01-緒論-中國藥科大學藥物篩選課件

藥物篩選

DrugScreening沈兵Email:shenbing@課程安排要求：包括論文綜述（2篇），名詞解釋，自我小結第一篇論文綜述題目：高通量藥物篩選技術在創(chuàng)新藥物研究中的應用高通量藥物篩選技術新時期篩選技術的發(fā)展在創(chuàng)新藥物研究中的應用引言Medicine:StateoftheArtThereare~30,000diseasesknowntodayMostlysymptomatictreatment（對癥治療）

availablefor~10,000diseasesCausaltreatment

（對因治療）isexistingforaminorityofnosologiesonly.PathwayofBiomedicalInnovationBiotechCompaniesBigPharmaceutical

CompaniesAcademia

Basic

ResearchProduct

on

Global

Market從整體來說，我國的醫(yī)藥產業(yè)還缺乏自己的知識產權，生產的藥物品種多數屬仿制之列，產品附加值低，醫(yī)藥產業(yè)尚未拿到走向世界的“通行證”，在國內外市場的激烈競爭中，步履維艱。我國醫(yī)藥產業(yè)形勢嚴峻面臨挑戰(zhàn)低水平重復現象嚴重，1996年批準新藥申請307項，其中50%以上是重復品種改變劑型。同一品種多家申報，最多者達到280家。另一方面，“洋藥”大舉涌入，擠占國產藥品市場，控制了一部分民族醫(yī)藥工業(yè)。“如果政府不干預，中國的醫(yī)藥市場將在五年內完全被國際醫(yī)藥大公司操縱!”我國目前醫(yī)藥工業(yè)生產的藥品大約97%是仿制外國的品種;中藥出口額僅占國際中草藥市場的3%左右;醫(yī)藥產業(yè)總體經濟效益低下，難以承受國際競爭的強烈沖擊。造成這種狀況的一個關鍵原因，是缺少具有自主知識產權的“重磅炸彈”式的創(chuàng)新藥物（一般以年銷售額大于5億美元為標準）。這種狀況如不采取有力措施加以改變，勢將威脅我國醫(yī)藥產業(yè)的生存和發(fā)展，最終影響到我國的經濟安全和社會穩(wěn)定!商品名一般名公司名適應癥作用機理02年銷售額(億美元)LipitoratorvastatinPfizer降低膽固醇HMG-CoA抑制劑86ZocorsimvastatinMerck降低膽固醇HMG-CoA抑制劑62Losec/PrilosecomeprazoleAstraZeneca治療潰瘍質子泵抑制劑52ZyprezaolanzapineEliLilley抗精神病神經系統受體拮抗劑40NorvascamiodipinePfizer治療高血壓鈣拮抗劑40Erypo/ProcritEpoetin-

J&J(Amgen)紅細胞生成素

-人體赤蛋白38Ogastro/PrevacidLansoprazoleTAPPharma治療潰瘍質子泵抑制劑36Seroxat/PaxilparoxetineGSK抗抑郁SSRI33CelebrexcelecoxibPfizer抗炎COX-2抑制劑31ZoloftsertralinePfizer抗抑郁SSRI29前10名藥物銷售總額447國際排行前十名藥物近期國外的權威機構根據國際藥物的銷售情況，對藥物研發(fā)技術進行了評估。發(fā)現從1996年至今，美國FDA批準上市的新藥逐年下降，從1996年的53個下降到2002年的17個。藥物設計藥物篩選

