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药物筛选技术的最新进展_高内涵筛选

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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net药物筛选技术的最新进展—高内涵筛

选

孙婉李敏北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室北京

摘要化合物活性筛选是创新药物研究过程的起点和具有决定意义的关健步骤墓于细胞的高内涵药物

筛选技术实现了对化合物多靶点多参数的同时检测代表着创新药物研究技术发展的必然趋势将在未来的新药研发过程中发挥重要作用笔者介绍了高内涵筛选技术的概念系统组成分析了其优势特点并简要讨论了其在

新药研究尤其是抗肿瘤药物研究中的实际应用【关健词药物筛选创新药物高内涵筛选活性化合物

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〔创新药物的发现离不开采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目前高通量药物筛选

技术已经使采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新药研究领域目前仍面临许多严峻的挑战传统的针对单一靶点的研究方法已难以适应一些多基因疾病如肿瘤神经退行性疾病代谢性疾病和病毒

感染等相关治疗药物的研究而高内涵筛

选

技术的创立使得人们从疾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毒性等也使在细胞水平全面评价活性化合物的成药性成为可能〔”现对的概念系统组成在药物筛选中的优势及其应用进行简要综述的概念年美国公司成功开发出首个技术平台该技术的间世揭开了药物筛选研究崭新的一页’〕而后国外其他一些公司也相继开发出同类产品加人了技术的研究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性的过程同时也是一种应用高分辨率的荧光数码影像系统旨在获得被筛样品对细胞产生的多维立体和实时快速的生物效应信息在细胞水平上检测多个指标的多元化功能性筛选技术平台〔’

的优势通过与目前广泛使用的技术进行比较

基金项目国家高技术研究发展计划—新药筛选及关键技术研究一一© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

‘的优势可从多方面体现相比传统的药理学实验方法以其快速高特异性高灵敏度的特点在短短数年内就受到国际药物研究机构的极大重视成为新药发现过程中的主要技术手段虽然其发现活性化合物的速度快但是其检测模型均建立在单个药物作用靶分子的基础上无法全面反映被筛样品的生物活性特征只得到有限的数据初筛得到的阳性结果需要进一步确认此外是针对单个靶点筛选量的极大提高取得了纵向上的突破而不仅在筛选量上超越了而且实现了对多个靶点的同时筛选拓展了检测范围即取得了纵向和横向上的双重突破更重要的是获取信息是以细胞为单位而不像是以微板孔为单位这就意味着研究者可以从细胞群体中的各种反应获取信息而不是像以前那样信息仅仅来源于一个微板孔中的所有细胞的平均反应这种获取多个终点包括单个和细胞群体的定量数据的能力全面加深了研究者对筛选中得到信息的理解这为过去劳动强度和难度均很大的细胞功能和作用机制研究提供了新颖的视角通过同步应用报告基因荧光标记酶学反应和细胞可视化等常规检测技术研究人员可以在新药研究的早期阶段获得活性化合物对细胞产生的多重效应的详细数据包括细胞毒性代谢调节和对其他靶点的非特异性作用等从而显著提高发现先导化合物的速率减少开发后期的失败率虽然作为一种在新药研发中应用的全新研究手段才仅仅几年但是国外业界人士一致评价是新药研发的具有重要意义的组成部分如果说高通量自动化测序技术对顺利完成人类基因组计划的贡献是革命性的那么在当今药物发现中将起到同样的关键作用系统的组成系统是一个从活细胞中提取信息并建立系统化认识细胞形态或分子变化的综合体系体系中各组成发挥不同的作用并联合起来共同完成全面的筛选工作主要包括以下几部分荧光显徽系统由于许多化合物只能引起在细胞形态细胞器形态和分子分布方面相对微弱的改变高分辨率荧光显微镜成为检测这些变化的理想选择该系统中细胞结合荧光标记物可反映出细胞生理条件上的变化并通过将光源引人到细胞内的荧光探针捕中国新药杂志年第卷第期

获到细胞变化的丰富图像信息自动化荧光圈像获取系统

在观察到荧光标记的细胞变化后高分辨率相机可用来拍摄图像自动化荧光图像

获取

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滤光片以满足多种研究需要同时使用激光共聚焦技术可以与多种培养

