1、WORD格式博士基地班碩士碩博連讀研究生獸醫碩士專業學位專業資料整理WORD格式學術型碩士農業推廣碩士專業學位同等學力在職申請學位高校教師攻讀碩士學位"工程碩士專業學位全日制專業學位碩士中職教師攻讀碩士學位風景園林碩士專業學位專業資料整理WORD格式西北農林科技大學研究生課程考試試卷封面課程名稱：分子模擬與計算機輔助藥物設計學位課選修課"研 究生年級、姓名8研究生學號6所 在學 院系、部5專業學科4任課教師姓 名3考試日期考試成績評 卷教師簽字處專業資料整理WORD格式創新藥物的研發過程與藥物發現的途徑摘要：文中詳細介紹了新藥在研發過程中所需要經歷的必要步驟和流程，同時介紹

2、了藥物的開發上市中需要的過程，展示了創新藥物的研發是十分耗時耗資的，也表達了新藥開發的重要性。此外從模擬創新在新藥創新方面的應用，以及提出并介紹了現代生物學對新藥研發的幾種重要途徑。關鍵詞：新藥研發上市，模擬創新，現代生物學Innovative Drug R D Process and Drug Discovery PathwaysAbstract：In this paper, the necessary steps and processes of the new drugs in thedevelopment process are introduced in detail. At the

3、 same time, the process of drug development and listing is introduced. It shows that the research and development of innovative drugs is very time consuming and costly. It also reflects the importance of new drug development . In addition, from the application of analog innovation in the innovation

4、of new drugs, and put forward and introduced the modern biology of new drug research and development of several important ways. Key：new drugs，analog innovation，modern biology專業資料整理WORD格式1專業資料整理WORD格式一、概述創新藥物在國際上一般是指含有新化學實體(NCE) 的藥物。在我國，創新藥物具體是指 未在國內上市銷售的來源于植物、動物、礦物等藥用物質制成的制劑和從中藥、天然藥物中提取的有效成份及其制劑及未在國

5、內外獲準上市的化學原料藥及其制劑、生物制品，同時還必須具有原創性，具有自主的知識產權。眾所周知，世界X圍內的創新藥物研發形勢比較嚴峻，研發本錢在持續增加， 而總產量卻在減少。一項針對全球前十制藥企業的研究說明，與 2021 年相比，2021 年藥物研發上市本錢增加約25%至 10 億美元左右，而研發總體回報率從11.8%下降到 8.4%。由于近年來 重磅炸彈 級藥品專利紛紛到期，使得大型跨國制藥公司面臨巨大的研發壓力， 迫切需要尋找維持創新藥研發工程的同時全面降低研發本錢的藥物研發途徑。 本文介紹了創新藥物研發、上市的根本流程； 現代生物學對新藥發現的重要影響； 模擬創新在新藥研發中的重要作用

6、， 制藥公司內部研發、外包研發和許可研發三種研發路徑的現狀及開展趨勢，以及與制藥公司開展相匹配的研發路徑。二、創新藥物研發及上市流程藥物從最初的實驗室研究到最終擺放到藥柜銷售平均需要花費12 年的時間。進展臨床前試驗的5000種化合物中只有5 種能進入到后續的臨床試驗，而僅其中的 1 種化合物可以得到最終的上市批準。總的來說新藥的研發分為兩個階段：研究和開發。 這兩個階段是相繼發生有互相聯系的。區分兩個階段的標志是候選藥物確實定，即在確定候選藥物之前為研究階段，研究階段包括四個重要環節，即靶標確實定，模型的建立，先導化合物的發現，先導化合物的優化。確定之后的工作為開發階段。所謂候選藥物是指擬進

7、展系統的臨床前試驗并進入臨床研究的活性化合物。2.1 研究階段2.1.1 靶標確實立專業資料整理WORD格式2專業資料整理WORD格式確定治療的疾病目標和作用的環節和靶標，是創制新藥的出發點， 也是以后施行的各種操作的依據。藥物的靶標包括酶、受體、離子通道等。作用于不同的靶標的藥物在全部藥物中所占的比重是不同的。以2000 年為例，在全世界藥物的銷售總額中，酶抑制劑占 32.4%，轉運蛋白抑制劑占16.0%，受體沖動劑占9.1%，受體拮抗劑占 10.7%，作用于離子通道的藥物占9.1%等等。目前，較為新興的確認靶標的技術主要有兩個。一是利用基因重組技術建立轉基因動物模型或進展基因敲除以驗證與特

8、定代謝途徑相關或表型的靶標。這種技術的缺陷在于，不能完全消除由敲除所帶來的其他效應例如因代償機制的啟動而導致的表型的改變等。二是利用反義寡核苷酸技術通過抑制特定的信使RNA 對蛋白質的翻譯來確認新的靶標。例如嵌入小核核糖核酸snRNA控制基因的表達，對確證靶標有重要作用。2.1.2 模型確實立靶標選定以后， 要建立生物學模型， 以篩選和評價化合物的活性。 通常要制訂出篩選標準，如果化合物符合這些標準，那么研究工程繼續進展；假設未能滿足標準，那么應盡早完畢研究。一般試驗模型標準大致上有：化合物體外實驗的活性強度；動物模型是否能反映人體相應的疾病狀態；藥物的劑量濃度 效應關系，等等。可定量重復的體