2-3年3-4年

隨機篩選10,000~20,000化合物藥物候選物臨床前研究臨床研究(phaseI,II,III)上市2-3年2-3年周期長:10-12年耗資大:>8億美元風險高:7個上市新藥僅1個盈利?先導結構及優(yōu)化分子生物學結構生物學基因組、蛋白質組組合化學和高通量篩選計算機輔助藥物設計生物信息學與化學信息學(數據庫學)化學生物學化合物藥物候選物加速n.b.Innovation:translationofknowledgeinto

products/services藥物發(fā)展的歷史概述19世紀前，對人體正常和反常機能的認識非常落后，不能提供理解藥效最起碼的基礎知識；同時，將疾病和死亡看得神圣，用一種獨裁式的教條來處理。臨床實踐往往服從權威，而忽略顯而易見的事實幾個荒唐的例子：1765年Lind發(fā)現金雞納樹皮(cinchonabark)能治療瘧疾，并為此制定了一個治療方案。但是，到1804年Johnson斷言這一方案不安全，只能在退燒后使用；因此，他建議在瘧疾發(fā)病的早期用大劑量的甘汞(氯化亞汞)治療－這一致命的方案被用了40年。（金雞納樹皮含有奎尼丁，Na+通道阻斷劑，減慢心率。）所謂的制定“科學”治療疾病的嘗試在不斷地進行著，但多數情況比純經驗的方案更糟。JameGregory(1735-1821)提出了對抗療法(allopathy)，他制定了一個方案，包括放血、催吐(讓病人嘔吐)、吃瀉藥，直到病癥被壓下去。許多病人死于對抗療法，這種狀況一直維持到19世紀初。Hahnemann提出順勢療法(homoeopathy):同類治療同類(likecureslike)－以毒攻毒藥物的活性可以通過稀釋加強(activitycanbeenhancedbydilution)Hahnemann曾建議將藥物稀釋成1:1060，這顯然式荒謬的，因為這樣的藥物濃度相當于在海王星大小的容器內只有一個藥物分子。醫(yī)用藥物(DruginMedicine)藥物是多年來治療疾病的主要手段，相當長的一段時期內天然產物(主要是植物)在治療疾病中起主導作用，直到1920年，合成化合物用于治療疾病－現代制藥工業(yè)開始?，F在，天然產物依然是藥物的主流，但多數藥物還是合成藥物。這些藥物遵循著同樣的藥理學原理近年來，生物技術產品，如抗體、酶和一些調節(jié)蛋白(激素、生長因子等)正在成為治療制劑的另一來源。盡管這些生物技術藥物的生產方法不同于化學藥物，但他們遵循著同樣的藥理學原理?；蚝图毎煼ㄟ€處在“發(fā)展”階段，他們將是藥物研究的新領域。主導人工基因的設計、傳輸、控制基因導入細胞的原理不同于傳統藥物，遵循著新的藥理學原理。這不是本課程的內容。許多世紀以來，人們化了很大的精力從草藥中尋找治療疾病的藥物。19世紀，由于分析和合成化學的發(fā)展，標志著藥物研究的重大轉變，一些生物堿被純化，一些簡單的有機分子，如乙酰水楊酸(acetylsalicylicacid，阿司匹林)被合成。然而，真正現代藥物的歷史應從1930年代磺胺(sulfonamide)藥物用于抗菌開始。今天，相當一部分疾病能用化學藥物治愈或控制：細菌和真菌感染、肺炎、腸胃炎和心血管疾病，一部分癌癥和一些白血病。20世紀初，醫(yī)生必須記住所有藥的性能，今天沒有人能記住所有藥的特性，現有用于治療疾病的藥物大約有6000－8000種。藥物發(fā)現的歷史可以追尋到遠古時期：公元前2100年，亞美尼亞人用黏土做成片劑治療疾病，他們用楔形文字寫成了兩欄型建議書。