高通量药物筛选技术进展及新药开发策略

是创新药物研究的关键，目前药物 数据，以计算机对实验数据进行分
筛选模型已经从传统的整体动物、 析处理，同一时间对数以千万份样
器官和组织水平发展到细胞和分子 品进行检测并以相应的数据库支持
水平。创新药物的发现都离不开采 整体系运转的技术体系。
用适当的药物作用靶点对大量化合
物样品进行筛选，而且筛选规模越 大，发现新药的机会就越多。随着 计算机技术、生物芯片、蛋白质组学、
指 受 体 与 放 射 性 配 体 结 合 模 离子通道等靶点。
工的“天然产物”，也是近年来药 型。究 热 点 和 重 要 包括检测功能反应、第二信使生成 2.2.2 细胞水平药物筛选模型
手段之一。
和标记配体与受体相互作用等不同
观 察 被 筛 样 品 对 细 胞 的 作 用，
1 高通量药物筛选技术的 研究现状
组合化学等的发展，高通量药物筛
高通量药物筛选技术是 20 世纪
选技术应运而生。高通量筛选体系 后期发展起来的新药发现技术，至
作者简介
吴慧，女，医学硕士，馆员，主要从 事医药信息情报研究。
E-mail：hwu01@ Tel：021-50806600-1319 通讯地址：上海市浦东新区祖冲之路 555号中科院上海药物所图情室（201203）
方法
方法是根据药物作用靶点与药物
①贝类动物毒素的高通量筛选，
光学测定技术 近年来，美国、
小 分 子 结 合 的 原 理， 通 过 结 构 模 其作用靶为 Na+ 通道上的蛤蚌毒素 英国的研究人员在高通量筛选检测
拟、 立 体 结 构 对 接、 分 子 间 能 量 结合位点，用放射性配体进行竞争 中，努力进行了光学测定方法的研
初筛，结合其他资料列出优选先导
识别不同层面的干扰 FOXO 信号的
化合物，再借助体外毒性筛选方法
小分子。
2.4.2 药代动力学研究
进行筛选。目前体外高通量毒性筛
多功能微板检测系统 由西安交
一个候选化合物不仅要有较高 选方法发展很快，检测内容包括细
通大学药学院研制的 1536 孔板高通 的体外活性，还应具有理想的药动 胞 存 活、 膜 完 整 性、P450 酶 诱 导、
美国华盛顿大学
62
百时美施贵宝公司
55
2 高通量药物筛选技术进展①
葛兰素史克公司
54
诺华生医研究中心
54
美国威斯康辛大学
54
2.1 高通量筛选技术体系
美国加州大学伯克利分校
52
2.1.1 化合物样品库
加拿大多伦多大学
51
化合 物 样 品 主 要 有 人 工 合 成
默克公司
50
90 生物产业技术 2010.01 (1月).
screening，HTS） 技 术 是 指 以 分 子 对化合物生物活性的筛选速度已经 筛选的文献有 8769 篇（数据库更新
水平和细胞水平的实验方法为基础， 达到每日筛选数万甚至数十万样品， 日期为 2009 年 3 月 21 日，参见图 1）。
以微板形式作为实验工具载体，以 使药物发现的方式方法和理论都产
（功能性药物筛选系统），来开发一 应用放射性测定法，特别是亲和闪
2.1.3 检测系统
项 快 速、 可 靠 的 细 胞 为 基 础 的 高 烁（SPA）检测方法，使在 96 孔板
检测系统一般采用液闪计数器、 化学发光检测计数器、宽谱带分光 光度仪、荧光光度仪以及闪烁亲和
通量筛选方法，来检测 a(1G) T 型 Ca2+ 通道。该法可以用来作为一个 筛选以 a(1G) T 型 Ca2+ 通道为靶点
量多功能微板检测系统，是目前国 学性质。许多体外研究认为很有前 caspase-3 活性、基因毒性、胚胎毒
际上先进的高通量检测系统，它可 途的候选化合物均因在体内活性很 性等。体外毒性筛选方法缺陷在于
使筛选量进一步提高。
低甚至无体内活性或具有较大的体 实验体系无器官和组织的相互作用、
微流控芯片模式生物高通量药 内毒性而夭折。缺乏体内活性可能 无完整免疫系统和无血液循环，因
物筛选系统 中国科学院大连化学物 是由于其药动学性质不理想而体内 此这些方法适用于淘汰不良先导化
