1、产业前沿药物筛选技术的研究与一 张琪江苏省药物研究所摘要：药物筛选技术在药物研发过程中起着举足轻重的作用。通过时近来药物筛选新技术的研究，阐述了高通量药物筛选(盯s)技术和高内涵药物筛选(cs)技术酌概念、原理及其各个组成部分筛选模式厦检测方法，并着重归纳了其在国内外及江苏省的研究现状。关键词：药物筛选，高通量药物；高内涵药物：综述新药筛选技术HTs和Hcs药物筛选是通过规范化的实骑手段埘町能作为药用的物质进行初步药理衙性的检测和试验以求发现其药用价f卣和临床用途，为发展新药提供最初始的依据和资料。它是现代药物开发流程(见图1)中榆骑和获舣具有特定生理活性化台物的个步骤，在药物开发过稗中起着至
2、关重要的作用。嚷筛选工作在世界范围内r泛开展起来h。而在90年代后期问世的高内涵药物筛选(Hcs)技术，解决了药物发现过程中出现的瓶颈问题，将新药筛选技术推向了新的高点。l-高通量药物筛选Hrs是在传统的筛选技术基石11上，应用药理学、生物化学、分子生物学及细胞牛物学、讣算机科学、药物化学、组囤1现代药物开发流程传统的药物筛选主要是采用药理学的实验方法，通过体内、体外的多种实验，评价药用样品的药理活件。而传统的药坪实验方法存托着样品和实验动物消耗量大，劳动强度大等缺点，不能适应大量样品的同时筛选。近年来，随着H胞生物学、分子药理学、生物化学及病理学等学科的发摧，特别是80年代中朗，丈验室自动化
3、_：|：=作站的麻削及对药物作用机制的深人认识，酶和受体与疾病的关系不断被阐明，促使药物筛选由整体动物实验为主转变为体外实验为土，形战了高通量药物筛选(Hrs)的模式，使大规模高效率的药物Augu”捌合化学等多个学科知识的一种药物筛选体系在药物的筛选过程中具有高娥、快速、微量等特点“。(1)HTs体系的定义，就是以分子钏胞水平的实验方法为基础以微型板为实验工具载体以自动化操作系统执行实验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验数据，以计算机对实验获得的数据进f r分析处理，同时对数以万计的样品进行检测。(2)HTs体系由5部分组成：化合物样品；分子细胞水甲的特异性体外体内筛选模型；高灵敏度榆测系统；
4、自动化操作系统；数捌库管理系统。化合物样品主要有人工合成和从天然产物中分离纯化两个来源。天然产物中分离出的化合物，母核结构和活性基团是长期自然选择形成的，所表现出8来的生物活性具有人工龠成化合物多不能比拟的优势。与此l司时，组合化学和组舟化台物库的应用就是为了适应HTs而发展起来的新兴领硎。理论上，组合化学每年可以提供数十万或更多新化台物。分子水甲的药物筛选模型是HTs中使用最多的模型。根据生物分子的类型，分于水平的药物筛选模型主耍分为受体、酶、通道、基因和其他类型的模型，其特点是药物作用靶标明确，应用这些模犁可以直接得到药物作用机理的信息。细胞水平药物筛选模型是观察被筛样品对缅胞的作用，但不
5、能反映药物作用的具体途径和靶标，只能反映m药物对细胞生长等过程的综合作用。其模型是拟设计药物作用的靶细胞，应用细胞培养技术获得所需纵胞，将这些细胞傧选化台物相互作用，从而对化合物进行筛选。，高灵敏度检测系统、自动化操作系统及数据库管理系统都对大量化合物进行怏速、高效、低成本、微量化的筛选起着至关重耍的作用。放射性检测方法的建立，特别是spA检测方法的应用，使在96孔板上进行的小样本量实验得到发展，促进了HTs的实现。荧光检测法(FLIPR)的出现实现了缃胞内钙离子流、膜电位及细胞内pH的测定H1；万方数据同时，实验室自动化丁作站的建立可以自动连续地完成试验的基本操作，如加样、稀释、转移、混合、
6、洗板、温孵等。并日在|式黔操作完成后，自动进行必耍的检测并自动采集储存数据，完成整个试验过程。数据库管理系统的引入，使得HTs过程中的样品信息、活性数据等得到良好的管理和应用。2高内涵药物筛选目前，HTs技术已经使聚用适当的药物作用靶点对利用天然产物和组合化学生成的大量化合物样品进行筛选成为现实。然而，传统的针对单一靶点的研究方法无法全面反映被筛样品的生物活性特征和保证细胞的完整性，已难以适应些多基因疾病陂口肿瘤、神经退行降疾病、代谢陆疾病)和病毒感染等相关治疗药物的研究。而Hcs技术的创立使得人们从瘐病相关基因调控通路和网络水平上研究药物的作用机制、代谢途径和潜在霉性等，也使在细胞水平全面评
