestellt, daß die Verschiebungsdispersion max. ca. 15 kHz (bei 600 MHz Feldstärke) beträgt. Die fett gedruckten Substanzen wurden anhand einer Intensitätsabnahme ihrer Reportersignale eindeutig als bindende Liganden von all-Chymotrypsin identifiziert.Table 1 Overview of the fluorinated test substances used along with their particular at 298K 1 9 F NMR frequencies (in ppm, measured in aqueous solution with 50 mM phosphate buffer, pH = 7.2, at 25 ° C). The numbers given are used for identification in the spectra shown. After analysis of the frequencies F 1 9, the substances were collected in three submixing such that the displacement dispersion max. approx. 15 kHz (at 600 MHz field strength). The substances in bold were clearly identified as binding ligands of all-chymotrypsin based on a decrease in the intensity of their reporter signals.
Das 1
9F-Spektrum der Submischung C ohne target-Protein
(hellgrau), mit Lysozym als Blindprobe (grau) sowie mit all-Chymotrypsin
als target-Protein (schwarz) ist in
Somit wurde gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, auch gleich mehrere z.T. stark bindende Liganden von nicht bindenden Substanzen, die in der selben Mischung vorliegen, zu unterscheiden. Daraus folgt, daß die die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe der Beschleunigung des screening-Verfahrens durch die Verwendung von Mischungen auch gelöst wird ohne daß die Zuverlässigkeit der so erhaltenen Ergebnisse beeinträchtigt wird.It has thus been shown that the method according to the invention is suitable, several in some cases strong binding ligands of non-binding substances that are in the same mixture, to distinguish. It follows that the invention Basic task of speeding up the screening process is also solved by the use of mixtures without the reliability the results thus obtained is impaired.
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