第一节　药物发现模式及相关技术

一、药物发现模式的转变

根据药物发现的技术特点及其在药物研发过程中的地位，可以将药物发现的历史过程分为四个阶段：即原始药物发现、古代药物发现、近代药物发现和现代药物发现。

原始药物发现可以追溯到远古人类的活动中，这一时期药物发现具有极大的偶然性。对于这一时期的药物发现和应用，有多种说法和认识，但最基本的是人们在生活、生产活动中，为了解除病痛而进行的寻找物质的实践活动。这种活动可能含有动物本能的表现，但其积累和传播则展示了人类的智慧。

古代药物发现是在经过长期原始积累的基础上，逐渐形成了用药的理论或技术体系，并将这种理论和技术用于主动寻找药物的过程中，此阶段发现的药物不仅数量多，而且通过药物应用的积累，形成了一定的理论和技术要求。在世界范围看，药物发现和应用的历史过程在古代基本是相似的，但理论的形成和传播却发生了极大的变化。中国传统医学经过长期临床实践的积累和发展，形成了系统的而且是行之有效的药物理论，药物发现也出现了新的技术方法，成为至今仍具有重要借鉴价值的知识。

近代药物发现是随着近代医学、化学等学科的发展，在生理、病理、药理等知识指导下，采用动物和其他生物材料，进行观察和评价药物作用，形成了新的研究模式，即药物临床前研究为基础的新药研发模式。

随着现代科学技术的进步，尤其是多学科的共同发展，促进了药物发现和药物开发的进程，多学科的结合和大量新技术的应用，使药物研究进入了现代药物发现的新时期，形成了丰富多彩的药物发现新模式。

19世纪末以前，药物的发现主要依赖人类自身体验和临床经验的积累，这种模式发现的药物优点是偏重于临床和应用。但存在一定的局限性：①药物作用的个体差异。由于不同人的功能状态存在个体差异，而且疾病也存在异病同症或异症同病的问题，仅仅通过部分人的感受就确定其具有一定的药理活性具有明显的局限性，这种模式发现的药物在普遍适应性方面受到限制；②药物作用机制的认识不足。临床经验提供的药物作用主要为表型的变化，而对药物作用机制的认识不足，不能有效指导临床用药；③药物发现的效率低。这种模式发现药物具有积大的随机性，而且需要在临床医疗过程中采取试错的方法进行观察，限制了药物发现的效率。

19世纪工业革命后，新药发现模式也发生了根本性变化，药物发现速度迅速提高。应用实验药理学的方法，利用现代分离手段从中找到具有生物活性的先导化合物；同时利用快速、微量、灵敏的生物活性测定方法进行化合物的活性评价，使得更快地发现新药成为可能。现代新药发现在现代药理学理论基础上，整合了多学科的理论和技术，以微观药物作用机制为基础，以细胞、分子、基因结构与功能研究为主要内容，形成了现代药物发现新模式。

20世纪后期，药物发现从以分子相互作用为基础向基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学的整合相结合的药物发现新模式转变，特别是新的学科进步和技术方法的应用，如基因操作技术、生物信息技术、网络技术等，将开辟药物发现的新模式，促进新药研发。

二、现代药物发现常用技术

随着生命科学发展和各领域技术的进步，现代药物发现的技术也发生了巨大的变化，大量新的技术方法应用到药物发现过程中，在传统的药物发现技术方法的基础上，一批新的技术方法在药物筛选和发现中得到应用，这些技术将对药物发现发挥积极的促进作用。

这些技术方法包括：

1.基于组织器官的药物筛选技术方法。这些方法的应用有上百年的历史，积累了丰富经验，能够比较准确的反映化合物的药理作用和生理调节作用，在药物发现中具有重要的意义。

2.基于细胞生物学的药物筛选技术方法。这类方法依赖于细胞形态和功能的变化反映化合物的生物活性或药理作用。由于细胞是生命的最小单元，能够反映出多种化合物作用的信息，是不可忽视的重要技术方法，也是现代高通量药物筛选和高内涵药物筛选的主要技术之一。