板匹配在较短时间内完成孔板或孔板样品分析另外还可增加温度控制系统以维持细胞活性也可增加自动加样系统以及白光系统等功能便

于灵活使用

检测仪器

观察并获取图像只是技术的第

一步为了

有效完成分析工作必须利用检测仪器从图像中提

取有价值的信息为了拓展检测的范围一些国外医药公司开发了应用工具来建立以变化终点检测

和

动态活细胞检测相结合为基础的分析方法例如美

国公司开发出的和等‘〕

圈像处理分析软件

随着的开发需要一种新型的软件使

操作简化和自动化有利于基于形态学和荧光标记的细胞特征和参数的测定例如公司开

发的软件它可以在适合的环境下将

图像数据转化为生物学信息能够处理多种来源的图像和数据包括来自荧光检测激光共聚焦扫描流式细胞检测以及其他仪器的图像与数据

结果分析和数据管理系统

上述应用软件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

分子转位受体内源化钙离子化酶活化细胞

凋

亡细胞周期以及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

速新药的研发数据管理系统用来储存和管理已获

取的图像和定量分析结果并能够将结果以显像图表和数字等多种形式在个体细胞和细胞群体的水平

输出便于研究者回顾和总结这些信息以辅助其作出决策

其他

除上述这些主要组成外生物信息学工具新型细胞株的研制和选择性试剂也是综合系统的组成部分而且在实验检测中同样发挥着重要作用基于上述组成的系统按照一定的工作流程可广泛应用于新药研究的不同方面见图一一© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

习肠以场选择靶点相关作用机制及待侧化合

物

工设计检侧或筛选方法

】选择检测方法试剂与应用软件模块工样品制备细胞培养药物及相关试剂的处理

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在单个细胞或群体细胞水平获得终点或动态检侧的荧光图像卜顾燕旗妞砚

药物与细胞相互作用的全面认识细胞生长细胞形态学学信号传导通路

细胞毒性其他

………

图系统工作流程的应用作为药物筛选技术发展前沿的已在新药

研究的多个方面开始应用并且随着操作系统

和应用工具的不断开发已成为基于细胞

的

药

物筛选靶点优化二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技术在实际应用中的巨大潜力已为研究者所认

同

下面将从细胞生长细胞与细胞器形态学变化信号

传导通路和细胞毒性等方面简述的应用

细胞生长有关细胞增殖的分析研究在药物研发过程中特别是在评价药物的药效与毒性方面意义重大药

物对有丝分裂细胞周期及其相关调节通路的影响

都可用技术进行检测有丝分裂有丝分裂指数是指在一个细胞

群体中经历分化过程的细胞比例可用于研究细胞

增殖过程中的每个生理或病理过程例如免疫应答炎症组织内环境稳定性与血管生成等细胞增殖包括多个复杂的亚细胞变化的精细调控过程但其

中个关键的有丝分裂现象很容易辨别即微管纺

锤丝的形成和染色体的浓缩利用识别核内组蛋白磷酸化抗原决定基的特异性抗体以及荧光标记的第

二抗体可辨认处在有丝分裂过程中的细胞有丝分裂指数可作为评价生长因子对细胞的刺激潜能以及药物抗增殖活性的指标之一不仅可用于识别增殖一一中国新药杂志年第卷第期细胞和筛选诱导或抑制有丝分裂过程的化合物同时也可作为一种诊断方法发现癌细胞研究表明以为检测仪的技术测定有丝分裂指数与荧光激活细胞分选的效果相同而且使用孔板并可检测猫附细胞使得样品制备过程更为简单困细胞周期以往对细胞周期的研究中由于处于有丝分裂和细胞是非荧光标记的所以分辨进入和期的细胞就很困难但采用系统的细胞增殖荧光检测方法通过引人不同的标记物处于周期中每一个位置的细胞均可得以分辨例如细胞周期标记细胞株稳定表达融合蛋白可示踪表达和降解动力学可以在非破坏性和线性条件下观察与定位活细胞所处的周期位置在相同细胞群中用几个不同的标记物同时进行分析也有助于发现特异的细胞周期不同时相的阻断剂调节通路细胞的增殖反应也会引起多个通路的激活应用新颖的细胞增殖分析方法可同时检测属于不同通路的生物标记物等建立了自动多参数分析法测定正常人体真皮成纤维细胞的体外增殖指数他们用胰岛素样生长因子血小板来源的生长因子表皮生长因子成纤维细胞生长因子或血清饥饿的测定抗原表达掺人和。磷酸化来定量检测增殖指数这一方法的突出优点在于每种增殖标记物可单独分析也可与其他标记物结合起来综合分析细胞形态学细胞运动细胞的运动特性影响细胞的很多生理和病理学过程包括癌细胞的侵袭与转移炎症血管形成创伤修复和胚胎发育等用直接测定迁移细胞产生的运动轨迹可分析细胞的运动能力实验在铺满标记荧光珠子的毯状结构上进行随着细胞移动它们会吞噬珠子并在所到之处留下动态轨迹故轨迹面积与细胞运动能力大小是成比例的细胞伸展性细胞识别并结合固定的配体进而吸附于组织特异性的底物上由于受体配体的相互作用细胞伸长变平这种细胞伸展的过程受细胞表面的猫附分子和细胞外基质的调节

