药物发现的新方法及其优势
根据药物研究中采用的方法和技术特点,药物研究的全过程大概可以分为三个主要阶段:药物发现;药物的临床前研究;药物的临床研究。过去，药物的发现局限于对天然产物的提取物的筛选或从化合物的专利中寻找线索，而且化合物的合成也是一次只生产一种化合物，一次只发生一个反应，效率很低。
一、 化学基因组学的简介
化学基因组学(chemogenomics) ，是联系基因组和新药研究的桥梁和纽带。它指的是使用对确定的靶标蛋白高度专一的小分子化合物来进行基因功能分析和发现新的药物先导化合物。化学基因组学整合了组合化学、基因组学、蛋白质组学、分子生物学、药物学等领域的相关技术,采用具有生物活性的化学小分子配体作为探针,研究与人类疾病密切相关的基因、蛋白质的生物功能,同时为新药开发提供具有高亲和性的药物先导化合物。
所谓化学基因组学药物发现模式，就是首先通过功能基因组研究，从细胞和分子层次弄清疾病发生的机制与防治机理，发现并确证药物作用的靶标，然后有目的的寻找药物。化学基因组学药物发现模式的一般程序包括靶点发现、组合化学合成、高通量筛选等。
二、 化学基因组学药物发现模式的关键过程及其优势
1． 靶点发现与药物设计
寻找药物靶点是新药开发的第一步。人类基因计划的研究结果为揭示人类疾病机理提供了大量的信息,这些与疾病相关的基因或者蛋白质都可以作为潜在的药物靶点。利用基因与蛋白质的对应关系，分析蛋白的功能，明确其对应于何种疾病；并对蛋白质进行纯化、结晶，利用X晶体衍射技术，确定蛋白的结构，从而寻找到药物作用的靶点。
目前的一些基因组学技术为药物最佳的靶标的确认提供了机遇。这些技术可以分为:致病蛋白质确认的综合技术(global strategy) 和致病蛋白质部分表征的靶标专一技术(target – specific strategy) 。前者着眼于药物靶标的确认和序列分析方面,包括计算机同源校准,差示基因表达分析,整体蛋白组分析;后者则对基因功能给出合理的阐释,包括基因敲除(gene knockout) ,反义mRNA 和核酶抑制以及计算机模拟对基因产物结构和功能的预测。在疾病细胞或动物模型的活性检测及临床研究中可以进一步了解靶点与疾病间的关系,实现对靶基因或蛋白质的功能分析,从分子水平上揭示疾病机理及其治疗机制。
在靶标生物大分子的功能被阐明,三维结构被测定后,药物分子的设计就可以开始了。随着计算机科学的发展，出现了功能先进的图形工作站，使得许多药物分子设计的新方法快速发展。20世纪90年代，药物分子设计已成为一种实用化的工具介入到了药物研究的各个环节，并已成为创新药物研究的核心技术这一。据统计，由于分子模拟和计算机辅助药物设计的介入，使得药物研发的周期缩短了0.9年。
药物设计方法可分成两类：基于小分子的药物设计（LBDD）和基于受体的生物大分子结构的药物设计（SBDD）。LBDD主要根据现有药物的结构、理化性质与活性关系的分析，建立定量构效关系或药效基团模型，预测新化合物的活性；SBDD根据受体生物大分子（蛋白质、核酸等）的三维结构（晶体结构、核磁共振结构、低温电镜结构或计算机模拟结构），用理论计算和分子模拟方法建立小分子-受体复合物的三维结构，预测小分子-受体的相互作用，在此基础上设计与受体结合互补的新分子。
2． 组合化学合成
组合化学(combinatorial chemistry)最初是为了满足高通量筛选技术对大量的新化合物库的需求而产生的。它为高通量筛选提供了物质基础,扩大了药物筛选的范围,适应了化学基因组学快速筛选的要求。组合化学可以通过可靠的化学反应系统合成大量的有机分子。根据同一种受体大分子的三维结构可设计出不同的先导化合物,每一个先导化合物可以作为一种母核( scaffold) ,然后对母核进行结构改造,用不同的基团和分子碎片由母核的不同部位向受体的不同方位“延伸”,这样可得到不同的化合物。在药物筛选过程中,不同分子结构的样品库,可用于不同疾病、不同模型的筛选。
