高通量药物筛选技术新药开发策略

高通量药物筛选是20世纪后期起发展起来的新药发现新技术，该项技术应用了现代科学研究的成果和技术，使药物发现的方式方法和理论都产生了巨大变化。高新技术在医药科学领域的广泛应用，必然对生物医药领域的研究产生深远的影响，及时把握科技发展的方向，充分合理应用高新技术，是生物医药科学研究顺利发展的重要前提。
医药科学是人类进步过程中十分重要的研究领域，对人类的繁衍和健康发挥了巨大作用，在医药科学漫长的发展历史过程中，科学技术的进步，无不对医药科技的发展产生巨大影响。在当前科技快速发展的条件下，正确及时利用高新技术，促进医药科技发展，是医药科技领域发展的必然选择，也是促进我国医药科技发展的良好的时机。在20世纪，尽管我国在新药研究方面做了大量工作并取得了一定成就，但总体上与国际水平相距甚远。近年来，高通量药物筛选技术在我国已经开始应用，这将对我国创新药物的研究发挥积极的作用。但是，在应用高新技术的同时，把握医药科技发展的方向，采取积极可行的发展策略，是促进医药科技发展的关键问题。本文结合开展高通县药物筛选的实际问题和常用新技术的特点，对高通量药物筛选与新药研究发展的策略作肤浅探讨，就教于大方。

1 高通量药物筛选与生命科学的发展

高通量筛选技术
高通量药物筛选技术的发展也只有10余年时间，但发展速度却相当快，无论从规模、速度和技术手段方面，都在日新月异地发展，对化合物生物活性的筛选速度已经达到每日筛选数万甚至数十万样品。
高通量药物筛选主要依赖于含有大量化合物的样品库、计算机控制的自动操作系统和微量灵敏的生物反应及检测系统。高通量药物筛选是采用体外的实验方法（主要是分子和细胞水平的评价方法）评价化合物的生物活性，因此，由此筛选的结果可以明确阐明化合物生物活性的分子机制，但在评价其整体动物药理反应方面，还受到多种因素的影响，存在较大的差异，需要系统的后续工作进行评价。

人类基因组计划的完成，使药学研究进入新的阶段
众所周知，高通量药物筛选是基于药物作用靶点在分子、细胞水平上进行的药物活性的自动化大规模筛选过程。直至20世纪末，人们在长期的医药学研究中，总计发现了具有药理学意义的药物作用靶点大约500个。人类基因组计划的完成，使人类对生命现象的认识不断深入，据估计，人体内可能的药物作用靶点大约有5000个作用。对人类基因的研究将加快人们对新药物作用靶点的认识，在发现新的药

物作用靶点方面，将会有重大突破。新靶点的发现将进一步促进高通量药物筛选的发展，发现更多治疗疾病的新药。
科学的发展也为药物研究开辟了新的领域，使药物研究进入新的阶段，近年在药物研究中提出的基因组药物学（或称基因组药理学，Pharmacoge nomics）的出现，为新型药物的研究创造了新的契机，未来的药物不仅以治疗疾病的类型作为研究的基础，同时将全面考虑患者的病理特点，包括患者个体的基因特点、代谢特点和功能变化特点，使药物的应用真正实现"量体裁衣"，达到最佳的治疗效果。基因组药物学在药物筛选中的应用，将会产生大量新型药物，包括对传统药物的再评价和新型药物的研制与开发。

蛋白质组学的研究将为高通四药物筛选创造新的机会
蛋白质组学（或称后基因组）的研究，将使人们更多地认识具有特定功能的蛋白质。这些功能蛋白质在药物研究中将产生巨大影响。一方面，功能蛋白质可能是新的药物作用靶点，利用这些靶点，通过高通量药物筛选技术对大量小分子化合物进行筛选，有可能发现全新的药物。另一方面，功能蛋白质有可能成为具有治疗作用的新型药物，在临床治疗中发挥作用，或经过结构的改造或其他方式的优化，产生新的药物。蛋白质功能的研究也是复杂而繁重的工作，应用高通量药物筛选技术筛选蛋白质功能，也将具有突出的优势。
当然，对药物靶点的研究是一项新的课题。目前已经认识的药物靶点，基本上都是在药物作用的基础上或大量基础研究的前提下发现的，因此，应用这些靶点开发药物具有比较明确的方向和目的。而对于在全新过程中发现的新药物作用靶点，如何高效地评价药物作用和靶点的意义，仍然需要进行探讨。