系统检测细胞伸展性并不是测定细胞配体结合力的持久与否而是通过测定特异底物的吸附和伸展

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药筛名词解释整理

药筛名词解释整理

1、药物筛选（drug screening):从天然或合成的化合物中对可能作为药物的物质进行初步生物活性的检测和试验，从中筛选出高效的先导化合物，即具有进一步研究和开发前途的物质，然后对其分子进行结构改造或修饰，以研制出具有新型结构和更强药理作用的新药。

2、药物筛选模型（drug screening model):是用于证明某种物质具有某种药理活性的模型。

这些模型是寻找和发现药物至关重要的条件。

3、受体：能特异性识别生物活性物质和药物等配基物质，并与其结合引起效应的细胞成分，是存在于细胞膜上、胞浆或细胞核内的大分子蛋白质-糖蛋白或脂蛋白。

4、高通量筛选(High throughput screening，HTS)技术是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机对实验数据进行分析处理，同一时间对数以千万样品检测，并以相应的数据库支持整个体系运转的技术体系。

5、高内涵筛选（High Content Screening, HCS）技术是指在保持细胞结构和功能完整性的前提下，多通道、多靶点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、蛋白及其它细胞成分相关的信息，确定其生物活性和潜在毒性的过程。

6、脂水分配系数（lipid-water partition coefficient）P是药物在正辛醇（1-octanol）中和水中分配达到平衡时浓度之比值，即P＝C O /C W，常用log P 表示，log P＝ log（C O/C W）。

7、优势构象（preferential conformation）：理论上一个分子可以有无数构象式同时存在，但由于分子中较大基因（或原子）的立体障碍，一些构象需要克服的立体能垒大而存在的可能性较小，而以分子势能最低的构象存在的可能性最大。

创新药物亟待解决的问题

创新药物亟待解决的问题

3.2 创新药物研究亟待解决的问题围绕创新药物这一目标，我们亟须解决三大关键科学问题：1）提高先导化合物的成药性一个合格的新药必须满足药效、药代、安全性、稳定性和可控性等方面的严格要求，任何一方面达不到要求，均会导致研究的失败。

因此，药物研究的风险很高。

用传统方法大约筛选上万个化合物才能发现较好的活性化合物或先导化合物，但这样发现的先导化合物在后续的临床前和临床研究阶段，往往因为药物安全性和代谢动力学性质的缺陷而遭淘汰。

统计数据表明，临床前研究的化合物中仅有大约1/10能进入临床研究，而进入临床研究的化合物中仅有大约1/5能够进入市场。

通过首批“973”计划项目《重要疾病创新药物先导结构的发现与优化》的研究，我国在药物先导化合物发现与优化方面的能力有了很大的提高。

但是，所建立的研究技术和模型系统主要针对的是化合物对靶标作用的活性（即药效），而尚未能在药物研究早期充分考虑药代动力学性质及药物安全性等方面的要求。

先导化合物的发现与优化方法不能预测化合物的药代动力学性质及安全性，使得所发现的先导化合物在后续研究阶段的成功率不高。

提高先导化合物的成药性，是新药研究当前面临的一个关键问题。

今后应该发展基于致病基因调控途径和网络的药物研究模式，建立在药物先导化合物发现阶段同时预测和评价药物的药效、药代动力学性质和安全性等，以提高药物后期开发的成功率。

2）提高药物筛选的高效性目前的药物筛选方法存在着明显的缺陷，即输出信息主要为抑制或激活靶标的活性，得不到影响化合物药效的其他信息，如生物利用度、药代动力学性质和安全性等。

高内涵筛选(HCS)是近年来发展起来的新的筛选模式，可望有效地解决上述问题。

所谓HCS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相关信息，确定被测样品的生物活性、药代动力学性质和潜在毒性等。

