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結構解析是藥物生產和研究中的重要組成部分，但在藥物發(fā)現(xiàn)初期，往往不能得到大量高純度的樣品進行單晶培養(yǎng)及結構解析。這在一定程度上減緩了整個藥物發(fā)現(xiàn)的進程，科學家們可能要花費大量精力進行工藝條件優(yōu)化才能得到大量高純度的樣品，最終實現(xiàn)結構解析的目標。紫杉醇是一種從紅豆杉的樹皮分離提純的天然次生代謝產物，經(jīng)過臨床驗證，對癌癥發(fā)病率較高的卵巢癌、子宮癌和乳腺癌等有特效。臨床和科研所需的紫杉醇主要是從紅豆杉中直接提取，但是植物體中紫杉醇的含量相當?shù)停词故枪J含量最高的短葉紅豆杉樹皮中也僅有0.069%），提取率低于0.01%。雖然單晶X射線衍射是藥物分子解析的最常見工具，但是單晶X射線衍射分析對晶體的尺寸和質量要求比較高，而培養(yǎng)出適合單晶X射線衍射分析的單晶需要足夠的樣品以及耗費大量的時間去摸索結晶條件（圖1）。因此對于那些樣品數(shù)量很少的藥物，單晶X射線衍射很顯然已經(jīng)不適用了。

圖1單晶培養(yǎng)流程圖

近年來，一種新興的結構解析方法吸引了人們的關注—微晶電子衍射（Microcrystal electron diffraction，MicroED），MicroED技術利用電子與樣品的相互作用[1-3]，得到樣品的衍射數(shù)據(jù)，然后通過相應的軟件解析還原得到樣品的結構（圖2），由于電子的波長較短，所以電子與原子的相互作用更強、樣品衍射能力更強，因此MicroED技術可以從少量的納米尺寸大小的晶體中獲得高質量的衍射數(shù)據(jù)，這非常適用于一些樣品量很少、僅能獲得納米晶體的藥物分子或天然產物的結構解析。利用MicroED我們可以在藥物早期發(fā)現(xiàn)的過程中，越過工藝優(yōu)化這個壁壘，只需要常規(guī)單晶培養(yǎng)所需樣品的十分之一就能實現(xiàn)化合物的結構解析。          

圖2MicroED的工作流程圖[4]。

與單晶X射線衍射相比，MicroED技術在紫杉醇的結構解析過程中具有無可比擬的優(yōu)勢。單晶X射線衍射需要培養(yǎng)出尺寸合適的單晶，這就需要足夠的樣品去摸索合適的結晶條件。以擴散法為例：將裝有1mL紫杉醇飽和溶液的小瓶子置于含有20mL不良溶劑的大瓶子中，大瓶子密封靜置。根據(jù)良溶劑和不良溶劑的種類不同，同時進行80組的單晶培養(yǎng)實驗，紫杉醇的樣品量至少需要1600mg左右。經(jīng)過1周后，在多個溶劑體系中，通過偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)了微小的晶體，但它的尺寸很小，只有200nm左右，難以滿足單晶X射線衍射的需求。經(jīng)過8周后，仍然沒有獲得能夠進行單晶X射線衍射的晶體。

表1部分單晶培養(yǎng)的樣品信息

在這種情況下，需要更換其它的溶劑體系，重新培養(yǎng)單晶，需要更多數(shù)量的紫杉醇樣品。對于MicroED技術而言，由于納米尺寸的晶體已經(jīng)能夠滿足測試需求，因此對紫杉醇樣品的需求量大大降低，僅需100mg樣品即可滿足晶體培養(yǎng)的需求。同時，對于單晶X射線無法測試的納米晶體，可以利用MicroED技術收集其衍射數(shù)據(jù)，然后通過解析還原得到其晶體結構（圖3）?？偠灾?，MicroED技術的優(yōu)勢在于：①樣品需求量少（一般單晶培養(yǎng)的十分之一樣品即可），②對晶體尺寸要求比較低，納米晶體即可滿足測試需求。

圖3紫杉醇的形貌及結構圖

MicroED技術僅需少量樣品（~100mg）培養(yǎng)出納米晶體，從而獲得高質量的衍射數(shù)據(jù)，大大降低了單晶培養(yǎng)過程對樣品數(shù)量的需求，非常契合一些樣品量很少的合成藥物或天然產物，為合成藥物和天然產物的結構解析提供了新的途徑。