第五章 药物筛选方法学概论
第一节 药物筛选概况
一、药物筛选定义
药物筛选：是对可能作为药用的物质进行初步药理活性的检测和试验，以求发现其药用价值和临床用途，为新药研究和开发提供最初始的依据和资料。成功的筛选能够缩短创新药物研究与开发的周期、降低成本、减少风险和提高效率。 虽然偶然发现的药物在药物研究中具有一定的作用，但过程是不可控的，因而不可能成为发现药物的主要途径。新药的发现，必须依赖主动寻的过程，或称为广义的药物筛选过程。 二、药物筛选形式
（一）定向筛选
即采用特定的方法，专门筛选防治某种疾病的药物。这种方法是现代医学研究过程中长期使用的方法，并在药学研究中取得了巨大的成就，如心血管疾病的药物、抗肿瘤药物等。定向筛选对于发现某一类型的药物行之有效，但对于被筛选的物质来讲，却不能全面反映出内在的作用，因此理想的方法是在定向筛选的同时能够实现一药多筛，从多方面发现这些物质的作用。
（二）对特定样品的筛选
其特点在于利用已有信息，在特定的样品范围内进行筛选。例如抗生素类药物的筛选，筛选多种细菌产物的抗菌活性，从而发现了大量新的抗生素。对中药的研究也是采取这种方法，根据中药已有的相关信息，筛选特定中药的有效成分。这种方式具有较高的成功率，但被筛选的范围受到限制，忽略了广泛的资源，样品间对比的范围较小，易造成对低效样品的高投入研究，特别是信息资料不可靠时可能产生误导。
（三）比较筛选
根据对现有药物的认识，以确定的模型进行筛选，由此发现同类型而作用更好的新药物， 其中包括“me－too”药。可利用的药物信息包括药物作用机制、药物代谢过程以及病理机制等。例如根据甾体激素类药物的结构，到了大量抗炎药物；根据阿片类镇痛作用原理，发现了新的镇痛药物等。
（四）随机筛选
是对可能作为药用的样品进行药理活性的广泛筛选。这种筛选方法是新药发现的最基本方式，也是在医药发展过程中人们一直进行的方式。特点是能够发现全新的药物，但成功率不可预测。要保证药物随机筛选的成功率，就必须有足够的被筛选样品量和广泛的药物作用筛选方法。
（五）计算机筛选
计算机筛选实际上是根据药理学、药物化学、计算机科学等多学科的知识和理论，应用计算机和相关软件作为工具进行的化合物活性预测，最常用的方法是建立在药物与作用靶点相结合的理论基础上，采用计算机模型进行对接的方法选择具有可能相互作用的化合物结构。
（六）高通量筛选
高通量筛选是20世纪末发展起来的药物筛选新技术体系，已经成为主动寻药物的重要技术手段，受到药物研究和开发者的极大重视。
三、发展历程
从神农尝百草到动物试验，再到现代药物筛选，人类在认识药物过程中，从无意识的偶然发现到主动筛选，历时千年，近代科学技术的发展，使药物发现进入了空前繁荣时代，药物筛选作为现代药物研究开发的重要内容仅有几十年的历史，但药物发现数量却超过了以往的总和。
神农尝百草使人类从无意识自然药物发现，发展到有意识的主动药物发现历程，实现了人类药物研究的第一次飞跃。
实验动物的应用，使人类药物研究产生了又一次飞跃。人类靠自身试验进行药物筛选，受到多种因素的限制，特别是不良反应，用人体筛选药物风险巨大。因此，使用动物进行药物筛选被人们所采用，古代文献中就有用动物进行药物毒性观察的大量记载。但人类有目
的、有计划地应用动物进行药物筛选，是现代医学发展的结果。直到20世纪70年代中期，动物试验一直是药物筛选的基本方法。但由于动物试验需要时间长、劳动强度大、操作技术要求高、受试样品需要量大（约5g）等因素的限制，因而发展缓慢，未能进行大规模筛选。
