博士口碩博連讀研究生口學術型碩士也農業推廣碩士專業學位口同等學力在職申請學位口高校教師攻讀碩士學位口基地班碩士口獸醫碩士專業學位口工程碩士專業學位口全日制專業學位碩士口中職教師攻讀碩士學位口風景園林碩士專業學位口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）學位課口選修課也研研所專任考考評TOC\o"1-5"\h\z究生年級、姓名 8研研所專任考考評究生學號 6在學院（系、部） 5業學科 4課教師姓名 3試日期試成績卷教師簽字處子，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。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結構改造和優化。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行下面的步驟。活性化合物的篩選不是所有合成出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結構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結構優化。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。進行下一步的化合物結構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范圍了。藥物評估評估藥物的藥理作用，安全性與毒性，藥物的吸收、分布、代謝和排泄情況（ADME）。這部分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安全性。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。比如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部分解決這個問題。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這樣一個明顯的分界線。各個步驟是一個相互包容協調的關系。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I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謹慎選擇和篩選出的健康志愿者（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應或不良作用,以評價藥物在人體內的性質.I期臨床試驗通常要求健康志愿者住院以進行24小時的密切監護.隨著對新藥的安全性了解的增加，給藥的劑量可逐漸提高，并可以多劑量給藥.通過I期臨床試驗，還可以得到一些藥物最高和最低劑量的信息，以便確定將來在病人身上使用的合適劑量.可見,I期臨床試驗是初步的臨床藥理學及人體安全性評價試驗,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.臨床II期通過I期臨床研究，在健康人身上得到了為達到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，通常在健康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n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。n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應的發生率的高低，以確定疼痛得到充分緩解但不良反應最小的劑量。可以說，n期臨床試驗是對治療作用的初步評價階段。n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），對新藥的有效性和安全性作出初步評價，并為設計ni期臨床試驗和確定給藥劑量方案提供依據。臨床III期在I,n期臨床研究的基礎上，將試驗藥物用于更大范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（或安全性），稱之為n期臨床試驗。n期臨床試驗可以說是治療作用的確證階段，也是為藥品注冊申請獲得批準提供依據的關鍵階段，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安慰劑（不含活性物質）或已上市藥品的有關參數進行比較。試驗結果應當具有可重復性。可以說，該階段是臨床研究項目的最繁忙和任務最集中的部分。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安全性。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清除藥物，使得他們對不良反應的耐受性更差，所以應當進行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，因此在決定藥物應用于兒童人群時，權衡療效和藥物不良反應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ni期臨床后才開始。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I期臨床試驗真接從兒童開始，即在不存在成人數據參照的情況下，允許從兒童開始藥理評價。我國對此尚無明確規定。