理研究所以芯片上纳米级高通量液 的毒性则可能是由于其在体内形成 合物⑥。
呈现逐年稳步增长的趋势。论文发 规 化 学 合 成 和 组 合 化 学 合 成 两 种 化合物，扩大了药物发现的范围。
表居前 10 位的国家分别为美国、德 国、 英 国、 日 本、 中 国、 加 拿 大、 法 国、 瑞 士、 意 大 利 和 荷 兰， 其 中 美国有 4440 篇文献，占全部文献的 50.63%， 是 第 二 位 德 国 的 5 倍 多。 中国位居第五位，共发表文献 423 篇（参见图 2）。
计 算、 分 子 相 互 作 用 力 的 预 测 等 性结合试验考察受试样品 ；②用酵 究，建立了大量的非同位素标记测
手 段， 寻 找 能 够 与 特 定 药 物 作 用 母双杂交的方法高通量筛选干扰 N 定法，如用分光光度检测法筛选蛋
靶 点 相 互 作 用 的 小 分 子 结 构， 为 药 物 研 究 的 对 象。 该 项 技 术 具 有 工 作 成 本 低、 需 要 工 作 人 员 少 和
从图 1 中可以看出，全球高通
图1 1986～2009年Web of Science数据库高通量药物筛选技术文献量变化情况
文献量 / 篇
1400 1200 1000
1291 1211
1080 1007 918
800
734
656
600
479
393
400
293
208
217
200
19
146 4 13 13 31 65
物的基本作用机制。
靶点、功能蛋白质、基因表达的变 离子流及测定细胞内 pH 值和细胞
2010.01 (1月). 生物产业技术 91
投稿
内钠离子流等，是非常理想的一种 初是用于药物机理研究的，用于探 2.4.3 药物体外毒性筛选
高效检测方法。
讨药物作用的分子靶点和作用途径，
投稿
图2 1986～2009年Web of Science数据库全球各国高通量药物筛选技术文献量情况（前15名）
文献量 / 篇
5000 4440
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500 1000 500
0
886 752 502 423 333 330 325 225 225 173 164 11040 125
国 国国 本 国 大 国 士 利 兰 国 典 亚 牙 时
美 德英 日 中 拿 法 瑞 大 荷 韩 瑞 利 班 利
加
意
大西 比
澳
国家
量药物筛选技术的文献自 1986 年的 和 从 天 然 产 物 中 分 离 纯 化 两 个 来 方 法。 近 年 来， 组 合 化 学 的 发 展
1 篇 增 长 到 2008 年 的 1291 篇， 且 源。 其 中， 人 工 合 成 又 可 分 为 常 为 高 通 量 药 物 筛 选 提 供 了 大 量 的
型钙通道 b3 亚单位与 a1b 亚单位相 互作用的小分子，寻找新型 Ca2+ 通 道 拮 抗 剂 ；③ Kim ③ 等 将 HEK293/
白酪氨酸激酶抑制剂、组织纤溶酶 原激活剂等，均获得成功。
放射性检测技术 美国学者
自动化程度高等特点。
a(1G)/ Kir2.1 细胞应用到 FDSS6000 Ganie SM 在高通量药物筛选研究中
上进行的样本量实验得到发展。该 方法灵敏度高、特异性强，促进了 高通量药物筛选的实现，但存在环
分析（SPA）等检测方法。
的化合物的主要方法，并有助于开 境污染问题。
发针对其他类型离子通道的高通量
荧光检测技术 美国学者
2.2 高通量筛选模型
筛选方法。
GiulianokA 研 究 认 为， 采 用 FLIPR
高通量药物筛选技术进展及 新药开发策略
投稿
吴 慧 于建荣 （中国科学院上海药物研究所，上海，201203）
doi:10.3969/j.issn.1674-0319. 2010.01.011
新药研发过程中，通过筛选而 自动化操作系统执行试验过程，以
获得具有生物活性的先导化合物， 灵敏快速的检测仪器采集实验结果
由于新药研发过程中广泛采用