荷馬時代的希臘，醫(yī)生用藜蘆(hellebore)和小扁豆肉的湯治療疾病。醫(yī)藥之父希波克拉底(Hippocrates,約公元前460-約公元前370)用油和草藥湯劑治療疾病伽林(Galen,古希臘名醫(yī)及有關醫(yī)術的作家，解剖學家、內科醫(yī)生。他的理論奠定了歐洲醫(yī)學的基礎直至文藝復興時期)也用類似的方法治療疾病。古代藥物歷史草藥的藥用性質和毒性逐漸被認識：普盧塔克(Plutarch,古希臘傳記作家和哲學家。他寫的希臘羅馬名人比較列傳)描述了馬可.奧里利烏斯(MarcusAurelius，羅馬皇帝兼斯多葛派哲學家,121-180)的軍隊的士兵吃了蕪箐后全部死亡，蕪箐含有烏頭堿（可以引起室性早搏、室性心動過速、心室顫動）。13世紀，威尼斯培養(yǎng)了第一批藥劑師。中世紀，人們根據發(fā)源于希臘、發(fā)展于阿拉伯的方法選取藥材，并且開始在園林中種植草藥。1635年，路易斯三世在他的醫(yī)生的建議下，建立了專門種植草藥的皇家植物園，進行藥物的理論和實踐研究。人們逐漸地掌握了比較精確的草藥治療方法，1882年法國出了一部藥典，其中描述了52個中草藥的性質。西藥發(fā)展的歷程談到西藥發(fā)展的歷程，不得不談一談19世紀現代化學，特別是有機化學發(fā)展的歷史：拉瓦錫(1743-1794,法國化學家,氧發(fā)現者)奠定了現代化學基礎，到19世紀化學獲得了飛速發(fā)展，特別是分析化學和有機化學。1845年Kolbe合成了乙酸，1856年Berthelot合成了甲烷，奠定了合成化學基礎生藥學(pharmacognosy)被生理化學代替－目的不是從全世界大量的植物中尋找藥劑，而是從特定的藥用植物中發(fā)現活性成分，植物化學得到發(fā)展。1803年，德國藥劑師FriedrichSertürner從鴉片中提取獲得了嗎啡，這是第一個獲得的純生物堿。1816年，法國藥劑師PierrePelletier從吐根樹中提取獲得吐根堿(emetine，用作催吐劑,祛痰劑和殺阿米巴劑)。1819年Pelletier與同事JosephCaventou合作，獲得了純的番木鱉堿(strychnine)、.咖啡因(caffeine)、奎寧(quinine)；1820年他們又獲得秋水仙堿(colchicine)。1828年，獲得了煙堿(nicotine)，1832年可待因(codeine,自鴉片中提取的堿質,用以鎮(zhèn)痛,鎮(zhèn)咳,催眠等)和阿托品(atropine)。1875年，英國醫(yī)師和植物學家WilliamWithering用毛地黃(foxglove)治療浮腫，早在1799年Ferriar發(fā)現毛地黃對心臟病有治療作用；Homolle和Quevenne(1840)、Nativelle(1869)、Arnaud(1888)分別從毛地黃中分離得到了糖苷。1860年，Niemann分離獲得了可卡因(cocaine)，并發(fā)現能麻木他的舌頭；1879年VonArep發(fā)現皮下注射可卡因有麻醉作用，1884年Hall將其用于拔牙麻醉；1885年Halstead用于研究神經阻滯作用。古代，毒扁豆(Calabarbean)被非洲人用于檢驗是否有罪－如果吃了以后嘔吐，就認為征兆消失，被審判者無罪。1864年分離獲得了毒扁豆堿。1875年，從麥角蘑菇分離到麥角素(ergotinine)。1888年，Bayer公司的制藥部門上市了鎮(zhèn)痛藥乙酰對氨苯乙醚(非那西汀)和第一個安眠藥索佛拿，1899年上市了抗炎/鎮(zhèn)痛藥阿司匹林(aspirin,乙酰水楊酸)。