新藥上市階段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，如證明該藥物的安全性和有效性，則可以向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6個月內審評完新藥申請。但是由于大部分申請材料過多，而且有許多不規范，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。藥物批準上市上述任何一步反饋得到的結果不好，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項目就直接被取消了。能夠通過全部3期臨床評價而上市的新藥越來越少，部分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。從最開始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。IV期臨床研究藥物上市后監測。主要關注藥物在大范圍人群應用后的療效和不良反應監測。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（比如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應，比如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：20?80例健康志愿者、100?300例病患志愿者、1000?3000例病患試驗者。試驗目的為評定藥物安全性和生物活性，確定藥物安全性和劑量，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應。三、模擬創新對新藥研發的作用“十一五”計劃的“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、答辯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,事實表明大學和研究所的研究項目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,但難以克服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。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項目,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,是非常艱巨的應用基礎研究項目,投入巨大,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已知的,而且靶標結構也可能明確,還因為有已知的活性化合物或藥物作為參考,可進行結構模擬或根據藥效團進行設計。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,因此競爭激烈,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的區別。表1首創性藥物與模擬創新藥物的比較內容首創性藥物模擬創新藥物0f制藥物的目標惟一，領先超越.跟進靶標及其結構全新，未知己知靶標結構未知已知配體或活性分子無有藥效團無有化學空間大局限投入大較小市場塞爭暫時無漱烈風險性較小分子骨架和藥效團概念是藥物模擬創新的基礎藥物分子可認為是由藥效團和結構骨架構成的,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、氫鍵接受體、疏水中心和芳環質心等。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。相同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結構多樣的化合物。受體的柔性和可塑性,形成了“雜亂性”空間,體現為受體結合部位的多重性,因而可容納結構多樣的配體（藥物）分子。分析模擬創新藥物與首創藥物的結構特征,可認為是在保持藥效團前提下,變換結構骨架,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,新的骨架體現了結構的新穎性,具有自主知識產權。結構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結構;以優勢結構為導向的變換骨架結構;以結構-活性演化的方式進行骨架遷越。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、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，經藥物化學的結構衍變研發的卓越范例,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。優勢結構是藥物化學的另一個概念,其定義是“一個結構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抑制劑西地那非是首創藥物,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西地那非,且研發的時間與成本也低于西地那非。骨架遷越最初是用計算技術在已知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設計全新骨架,實現骨架的遷越。鈉葡萄糖協同轉運蛋白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。Dapagliflozinl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，并成為新結構類型的SGLT抑制劑。