3.基于分子相互作用的药物筛选技术方法。现代药理学理论的重要基础之一就是药物与受体的相互作用。化合物分子通过与体内特定受体相互作用，直接或间接发挥出生理或药理作用，达到防治疾病的目的。基于药物相互作用进行药物筛选，是现代药物发现的重要基础，不仅奠定了现代高通量药物筛选的基础，也是其他多种药物筛选技术的理论基础。

在上述主要筛选技术方法应用的基础上，一些新的技术方法开始在药物发现中应用。这些新的技术方法将会促进新药筛选技术进步，提高新药筛选效率，发现更多的药物。

（一）基于组学的药物发现

近年来，组合化学、人类基因组学、蛋白质组学、代谢组学等技术用于寻找新药的靶点，改变了药物发现的策略和方式，大大加快了创新药物研究的速度。

1.基因组学与药物发现

近年来，基因组学研究重心已从基因组测序、基因识别逐渐转到功能基因组学，即对基因产物和特性的研究。在药物基因组学中，对功能基因的分类以药物效应的不同为依据。药物基因组学在选择临床受试对象时以基因特性为依据，使一些原来认为无效的药物重新成为临床试验的对象，而那些由于毒性反应较大而被淘汰或减少使用的药物也会根据不同的基因而重新使用。因为已经建立了受试药品和特定基因之间的关系，使临床试验的风险极大地降低。

2.蛋白质组学与药物发现

蛋白质组是指一种细胞、组织或有机体所表达的全部蛋白质。蛋白质组学是以细胞或组织不同时间、环境的所有蛋白质为研究对象，从整体上研究蛋白质的种类、相互作用以及功能结构的一门科学，其强调蛋白质类型与数量在不同种类、不同时间和条件下的动态变化，从而在细胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律。蛋白质组学技术主要是指利用双向电泳进行蛋白质分离，再用计算机软件进行图像分析，然后通过质谱分析技术及蛋白质数据库信息对目的蛋白质进行分析和鉴定的方法。目前，蛋白质组学技术研究还处于发展阶段，已出现多种技术并存、各有优势和局限性的特点，而难以像基因组研究一样形成比较一致的方法。相信药物蛋白质组学技术将促进重大疾病的发生机制、早期诊断的特异性标志物、药物作用靶点等相关研究。

3.代谢组学与药物发现

代谢组学是指定量测量生物体内多元代谢产物，分析生物体液及组织中所有小分子物质的状态和变化，研究机体不同生理病理环境中代谢产物变化的规律和特点，研究基因、蛋白质和代谢产物之间各种复杂的相互作用关系，系统地阐述药物作用在代谢组学方面的变化，是目前认识复杂疾病病理变化和药物作用的重要技术。代谢组学是新药发现的重要研究内容，与药物的药效、作用机制和安全性等有着密切相关，为药物研究的前沿问题和关键科学问题提供了又一技术支撑。

代谢组学根据研究目的不同可分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向代谢组学是对生物体内源性代谢物进行系统全面的分析；靶向代谢组学则是对特定的某一类代谢物进行分析。二者结合可作为差异代谢物的发现和准确定量提供有力工具，在靶点发现过程中发挥重要作用。

随着分析技术和数据处理技术的进步和发展，多组学数据进行综合分析将为疾病研究和药物靶点发现做出突出贡献。

（二）基于生物信息学技术的药物发现

生物信息学是综合运用数学、计算机与网络技术以及生物学等手段对各种生物信息进行收集、加工、储存、分析、整理和归纳，并对生物信息做出解析的学科。生物信息学的研究内容主要包括：①建立、贮存并管理大量的生物学信息库，包括基因组序列、基因多态性、基因表达调控、蛋白质结构与功能、特征性代谢产物谱、疾病相关基因和/或蛋白质、生物标志物信息库等；②开发计算机用途和统计学方法，分析确定数据库中大量数据的相关性；③应用已知的生物学信息预测或分析生物大分子或小分子化合物的结构与功能。生物信息学作为辅助手段，可应用于药物发现的全过程，包括药物分子设计、药物靶点的发现与确认、药物筛选以及药物临床前评价等。

