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行业观察:药物筛选技术变迁影响全球医药市场

来源:医药经济报
2010年04月19日18:43
  多年来,全球专注于研发的制药企业对更快、更好地开发出适用于临床药物的技术非常感兴趣,而且为之不断付出很大的努力。遗憾的是,曾被认为使发现过程更合理、更有效的技术并未能够达到它原先的设想。事实是,尽管药物研发的花费逐年增加,但真正进入到市场的新产品数目并没有相应见长。这使得一些制药公司不得不重新考虑该以什么样的方式来筛选新药,同时,考虑是否应该直接介入到研发的全过程。

  高通量筛选的巨能

  上世纪90年代中期之前,新药发现的方式主要是通过高通量筛选(HTS)。高通量筛选被视为原先各种繁重的体外和体内药理活性试验的合理替代,也就是严重依赖机器人对液体处理装置、自动化检测设备和计算机控制来研究新分子和感兴趣生物靶标之间的相互作用。与高通量筛选相匹配的是采用所谓的组合化学方法。

  组合化学方法排除了对单个化合物进行研究的传统方法,而代之以同时研究数百甚至数千个实验室合成并储存在巨型库内的化合物。组合化学方法的出现,催生出一些新公司的诞生,这些公司唯一的使命就是创建组合库,然后转让给药物发现公司,供这些公司对感兴趣的靶标进行筛选。因此,如果没有高通量筛选技术,就不可能筛选数目如此巨大的化合物,高通量筛选的应用进一步推动了研发过程中其他一些方面的进展。

  值得一提的是,人基因组项目的完成、技术的进步,如更小型化(从最初的96孔板,发展到384、1536乃至456孔板),也帮助保持HTS作为新药发现主要技术的动力。其他的技术进步(包括新的感觉技术)如定量蛋白质分子与候选药物结合时发生的变化的差示扫描量热法或光散射测量。

  然而,就寻找新活性分子而言,高通量筛选产生难以应付的大量额外数据,它并不比大海捞针更易。这使得许多制药公司压缩他们的高通量筛选计划。对于制药业,可能采取的替代战略是购入许可证和开发相仿药物,但就技术而论很可能会转向高内涵药物筛选(HCS)。

  高内涵药物筛选本质上是一种药物发现的简化方法,但它对了解一个特定的分子是否与一个特定的受体或酶存在相互作用可能十分有效。例如,受体和酶不能孤立存在,但它们是细胞内反应和相互作用复杂环境的一部分,高内涵药物筛选通过使用活细胞作为药物发现的基础来解决这个问题,因此,这种技术的另一个名称是细胞基筛选。高内涵药物筛选的明确特性是,不是观察候选药物在特定的时间瞬间对单一靶标的作用,而是使用单一的仪器能在一个空间和时间范围内追踪若干细胞内过程。这些过程涉及细胞内蛋白质的变化,如G-蛋白偶联受体(GPCR)信号传导、激酶介导信号传导和离子通道信号传导。例如,GPCR激活能激发它们进入细胞。如前所述,这个过程是可视的,因而,提供了一个特定候选药物效率的客观衡量。

  细胞电解光谱争宠

  尽管原始的高内涵药物筛选采用的是荧光测定鉴定,但其他测定技术如细胞电解光谱的出现,为某些工序提供了更好的选择。它不需要用荧光剂或其他类型的标记物给细胞作标记,并能同时检测众多细胞信号传导通道。目前,这一技术限用于相对低通量的场合,但仪器制造商在努力增加通量。事实上,高内涵药物筛选也可用于基于核酸的过程,如DNA转录或RNA干涉,以及细胞过程,如细胞凋亡、DNA损伤修复或细胞分裂发生。显然,对这些情况需要有不同的测定方法。例如,可以用测定细胞内DNA降解评估细胞凋亡。

  高内涵药物筛选目前面临的一个主要问题是,由于它是一种以影像为基础的技术,所以能产生大量的数据。例如,一个单一的实验可产生高达10TB[万亿字节;1TB=1000GB]数据。目前,供应商正在开发能处理PB级(1PB=1000TB)数量数据的仪器,所有这些数据必须处理并储存,显然,这要求高内涵药物筛选要有巨大的计算能力。当然还有其他许多的挑战,如需要开发新的方法来测量有特别兴趣细胞类型(例如免疫系统细胞)的过程。