HCS的基础是大规模细胞生物学和高分辨率的荧光数码影像技术，生物信息学、高性能计算、数理统计分析方法和最近发展的系统生物学方法在其中发挥了重要作用。

药物筛选完全手册

药物筛选完全手册

药物筛选完全解决方案Wherever you are looking for new drugs, you will findMolecular DevicesDrugTargetsGPCRs Kinases,Phosphatases, PDEsMembraneTransportersIonChannels药物筛选简介药物筛选流程 1药物筛选主要靶点 1GPCR药物筛选GPCR药物筛选简介 2 Molecular Devices为GPCR提供的解决方案 2激酶药物筛选激酶药物筛选简介 7 Molecular Devices为激酶提供的解决方案 8离子通道药物筛选离子通道药物筛选简介 13 Molecular Devices为离子通道提供的解决方案 14膜转运体筛选方案神经递质转运体和脂肪酸转运体简介 19 Molecular Devices为膜转运体提供的解决方案 19Molecular Devices 提供的技术平台21药物筛选是现代药物开发流程中检验和获取具有特定生理活性化合物的一个步骤，系指通过规范化的实验手段从大量化合物或新化合物中选择对某一特定作用靶点具有较高活性化合物的过程。

是临床新药开发的必经过程。

一个新药从研发到临床使用历时十年以上，耗资10亿美金。

平均而言，每一百万个化合物中最终能被FDA批准上市的只有一个，而上市的药物中，也只有30%的药物能够获得利润，收回其研发成本。

制药公司年收入的20%用在新药的研发上，全球每年在新药上的投资超过300亿美金。

在先导化合物的后续筛选过程中，40%到60%的先导化合物在后续的ADME/T（药物吸收、分布、代谢、分泌和毒性检测）中被淘汰。

72%的药物研发费用被浪费在日益增长的临床耗费、体内无法预测的调控环境以及药物的副作用方面。

因此，选出优良品质的先导化合物是药物筛选的一个至关重要的过程。

各制药公司在药物开发的早期都会收集尽可能多的关于靶点、待测化合物性质、以及现有筛选方法手段优劣性的信息，以确保尽快剔出阴性化合物，拿到优良品质的先导化合物，降低药物筛选的成本。

新药药理学重点整理

新药药理学重点整理

20201109 新药研究中的化学问题许恒1、抗体偶联药物（ADC）：是利用抗体独特的靶向性和细胞毒性极强的药物偶联设计的一类抗肿瘤新药，能够精准的将药物富集在肿瘤组织，从而在杀死肿瘤细胞的同时对正常细胞没有毒性。

2、从先导化合物到候选药物的优化路径：体外活性测试——体外成药性（药物相互作用、体外代谢稳定性、体外心脏毒性、溶解度等）、体外选择性——体内药代动力学性质（动物对药物作用：生物利用度、半衰期、血药浓度等）——体内药效学性质（药物对动物作用：有效浓度等）——体内毒性、安全性评价（急性毒性、治疗窗口等）——临床候选药物3、活性化合物、先导化合物以及候选药物的概念和基本特点活性化合物，也称苗头化合物（hits）：（1）概念：对特定靶标或作用环节具有初步活性的化合物。

（2）发现路径：随机筛选、理性设计、基于片段的筛选（3）常见问题：活性弱、选择性差、理化性质差、药代动力学不合理、毒性大、作用机制不明确等。

（4）确证方法：高通量筛选（同一浓度下测试每一个化合物）、IC50值（在10个滴定下证实目标化合物）、机制研究、干扰试验、排除特异性、证实目标化合物、重新测试新合成的化合物、对目标化合物进行多个靶标测试、预孵化稀释时间依赖性、确证目标化合物——向先导物的过渡是趋于类药成药的过程。

先导化合物（lead compounds）：从众多苗头化合物中演化而来，系指对特定靶标或体内外药理模型作用的强度和选择性达到预定标准的化合物。

基本条件：①药效学上，应在细胞水平呈现活性，应有剂量和活性的相关性，有明确的作用机理、方式和环节，有明确的QSAR；②药动学上，应达到ADME的基本要求；③在物理化学性质及化学结构上基本满足类药5原则的要求；④其结构和类型应具有新颖性，以便申请专利保护等。

候选药物（candidates）：通过若干轮分子设计、化学合成和各种生物评价研究，达到了新药开发阶段的化合物。

基本条件：①药效学（强度和选择性）原则上强于或不弱于临床应用的同类药物；②对大鼠、犬或灵长类有适宜的药代动力学特征，如良好的口服生物利用度，合理的分布，适宜的半衰期，较低的血浆蛋白结合率，与CYP450无相互作用等；③良好的理化性质，如水溶性，离解性，分配性，化学稳定性和多晶型等；④安全性预实验，毒副作用或不良反应较小。