1907年，PaulEhrlich合成了撒爾佛散(salvarsan)，引入了化學治療的概念。撒爾佛散是治療梅毒的特效藥，它使Ehrlich獲得1908年諾貝爾醫(yī)學獎。Ehrlich(1854-1915)德國細菌學家，他是橫跨19世紀和20世紀最偉大的藥學家之一，首次引入受體的概念，對化合物進行結構改造，開創(chuàng)了現代藥物研究的新局面。我們將還會介紹他關于受體的工作。在受體方面作出貢獻的還有Ernard(1813-1878,法國生理學家)、Pasteur(1822-1895,法國化學家、細菌學家)、Koch(1843-1910,德國細菌學家,醫(yī)學家,結核菌、霍亂菌發(fā)現者,曾獲1905年諾貝爾生理學-醫(yī)學獎)、Lister(1827-1912,英國外科學家,近代無菌手術法的確立者)。盡管發(fā)生了兩次世界大戰(zhàn)，制藥工業(yè)依然發(fā)展蓬勃。1889年在巴黎世界博覽會上，Basel制藥公司展出了一系列藥物：抗敗血癥藥物、抗風濕藥物、洋地黃和生物堿。并且，國際上第一次在制藥工業(yè)中建立類似大學和研究所的研究部門。這種模式非常有效，主導了20世紀的藥物研究。1900－1934年，一系列藥物上市：抗寄生蟲藥物、巴比妥酸(安眠藥)、有機汞制劑(利尿)、高碘化合物(X-光造影劑，用于診斷)。同一時期，發(fā)現了一系列內源性物質(endogenous)：神經遞質、維生素、膽固醇、激素，并對部分化合物進行了全合成。1933年，Mietzsch、Klarer、Domagk等發(fā)明了磺胺類抗菌藥物，大大降低了感染疾病引起的死亡率，標志著藥物研究一個新到代的開始。1940年代是抗生素時代，抗生素的發(fā)展超過了磺胺藥物，典型的代表有青霉素(penicillin)、四環(huán)素(tetracycline)、鏈霉素(streptomycin)，結束了肺結核危害人類的歷史。在此期間，發(fā)明了20余種治療心血管疾病、抗真菌感染和部分癌癥、抗炎藥物。1950年代是精神系統藥物時代。1950年，發(fā)現了鎮(zhèn)定劑氯丙嗪(chlorpromazine)；1954年發(fā)現了安定藥安寧(mepromazine，氨甲丙二酯)；1960年，發(fā)現了另一類安定藥利眠寧(chlordiazepoxide,甲氨二氮草)－第一個苯并二氮(benzodiazepine)類藥物。1960年，還發(fā)現了兩類抗抗抑郁病藥－單胺氧化酶(monoamineoxidase)抑制劑和丙咪嗪，人們終于有了抗精神分裂癥和抗抑郁有用藥物。1950－1960年代發(fā)展比較慢但激動人心的領域是心血管藥物。1952年發(fā)現了利血平(reserpine)，1960年發(fā)現了降血壓藥甲基多巴(methyldopa)。1960年代末70年代初是心血管藥物的黃金時代－β受體阻滯劑、鈣拮抗劑，抗高血壓藥物相繼發(fā)現?？梢灾斡涂刂频募膊』魜y(cholera)白喉(diphtheria)肺炎(pneumonia)丹毒(erysipelas)麻疹(measles)流行性腦脊髓膜炎(meningococcalmeningit)百日咳(pertussis)瘟疫(plague)小兒麻痹癥(poliomyelitis)風濕熱(rheumaticfever)葡萄球菌敗血病(staphylococcal