  尽管如此,高内涵药物筛选的优点似乎胜过其缺点。最显著的优点是,与传统测定相比,它获得的有用信息更多。高内涵药物筛选数据的空间和时间组成意味着它比传统HTS研究所得的一维数据更具生物学意义,并可从中得出细胞形态学变化的关系。高内涵药物筛选另一个重要的吸引力是它的经济性,尤其是在目前全球金融危机下,这是一个重要的考虑因素。它可以用传统方法低得多的成本来获得大量信息。此外,高内涵药物筛选还能用于在发现过程早期产生关键性的毒理学数据,有助于对候选药物开发的先后排序和尽早剔除有毒性问题的化合物,减少随后动物试验的需求,因为高内涵药物筛选是以全细胞研究为基础,所以,它能产生只能由全动物实验提供的数据。

  片段基先导发现受关注

  近几年,在药物筛选领域也出现了其他一些技术,其中受到大家注意的一种是片段基先导发现(FBLD)。它使用如X-线结晶学、核磁共振、表面胞质基因组共振和热量测定法研究小分子片段与感兴趣蛋白质的结合。这些片段没有任何固有的药理活性,对靶标蛋白通常只有低的亲和力。然而,两个与同一个蛋白质结合的低亲和力片段,随后结合能产生对靶标有高亲力的药物样化合物。这种方法比从一开始就试图确定药物样分子的传统方法优点要多。包括极难探询某些靶标,由于诸如蛋白质分子的物理形状会妨碍一些分子到达结合部位,而药物片段有可能克服这一难题——可仔细选择要结合的片段,以便随后能引导出有效的药物先导。

  片段基先导发现另一个优点是,这种方法有时能产生不直接作用在靶标蛋白结合部位的药物。当单纯地考虑活性部位时,这种分子可能不会被注意,但经验证明,这是一种极有价值的药物设计方法。

  此外,目前还有一项技术也在广泛使用,即蛋白质微阵列或称“芯片实验室”。它基本上是一片玻璃或塑料板,蛋白质以固定的形式或阵列附载在其上。通过蚀刻在板上的通路和井网控制试验化合物和试剂流过蛋白质的速度,以测定化合物与靶标蛋白的结合。这种微阵列的生产成本低、使用简单、只需极小量试剂并且结果可高度重复。尽管有许多优点,它的应用仍受到主要是技术性质方面的限制。例如,理化和功能特性的差异意味着生产几种蛋白质的一致性阵列是困难的,因为在芯片上固定一个蛋白质的过程可能对另一个蛋白质不适用。此外,还难于获得足够数量的某些感兴趣蛋白质。同时,单个蛋白质通常是通过与特异性抗体结合来鉴别的,但缺乏可与数目巨大的蛋白质种类相结合的良好特性化抗体。

  斑纹鱼胚胎为人类服务

  还有一种在其他领域已成熟的技术正越来越多地用于药物筛选,那就是斑纹鱼(zebrafish)胚胎。它在母体外能迅速发育而且呈透明状,这意味着易于观察其发育或药物诱发的变化,如出血等。斑纹鱼胚胎有自己的卵黄囊,不需喂饲,并可在少至50微升水中生存数天。因而,可在微滴定板上培养。此外,斑纹鱼的生殖力强,一个交配个体,一周可生产几百个胚胎。同时,斑纹鱼的基因组组构和它的发育控制机制与人类高度相符。因此,众多的人类疾病模型可以在斑纹鱼身上建立,包括糖尿病、肌肉营养障碍、神经变性疾病和心血管病等模型。

  此外,斑纹鱼适合于遗传操作,转基因和基因剔除也较简单,因而扩展了它在实验医学方面的用途。重要的是,斑纹鱼胚胎对药物的应答方式与人类相似,确认了它们作为实验模型的用途。例如,常用于生成血栓的化合物如ADP可引起斑纹鱼血液凝结,如同对人血一样,同样可以用人用抗血栓形成药预防。此外,斑纹鱼可用于毒理学研究。由于斑纹鱼胚胎可在微滴定板上生长,所以,适于自动化筛选。

  干细胞潜能发现

  寻找更好的新药筛选方法的一种最新趋向是使用干细胞。例如,生产干细胞衍生的人肝细胞的能力将对毒性筛选有重大影响。另一个潜在的应用领域是发现新的心血管药。

  干细胞衍生的心脏细胞可用于候选药物自动化筛选。这种细胞在筛选药物潜在心脏病副作用方面的价值是不可低估的。最近有报告称,不需用有潜在危险的病毒,即可将人皮肤细胞转换成多潜能干细胞,这无疑将进一步推动干细胞在药物筛选中的应用。

  不过,如果要从新产品上市数目的角度来衡量,显然这些技术的效益还有待时日,但有一点值得肯定的是,随着药物筛选技术的变迁,将会对未来医药市场产生革命性的影响。
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责任编辑:魏小刚
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