9、外模型是評價化合物活性的前提。近幾年來，為了躲避藥物開發的后期風險，一般同時進展藥物的藥代動力模型評價 ADME 評價、藥物穩定性試驗等。2.1.3 先導化合物的發現新藥研制的第三步是先導化合物的發現。所謂先導化合物（ leadingcompound，也稱新化學實體 new chemical entity，NCE，是指通過各種途徑和方法得到的具有某種生物活性或藥理活性的化合物。 因為目前的知識還缺乏以淵博到以足夠的受體機制指導藥物設計以使藥物的合成不必使用預先的模型，所以，先導化合物的發現，一方面有賴于以上兩步所確定的受體和模型，另一方面也成為了整個藥物研發的關鍵步驟。一般來說，先導化合物主要

10、有如下幾個來源：對天然活性物質的挖掘、現有藥物不良作用的改進以及藥物合成心中間體的篩選等。目前，主要有兩個獲得新的先導化合物的途徑。一是廣泛篩選，這種毫無依據的方法在實際操作上其實是比較有效的。專業資料整理WORD格式3專業資料整理WORD格式過去半個多世紀以來， 由于這個原因， 先導化合物的發現隨機性很強， 如從煤焦油中別離出的本份被發現具有抗菌作用因而被開發成為一系列諸如薩羅的抗生素；又如對染料中間體的篩選發現了苯胺以及乙酰苯胺具有解熱鎮痛作用， 經改造得到了非那西丁和乙酰氨基酚等。近二十年來，計算機預篩被用于這一過程，大大加快了研究進程。 另外，先導化合物的合理設計近年來也越來越成為這一

11、領域的熱點。所謂合理設計， 是指根據的受體 或受體未知但有一系列配體的構效關系數據進展有針對性的先導化合物設計， 這種方法有別于一般普遍篩選的顯著特點在于目的性強， 有利于各種構效理論的進一步開展， 因此前途十分廣闊。2.1.4 先導化合物的優化由于發現的先導化合物可能具有作用強度或特異性不高、藥代動力性質不適宜、毒副作用較強或是化學或代謝上不穩定等缺陷， 先導化合物一般不能直接成為藥物。因此有必要對先導化合物進展優化以確定候選藥物， 這是新藥研究的最后一步。簡要地說，先到化合物的優化就是基于相似性原理制備一系列化合物， 評價其全面的構效關系已對其物理化學及生物化學性質進展優化。 優化后再進展

12、體內外活性評價，循環反響，最終獲得優良的化合物候選藥物 drug candidate2.2 臨床前及臨床研究2.2.1 臨床前研究2.2.1.1 藥物靶點確實認這個是所有工作的開場。 藥物靶點是指藥物在體內的作用結合位點， 包括基因位點、受體、酶、離子通道、核酸等生物大分子。現代新藥研究與開發的關鍵首先是尋找、確定和制備藥物篩選靶 分子藥靶。藥物靶點是指藥物在體內的作用結合位點，包括基因位點、受體、酶、離子通道、核酸等生物大分子。選擇確定新穎的有效藥靶是新藥開發的首要任務。迄今已發現作為治療藥物靶點的總數約500 個，其中受體尤其是G-蛋白偶聯的受體 GPCR靶點占絕大多數，另還有酶、抗菌、抗

13、病毒、抗寄生蟲藥的作用靶點。 合理化藥物設計 rational drug design可以依據生命科學研究中所提醒的包括酶、受體、離子通道、核酸等潛在的藥物專業資料整理WORD格式4專業資料整理WORD格式作用靶位，或其內源性配體以及天然底物的化學構造特征來設計藥物分子，以發現選擇性作用于靶點的新藥。 只有確定了靶點，后續所有的工作才有展開的依據。2.2.1.2 化合物的合成這個階段的工作主要負責新化合物的合成，大多數藥物的框架都是在現有化合物的構造改造和優化。 除此之外還有從動植物中獲取的天然活性物質，在獲得大量潛在活性物質之后可進展下面的步驟。2.2.1.3 活性化合物的篩選不是所有合成出

14、來的化合物都能有理想的活性，在這個階段需要通過生物實驗手段篩選出初步有活性的化合物用作備選。這些化合物叫先導化合物 lead。得到的活性數據可以結合化合物構造得到初步的構效關系分析。 構效關系可以有效的指導后續的化合物構造優化。 這一步工作主要在細胞實驗層面展開。 同時也存在一個化合物對目標 A 靶點沒有作用，卻有可能對其他的 B 靶點 C 靶點有非常好的活性的情況，暫且不表。2.2.1.4 進展下一步的化合物構造修飾得到活性更好的化合物。 2 到 4 這是一個循環，直到我們得到了活性足夠理想的化合物。上面的內容也就是藥物化學領域的大致工作X圍了。2.2.1.5 藥物評估評估藥物的藥理作用，平

15、安性與毒性，藥物的吸收、分布、代謝和排泄情況（ ADME 。這局部的實驗需要在動物層面展開。細胞實驗的結果和活體動物實驗的結果有時候會有很大的差異。這一步的目的是確定藥物的有效性與平安性。2.2.1.6 制劑的開發藥物的服用需要在一定的媒介中，不能直接將藥物吞食服用， 所以制劑開發是藥物應用的一個重要環節。比方有的藥胃腸吸收很差，就需要開發為注射劑。有的藥對在胃酸里面會失去活性，就需要開發為腸溶制劑。 有的化合物溶解性不好，這也可以通過制劑來局部解決這個問題。前面這些內容都統稱為臨床前研究。是藥物研發的最開端的內容。各個實驗的步驟并不一定嚴格按照這個順序展開，也沒有 1、 2、3 這樣一個明顯