生物信息学基于药物相关的各种数据库，包括药物靶点的基因序列及表达调控特点、三维结构、受体与配体结合作用、构效关系、化合物生物活性库等，可以通过多种方式发现新药，包括新靶点的发现、药物分子设计、药物虚拟筛选以及药物临床前评价等。通过生物信息学发现新药的技术方法有很多，后面我们专门讨论。但必须说明的是，生物信息学技术或其他计算机技术研究的结果，都必须通过生物学的验证才有实际意义，所有这些方法，可以促进新药的发现，但都是辅助技术。

（三）生物芯片技术与药物发现

生物芯片技术是指通过在微小基片（硅片或玻璃）表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元或检测系统，对标记化合物、核酸、蛋白质、细胞或其他生物组分进行准确、规模化的快速筛选或检测。目前，生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和器官芯片等。生物芯片已渗入到药物发现的每个步骤，包括药物靶点的发现、大规模化合物生物活性及毒性筛选以及先导化合物的优化等，同时也是基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学研究的重要技术手段，对推进创新药物研究有着重要的影响。药物靶点发现可能是生物芯片在药物研发中应用最为广泛的一个领域，主要采用DNA芯片和蛋白质芯片检测某一特定基因或特定蛋白质的表达，也可检测生物体整个基因组或蛋白质组的表达情况，为发现可能的药物靶点提供有力线索。

生物芯片也是高通量筛选的主要技术手段之一，通过在芯片上固定特定的寡核苷酸、互补DNA（complementary DNA，cDNA）、靶酶、受体蛋白质，甚至还包括电信号等，实现对候选化合物的大规模筛选。目前已经有抗体芯片、受体蛋白质芯片、毒理芯片、微流体芯片、芯片膜片钳等在这一领域得到应用。生物芯片的显著优势是快速灵敏、高通量、微型化和自动化。国外几乎所有的大型制药公司和药物研究机构均已将生物芯片应用于药物的开发过程中，显示其强大的发展势头。随着芯片检测的特异性和灵敏度的提高、样品制备和标记操作的简化以及数据分析和处理技术的进一步发展，生物芯片技术必将在药物发现过程中发挥更重要的作用。

（四）表面等离子共振（SPR）技术

表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）技术是用于检测特定离子的技术，近年来应用该技术开发了以芯片为基础的测定化合物分子与靶点分子相互作用的新的检测方法，为药物筛选提供新的更敏感的技术方法。该方法不需要荧光或放射性标记物，可以将生物靶分子固定在芯片上，当含有化合物的溶液通过传感器芯片时，结合到靶分子上的分子可被即时检测。基于这一原理，SPR技术可广泛用于微量蛋白质的快速筛选或检测，也适合小于100Da的分子以及完整的细胞功能研究。由于SPR技术能检测到结合到芯片表面的亚飞摩尔的蛋白量，因此SPR技术的检测灵敏度非常高。SPR技术为研究蛋白质-蛋白质以及小分子化合物与蛋白质的相互作用提供了一项崭新而有力的技术手段，从而有助于发现和确认药物作用的新靶点，并帮助人们深入认识药物的作用机制。

（五）亲和探针鉴定药物靶点技术

蛋白质是细胞功能的主要执行者，药物靶点的发现大多归结为筛选与药物相互作用的蛋白质。利用亲和探针偶联靶分子的方法是发现药物靶点的主要手段之一，可以从分子水平发现药物的作用靶点，对药物的分子作用机制提供直接证据。作为药物靶点发现的技术之一，化学探针偶联捕获目标蛋白质的方法近年来不断得到充实和发展。