7、价活性化合物的成药性成为可钳。(1)Hcs体系的定义是指在保持细胞结构和功能完整性的前提下，同时检测被筛样品对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导各个环节的影响，在单一实验中获取大量与基因、蛋白及其他细胞成分相关的信息，确定其生物活性和潜在毒幽拘过剩“。(2)Hcs体系的组成实际上是样品制备、自动化分析设备、数据处理软件、配套检测试剂、信息学等多方面技术整合的结果，特别是电子荧光显微镜和荧光试剂对ics方法的建立起到重要作用。荧光显撇系统的应片j解决了普通显徽镜对许多化合物引起细胞器形态和分子分布方面相对做弱的改变难以观察的问题。同时与荧光蛋白试剂配套使用，在对固定细胞或活细胞
8、的动态分析都显Ji出高度特异性和敏感性，成为检测这些变化的理想选择。自动化荧光图像获服系统可快速并精确地移动细胞培养板或载玻片，自由转换各种波长的激光及散射德光片以满足多种研究需要。另外，新型软件的出现使Hcs操作简单化和自动化，可用于分析单个和群体细胞水平的多种特征，追踪分析多种细胞变化过程包括信号分孑转位、受体内源化、钙离子化、酶活化、纲胞嗣亡、细胞周期以厦神经突生长等，获取有意义的生物信息并转变为药物与细胞相互作用的全面认识，加速新药的研发。药物筛选技术的应用及研究现状1国内外药物筛选技术的应用研究现状HTs是20世纪80年代中期产生的，是为寻找先导物，对大量样品进行药理活性评价分析的一
9、种技术手段。HTs自提出之U起就显示了强大的生命力，近10年来的发展更确定了其无可比拟的优势。西方国家的大制药公司纷纷投入巨资研究和开发H鹳技术，并和用它进行日常筛选。比如Ym一”等通过在心律失常发生发展中具有关键作用的离子通道靶点的研究，提出r具有良好理论和试验基础的抗心律失常靶点假说；用于筛选炭瘟致死因子抑制剂；应用报告基因检测和3 D QsAR分析方法高通量筛选蜕皮激素特效药。HTs技术为寻找一些治疗严重疾病的药物开辟r新路，例如其在型糖尿病药物筛选中的应用就是典型例-止。在此基础上，随着生物芯片等生物科技的g人，使得HTs技术逐步向超高通最药物筛选发展。Hcs技术的问世揭开了药物筛选研
10、究新的页，使得人们从疾病相关基因词控通路和网络水平上研究药物的作用机制、代谢途径和潜在毒性等，也使在细胞水平全而评价活肚化合物的9产业前沿成药性成为可能。作为药物筛选技术发展前沿的Hcs已在新药研究的多个方面开始应用，并且随着其操作系统和应用r具的不断升发，成为基于细胞的药物筛选靶点优化、一次筛选、先导化合物的确立以及药物结构与功能关系研究的重要技术手段。Hcs技术在细胞生长、细胞与细胞嚣形志学变化、信号传导通路和细胞毒性等研究中的应用，进步体现了它在实际应用中的巨大潜力o”。目前，幽外许多制药企业对Hcs表现出浓厚的兴趣，全球约有100多家医药公司和科研机构启动了这领域的研究项目。20n4年
11、9月，我国国家新药筛选中心暨依托单位中幽科学院上海药物研究所与美国cdlos公司签署战略合作协议，共同建设具有世界先进水平的Hcs技术平台+标占着国内首个、=i【!洲第田个Hcs技术平在上海张江“药符”启用，也表明我国药物筛选技术已逐步与国际接轨。2，江苏省药物筛选技术水平及其与国内外同类技术的比较汀苏省于20I)o年由省科技厅批准建立了“江苏省新药筛选中心”(以下简称中心)。中心成立以来，通过吸收国内外的先进成果，建立，一定规模的化台物样品库，消化了荧光偏振、荧光偏振能量转移、亲和液相闪烁、加样自动化等技术，建立了20个高通量筛选模型。在不断改进传统筛选模型的同时，引进虚拟筛选、高通量筛选等