16、的分界限。各個步驟是一個相互包容協調的關系。2.3 臨床研究專業資料整理WORD格式5專業資料整理WORD格式2.3.1 臨床 I 期在新藥開發過程中 ,將新藥第一次用于人體以研究新藥的性質的試驗,稱之為期臨床試驗 .即在嚴格控制的條件下 ,給少量試驗藥物于少數經過慎重選擇和篩選出的*志愿者 (對腫瘤藥物而言通常為腫瘤病人),然后仔細監測藥物的血液濃度排泄性質和任何有益反響或不良作用,以評價藥物在人體內的性質.期臨床試驗通常要求*志愿者住院以進展24 小時的密切監護 .隨著對新藥的平安性了解的增加 ,給藥的劑量可逐漸提高 ,并可以多劑量給藥 .通過期臨床試驗 ,還可以得到一些藥物最高和最低劑量

17、的信息,以便確定將來在病人身上使用的適宜劑量.可見 ,期臨床試驗是初步的臨床藥理學及人體平安性評價試驗,目的在于觀測人體對新藥的耐受程度和藥代動力學,為制定給藥方案提供依據.2.3.2 臨床 II 期通過期臨床研究 ,在*人身上得到了為到達合理的血藥濃度所需要的藥品的劑理的信息 ,即藥代動力學數據 .但是 ,通常在*的人體上是不可能證實藥品的治療作用的 .在臨床研究的第二階段即期臨床試驗 ,將給藥于少數病人志愿者 , 然后重新評價藥物的藥代動力學和排泄情況 .這是因為藥物在患病狀態的人體內的作用方式常常是不同的 ,對那些影響腸、胃、肝、和腎的藥物尤其如此。以一個新的治療關節炎的止通藥的開發為例

18、。 期臨床研究將確定該藥緩解關節炎病人的疼通效果如何， 還要確定在不同劑量時不良反響的發生率的上下， 以確定疼痛得到充分緩解但不良反響最小的劑量。 可以說，期臨床試驗是對治療作用的初步評價階段。 期臨床試驗一般通過隨機盲法對照試驗 根據具體目的也可以采取其他設計形式 ，對新藥的有效性和平安性作出初步評價， 并為設計期臨床試驗和確定給藥劑量方案提供依據。2.3.3 臨床 III 期在，期臨床研究的根底上， 將試驗藥物用于更大X圍的病人志愿者身上，進行擴大的多中心臨床試驗，進一步評價藥物的有效性和耐受性或平安性，稱之為期臨床試驗。 期臨床試驗可以說是治療作用確實證階段，也是為藥品注冊申請獲得批準提

19、供依據的關鍵階段，該期試驗一般為具有足夠樣本量的隨機化盲法對照試驗。 臨床試驗將對試驗藥物和撫慰劑不含活性物質 或已上市藥品的有關參數進展比較。 試驗結果應當具有可重復性。可以說，該階段是臨床研究專業資料整理WORD格式6專業資料整理WORD格式工程的最繁忙和任務最集中的局部。 除了對成年病人研究外， 還要特別研究藥物對老年病人， 有時還要包括兒童的平安性。 一般來講，老年病人和危重病人所要求的劑量要低一些， 因為他們的身體不能有產地去除藥物， 使得他們對不良反響的耐受性更差， 所以應當進展特別的研究來確定劑量。 而兒童人群具有突變敏感性、遲發毒性和不同的藥物代謝動力學性質等特點， 因此在決定

20、藥物應用于兒童人群時，權衡療效和藥物不良反響應當是一個需要特別關注的問題。 在國外，兒童參加的臨床試驗一般放在成人試驗的期臨床后才開場。 如果一種疾病主要發生在兒童，并且很嚴重又沒有其他治療方法， 美國食品與藥品管理局允許期臨床試驗真接從兒童開場， 即在不存在成人數據參照的情況下， 允許從兒童開場藥理評價。我國對此尚無明確規定。2.4 新藥上市階段2.4.1 新藥申請在完成所有三個階段的臨床試驗并分析所有資料及數據， 如證明該藥物的平安性和有效性，那么可以向 FDA 提交新藥申請。新藥申請需要提供所有收集到的科學資料。通常一份新藥申請材料可多達 100000 頁，甚至更多！按照法規，FDA應在

21、 6 個月內審評完新藥申請。 但是由于大局部申請材料過多， 而且有許多不標準，因此往往不能在這么短的時間內完成。 1999 年對于單個化學分子藥的審評時間平均為 12.6 個月。2.4.2 藥物批準上市上述任何一步反響得到的結果不好， 都有可能讓一個候選藥物胎死腹中。 最悲慘的結果可能是這個工程就直接被取消了。 能夠通過全部 3 期臨床評價而上市的新藥越來越少，局部原因是開發出比市場上現有藥物綜合評價更好的新藥越來越難。如果能夠走到這一步， 那么暫時可以說是大功告成了。從最開場的備選化合物走到這一步的藥物寥寥無幾。但是批準上市了并不代表這個藥物就高枕無憂了。因為還有后面一步。新藥研制成功率是很