分子和细胞生物学在高通量药物筛选中的应用
前已述及，高通量药物筛选是以分子或细胞水平的筛选模型为基础，进行大量化合物药理活性的筛选，因此，分子细胞生物学技术在高通量药物筛选过程中具有广阔的用途。分子生物学和细胞生物学在近几十年间发展十分迅速，促进了药理学研究的发展。但是，药物研究与分子生物学、细胞生物学的结合仍然是十分局限的，广泛全面地将分子细胞生物学的理论和方法应用于高通量药物筛选，将对药物研究产生积极的促进作用。
分子细胞生物学在药物研究中的广泛应用，不仅对药物发现的高通量筛选过程产生促进作用，也将有助于发现药物作用的新途径，深入认识药物作用的机制。同时可以提供更多新的方法，使药物研究内容更加丰富。

2 新技术为高通四药物

筛选提供了有效的手段和方法

近年来，高新技术的不断出现，使传统的药物研究方法发生了变化。在药物发现和研究中应用新技术，必然会极大地促进新药的研究进程。但是，大量新技术的应用有时也会产生负面影响，如单纯强调新技术的优势，形成了对新技术的依赖或者认为新技术万能的不良现象；或使新技术的应用脱离实际或者面对新技术无所适从等现象。这种现象都直接影响着新药发现和研究的进程。因此正确认识和应用新技术，在新技术的基础上建立新的药物研究发展策略，才能真正发挥新技术的作用。

计算机技术
在高通量药物筛选中，几乎全部过程都与计算机技术密切相关，如样品的管理，操作过程的控制，筛选结果的分析和处理等等。计算机技术促进了高通量药物筛选的实现。此外，以计算机技术为基础辅助筛选方法（又称理性筛选），在高通量药物筛选中也逐渐发挥重要作用。计算机辅助筛选的基本方法是根据药物作用靶点与药物小分子结合的原理，通过结构模拟、立体结构对接、分子间能量计算、分子相互作用力的预测等手段，寻找能够与特定药物作用靶点相互作用的小分子结构，作为药物研究的对象。这种方法虽然目前仍在探索阶层，但是由于该项技术具有工作成本低、需要工作人员少和自动化程度高等特点，受到研究人员的重视。特别是通过该项技术的应用，成功开发出具有生物活性的药物（如治疗流行性感冒的药物流感病毒神经氨酸酶抑制剂扎那米韦），更激发了广大研究人员的热情，使该项技术成为药物研究领域中的热点之一。
此外，计算机在药物研究中的应用范围也不断扩大，功能不断增强，除了进行计算机辅助筛选外，在分子结构模拟、药物分子设计和分子结构优化等方面，已经有了相当长的应用历史。

生物芯片技术
生物芯片技术是随着人类基因研究的进展，在最近几年出现的高新技术。由于该项技术可以在有限的空间和实验条件下获得极为大量的生物信息，使研究工作的效率得到极大的提高，受到科学界的重视。生物芯片包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片、组织芯片以及其他多种由生物材料制成的芯片，这些芯片技术目前主要用于疾病的诊断和基础研究。但是由于这些芯片能够反应一定条件下生物信号的改变，目前已经开始应用于高通量药物筛选中，极大地增加了药物筛选获得的信息量，表现出强大的技术优势。但是，由于生物芯片仍在发展阶段，在新药发现中的实际应用还需要作大量探索性的工作。开发具有实用价值的生物芯片，已经成为药物研

究人员的重要课题，相信在短时间内，就将会出现各种不同类型的药物筛选用生物芯片。

组合化学合成与组合生物合成技术
组合化学起始于20世纪后期，开始主要用于合成多肽类化物，逐渐向合成小分子的方向发展，目前已经研究出多种比较成熟的方法。采用组合化学的方法，可以产生大量化合物（一般达到每周上千个化合物）。这项技术的发展，为高通量药物筛选提供了大量的化合物，扩大了药物发现的范围。
组合化学的基本原理是采用适当的化学方法，在特定的分子母核上加人不同的基团，在同样条件下，产生大量的新化合物。这种方法在化合物的结构改造和优化方面已经表现出强大的优势。但是，由于该方法是基于母校结构的改造，因此产生的大量化合物在结构多样性方面尚有极大的不足。解决组合化学产物结构多样性的问题，已经成为化学研究人员的研究课题。
组合生物合成是近年来提出的新方法，包括组合生物合成和组合催化合成，该项技术尚处于探索阶段。但是，由于这项技术可以产生人工的"天然产物"，因而受到研究人员的重视。