12、技术手段。到目前为止，在国内已建立的数百个高通量筛选模型中，巾心有14个基于重大疾病新靶点建立的HTs模型为国内首创。此外，中心在天然药物研究手殷上率先引进基因芯片技爪，实现了药物作用多靶点的同步研究，国内酋创的“寡棱苷酸中药筛选系统”将巾药作用的多靶点、多层次与基因，出片技术结合起来，拓展_中药、天然药的药理研Augus，2。7 万方数据产业前沿究领域。中心正在将Hcs、“适时均相荧光”检测技术、“酵母表面展示”技术、神经干葺H胞及肿瘤干细胞技术用于新药筛选。目前，“江苏省新药筛选中心”是江苏省唯专职从事药物筛选并对外服务的平台。省内一些医药院校和综合性大学的相关部门也具有一定的筛选能力(如
13、南京医科大学的海洋中心)也在)r展相关的药物筛选工作，一些科研实力较强的氽业(如先声药业)也建立了自己的药物筛选部门，但这些主要是对内服务，筛选的面相对较窄。总体而言，当前江苏新药筛选的技术水平与国内的先进7K平相比，存在着相当的差距。主要肯以下几个方面问题。(1)化合物样品库建设。对新药筛选而言，大颦的化合物样品库建设是必不可少的基础工程。尽管已经建成了初具规模的化合物样品库，但化台物样品还有待于进一步丰富，尤其是急需建设生物信息学数据库。(2)HTs技术的进一步发展。HTs是药物筛选发展的必然方向，虽然中心目前实现r|几种模型的高通量转化，但仍有众多的模型有待改进。此外，为提高筛选的阳性率
14、，进一步降低0帝选成本，还需要利用整合信息开展化合物样品的虚拟筛选研究工作。(3)Hcs技术的起步。Hcs是目前新药筛选的主流技术，上海张江的国家新药筛选中心是国内首家启用高内涵药物筛选技术的研究单位，2004年就开始启动了相关研究，在Hcs技术的研究应用上已具有对外月务的能力。Hcs技术对仪器的要求较高，江苏省筛选中心山于缺乏相应的仪器设备和良好的技术储备仅能往个别项目上与外单位丌展合作，在Hcs技术的研究应用上已经远远落后于同家新药筛选中心。(4)资令投入与人才的储备。新药筛选是新药研发的源头，其重要性勿庸Au。u日27质疑，但在实际运行中，它存在着投人大、周期长、见效慢、不易出成果等问题
15、。同家及海市科委每年以批准项H的形式对上海张；_=的国家新药筛选中心进行大笔资助，以此来更新设备，吸引优秀人才。但在江苏，因条件所限，设备老化、人才短缺的矛雷日益凸显。3药物筛选技术的前帚与展望就当前新药筛选的两大技术向言，HTs技术研究在国内外已比较成熟，并耳耳导到了广泛应用。但惠用Hrs发现创新药物也存在一蝮问题，如体外模型的筛选结果与整体药理作用的关系，对HTs模型的评价标准，筛选模型的新颖性和实用性的统一以及新的药物作F日靶点的研究和发现等仍然是目前药物筛选领域研究的重要课题。Hcs技术虽尚处于发展初期，但它的巨大潜力和在新药研发领域将要占据的地位不容小视。随着现代科学技术的发展，Hc
16、s还将被不断完善与发展，尤其是在荧光检测、Hcs筛选试剂、多功能多参数0芾选方法以及与之匹配的软件开发应用等方面都有望在近年内获得长足进展。在国家倡导创新的的理念卜，创新药物的研发受到了前所术有的重视，而新药筛选就是为创新药物服务的技术平台。但由丁创新药漫长的研发周期和巨大的投入成本，对国内大多数医药论、【k而言，大规模地研发新药依然存在着很人的难度。国内所有对外服务的新药筛选中心电都普遍存在着新药筛选量不足，靠业务量无法维持运行的尴尬状况。所以国家级中心在国家的资助下，利用先进的设备和本土的价格优势，开始承接国外的业务以维持运转。而对于缺少国家或地方大额资助的地方筛选中心，就只篚靠其他业务资
17、余来补贴，这样必然会导致实验技术的落后，并南此造成恶性循环。幽而对江苏省乃至垒围来说，如何对新药筛选中心进行合理10定位和资金支持都是值得深入探讨的。参考文献11 JR A工land Ku岫D。u出s s aark111曲一thm”血P“t姘119 ofbtal皿一1”3“h。anomm d”g dl。v【J c一oplnlon 1n Chcl Blolo盯，2006，(2)：162 168l 2 JAG 6一H洲，M P A州lk一c小hModenl a【1a】ytlcdlPpl011lrthmllghp“t dgms。叮lJ J Trclhn也mA一坤ncd hen山w，2007，26(3