22、低的，大約5000 種化合物中被評估的只有 5 種可以進入臨床試驗階段，而大約只有1 種會被批準。2.5 IV 期臨床研究專業資料整理WORD格式7專業資料整理WORD格式藥物上市后監測。 主要關注藥物在大X圍人群應用后的療效和不良反響監測。 藥物使用知道其實就是說明書的增補 需要根據這一階段的結果來相應修訂。 這一階段還會涉及到的一些內容有， 藥物配伍使用的研究， 藥物使用禁忌 比方有些藥物上市就發現服藥期間服用西柚會影響藥物的代謝 。如果批準上市的藥物在這一階段被發現之前研究中沒有發現的嚴重不良反響， 比方顯著增加服藥人群心血管疾病發生率之類的， 藥物還會被監管部門強制要求下架。 有的藥物

23、甚至才上市一年，由于 4 期臨床評價不好而被迫下架。 FDA 要求的附加的上市后試驗，包括實驗室和動物試驗，試驗人群： 2080 例*志愿者、 100300 例病患志愿者、 10003000 例病患試驗者。試驗目的為評定藥物平安性和生物活性，確定藥物平安性和劑量，評估藥物有效性，尋找副作用，驗證藥物有效性，監控長期使用的不良反響。三、模擬創新對新藥研發的作用十一五 方案的 重大新藥創制 科技重大專項已經如火如荼地展開 ,與醫藥、生物學和化學相關的研究院所、 大學和企業都以空前的熱情積極投入到申請、 辯論和即將實施的浪潮中。我國政府對新藥的創制從來沒有這樣大的投入。然而 ,我國的新藥研發剛剛由仿

24、制轉向創制的道路 ,制藥企業的創新剛剛起步 , 能力較弱 ,以致新藥的研究主要集中在研究院所和大學中。 然而 ,作為技術創新的藥物研發應以企業為核心 ,這種嚴重的錯位導致我國新藥研究與開發的脫節。研究院所和大學的目標設定、價值取向和評價體系與企業有很大區別 ,事實說明大學和研究所的研究工程往往脫離企業和市場的需求 ,難以與開發接軌。所以 ,盡管國家倡導甚至規定產學研相結合 , 但難以抑制由于體制問題所造成的矛盾 ,這是我國研發新藥速度慢、成功率低以及藥物的質量不高的主要原因。所以 ,需要在重大新藥創制的專項行動中調整思路 ,理順關系 ,切實落實創制新藥的目標， 而新藥創制應以模擬創新為主。3.

25、1 首創性藥物和模擬創新藥物按照藥物作用靶標的新穎程度可將創新藥物分為兩類,即首創性藥物和模擬專業資料整理WORD格式8專業資料整理WORD格式創新藥物。這兩類藥物的研發目標雖然都是具有知識產權和有市場潛力 ,但起步點和涉及的技術方法有所不同。 首創性藥物的作用靶標是全新的、 首次發現的生物大分子 ,是從發現新的靶標并通過確證而起始的研發工程 ,是由生物學研究為原動力 ,所以可認為首創性藥物是生物學驅動 ,目標是創制作用于新的靶標、新的作用環節和作用機制的新化學實體。 由于發現與疾病相關的基因及其表達產物 , 并確證與病理過程相關、成為藥物干預的靶標 ,是非常艱巨的應用根底研究工程 ,投入巨大

26、 ,持續時間長 ,風險大。模擬創新藥物是指研制藥物的作用靶標是的 , 而且靶標構造也可能明確 ,還因為有的活性化合物或藥物作為參考 ,可進展構造模擬或根據藥效團進展設計。所以 ,模擬創新藥物是以化學作為驅動研究的。研 發的 藥 物可 認為 是 模 仿 性 的跟 進 (me-too), 或 是 優于 已 有的 類似 藥 物(me-better)。這種研發模式的問題是當一個新靶標被披露 ,或相應的藥物進入臨床或上市后 ,往往有眾多的研發跟進 ,因此競爭劇烈 ,研制的化學空間較小 ,新藥上市后的市場空間也比較擁擠。研制模擬創新藥物的關鍵是速度和對已有藥物的超越。表 1 比較了首創性藥物與模擬創新藥物

27、的區別。3.2 分子骨架和藥效團概念是藥物模擬創新的根底藥物分子可認為是由藥效團和構造骨架構成的,藥效團是藥物呈現特定藥理作用所必需的物理化學特征及其在空間的分布,這些物化特征是由不連續的離散的原子、基團或片斷所構成,如正電荷、負電荷、氫鍵給體、氫鍵承受體、疏水中心專業資料整理WORD格式9專業資料整理WORD格式和芳環質心等。藥效團需結合在分子骨架上,形成具體的分子。骨架可認為是藥效團的賦形劑 ,具有連續性的特征。一樣的藥效團附著在不同的分子骨架上,構成了作用于同一靶標而構造多樣的化合物。受體的柔性和可塑性,形成了雜亂性空間 ,表達為受體結合部位的多重性 ,因而可容納構造多樣的配體 (藥物

