藥物研發(fā)中的新方法和新技術

1、藥物研發(fā)中的新方法和新技術,1、手性藥物和手性藥理學(Chiral Drug and Chiral Pharmacology)手性藥物： 是指含有不對稱中心或手性中心的藥物。 手性藥物的對映體進入生物體內手性環(huán)境(如酶、蛋白質、受體等)，將被作為不同的分子加以識別匹配，因此在藥效、藥物動力學和毒理學方面均存在對映體選擇性作用。手性藥理學： 研究手性藥物對映體的藥效和藥代動力學，為合理使用手性藥物提供科學依據

2、的藥理學分支學科。,手性藥物的藥理作用模型：一種對映體為另一種對映體的競爭性拮抗劑。兩種對映體有不同的藥理作用。一種對映體有治療作用，另一種對映體主要產生副作用。兩種對映體都有治療作用，但主要的副作用由中一種異構體產生。對映體作用的互補性。一種對映體有藥理活性，另一種對映體無活性或活性弱。對映體生物轉化增加毒性。,意義：手性藥物和手性藥理學在今后的藥學研究中的作用將越來越大。手性拆分和合成技術、分子生物學、結構生物學等

3、的不斷發(fā)展，將加速現有混旋體藥物被拆分或用不對稱方法被合成，以利于藥物活性的提高和藥物毒性的降低。,2、組合化學(Combinatorial chemistry) 是指對含有數十萬乃至數十億個化合物的化學庫進行同步合成和篩選的方法，又稱非合理藥物設計。組合化學的核心思想： 構建具有分子多樣性的化合物庫，然后進行高通量篩選，試圖在其中找到具有生物活性的化合物。,組合化學的目前發(fā)展趨勢：與合理藥物設計相結合，通過分子模

4、擬和理論計算方法合理設計化合物庫，一方面增加庫中化合物的多樣性(diversity)，提高庫的質量；另一方面通過合理設計和分子模擬方法減少庫中化合物的數量。根據受體生物大分子結合位點的三維結構設計集中庫(focus library)，提高組合化學物庫的質量和篩選效率。,3、組合生物催化(Combinatorial Biocatalyst) 是指將生物催化和組合化學結合起來，從某一先導化合物出發(fā)，用酶催化或微生物轉化方法產生化

5、合物庫。意義：提高合成組合化合物庫的效率。因將生物轉化技術應用于組合庫合成，故可對合成的天然產物進行結構改造，合成類天然產物數據庫(nature product-like library)和人工天然產物，增加天然產物的分子多樣性。,組合生物催化的進展：利用生物催化的選擇特異性，建立小分子化合物庫。利用生物催化的底物的廣譜性，采用“一鍋煮”方法可得到多種衍生物。建立天然復雜化合物庫，與微生物和基因工程技術相結合產生大量的人工天

6、然產物。實現生物催化的高通量、自動化。設計新的酶促轉化方法，提高非水溶液中生物催化劑的活性，產生新的生物催化劑。,4、高通量篩選(High-through-put Screening)概念： 是指運用計算機控制的高敏化和專一性篩選模型，對大量化合物的藥效進行微量樣品的自動化測定。 意義： 是一種靈敏度高、特異性強、微量快速的篩選新模型和新技術，大大加快了新藥研發(fā)的步伐。,5、化學信息學(Chem

7、oinformatics)概念： 從各種信息源中提取有用的信息，將數據轉換成信息，信息轉換成有效的知識，以加速新藥先導化合物的發(fā)現和優(yōu)化。 化學信息學的數據來自于各制藥公司自己的積累、化學品公司、數據庫公司和文獻，組合化學樣品庫的合成和高通量篩選是化學信息學的新的數據來源。,6、生物信息學（Bioinformatics）定義： 包括生物信息的獲取、處理、存儲、傳播、分析和解釋等方面的學科。兩個相關的研

8、究領域：構建現代生物信息結構的工作和研究 ——傳統(tǒng)生物信息學為探索生物學基本問題所進行的計算研究 ——計算生物學,意義： 生物信息學不僅可用于靶標生物大分子的發(fā)現及確證，還可用于藥物作用機制、藥代動力學以及藥物毒性的研究。,7、細胞和分子生物學(Celluar and Molecular Biology)分子生物學： 在分子水平研究生