组合合成在药物发现方面应用最早的一个例子是在由Lilly研究实验室发表的一篇文章中描述的肽库合成。之后，又用于开发HIV蛋白酶的潜在五肽抑制剂。除了肽库的合成，组合化学在其他化合物库的合成上也取得了很大的进步。到目前为止，组合化学在发展了十余年后，最大的贡献是提供了一套全新的研究思维模式，即组合模式。组合化学的根本是如何从多样性的化学库中将最期望得到的分子筛选出来。
组合化学库的合成通常使用固相化学技术。固相合成技术包括4个部分：（1）固定相；（2）连接基团；（3）活性官能团的选择性保护和脱保护策略；（4）化学反应及条件优化。另外除了使用固相化学合成之外，组合化学有时候也采用液相法。有过有合适的化学条件，如产率很高或通过简单的液液萃取就可以获得产物，液相化合物库合成也是极其合适的。
组合化学和与之相适应的筛选方法高通量筛选技术的有机结合,促进了新药开发领域的发展,已经成为新药发现和开发过程中的核心技术。尤其是小分子化合物库的引入更是让组合化学在药物发现的领域更加具有现实意义。
3． 高通量筛选
高通量筛选(HTS) 是20 世纪后期发展起来的一项新技术,具有快速、微量、高特异性、高灵敏度、高度自动化和充分利用药用资源的特点，常和组合化学联合使用。HTS 是化学基因组学技术平台的关键技术,为药物发现提供了新的途径,提高了药物筛选速度。例如利用功能超高通量筛选(uHTS) 鉴定出的肾上腺素G蛋白偶联受(GPCR) 靶标的先导化合物的化学空间物理常数,与MDL 药物数据库(MDDR) 中调节同一靶标的已知化合物的参数进行比较,显示新的先导化合物在化学空间上与以往的调节剂有所不同,同时显示新的靶标作用,它给出了药物发现和靶标确证的唯一可选择的先导化合物结构。
高通量药物筛选所采用的是细胞水平和分子水平的筛选模型,由这些模型所筛选出来的结果,要根据具体情况加以分析,而且需要采用必要的其他试验方法加以验证：
（1）样品与靶点的相互作用。药物的治疗作用,多数是由于药物与机体内生物大分子特定位点(靶点) 相结合而产生的。药物与靶点相互作用,达到相互间结合,根据分子间相互作用的原理建立筛选模型,可以筛选出的与特定靶点具有亲和力的样品。
（2）对酶活性的影响。在以酶抑制药为筛选目标进行筛选时,根据分子间相互作用原理筛选具有亲和力的化合物,也可以根据酶活性作为检测指标筛选影响酶活性的化合物。采用酶活性(观察反应底物的减少或产物的增加) 作为观察指标,可直接说明药物的作用,这种筛选模型在高通量筛选中被广泛采用。
（3）对细胞的作用。以整体细胞作为药物作用的对象,观察被筛选样品对整体细胞的影响。这种作用方式可能是通过某一具体的靶点,也可能是作用于多靶点,其产生的效应是在整体细胞条件下获得的,可以反映整体细胞对药物作用的反应。
采用高通量筛选方法发现和开发药物一般有如下几个步骤：
（1）初筛和复筛。初筛以后,选择具有活性的化合物,采用系列浓度,进行同一模型的复筛,阐明其对该靶点的作用特点、作用强度和量效关系,由此发现活性化合物(样品) 。
（2）深入筛选。在初筛和复筛的基础上,将得到的样品,采用与初筛不同但相关的分子、细胞模型作进一步的筛选,包括证明样品的选择性、细胞毒性,以及其他性质。
（3）确证筛选。对深入筛选获得的先导化合物或优化后被选定的活性最好的化合物进行更深入广泛的研究,包括药理作用、药物代谢过程、一般毒性等多方面的筛选,以确定其开发前景。将符合要求的样品确定为药物候选化合物,进入开发研究程序,即临床前研究,为临床研究准备必要的资料。
三、总结
化学基因组学药物发现模式作为一种药物发现的新方法，结合了组合化学、高通量筛选、计算机辅助药物设计、蛋白质组学等等技术，加快药物发现的速度。另外，化学基因组学作为一种新的药物研发模式,在小分子药物研究中有独特的优势,促进了小分子药物的开发进程。而药物发现作为药物研究的第一步，它的效率提高，使整个医药水平、制药工业的发展上了一个新的台阶。
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