28、)分子。分析模擬創新藥物與首創藥物的構造特征 ,可認為是在保持藥效團前提下 ,變換構造骨架 ,或者不改變骨架 ,只變換骨架上的某些原子或基團。 保持藥效團不變 ,保障和維系了特定的藥理活性 ;變換分子骨架 ,賦予了分子新的性質 ,例如改善藥動學性質或物化性質 ,有利于發揮藥效 ,同時 ,新的骨架表達了構造的新穎性 ,具有自主知識產權。3.3 構造骨架變換的方式模擬創新藥物的分子設計,主要是骨架的變換 ,變換的方式很多 ,可歸納為 3 個層次 :以電子等排原理變換骨架構造;以優勢構造為導向的變換骨架構造;以構造 -活性演化的方式進展骨架遷越。 電子等排置換是藥物化學和分子設計的經典方法,包括原子

29、、基團和環系之間的變環。抗潰瘍藥物H+/K+-ATP 酶抑制劑奧美拉唑作為首創藥物上市后不久,模擬性藥物蘭索拉唑和泮妥拉唑相繼問世。變換的方式是用氟原子替換氫 ,避開了原創的專利。而且蘭索拉唑的藥動學性質強于奧美拉唑 ,泮妥拉唑用二氟甲氧基代替奧美拉唑的甲氧基,提高了代謝穩定性。組氨 H2 受體阻斷劑的首創藥物是西咪替丁 ,是以組胺為出發點 ,經藥物化學的構造衍變研發的卓越X例 ,其后繼的模擬創新藥物如雷尼替丁和法莫替丁等 ,分別是用呋喃和噻唑環代替了西咪替丁的咪唑環 ,同時對側鏈的取代基作適當的變換以調整分子的堿性 ,使得模擬創新藥超越了首創分子。優勢構造是藥物化學的另一個概念 ,其定義是一

30、個構造骨架可構成與多種受體相結合的配體分子 。治療男性勃起障礙的磷酸二酯酶 5 抑制劑*那非是首創藥物 ,雖是偶然發現的 ,卻具有劃時代的意義。 伐地那非是將母核骨架異嘌呤的氮原子易位 ,成為新的骨架 , 烏地那非是韓國 2005 上市的模擬新藥 ,其藥效學強度和選擇性以及藥動學性質均優于*那非 , 且研發的時間與本錢也低于*那非。 骨架遷越最初是用計算技術在的數據庫中尋找與苗頭化合物完全不同的拓撲骨架 ,但仍然保持有原來的生物活性。現今已不限于計算的方法 ,藥物化學家在用傳統的類似物設計方法專業資料整理WORD格式10專業資料整理WORD格式設計全新骨架 ,實現骨架的遷越。鈉葡萄糖協同轉運蛋

31、白2 是治療 2 型糖尿病的藥物靶標 ,最初發現 SGLT 抑制劑是天然產物二氫查耳酮根皮苷,經骨架遷越將苯酚環變成苯并呋喃得到T-1095,現處于 II 期臨床研究。 Sergliflozin 是將天然產物的 2 個苯環距離縮短成一個碳原子, 為碳酸酯前藥,處于II期臨床研究。Dapagliflozin 模擬 Sergliflozin 的二苯甲基骨架 ,但將 O-葡萄糖苷變換成 C-糖苷 , 提高了穩定性 ,現處于 III 期臨床研究階段。化合物 16 是通過螺環將糖環固定 ,對構象加以限制 ,并成為新構造類型的 SGLT 抑制劑。右芬氟拉明為 5HT2C 受體沖動劑 ,最初批準上市為減肥藥

32、 ,但一年后 (1997)被終止使用 ,系因使心臟瓣膜發生變形的嚴重不良反響。后來證明心臟瓣膜的不良反響是由于右芬氟拉明同時對5HT2B 的沖動作用 ,所以 ,消除右芬氟拉明沖動 5HT2B 的作用 ,提高對 5HT2C 亞型的選擇性活性 ,是研發減肥藥的途徑。 為此 ,對右芬氟拉明加以構象限制 ,得到苯并氮雜化合物 lorcaserin ,它對 5HT2C 的選擇性作用強于 5HT2B100 倍,每日口服 10mg,bid ,連續 1 年可降低體重 3.6kg ,未見心臟瓣膜的變化 ,目前處于 III 期臨床研究。四、現代生物學帶動新藥的研發4.1 現代組學 與藥物發現20 世紀下半葉以來

33、,生命科學的研究成果日益 成為人們關注的科學焦點。 基因組學、蛋白質組學、轉錄組學和代謝組學等現代 組學 學科逐漸形成并迅速開展和完善 ,這些學科從分別基因 (DNA) 、蛋白質、 RNA(mRNA) 、代謝產物等多個層面對藥物發現過程產生深遠的影響。4.1.1 基因組學與藥物發現人類基因組方案的實施和完成提供了更多基因變異與藥物個體效應差異之間的關聯證據 ,特別是人類基因組全序列物理圖譜的描繪,以及大量藥物作用相關基因的克隆與鑒定、單核苷酸多態性(SNP)的檢測與發現 ,大規模基因分型技術、DNA 測序技術及生物信息學的快速開展,為從基因水平研究藥物反響的個體差異提供了物質根底和技術支持。這