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21、82(编辑王退)万方数据药物筛选技术的研究与应用作者： 张琪作者单位： 江苏省药物研究所刊名： 江苏科技信息英文刊名： JIANGSU SCIENCE Douglas S Clark High-throughput screening of biocatalytic activity:applications indrug discovery外文期刊 2006(02)2.A G mez-Hens;M P Aguilar-Caballos Modern analytical approaches to high-throughput drug discovery外文期刊 2007(03)3.Sh
22、erida L;Johnson;Li-Hsing Chen A high-throughput screening approachto anthrax lethal factorinhibition 20074.Craig E Wheelock;Yoshiaki Nakagawa;Toshiyuki Harada High-throughput screening of ecdysone agonistsusing a reporter gene assay followed by 3-D QSAR analysis of the molting hormonal activity外文期刊2
23、006(4)5.Ramakrishna Seethala;Rajasree Golla;Zhengping Ma A rapid,homogeneous,fluorescence polarizationbinding assay for peroxisome proliferator-activated receptors alpha and gamma using a fluorescein-tagged dual PPAR/ activator 20076.Sarah F Martin;Neil Hattersley;Ifor D W Samuel A Xuorescence-reson
24、ance-energytransfer-basedprotease activity assay and its use to monitor paralog-speciWc small ubiquitin-like modiWerprocessing 20077.Oliver Rausch High content cellular screening外文期刊 2006(04)8.Michael Wolff;Joerg Wiedenmann;G Ulrich Nienhaus Novel fluorescent proteins for high-contentscreening外文期刊 2
25、006(23-24)9.Oliver Rausch High content cellular screening外文期刊 2006(4)10.A Gomez-Hens;M P Aguilar-Caballos Modern analytical approaches tohigh-throughput drug discovery外文期刊 2007(03)本文读者也读过(10条)1. 张莉.杜冠华.ZHANG Li.DU Guan-hua 高内涵药物筛选方法的研究及应用期刊论文-药学学报2005,40(6)2. 吕秋军.徐天昊.吴祖泽 药物筛选技术的研究进展期刊论文-国外医学(药学分册)20
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