3 药物发现的基本策略

创新药物研究的关键在于药物的发现，这已经成为不争的认识，一旦确定药物的候选化合物，其研究工作的目标就已经明确，研究的方法也就有据可依。但是，药物的发现则是不可控的过程，具有极大的随机性。因此在药物发现过程中，人们进行了长期的探索和总结，形成了基本的研究策略。

药物发现的策略分析 药物发现和研究的最终目的是用于临床治疗疾病，因此，在药物发现过程中，对药物的最基本要求就是安全有效。无论药物作用的方式或机制如何，只要能够解除病痛，治疗疾病，就是有效的药物。
从疾病的病理变化关系来看，任何疾病都是以症状的形式表现出来，产生这些症状的基本原因是多层次的。一般来讲，除了个别单基因缺陷疾病或单靶点变异疾病外，绝大多数疾病都是由多种变化引起的。
疾病症状的出现可能是1种或多种组织病变的结果，而组织的病变又可能是由于多种细胞变化引起的；而细胞功能的变化又可能涉及大量功能分子的变化，虽然在基因水平上认识疾病目前尚处于探索阶段，可以肯定，对绝大多数疾病，基因表达变化则是更复杂的。
从研究的完整性来看，目前应用的药物基本上是以改善症状作为基本评价标准，因此，对药物改善症状表现的作用研究最为充分；然后是对组织器官功能的影响，而对于基因水平的变化，目前仍然是尝试和探索阶段。尽管目前有人认为，药

物作用于基因水平，改变基因或基因的表达，就可以治疗疾病，但在对基因与疾病的关系尚未明确之前，这种说法只能是良好的愿望。

药物发现的基本规律
分析药物发现的历史，可以将药物发现的过程归纳为2种主要的基本形式，一是随机发现药物，包括治疗作用的随机发现和药物来源的随机发现，在这种形式下，后者是随机发现的主要内容；二是定向筛选发现的药物，也包括对治疗特定疾病药物的筛选和特定药物来源物质的筛选，在这种方式中，前者是主要内容。
随机筛选依赖的是具有适当的筛选方法（或筛选模型）和来源广泛的被筛选样品，两方面的多样性是获得药物的基本条件。随机筛选的特点是药物发现的成功率与使用的筛选方法数量和被筛选样品的多样性，筛选方法越多，筛选的样品越多，发现药物的机会也就越多。因此，采用随机筛选的方法，重要的措施是增加筛选方法和扩大样品的多样性和样品的来源。
定向筛选通常是采用特定的筛选方法，对特定的样品群（包括样品的来源、性质等）进行筛选。当然，定向筛选与被筛选的样品数量也有密切的关系，筛选范围越大，发现高质量药物的可能性越大。因此，选择适当的方法（模型），对大量特定样品进行筛选，是保证定向筛选的关键。对定向筛选的化合物，结构代化或改造，是获得高质量药物的重要途径。
从以上分析不难看出，随机筛选具有显著的源头创新性和结果的不可控特点，而对于定向筛选，则具有较高的成功率，但在完全创新方面受到了一定的限制。

高通量药物筛选在药物发现中的作用
高通量药物筛选技术的应用，虽然可以从多方面改变药物发现的现状，但是不可能改变药物发现的基本规律。因此，把握药物发现的基本规律，积极利用新技术，可以极大地促进药物发现的过程。否则，虽然应用大量新技术，也不可能达到发现药物的目的。
如前分析，以随机筛选为特点的高通量药物筛选依赖的是筛选方法的应用、新筛选模型的建立和多样性大规模样品库的建立，在这方面，新技样的出现，为药物发现提供了良好的条件。高通量药物筛选技术可以提供全新的筛选方法和手段，极大地提高筛选速度；天然产物样品的积累，组合生物合成生物和组合化学可以提供大量样品，计算机辅助筛选可以有效地保证被筛选样品的多样性，这些新技术的有机结合和利用，一定能够提高筛选速度和效率。
定向筛选发展的最大潜力在于特定样品的大量来源，在这一方面，组合化学、计算机分子设计技术将发挥重要的作用，