34、些研究成果為藥物發現提出了新的模式,即從基因功能到藥物。 基因表達是大局部機體對異質物反響的樞紐。近年來通過聯合應專業資料整理WORD格式11專業資料整理WORD格式用基因組表達譜與信號網絡分析 ,研究比較基因組在疾病發生與開展過程中以及藥物干預前后基因組表達改變 ,提示疾病相關的易感基因和藥物靶點共表達的新序列 ,極大地促進了藥物作用新靶點的發現。特別是針對單基因疾病 ,基因組研究對發現預防和治療疾病的靶標十分有利并有助于治療藥物的分子設計。由于體內單一基因變異的不可預見性常常直接導致臨床藥物療效的不可預測性。人類基因組序列的變異促使藥物基因組學(pharmacogenomics)的形成而成

35、為基因組學研究的另一亮點。藥物基因組學以提高藥物療效及平安性為目標 ,研究個體遺傳學特性如何影響機體對藥物的反響 ,包括基因變異所致的不同患者對藥物的反響性差異 ,以及導致藥物在不同人群中出現吸收、轉運、代謝和消除差異的基因特性 ,從而指導藥物開發過程以及臨床合理用藥。藥物基因組學的主要研究策略是選擇與藥物代謝、活化以及排泄等過程相關的候選基因 ,分析基因序列的變異性對藥物作用的影響。 藥物基因組學的開展依賴于高度靈敏的基因變異檢測和分析技術 ,包括以 DNA 芯片、生物統計分析技術和基于 SNP 研究的高通量篩選技術等。值得注意的是 ,在藥物發 現過程中 ,藥物基因組學研究也面臨以下挑戰 :

36、 (1) 受藥物調節或影響的候選基因的準確定義以及信號網絡途徑的合理分析 ;(2)疾病相關基因與藥物反響基因的相關性 ; (3)藥物反響表型的準確定義 ; (4) 大規模藥物反響數據及有關資料的分析方法的建立和相關技術與道德倫理問題。只有充分而妥善處理好上述問題 ,才能合理地將藥物基因組學研究運用于藥物發現過程 ,推動個體化治療藥物的研究與開發。目前 ,基因組學研究已廣泛應用于抗癌藥物、抗菌藥物、抗 HIV 藥物以及治療神經系統和心血管系統疾病的藥物發現過程。4.1.2 蛋白質組學與藥物發現由于大多數核 酸具有同源性并與機體許多正常功能有著廣泛的聯系 ,因而作用于 DNA 的藥物往往選擇性差

37、,且常常伴有嚴重的細胞毒性 ; 而且疾病的特征通常主要表現在蛋白層面 ,因此 ,單一的藥物基因組學研究很難獲得突破性進展。蛋白質是基因表達的終產物 ,只有完全注釋基因組序列所編碼的蛋白功能 ,才能真正實現基因組研究的價值。 蛋白質組學是研究生物機體、 組織或細胞甚至亞細胞器基因編碼的全部蛋白 ,包括蛋白組成、種類、分布、功能、代謝特征及其動態變化規律等。專業資料整理WORD格式12專業資料整理WORD格式基因組研究結果提示 ,人類至少包含數萬個基因表達數十萬蛋白。其中許多蛋白很可能是控制人類疾病發生與開展的關鍵執行體 ,因此很有可能成 為藥物作用的潛在靶點。而且 ,目前的約 500 個藥物作用

38、靶點中 (不包括抗菌、抗病毒、抗寄生蟲 藥的作用靶點 ) ,主要是受體、酶類、離子通道和核受體等 ,其中 90% 的靶點為蛋白質。 蛋白質組學研究通過組織或細胞樣品抽提、 兩維 (2D)凝膠電泳別離、結合色譜與質譜 (MS) 技術、圖象處理與數據分析技術以及生物信息技術等 ,全面檢測疾病發生與 開展過程以及藥物干預過程中 ,蛋白質表達譜和蛋白質蛋白質相互作用的變化 ,從而發現影響疾病或藥物作用的關鍵蛋白 ,并對這些蛋白進展一級構造和三維構造測定 , 綜合分析其生物學功能 , 推測新的、潛在的藥物作用靶標。蛋白質組學研究不僅為發現藥物作用潛在靶點提供可能 ,同時也能提高已發現的藥物作用下游事件的

39、效率 ,并促進人們根據蛋白質空間構造及其變化規律合理設計藥物或對其進展構造改造。因此 ,蛋白質組學是基因組和藥物發現的橋梁和紐帶。近年來 ,人們根據蛋白質組學在藥物研究中的應用提出了藥物蛋白質組學(pharmacoproteomics)或稱化學基因組學 (chemogenom ics)。其研究內容包括根底和臨床兩個方面 :根底研究主要包括藥物靶點的發現與確認、候選化合物的篩選、藥物臨床前評價以及藥物作用機制的探討等;臨床研究主要包括將疾病特異性蛋白作為有效藥物選擇的依據和臨床疾病診斷的標志物,以及臨床患者的個體化治療。此外 , 化學蛋白質組 學 (chemoproteomics)和構造 蛋白