现代药物筛选，使人类药物研究进入了高速发展的繁荣时代。现代科学发展为高效率地进行药物筛选提供技术条件。20世纪70年代中期，同位素标记方法的建立，特别是邻近闪烁分析法（Scintillation Proximity Assay，SPA）的应用，使药物筛选技术有了极大提高。为了避免同位素筛选带来的环境放射性污染，近年又发展了用于高通量筛选的紫外，荧光和发光检测法。20世纪80年代中期，实验室自动化工作站的应用，使药物筛选工作的工作强度、实验成本和样品需要量降低（<10mg）。随着对药物作用机制的深入认识，酶和受体与疾病的关系不断阐明，为建立高特异性的筛选模型奠定了基础，促使药物筛选由整体动物试验为主转变为体外试验为主，形成了高通量药物筛选（HTS， High Throughput Screening）模式，使大规模高效率的药物筛选工作在世界范围内广泛开展起来。
四、药物筛选模型分类及研究进展
（一）整体动物模型及进展
在药物的研究中，传统的动物模型仍然是重要的评价依据。单纯从新药筛选的角度看，整体动物模型的最大优点是可以从整体水平客观反映药物的作用、不良反应等。从整体实验中获得的筛选结果，对预测样品的临床价值和应用前景十分重要。但整体动物的特点决定了药物筛选的过程主要依赖于手工操作，样品需要量大，只能对有限样品进行筛选，在效率与成本方面有明显不足。
这一领域的研究进展主要表现在制备人类疾病动物模型方面。出现了一些新的动物模型：遗传性动物模型，如高血压大鼠、糖尿病大鼠、小鼠、肥胖型小鼠、心肌病大鼠等；转基因动物模型，如老年痴呆、红斑狼疮等；异体移植肿瘤小鼠模型等。
（二）组织器官水平的筛选模型及进展
现代医学和现代药理学的发展，采用动物的组织、器官制备的药物筛选模型越来越多，如离体血管实验、离体心脏灌流实验、组织培养实验等。通过观察药物对组织或器官的作用，分析药物作用及作用机制。组织、器官水平的筛选模型可以反映生理条件下的药物作
用，也可以制备成病理模型，这一筛选方式在一定程度上弥补了整体动物模型的不足：第一减少了样品需求量。一般整体动物对样品的需求量约为1～5g，组织、器官水平的离体筛选约为整体的1/10；第二，降低了劳动强度、研究成本，提高了筛选效率；第三，减少影响药物作用的因素，有利于药物作用机制的研究。
尽管目前药物筛选模型集中在分子细胞水平和转基因动物方面，近年来组织器官水平的筛选模型也取得了很大的进步，主要进展为测定方法的改进和结果处理自动化。
（三）细胞、微生物水平的筛选模型及进展
细胞水平的筛选模型可以应用到各种人类疾病的研究和药物的筛选中，由于细胞的生长条件和来源较实验动物更经济方便，细胞水平的筛选模型可以进行大规模药物筛选，是高通量药物筛选的重要研究领域。这一水平的筛选模型是通过体外培养的方式，观察样品对细胞或微生物的作用，获得可能作为药品进一步研究的信息。与组织器官水平筛选模型相比：第一，扩大了筛选谱，目前筛选细胞模型包括：正常细胞如脑细胞、心肌细胞等，病理细胞如肿瘤细胞等，基因敲出细胞、病毒感染细胞等。微生物模型包括细菌、真菌等；第二，弥补了离体组织器官体外活力保存时间不长、可供研究的目标疾病谱过少的不
足，且操作更简便，易于实现自动化。细胞水平筛选模型的最大优势是能够反映内外环境综合因素引起的整个细胞变化，更易于评价药物的作用和药用价值，其不足之处在于不能像分子水平筛选模型那样准备地反映药物作用的机制。
随着生命科学和生物工程技术的迅猛发展，生物膜技术不断成熟并进入药物筛选领域。若将活性组织细胞膜固定在特定载体表面，制备成细胞膜固定相，用液相谱的方法研究药物和化合物与固定相上细胞膜及膜受体的相互作用则构成细胞膜谱法。
细胞生物学的发展使更多的细胞可用于筛选，除正常细胞外，转基因细胞、基因敲出细胞、病理细胞更多的被用于药物筛选。例如，可用RNAi技术制备P53基因缺失肿瘤细胞，用于抗肿瘤药物筛选及机制研究。
（四）生化水平的筛选模型进展