septicaemia)亞急性細菌心內膜炎(subacute

bacterialendocarditis)肺結核(tuberculosis)傷寒(typhoidfever)維生素缺乏(vitamindeficiency)猩紅熱(scarletfever)天花(smallpos)可以緩解的疾病哮喘(asthma)糖尿病(diabete)心臟病(hertdisease)精神分裂癥(schizophrenia)梅毒和其他性病(syphilis,venereal)沒有根本解決方案的疾病艾滋病(AIDS)老年性癡呆(Alzheimer’sdisease)關節(jié)炎(Arthritis)癌癥(cancer)硬化病(cirrhosis)感冒(commoncold)生殖皰疹性咽峽炎(genitalherps)亨廷登硬化癥(huntingdon’ssclerosis)流行性感冒(influenza)多樣的硬化癥(multiplesclerosis)帕金森癥(parkinson’sdisease)肺部纖維化(pulmonaryfibrosis)老齡化問題(Senility,geriatrin)第一階段是古代傳統醫(yī)學的積累，用“神農嘗百草”的方式發(fā)現治療疾病的藥物，可以看成是直接用人體作篩選模型，從自然界中發(fā)現藥物。我國的傳統中藥就是這樣發(fā)展的；第二階段19世紀末20世紀初，用傳統化學和藥理學方法，研究特定分子對整個生物體的影響，用這種方法發(fā)現了許多療效顯著的藥物，典型的例子有阿斯匹林(Aspirin)和安定(Valium)；第三階段是生物化學和分子生物學的發(fā)展，促進了蛋白質的分離、結構表征和靶點的確證，出現了藥物篩選方法，即用隨機篩選或合理藥物設計方法尋找與靶標蛋白結合的分子作為發(fā)展藥物的候選物。在此期間，計算機輔助藥物分子設計得到了前所未有的發(fā)展，成為創(chuàng)新藥物研究的實用手段之一。用這類方法發(fā)展的典型藥物有近年上市的HIV蛋白酶抑制劑。藥物的發(fā)現與開發(fā)

藥物的發(fā)現包括在實驗室或臨床上所從事的旨在確定候選新藥和論證舊藥新用途的活動。

藥物的開發(fā)包括從發(fā)現或選擇候選新藥始，對其進行臨床評估直至產品上市和商業(yè)化等一系列活動。新藥的開發(fā)

由國家食品藥品監(jiān)督管理局法規(guī)統一管理新藥的涵義包括以下內容：成份劑量用途劑型新藥的開發(fā)“新”藥必須具備下列條件：安全用于適應癥證明新藥的有效性須經具有科學訓練和經驗的合格專家進行“充分和良好控制的研究”。有效用于適應癥新藥研究的兩個階段化合物資源Compoundresources藥物發(fā)現DRUGDISCOVERY藥物開發(fā)DRUGDEVELOPMENT臨床前研究Preclinicalstudies臨床研究Clinicalstudies藥物候選化合物Drugcandidates藥新藥物先導化合物的發(fā)現Discoveryofleadcompounds

藥物先導化合物的結構優(yōu)化LeadcompoundstructuraloptimizationNewdrugTwoStagesofDrugDiscovery新藥發(fā)現的科學要素基礎研究的知識水平存在先導化合物治療靶標的確認具備生物活性篩選模型

“我也能”與機理性研究方法經驗與專長新藥發(fā)現的技術史例利血平洋地黃經結構改造的天然產物人工半合成青霉素安體舒通經結構改造的合成藥物?-受體阻滯劑安眠鎮(zhèn)靜劑隨機篩選的新型化合物ProszacViacept化學或生化機制產品

卡托普利西米替汀天然產品紫杉醇Reminyl新藥發(fā)現的途徑

化學篩選小分子化合物耗時長反復測試和錯誤口服有效費用低廉副作用大新藥發(fā)現的途徑生物技術大分子結構體內蛋白的復制品作用機制明確副作用小費用高口服無效新藥發(fā)現的途徑合理化藥物設計生物技術與化學之結合重要蛋白質的生物技術復制晶體衍射結構計算機模擬化學合成費用高？耗時長？反復測試和錯誤？篩選

新藥發(fā)現的關鍵環(huán)節(jié)分子生物學細胞生物學基因組學蛋白組學生物信息學結構生物學計算機輔助藥物設計藥物化學高通量技術生物芯片天然產物化學合成組合化學化合物庫篩選模型結構優(yōu)化候選藥物篩選化合物來源天然產物