40、質組學 (structuralproteomics)在藥物發現過程中也有著重要的應用價值。化學蛋白質組學是利用特定的化學小分子探針研究靶蛋白的生物學功能 ,或通過篩選小分子配體與蛋白的結合驗證可能的靶。 構造蛋白質組學旨在為所有蛋白提供三維構造信息并為大量未注釋蛋白的功能研究提供線索。 化學蛋白質組學構造蛋白質組學能夠幫助認識某種 蛋白質的構造 ,預示其生物學功能 ,并評價其作用藥物靶標的潛能 ,從而實現對藥靶的發現和確認 ,并提 高藥物篩選的成功率。 目前 ,蛋白質組學已經成功用于腫瘤、糖尿病、艾滋病、關節炎、心血管疾病等多種疾病相關蛋白的檢測 ,為發現和確認治療這些 疾病的藥物靶標 ,以及

41、篩選相關候選化合物提供有力的工具。4.1.3 轉錄組學與藥物發現轉錄組 (transcriptome)是指一個細胞內的一整套mRNA 轉錄物 ,包含在生理或專業資料整理WORD格式13專業資料整理WORD格式病理狀態下 ,生命體的細胞或組織在某一環境條件、某一生命階段所表達的全部基因種類以及表達水平。 轉錄組學 (transcriptomics)研究可以準確反映基因表達的時空性 ,以及機體組織細胞對內 /外環境變化的反響性和適應性。轉錄組學通過分析轉錄譜中的共調節基因 ,說明基因選擇性表達所依賴的復雜調控信號網絡 ,提示基因組中與某一生命現象或病理狀態相關的基因; 基于這些信號網絡尋找和發現調

42、控基因的未知生物學功能,提示藥物潛在的作用靶點及其發揮作用的分子機制。轉錄組學研究的主要技術手段主要是基因芯片技術,其主要分析方法包括隨機 cDNA 測序、mRNA 展示和差異雜交等。 轉錄組學研究在藥物發現過程中也具有重要的應用價值 ,包括藥物靶點的探索與發現、指導新藥設計與合成、新藥篩選等。4.1.4 代謝組學與藥物發現機體代謝物的動態變化可以敏感地反映機體對外源性化合物的反響性,并提示機體的生理或病理狀態。代謝產物譜包含豐富的生物學信息,這些信息可以反映或提示機體對藥物的代謝途徑、代謝特點以及藥物對機體整體的影響。1999年英國教授 Nicholson 等在 NMR 分析的根底上首次正式

43、提出代謝組(metabonomics)學概念 (Nicholson.2002)。代謝組學的主要研究對象是生物體液 (包括尿液、血液、汗液、膽汁、腦脊液 等)細胞提取物以及組織提取物 ,動態評價機體生物液體中內源性和 /或外源性代謝產物的濃度與功能 ,即代謝產物譜的變化 ,從而動態評價藥物對機體產生的生物學作用及機體的反響性。代謝組學通過分析機體生物液體和組織中代謝產物譜的變化 ,研究機體整體生物學狀況及其功能調節。代謝組學與其它組學 相互聯系 ,共同提示生命現象的本質。然而 ,盡管基因組學 /轉錄組學或 蛋白質組學研究可以直接或間接反映外 /內環境改 變對機體所產生的生物學效應 ,但這種效應很

44、難從 整體上反映機體的終點狀態。例如 ,有些藥物可以直接影響基因的表達與調控 ,但由于在基因多態性、 機體代償性機制等許多因素的影響下 ,有時候藥物對機體所產生的生物學效應與基因和蛋白表達并沒 有明顯的相關性。在這種情況下 ,基因組學、轉錄組學或蛋白質組學研究就不能比較準確地反響機體的最終反響性。 代謝產物是機體繼基因激活、 轉錄、翻譯、翻譯后修飾等一系列生命活動之后的最終信號載體之一。因此 ,代謝組學研究有可能更為準確而全面地提醒藥物對機體所產生的生物專業資料整理WORD格式14專業資料整理WORD格式學效應以及機體對藥物的作用。 代謝組學通過分析與藥物作用密切相關的生物液體中內源性代謝產物

45、濃度,比對藥物不同作用劑量以及不同作用時間機體代謝產物譜特征 ,從而為尋找藥物的作用靶點,探索藥物作用機制以及疾病早期診斷的生物標志物提供有力工具, 成為基因組學、轉錄組學和蛋白質組學研究的有力補充。此外 ,代謝組學技術還可以廣泛地參與藥物的早期藥理學活性及毒性篩選、先導化合物的選擇與優化,以及藥物臨床前平安性評價。4.2 高通量篩選和高內涵篩選與藥物發現隨著組合化學、計算機輔助藥物設計、 天然產物別離純化等技術的快速開展,后基因組時代出現大量的候選化合物,而人類基因組方案和蛋白質組研究不斷發現大量新的潛在藥物靶標。 制藥工業迫切需要對這些新的候選物進展藥效學、藥代動力學、毒理學等多方面的快速

46、規模化篩選,同時對可能的藥物靶標進展驗證和確認。因此 ,構建快速高效的藥物篩選體系和新的技術方法成為藥物發現領域的研究熱點。近年來 ,高通量篩選 (high throughput screening, HTS)、高內涵篩選(high content screening, HCS)技術已經成功應用于藥物的發現過程。4.2.1 高通量篩選在藥物發現中的應用HTS 是上世紀末開場興起的藥物篩選新技術體系。 HTS 主要依賴于體外細胞和分子水平的篩選模型 ,可在短時間內實現樣品的高度自動化大規模篩選 ,這一篩選過程又被稱為反向藥理學。 HTS 篩選的靶點包括受體、酶、離子通道等 ,其常用檢測技術有基于