如建立体外氧自由生成体系，观察样品对氧自由基的清除能力，获得潜在的可保护细胞损伤的药物；建立体外非酶糖基化生成体系，观察样品对非酶糖基化的抑制作用，获得潜在的抗糖尿病并发症药物。这一筛选模型的优点是，药物作用机制明确，筛选效率高。
（五）分子水平的筛选模型及进展
以酶、受体、离子通道及基因表达调控为靶点，观察样品的作用，属于分子筛选模型。这一模型最大的优点是，作用机制明确、操作简单、检测灵敏度高、等，可实现规模化筛选。但筛得的化合物在后续药物评价中，被淘汰的概率大，所以仅靠分子水平模型评价药物作用，也存在明显不足。
分子水平药物筛选进展表现为以下新技术的研究进展：
1．受体技术的进展
受体学说的阐明，为药物筛选提供了可靠的方法，利用放射性结合法，可在一天之内得到数百个样品的筛选结果，也可以获得同一个样品对不同受体的结合力资料。尤其是人类基因组计划的实施，新的受体及其亚型被不断发现，国际上一些大制药公司竞相开展以纯化受体、克隆受体、重组受体为目标靶点的药物筛选工作。重组受体是近年来发展起来的一项技术，与传统的制备方法相比，用重组受体技术制备的受体具有纯度高、制备量大、成本低、试验结果与人体试验的结果直接相关等优点。依据目前已得到的人类基因组信息，
越来越多的与疾病相关的特异受体亚型被识别和克隆，成为作用更专一的药物作用靶点。但纯化受体、克隆受体虽然实现了受体与配体特异性结合，却破坏了受体发挥生物活性的周围环境，而且受体类型单一。事实上，除少数疾病的发病原因与单一靶点有密切关系外，多数疾病都与多靶点有关系。
细胞芯片2．生物芯片技术进展
生物芯片技术是近来发展的新技术，是分子生物学与微电子技术相结合的DNA分析检测技术，能在微小的芯片上获得大量生物活性数据。基因是遗传信息的载体，药物通过不同的作用靶点作用于组织细胞，直接或间接地影响细胞内基因表达。基因水平的药物筛选模型，可以从更深入的层次评价药物的作用，从而为许多疑难病症提供新的途径和方法，是新药筛选方法上的革命，其特点是高通量、微型化和自动化。目前，国外几乎所有大公司都不同程度地采用了生物芯片技术。应用生物芯片寻药物靶标，考察药物的毒副作用，具有广阔的应用前景。
用于药物筛选的基因芯片主要是DNA Microarray表达谱基因芯片，通过对用药前后两组样品进行表达谱基因芯片检测，就可以反映出该药物作用后相应组织或细胞中基因表达谱的
变化，从而揭示药物作用的靶基因。利用基因芯片进行药物筛选，可以省略大量的动物试验，能够大大缩短药物筛选的时间和成本。基因芯片技术虽有诸多优点，但要成为实验室或临床可以普遍采用的技术目前尚有一些关键问题亟待解决。如何提高芯片的特异性，简化样本制备和标记操作程序，增加信号检测的灵敏度和高度集成化样本的制备，基因扩增，核酸标记及检测仪器。
3．生物信息学在药物筛选中的应用
生物信息学技术在药物筛选中的应用不仅在于发展新的药物作用靶点和建立新的筛选模型，而且在筛选结果的分析、药物作用的评价以及药物作用机制的研究等方面，都显示出明显的优势。生物信息学可以通过对基因和蛋白质的研究，提供更多的信息，使分析结果更符合实际，随着高通量药物筛选技术的发展和芯片技术的应用，更需要生物信息学技术的参与和支持。
在进行药物靶点研究的同时，应用生物信息学技术和计算机辅助设计技术相结合，开辟了新的药物发现途径。在生物信息学研究的基础上，利用获得的蛋白质结构和功能信息，用计算机模拟的方式直接进行药物筛选，加快了药物发现的速度。
此外，应用生物信息学技术可研究个体之间基因表达差异、预测药物的体内过程、分析药物不良反应相关的基因因素，达到预测药物不良反应的目的。
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