（六）基于化合物功能片段的药物发现技术

Jencks等在1981年构建了基于片段的药物发现（fragment-based drug discovery，FBDD）的理论框架。药物分子是由几个关键片段组成的，而药物分子与靶蛋白上的活性腔相结合就是各个关键片段与活性腔内的亚活性腔分别结合，将片段进行组合连接或者进一步生长来获得高活性的先导化合物是可行的。基于FBDD的药物发现方法主要有以下几个步骤：首先是建立片段库，其次是筛选有活性的小片段，最后是对得到的片段进行结构优化以期能得到先导化合物。在建立片段库方面，在进行筛选之前要确保待测片段具有合适的物理化学性质，包括溶解性、纯度以及片段尺寸等。在筛选方面，高纯度的靶蛋白、昂贵的设备、同位素标记、复杂的实验操作等都在制约着筛选技术的应用。随着生物医药技术的发展，对片段与靶点之间弱结合力的检测会变得越来越高效、准确、便捷，基于FBDD的药物发现技术在未来将发挥越来越大的作用。

（七）转基因技术

转基因技术通常包括基因敲入（gene knock-in）和基因敲除（gene knock-out）两种方式，其显著特点是通过分子及细胞水平操作，实现基因功能的组织及动物整体水平表达。转基因技术的应用为药物研究提供了制备病理动物或细胞模型的技术手段。转基因技术可以针对某些人类疾病（特别是遗传性疾病）的病理生理特点，通过基因敲入或敲除，使特定基因表达或缺失，从而复制出与人类疾病类似的动物模型。通过这些特殊动物模型，能够真实地反映候选化合物的药理学活性及其在体内的作用特征。这一技术已成功用于药物作用新靶点的发现，为疾病的治疗提供全新的机制，对创新药物的发现产生极大的促进作用。

（八）核糖核酸（RNA）干扰技术

RNA干扰（RNAi）技术是指将与信使RNA（mRNA）对应的正义RNA和反义RNA组成的双链RNA（dsRNA）导入细胞诱导靶mRNA发生特异性的降解而导致基因沉默的现象。RNA广泛存在于植物、动物和人体内，对机体基因表达的管理、病毒感染的防护以及活跃基因的控制等生命活动均具有重要意义。RNAi技术迅速发展并被广泛应用于基础科学中，从而开启了一个全新的研究领域，为基因和蛋白质功能研究、核酸药物的分子设计、药物靶点的发现、疾病的基因治疗等科学研究提供了重要手段。利用这种技术有可能发现更多、更好的药物作用靶点，获得使致病基因失活的新型基因药物。

RNAi可以高通量地发现药物靶基因，成为寻找新药作用靶点的有力工具；可高度特异性地干扰表达潜在靶点的基因，进而干扰机体疾病的发生与发展，其效果与高特异性靶蛋白的抑制效果类似。目前，RNAi已被广泛用于探索和发现治疗肿瘤、病毒感染性疾病、神经退行性疾病以及血液病等疾病的药物靶点。此外，RNAi还可以与基础表达相结合，用于药物筛选以及药物作用机制的探讨。RNAi与基因敲除是两种完全不同的技术手段，两者有着明显的差异而在药物发现过程中各有优势，相互补充。

（九）药物再利用技术

传统的药物发现和开发涉及新药发现和获得市场批准的几个阶段。药物再利用（drug repurposing）在为现有药物确定新的治疗用途方面变得越来越受到重视。通常，重新调整用途可以通过偶然发现或通过系统方法实现。虽然遇到一些挑战，但是药物再利用提供了一种新的方法来探索老药的新用途，已成为加速药物发现过程的一种有效方法。

目前用于新药发现和筛选的技术方法很多，有些已经取得一定的成效，如蛋白质定向修饰技术、肠道菌群评价技术、分子成像技术、冷冻电镜技术等，这些技术具有突出的优势和特点，如能合理联合使用，将会对新药筛选产生积极促进作用。