構效關系

生物技術

組合化學固相液相平行合成新型篩選靶標基因/調控元件轉錄和翻譯構件

離子通道/抗體/分泌蛋白細胞轉化酶受體底物動物模型治療藥物的作用靶點17MARCH2000VOL287SCIENCE,1960治療藥物的作用靶點總數483化合物合成化合物、天然產物篩選模型分子、細胞、器官、動物篩選優(yōu)化先導化合物藥物發(fā)現高通量篩選快速—每天篩選數萬藥次微量—篩選樣品需要量為微克級靈敏—準確判斷篩選樣品的活性和選擇性經濟—篩選費用低人們的理想－夢想－能否設計藥物？理論化學計算機和信息科學分子生物學藥物設計抑制劑活性第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)100M7M14nM9nM研究進展以計算機藥物設計為龍頭，多學科緊密合作的創(chuàng)新藥物研究的新模式結構測定藥物設計有機合成藥理研究新藥發(fā)現通過篩選及分子設計尋找先導化合物已被證實的靶點高通量篩選分子靶點高通量篩選命中藥物化學先導化合物分子設計分析配體結合位點三維結構設計全新母核或分子骨架化學合成及驗證摸擬篩選分子結構相似性化學合成藥物的開發(fā)篩選流程簡圖初級篩選高通量篩選二級篩選細胞、組織、器官吸收、代謝初步評價毒性初步評價三級篩選整體動物藥理篩選試驗急性毒性測試抗腫瘤測試痛覺缺失測試抗痙攣測試抗嘔吐測試抗炎測試抗微生物測試抗肥胖測試抗病毒測試心血管系統測試中樞神經系統測試利尿測試內分泌系統測試血糖，血膽固醇/血脂測試從新藥發(fā)現到設計碰運氣和高勞力篩選代價昂貴

全新化合物上市幾率逐減

結構改進藥物在過去10年約占65%藥事管理機構對模仿藥物不感興趣關于人體生理機制的新知識新技術藥物的發(fā)現與開發(fā)化學信息專家學科組成生物學藥理學劑型開發(fā)藥代動力學藥物代謝毒理學臨床研究藥事管理工藝流程質量保證包裝開發(fā)生產制造法律事務研究管理未來新藥的發(fā)現蛋白化學(蛋白組學)分子生物學(功能基因組學)免疫學(生理組學)計算機輔助藥物設計(化學組學)新型生物工程篩選方法(生物芯片)新藥發(fā)現的經典歷程250個候選化合物進入臨床前研究5個化合物進入臨床試驗80%通過I期臨床30%通過II期臨床80%通過III期臨床體外

體內一個新藥被FDA批準上市篩選化合物:5萬~10萬個藥物開發(fā)進程(I)新藥開發(fā)深入的生物學、毒理學和藥代動力學研究項目評估新藥發(fā)現毒理學研究生物學研究治療性靶標化學研究有開發(fā)前景的化合物無開發(fā)前景藥物開發(fā)進程(II)臨床研究安全性有效性藥代動力學申請臨床試驗許可新藥開發(fā)深入的生物學、毒理學和藥代動力學研究不可進行人體試驗可進行人體試驗FDA否決FDA批準藥物開發(fā)進程(III)新藥證書申請臨床研究安全性有效性藥代動力學藥學研究劑型與配方開發(fā)產品上市不可接受安全性和藥效可以接受FDA否決FDA批準商機分析與市場決策發(fā)現臨床前開發(fā)I/II期費用批量藥物: -制造 -穩(wěn)定性經驗鴻溝$10萬$30萬$20萬$50萬$20萬$130-250萬臨床前新藥開發(fā)費用GMP生產化學: -方法研究 -預配方 -配方 -藥品生產生物學: -動物實驗

-毒理學

-藥代動力學

-p450代謝研究

-生物利用度過渡:-特征鑒定-知識產權-可成藥性-戰(zhàn)略策劃-市場調查新藥臨床批文申報生物醫(yī)藥產業(yè)的價值鏈臨床前研究PreclinicalStudies限速因素LimitingFactors樣品Sample藥品Drug產品Product商品Commodity現金