47、受體配體結合實驗的同位素標記法、酶底物法、報告基因法、熒光探針標記法等。 與傳統藥物篩選方式相比,HTS 具有明顯的優勢 ,主要表達在 :(1)微量篩選 ,節約資源 : HTS 一般僅需微克 ( g)樣品便可對候選物進展篩選,從而大量減少實驗耗材;(2)有效利用藥用資源,提高藥物發現機率: HTS 實現了藥物篩選的規模化 ,并可通過一藥多篩 ,充分挖掘藥物的可能藥用價值 ; (3)高度自動化 ,操作便捷 : HTS 主 要采用計算機進展操作控制 ,減少人為操作誤差率 并提高實驗結果的準確性。 HTS 通常包括候選化合 物和篩選模型 (通常是單一的藥物靶標 )的選擇 ;候選物對藥靶藥理學作用的初

48、步篩選 ; 然后選擇具有活性的候選物對其進展復篩 ,重點研究該候選物與藥靶作用的強度、 量效關系以及作用特征等 ; 此后 ,根據樣品初篩和復篩的結果 ,再選擇其中某個或某些特定候選物進展深入篩選 ,專業資料整理WORD格式15專業資料整理WORD格式包括候選物對藥物作用的根本細胞毒性、選擇性強弱、 可能作用機制、 與同類化合物的比較研究等。近幾年,HTS 技術進一步微量化和自動化,形成超高通量篩選(ultra high throughput screening,uHTS)。 uHTS 采用微量化技術和更靈敏的檢測方法以及高度自動化進樣系統與 數據管理系統 ,進一步提高藥物篩選的效率并降低本錢。

49、檢測微量化和操作自動化是 uHTS 的關鍵技術。目前 uHTS 檢測所需樣品體積為 pL 水平 ,每日篩樣量可高達 10 萬次以上。4.2.2 高內涵篩選在藥物發現中的應用然而 ,經典的 HST 僅基于孔的單一藥物靶標檢測 ,所獲得數據仍然有限 ,而且初篩所獲得陽性結果還需進一步確認 ,而陰性結果容易忽略候選物的可能作用。因此 ,高通量、多靶點地對候選物進展活性評價成為藥物篩選的開展方向。 HCS 是指在保持細胞構造和功能完整的條件下 ,盡可能同時檢測被篩選樣品對細胞生長、分化、遷移、凋亡、代謝途徑及信號轉導等多個環節的影響 ,涉及的靶點包括細胞的膜受體、胞內成分、細胞器和離子通道等 ,即從單

50、一實驗中獲得大量與候選物藥理學活性相關的信息及其潛在的毒性作用。 HCS 是一種基于細胞層面的、多元的藥物篩選方法 ,它主要依賴于高分辨率的細胞成像系統 ,充分整合樣品制備技術、自動化設備、數據管理系統 ,檢測試劑 ,生物信息學等資源的綜合優勢 ,在細胞或分子水平上實現對候選物的多元化、快速化和規模化篩選。基于細胞的篩選有如下優點 :不需要純化靶蛋白 ;在細胞中靶蛋白的構象、活性以及生物學功能更接近于自然生理狀態 ;對于有細胞毒性的化合物 ,用細胞研究化合物的作用可以觀察到化合物的毒性 ;化合物可能不能夠跨過細胞膜到達細胞內的靶 ,基于細胞的篩選將剔出這些藥物。 因此 ,經過 HCS 篩選得到

51、的陽性化合物(hits)和先導化合物 (leads)更可靠 ,并能有效地抑制 HTS 成功率低的缺陷 ,使研究人員可以在新藥發現早期階段就獲得候選化合物對細胞多重效應的詳細數據 ,包括細胞信號轉導、細胞形態改變和藥物毒性效應等。 HCS 的檢測載體和所需樣品體積與 HTS 沒有明顯的差異 ,檢測儀器多采用熒光顯微鏡。目前 ,HCS 已經引起了國際制藥公司的高度重視。有科學家預言 ,在今后的藥物發現中 HCS 將有可能起到關鍵性作用。4.3 藥物分子設計和虛擬篩選與藥物發現專業資料整理WORD格式16專業資料整理WORD格式后基因組時代的藥物分子設計開展的顯著特點是: 計算機科學、生物學、化學以

52、及信息科學的結合日益嚴密,共同推動藥物分子設計的迅速開展。藥物分子設計主要包括分子模擬和計算機輔助藥物設計。就設計方法而言,藥物分子設計包括基于配體的藥物設計(ligandbased drug design, LBDD) 和基于靶標的藥物設計(targetsbased drug design, TBDD)。LBDD 主要根據現有藥物分子構造、理化性質與構造活性關系 (structureactivity relationship, SAR)的分析 ,聯合相關的生物學信息庫建立定量構效關系 (quantitative structureactivity relationship,QSAR)或其它數學模型 ,再根據這些模型對新分子構造的化合物進展活性預測 ,主要是針對小分子的藥物設計 ; TBDD 主要是針對潛在的藥靶 (通常為生物大分子 ,包括受體、酶、核酸等 )的空間構造 ,通過 應用理論計算和分子模擬等方法建立小分子藥靶的相互作用 ,并據此設計與藥靶作用的新分子。組合化學與計算機輔助藥物設計是藥物分子設計的重要技術手段 ,兩者相互結合 ,