右芬氟拉明為5HT2c受體激動劑,最初批準上市為減肥藥,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應。后來證明心臟瓣膜的不良反應是由于右芬氟拉明同時對5HT2B的激動作用，所以，消除右芬氟拉明激動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現代“組學”與藥物發現20世紀下半葉以來,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發展和完善,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。基因組學與藥物發現人類基因組計劃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發展，為從基因水平研究藥物反應的個體差異提供了物質基礎和技術支持。這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。基因表達是大部分機體對異質物反應的樞紐。近年來通過聯合應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發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安全性為目標,研究個體遺傳學特性如何影響機體對藥物的反應,包括基因變異所致的不同患者對藥物的反應性差異,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。藥物基因組學的發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:(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應基因的相關性;(3)藥物反應表型的準確定義;(4)大規模藥物反應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。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，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。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發展的關鍵執行體,因此很有可能成為藥物作用的潛在靶點。而且,目前已知的約500個藥物作用靶點中(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)凝膠電泳分離、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發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,并對這些蛋白進行一級結構和三維結構測定,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效率,并促進人們根據蛋白質空間結構及其變化規律合理設計藥物或對其進行結構改造。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(chemogenomics)。其研究內容包括基礎和臨床兩個方面:基礎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)和結構蛋白質組學(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。結構蛋白質組學旨在為所有蛋白提供三維結構信息并為大量未注釋蛋白的功能研究提供線索。化學蛋白質組學結構蛋白質組學能夠幫助認識某種蛋白質的結構,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,以及篩選相關候選化合物提供有力的工具。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研究可以精確反映基因表達的時空性,以及機體組織細胞對內/外環境變化的反應性和適應性。轉錄組學通過分析轉錄譜中的共調節基因,闡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。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應性,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分析的基礎上首次正式提出代謝組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應性。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應機體的最終反應性。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揭示藥物對機體所產生的生物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,以及藥物臨床前安全性評價。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、天然產物分離純化等技術的快速發展,后基因組時代出現大量的候選化合物,而人類基因組計劃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行藥效學、藥代動力學、毒理學等多方面的快速規模化篩選,同時對可能的藥物靶標進行驗證和確認。