药物发现是一个漫长而昂贵的过程。一种新药的研发通常需要20年，平均花费20 – 40亿美元。制药和生物技术公司的化学家每年合成数千种化合物，需要大量昂贵而有价值的化学品和消耗品。而每个单独的化合物都必须鉴定和筛选其生物活性。尽管聚苯乙烯微量滴定板的物理化学特性，限制了它们在化学应用和专门分析技术中的使用，但使用微量滴定板对化合物库进行自动化高通量筛选，在生物学上已经很成熟了。
因此，人类需要一种高通量的方法来实现不同的、基于溶液的化学反应，从而能够同时合成成百上千种化合物。有机合成的小型化和并行化，对于扩大化合物库的设计能力，减少工作、化学消耗和相关成本至关重要。研究者之前在一项原理验证研究中报道了chemBIOS平台，该研究演示了75种转染试剂在片上的小型化溶液合成，以及随后的片上细胞生物筛选过程，只需1毫升溶液在3天内就可以完成。
然而，由于现有的分析方法并不是为纳升级、片上高通量方法设计的，使得这些改进方法受到了阻碍。在合成、表征和筛选平台之间进行纳米级体积的液体处理和数千种化合物的样品转移，减缓了药物开发的过程，从而使其昂贵。很明显，需要将早期药物发现统一到一个多功能平台上，使其能够在同一片上连续进行纳米级结构多样化合物的合成、高灵敏度的化学表征和高通量的生物筛选。
来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的Pavel A. Levkin等研究者，从现有的chemBIOS平台发展出了一种基于树状分子的表面图案绘制方法，以扩展其能力，可用于处理低(有机溶剂)和高(水溶液)表面张力液体的高密度纳米液滴阵列，如此，就可以在化学、分析和生物方面进行广泛应用(chemBIOS)(图1)。
高密度纳米液滴阵列上的每一个液滴(每片> 50,000液滴之间)，都是一个独立的空间分离的纳米容器，可用于溶液合成或分析。铟锡氧化物(ITO)涂层使平台具有导电性，因此与基质辅助激光解吸/电离质谱(MALDI-TOF MS)芯片上高通量化合物表征兼容。因此，通过基质辅助激光解吸/电离质谱，使片上的超快速检测的精度达到10-18 mol的液滴。此外，ChemBIOS平台优异的光学特性允许在紫外、可见(片上的紫外-可见光谱和光学显微镜)和红外(片上的红外光谱)区域进行片表征和原位反应监测，并且与各种贴壁和悬浮细胞系(HeLa、HEK293T和Jurkat)兼容。至此，ChemBIOS结合了芯片上的高通量化学合成、高含量反应监测、高灵敏度化合物表征和生物筛选，从而整合了早期药物发现的所有关键环节。该平台在高通量合成和药物发现领域中，开辟了新途径。
图1 与chemBIOS平台兼容的化学、分析和生物高通量方法
图片来源Nat Commun
图2 基于接枝聚硫醚树枝状大分子的图形树枝状聚合物滑片的制造
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图3 树枝状接枝表面的表征
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图4 通过MALDI-TOF质谱和IR光谱分析，使得氧化铟锡衬底片上特性实现
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图5 利用UV-Vis光谱对片进行表征
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图6 片上的高通量反应监测
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参考文献
Benz, M., Asperger, A., Hamester, M. et al. A combined high-throughput and high-content platform for unified on-chip synthesis, characterization, and biological screening. Nat Commun 11, 5391 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19040-0