在具有大量样品的前提下，应用高通量药物筛选技术，定向筛选的成功率将会进一步提高。

4 药物发现和开发的策略转变

新方法和新技术的应用，必然会对现有的操作方式产生冲击，在药物发现过程中更是如此，由于大量新技术的应用，传统的筛选模式肯定不能适应新技术发挥作用。因此，为了提高成功率和筛选速度，积极应用新技术是必须的，但是，在研究的策略方面（包括知识、认识方面）不进行调整和改变，就会制约新技术的应用和研究进程的发展，甚至会导致错误的结果。

随机筛选策略的改变
高通量药物筛选技术的应用，改变了传统的药物发现的模式。传统的药物发现过程是从疾病或组织器官的变化开始，凡是能够改善疾病症状，改变组织器官功能的物质，就有可能发展成为药物，这种模式与药物研究的主要目的相一致，是一个直观有效的方法，而对于机制方面的研究，则是为了进一步认识药物作用进行的扩展工作。而对于高通量药物筛选，由于筛选方法是建立在分子细胞水平，由此来分析药物的治疗作用，必然存在着大量需要解决的问题。分子水平的某点变化，在疾病的病理表现中可能是微不足道的，或是要受到多种干扰。因此，用这种方法发现药物，就必须改变传统的模式，建立全新的新药发现策略。
建立基于高通量药物筛选技术上的药物发现新模式，需要解决的主要问题是活性的评价、筛选模型与疾病的相关性、影响筛选模型的可能因素、药物作用系统评价方法等。对每一个建立的高通星药物筛选模型，都需要进行系统的研究，才可能以最有效的方法发现新的药物。

定向筛选
组合化学技术应用，使活性化合物的结构优化和改造产生了巨大变化，速度和效率大大提高。对于在高通量筛选过程中发现的先导化合物，进行结构优化和改造是发现高质量药物的重要措施。根据药物发现的规律，优化或改造出的新化合物越多，最终发现药物的质量越高，因此，组合化学是使这一过程得到极大的促进。但是，考虑到筛选的样品合成的成本，组合化学的合成并非越多越好，应该有一定的限度，限定组合化合物库大小的依据应该是筛选能力（成本接受能力）和样品结构的特点，因此，设计高质量的组合化学库是重要的研究内容。这项工作也可以利用计算机分子设计和优化技术，设计目的化合物。

分子设计途径
计算机技术在药物发现中的应用有2种主要的方式：第1种方法是通过模拟药物靶点的结构，建立立体的活性位点结构，然后根据活性位点的结构特点，设计可以

与活性位点相结合的化合物分子结构，然后采用合成的方法获得化合物，进行生物活性的筛选。经过实际应用，这种方法也出现了新的方式，即计算机筛选方式。计算机筛选也是通过模拟药物靶点的结构，建立立体的活性位点结构，然后根据活性位点的结构特点，在已经建立的虚拟计算机样品库中寻找可以与活性位点结合的化合物结构，然后通过购买或合成的方法获得化合物。第2种方法是在已知的活性化合物或已知的有效物化学结构基础上，参考药物作用靶点的结构特点，设计新的化合物，通过合成手段获得化合物后；进行活性筛选，这种方法的目的是获得效果更好的药物。
计算机设计或筛选的方法具有快速经济的特点，而且在理论上也是有效的，但是，计算机分子设设计或药物筛选都是建立在生物学和化学实验的基础之上，并在相关理论指导下完成的，因此，实验证据的不充分或理论的不完善，直接限制了这种方法的成功率。对这方面的研究仍有大量的课题需要继续探索和研究。

5 结语

科学技术的快速发展，对医药科学研究提出了大量新的课题，应用高新技术进行医药研究，可以极大地促进医药研究的进程，因此，积极应用新技术，是取得快速进展和获得突破性成果的重要手段。
新技术的应用，必然要对传统地认识、模式以及思维方式产生影响。要充分发挥新技术的作用，及时调整思维方式和研究策略是保证新技术充分发挥作用的基本条件。药物发现的理论和技术已经在逐渐被应用，及时调整我们的研究策略，定能使我国的新药研究事业健康发展，研制出高质量的创新药物。
（中国医学科学院，中国协和医科大学药物研究所，杜冠华） }