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(highthroughputscreening,HTS)、高內涵篩選(highcontentscreening,HCS)技術已經成功應用于藥物的發現過程。高通量篩選在藥物發現中的應用HTS是上世紀末開始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,主要體現在:⑴微量篩選，節約資源：HTS一般僅需微克^貯樣品便可對候選物進行篩選，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主要采用計算機進行操作控制，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步篩選;然后選擇具有活性的候選物對其進行復篩,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行深入篩選,包括候選物對藥物作用的基本細胞毒性、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(ultrahighthroughputscreening,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成本。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。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行活性評價成為藥物篩選的發展方向。HCS是指在保持細胞結構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篩選得到的陽性化合物(hits)和先導化合物(leads)更可靠，并能有效地克服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。藥物分子設計和虛擬篩選與藥物發現后基因組時代的藥物分子設計發展的顯著特點是:計算機科學、生物學、化學以及信息科學的結合日益緊密,共同推動藥物分子設計的迅速發展。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(ligandbaseddrugdesign,LBDD)和基于靶標的藥物設計(targetsbaseddrugdesign,TBDD)。LBDD主要根據現有藥物分子結構、理化性質與結構活性關系(structureactivityrelationship,SAR)的分析，聯合相關的生物學信息庫建立定量構效關系(quantitativestructureactivityrelationship,QSAR)或其它數學模型,再根據這些模型對新分子結構的化合物進行活性預測,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)的空間結構,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,相互促進,使人們有可能在短期內獲得大量的具有新分子結構的候選化合物。隨著現代生物學和藥物分子設計的發展人們將獲得越來越多的藥物新靶標以及新的化合物,如果對所有靶標和化合物都進行篩選將是一項十分浩大的工程而耗費巨大的人力、物力和財力。虛擬篩選(virtualscreening,VS)的出現有可能成為有效解決這一問題的重要技術之一。虛擬篩選是指利用計算機強大的計算能力，針對重要疾病治療靶標的生物大分子的三維結構或QSAR模型，采用三維藥效基團模型搜尋或分子對接(Docking)的方法，從現有化合物數據庫中，尋找發現與靶標生物大分子結合或符合QSAR的化合物。虛擬篩選的目的是從大量化合物中尋找發現有苗頭的化合物,集中目標,從而減少待篩選化合物的數量,縮短研究周期,降低研究成本。與藥物分子設計對應的是,虛擬篩選分別包括基于配體的虛擬篩選(ligandbasedvirtualscreening,LBVS)和基于靶標的虛擬篩選(targetbasedvirtualscreening,TBVS)。開展虛擬篩選的前提條件是已知靶標的三維結構并獲得配體的三維數據庫,通過分子對接計算小分子化合物與大分子靶點的可能作用,再評分(Scoring)兩者之間的結合位點并預測所選擇化合物與靶標的結合模式以及配體與受體結合的親和力大小,從而實現靶標的發現與確認,以及先導化合物的優化篩選。目前,分子對接方法可每天虛擬篩選上百萬個分子,大大提高了化合物的篩選速度和效率。與HTS相比,虛擬篩選具有更為高效、快速和經濟的優勢,越來越廣泛地參與藥物發現過程中,形成了全新的藥物篩選模式(虛擬篩選-體外篩選-體內篩選)。結構生物學和計算機科學的發展正使虛擬篩選成為一種極具吸引力和發展前景的藥物篩選方法。生物芯片在藥物發現中的應用生物芯片(biochip,microarray)是指通過在微小基片(硅片或玻璃)表面固定大量的分子識別探針,或構建微分析單元或檢測系統,對標記化合物、核酸、蛋白質、細胞或其他生物組分進行準確規模化的快速篩選或檢測目。前生物芯片主要包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片等。生物芯片已滲入到藥物發現的每個步驟,包括藥靶的發現、大規模化合物生物活性及毒性篩選以及先導化合物的優化等,同時也是基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學研究的重要技術手段,對推進創新藥物研究有著重要的影響。