独立的荧光素酶报告检测和荧 因此，高通量药物筛选模型不仅可 体外药物代谢和代谢动力学研究技
光迁移检测已成功地用于发现几个 以用于发现新药，也可用于药物研 术，毒性已成为新药开发过程中淘
分 子 药 物 靶 点。 Fabian ④ 等 开 发 了 究。随着人类功能基因组学、分子 汰率高的一个主要原因。因此，尽
投 稿
高通量药物筛选技术进展及 新药开发策略
组 合 生 物 合 成 是 近 年 来 提 出 的 新 2.2.1 分子水平的药物筛选模型
化、生物活性成分等不断发现，为
方 法， 包 括 组 合 生 物 合 成 和 组 合 （1）受体筛选模型
药物筛选提供了大量新的受体、酶、
催化合成，这项技术可以产生人
常用的筛选模型都在分子水平
近年来分子生物学技术和细胞 （fluor ometrici-maging readet） 荧 光
和细胞水平，观察的是药物与分子 生物学技术的快速发展，分子药理 检测法，可在短时间内同时测定荧
靶点的相互作用，能够直接认识药 学研究也不断深入，新的药物作用 光的强度和变化，对测定细胞内钙
表1 1986～2009年Web of Science数据库全球研究机构高通量药物 筛选技术文献量情况（前20名）
研究机构 美国哈佛大学 中国科学院 默克实验室 麻省理工学院
文献量/篇 159 90 85 85
从表 1 中可以看出，高通量筛
雅培实验室
80
选技术的前 20 名研究机构中，美国
美国 SCRIPPS 研究所
在创新药物筛选中的应用是新药开 今也只有 20 年的时间，但发展速度 生了巨大变化。
发研究的一个重要领域。
却相当快，无论从规模、速度和技
截 至 2009 年 3 月，ISI Web of
高 通 量 筛 选（high throughput 术手段方面，都在日新月异地发展， Science 数据库收录有关高通量药物
物 筛 选 的 实 现。 此 外， 以 计 算 机 底物、产物都可用作检测指标，因 不同手段模拟的病理细胞。
技 术 为 基 础 的 辅 助 筛 选 方 法， 在 此确定酶检测的速度。
高通量药物筛选中也逐渐发挥重
2.3 高通量筛选技术采用的先进检测
要 作 用。 计 算 机 辅 助 筛 选 的 基 本 （3）离子通道筛选模型
U2transLUC 检测系统，系统中的荧 药理学、蛋白质组学的发展，大量 早发现药物毒性也是药物筛选的重
光素酶和荧光读出器可提供强大的 新的药物作用靶点将不断出现，在 要任务。
基于细胞为基础的高内涵筛选方法。 此基础上具有新作用机制的药物也
计算机方法预测毒性一般作为
U2transLUC 适用于高通量筛选并能 将随之被发现。
76
的哈佛大学位居第一，中国科学院
美国旧金山加利福尼亚大学
76
辉瑞全球研发中心
75
则位居第二，文献量为 90 篇，说明
日本东京大学
70
中国科学院在高通量药物筛选技术
美国密歇根大学
67
上还是有较强的研究实力的。前 20
美国国立癌症研究院
65
名的机构中多为美国的大学及科研
美国德克萨斯州大学
65
机构，其次为大型制药公司。
类型。Wang ②等建立了一个嵌合报 但不能反映药物作用的具体途径和
2.1.2 自动化操作系统
告系统，该通用系统将有利于任何 靶标，仅反映药物对细胞生长等过
自 动 化 操 作 系 统 利 用 计 算 机 GPCR 的高通量筛选和药物设计。 程的综合作用，包括内皮细胞激活、
通过操作软件控制整个实验过程。
0
时间 / 年
1986 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
2010.01 (1月). 生物产业技术 89
细胞凋亡、抗肿瘤活性、转录调控
在 高 通 量 药 物 筛 选 技 术 中， 几 乎 （2）酶筛选模型
检测、信号转导通路、细菌蛋白分泌、
全部过程都与计算机技术密切相
主要观察药物对酶活性的影响。 细菌生长。用于筛选的细胞模型包
关。 计 算 机 技 术 促 进 了 高 通 量 药 检测酶活性的方法很多，酶的反应 括各种正常细胞、病理细胞和经过