藥物靶點發現可能是生物芯片在藥物研發中應用最為廣泛的一個領域,主要采用DNA芯片和蛋白質芯片檢測某一特定基因或特定蛋白的表達,也可檢測生物體整個基因組或蛋白質組的表達情況，為發現可能的藥物靶標提供有力線索。生物芯片也是HTS的主要技術手段之一，通過在芯片上固定特定的寡核苷酸、cDNA、靶酶、受體蛋白,甚至還包括電信號等實現對候選化合物的大規模篩選。目前已經有抗體芯片、受體蛋白芯片、毒理芯片、微流體芯片、芯片膜片鉗等在這一領域的應用。生物芯片的顯著優勢是快速靈敏、高通量、微型化和自動化。國外幾乎所有的大型制藥公司和藥物研究機構均已將生物芯片應用于藥物的開發過程中,顯示其強大的發展勢力。隨著芯片檢測特異性和靈敏度的提高、樣品制備和標記操作的簡化以及數據分析和處理技術的進一步發展,生物芯片必將在藥物發現過程中發揮更重要的作用。表面等離子共振(surfaceplasmonresonance,SPR)技術是近年來發展起來的一種以芯片為基礎的光學生物傳感器系統,它不需要熒光或放射性標記物。分子結合與分離時可產生光強度變化,分子結合到一個固相化的生物靶分子上,當分析物溶液通過傳感器芯片時,結合到靶分子上的分子可被即時檢測。基于這一原理SPR可廣泛用于微量蛋白的快速篩選或檢測，也適合小于100Da的分子以及完整的細胞功能研究。由于SPR能檢測到結合到芯片表面的亞f摩爾的蛋白量，因此SPR技術的檢測靈敏度非常高。SPR整合了藥物發現過程中陽性化合物先導化合物(hittolead)的信息資源并生成更為深入的生物學信息。SPR為研究蛋白蛋白以及小分子化合物與蛋白的相互作用提供了一項嶄新而有力的技術手段,從而有助于發現和確認藥物作用的新靶點,并幫助人們深入認識藥物的作用機制。同時,SPR技術也可用于NCEs的高通量快速篩選以及先導化合物的優化,QSAR分析,預測藥物的吸收、分布、代謝和排泄過程等。轉基因和RNA干擾與藥物發現轉基因技術通常包括基因敲入(皿0。卜in)和基因敲除(knockout)兩種方式，其顯著特點是:分子及細胞水平操作,組織及動物整體水平表達。轉基因技術的出現為體內研究藥物對機體整體的作用提供了很好的技術手段,在藥物發現過程中其主要應用價值體現在:(1)建立基于特殊疾病的整體動物模型,實現藥物的體內活性篩選:轉基因技術可以針對某些人類疾病(特別是遺傳性疾病)的病理生理特點,通過基因敲入使特定基因表達或過表達,或通過基因敲除使特定基因不表達或表達很少,從而復制出與人類疾病類似的動物模型。通過這些特殊動物模型能夠真實地反映候選化合物的藥理學活性及其在體內的作用特征;(2)藥物作用靶標的鑒定和確認:基因組、蛋白質組以及生物芯片等主要從細胞和分子水平尋找和發現藥物的作用靶標,然而,由于體外實驗環境與機體體內存在很大差異,而藥物最終進入人體面臨十分復雜的整體環境,轉基因動物能夠模擬人體的內環境,從而更準確地實現對藥物作用靶標的鑒定和確認,而成為上述研究的有利補充;(3)藥代動力學及藥物臨床前評價:利用特定的轉基因動物能夠幫助研究人員在藥物發現過程中盡早地了解藥物的代謝特征及其毒理學特點,從而決定繼續開展或終止藥物的后續開發活動。選擇特定的轉基因動物能夠降低藥物發現過程中動物的消耗量、縮短試驗周期,從而降低藥物開發成本。目前,轉基因動物廣泛用于神經系統疾病(如阿爾采末病)、癌癥、心血管疾病等多種疾病治療藥物的相關研究中。與轉基因技術類似的是,RNA干擾(RNAinterference,RNAi)技術也能使體內正常基因表達發生改變。RNAi是指將與mRNA對應的正義RNA(senseRNA)ff反義RNA(antisenseRNA)組成的雙鏈RNA(doublestrandedRNA,dsRNA)導入細胞誘導靶mRNA發生特異性的降解而導致基因沉默的現象，又稱為轉錄后基因沉默(posttranscriptionalgenesilencing,PTGS)。RNAi廣泛存在于植物、動物和人體內,對機體基因表達的管理、病毒感染的防護以及活躍基因的控制等生命活動均具有重要意義。1998年Fire等首次報道了RNAi現象并對其做出科學解釋(MontgomeryMK,FireA.1998)止匕后,RNAi技術迅速發展并廣泛應用于基礎科學中，經數年的研究證實這一機制是完全正確的。RNAi的發現解釋了許多令人困惑、相互矛盾的實驗觀察結果,并揭示了控制遺傳信息流動的自然機制,從而開啟了一個全新的研究領域。美國科學家安德魯菲爾和克雷格梅洛因此而獲得2006年諾貝爾生理學或醫學獎。RNAi為基因和蛋白功能研究、核酸藥物的分子設計,藥物靶點的發現、疾病基因治療等科學研究提供了重要手段。科學家預言利用這種技術有可能發現更多、更好的藥物作用靶點,獲得使致病基因失活的新型基因藥物。RNAi可以高通量地發現藥物靶基因,而成為尋找新藥作用靶標的有力工具。RNAi可高度特異性地干擾表達潛在靶點的基因，進而干擾機體疾病的發生與發展，其效果與高特異性靶蛋白的抑制效果類似。目前，RNAi已廣泛用于探索發現治療腫瘤、病毒感染性疾病、神經退行性疾病以及血液病等疾病的藥物靶標。國外許多藥物研發公司或大型制藥公司已將RNAi作為高通量藥物靶標發現與確認的常用工具。止匕外，RNAi還可以與基礎表達相結合，用于藥物篩選以及藥物作用機制的評價。值得一提的是，RNAi與基因敲除是兩種完全不同的技術手段,兩者有著明顯的差異而在藥物發現過程中各有優勢,相互補充。生物信息學對藥物發現的影響生物信息學(bioinformatics)是綜合運用數學、計算機與網絡技術以及生物學等手段對各種生物信息進行收集、加工、儲存、分析、整理和歸納,并對生物信息做出解析的學科。生物信息學的研究內容十分廣泛,主要包括:(1)建立、貯存并管理大量的生物學信息庫,包括基因組序列、基因多態性、基因表達調控、蛋白質結構與功能、特征性代謝產物譜、疾病相關基因和/或蛋白、生物標志物信息庫等;(2)開發計算機算法和統計學方法,分析確定數據庫中大量數據相關性;(3)應用已知的生物學信息預測或分析生物大分子或小分子化合物的結構與功能。生物信息學可應用于藥物發現的全過程,包括藥物分子設計、藥物靶點的發現與確認、藥物篩選以及藥物臨床前評價等。生物信息學能為藥物分子設計提供豐富的數據庫,包括藥靶的基因序列及表達調控特點、三維結構、受體與配體結合作用、構效關系、化合物生物活性庫等,從而為藥物分子設計提供導向并促進化合物的虛擬篩選。對于已發現的先導化合物,利用生物信息學技術借助配體和作用靶點的三維結構信息進行藥效學和毒理學的優化,從而發現更為理想的化合物。此外生物信息學可以對前期基因組學和蛋白質組學研究所發現的表達差異基因或差異蛋白歸類分析,通過檢索特定生物學信息庫而對其進行比較研究,綜合基因的序列特征以及蛋白結構等其它相關信息,發現新的潛在藥物靶點并對前期研究所發現的信息進行進一步確定和驗證,極大地提高藥物發現的速度和效率。從某種程度上說,生物信息學已經成為藥物靶標發現和確認的必備技術手段。系統生物學與藥物發現“組學”研究、計算科學、數學模型以及生物信息學等多學科的發展促進了各學科在更大范圍和更高層次上的交叉與整合,從而推進傳統生物學的系統化發展并逐步形成系統生物學(systembiology)。系統生物學是指在細胞、組織、器官和生物體整體水平研究結構和功能各異的各種分子及其相互作用,并通過計算生物學定量描述和預測生物功能、表型和行為。系統生物學將在基因組序列的基礎上完成由生命密碼到生命過程的研究,是一個逐步整合的過程,包括從生物體內各分子的鑒定及其相互作用的研究到體內生命信號途徑和網絡的研究,最終完成整個生命活動的路線圖。系統生物學使生命科學由描述式的科學轉變為定量描述和預測的科學,其主要技術平臺包括基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學和表型組學等,是各種資源的優化整合。系統生物學的出現為創新藥物研究提供了新的機遇,使人們更加關注在疾病相關基因調控通路和網絡水平上研究藥物的作用機理、代謝途徑和潛在毒性,從而極大地提高了人們發現治療復雜疾病的藥物的能力。系統生物學通過闡明疾病發生與發展的病理生理機制及其信號網絡調控途徑,促進疾病診斷的生物標志物以及藥物靶標的發現與確認,并幫助識別藥靶的“開關”效應和候選化合物的生物學活性與毒副作用。系統生物學至今尚處萌芽階段,由于其獨特的優勢而越來越廣泛地應用于藥物開發、臨床醫學、預防醫學等眾多領域。五、藥物的創新研發實質是以首創藥物作為起點的結構優化,從分子設計的視角看,模擬創新與先導物優化的策略原則是相似的,因此,先導物優化所用的方法完全可以應用到新藥模擬創新中。為使模擬創制的藥物獲得批準并在市場上占有份額,它應在某（些）性質上優勝于已有的藥物,所以難度是較大的。加之在競爭中專利覆蓋的范圍日益擴大,既要保持乃至超越原有的藥理作用,又要在結構上有新穎性,這就需要深入分析既有藥物存在的不足或缺點,有針對性地設計和變換結構,實現模擬創新中的超越。創新藥物研究是關系國計民生,并具有重大經濟價值和社會效益的科學課題。藥物發現是創新藥物研究的關鍵步驟之一,也是創新藥物研究過程中的“瓶頸”。現代生物學的發展為藥物發現提供了強大的理論和技術支持,使藥物發現獲得新的發展機遇。當前,世界各國競相利用現代生物學的發展成果,努力提高藥物發現的成功率并降低研發成本,從而提升創新藥物研究的核心競爭力。隨著我國加入WTO和藥品專利法的實施以及國際醫藥市場競爭的日趨激烈化，加強我國藥物發現的發展,推進藥物研究的源頭創新已迫在眉睫。只有掌握藥物發現的前沿理論和各種先進技術,結合國際藥物發現的研究進展和我國的實際國情,及時調整藥物發現的思維方式和研究策略,才能提高我國藥物發現的能力,研制出更多擁有自主知識產權的創新藥物。參考文獻SCHUMPETER.TheoryofEconomicDevelopment[M].Beijing:CommercialPress,1997.SCHOENECKERT,SWANSONLIndicatorsoffirmtechnologicalcapability:validit91yandperformanceimplications[J].IEEETransacionsonEngineeringManagement,2002,1:36.ROSENBERG,N.Thedirectionoftechnologicalchange:inducementmechanismsandfocussingdevices[J].Econ.Dev.Cult.Change,1969，18,6.NELSON,R.R.,WINTER,S.G..Insearchofausefultheoryofinnovation[J].Res.Policy,1977，6：36-76.ACHILLADELISB..Thedynamicsoftechnologicalinnovation:Thesectorofantibacterialmedicines[J].ResearchPolicy,1993,22(4):279-308.ACHILLADELISB，SCHWARZKOPF,A.,CINES,M.Thedynamicsoftechnologicalinnovation:Thecaseofthechemicalindustry[J].ResearchPolicy,1990,19(1),1-34.GREGORYN.STOCK，NOELP.GREIS，WILLIAMA.FISCHER.Firmsizeanddynamictechnologicalinnovation[J].Technovation,2002,22:537-549.PATRICIAM.DANZON.Productivityinpharmaceutical-biotechnologyR&D:theroleofexperienceandal