9、物過程的科學，特別是關于細胞成分的物理化學性質和變化，以及這些性質和變化與生物現象的關系的研究。細胞生物學： 是應用現代物理學和化學的技術成就和分子生物學的概念和方法，以細胞作為生命活動的基本單位的思想為出發(fā)點，在細胞、細胞超微結構和分子水平等不同層次上探索生命活力基本規(guī)律的基礎學科。,細胞生物學的主要內容： 細胞的形態(tài)與結構、細胞的代謝、細胞的增殖與分化、細胞的遺傳與變異、細胞的衰老與死亡、細胞起源與進化、細胞的興奮

10、與運動、細胞的信息傳遞等。細胞生物學的新的發(fā)展領域： 細胞的識別、細胞免疫、細胞工程等。,細胞分子生物學： 是將細胞生物學與分子生物學相結合，將分子生物學的概念和技術引入細胞學，將細胞看成是物質、能量、信息過程的結合，并在分子水平深入探索其生命活動規(guī)律。意義： 豐富人們對藥物在細胞內部的作用機制和代謝過程的認識，以助于找到更加有效、低毒的新藥。,8、結構生物學(Structural Biology)

11、是利用現在物理、化學方法和技術，從原子和分子結構水平上研究生物大分子的結構與功能的關系、生物大分子-生物大分子和生物大分子-小分子間的相互作用等。結構生物學的主要研究方向： 利用X-衍射晶體學方法、多維核磁共振方法和電鏡技術測定生物大分子的三維結構。,9、分子克隆(Molecular Cloning)克隆(名詞)： 是指從同一祖先通過無性繁殖產生的后代，或具有相同遺傳性狀的DNA分子、細胞和個體所組成的特殊的生命群體

12、?？寺?動詞)： 是指從同一祖先無性繁殖產生這類同一的DNA分子群和細胞群的過程，其本質即無性繁殖。,分子克?。?又稱基因克隆技術，是指通過一定的方法得到含某個特定基因的單一細胞或細菌，然后進行大量繁殖，從而得到包含該基因的單一細胞克隆。意義：大大提高緊缺昂貴藥品的產量，大大降低其成本。為疑難雜癥(例如糖尿病、乙肝、癌癥等)的診斷和治療提供分子藥物(激素、抗體、酶等)和分子檢測手段(例如DNA探針)。,分子克隆的

13、內容和步驟：從生物有機體復雜的基因組中分離出帶有目的基因的DNA片段。在體外，將帶有目的基因的DNA片段連接到能夠自我復制并具有選擇標記的載體分子上，形成重組DNA分子。將重組DNA分子引入到受體細胞(亦稱宿主細胞或寄主細胞)。,分子克隆的內容和步驟：將帶有重組體的細胞擴增，獲得大量的細胞繁殖群體（菌落）。從大量的細胞繁殖菌落中，篩選出具有重組DNA分子的細胞克隆。將選出的細胞克隆的目的基因進一步進行研究分析，并設法使之實現

14、功能蛋白表達。,10、蛋白質工程(Protein Engineering) 是指在蛋白質空間結構和結構與功能關系研究的基礎上，借助計算機圖像顯示和輔助設計來確定某一蛋白質分子的改造方案，希望達到創(chuàng)造某些具有明顯經濟效益的新的蛋白質。蛋白質工程的基礎學科： 蛋白質化學、分子遺傳學、蛋白質晶體學、蛋白質動力學等。意義： 蛋白質結構和功能的研究為基于結構的計算機輔助藥物設計奠定了堅實的基礎。,11、基因工程(Gen

15、etic Engineering) 是指把核酸分子插入質粒、任何病毒或其他載體系統(tǒng)，形成遺傳物質的新組合，組成重組體，重組體轉入宿主細胞，使宿主細胞出現可表達、可傳代的新的遺傳性狀?，F代分子生物學的三大理論發(fā)現：生物遺傳物質DNA的發(fā)現；DNA雙螺旋結構和半保留復制機制的明確；遺傳信息傳遞方式的確定，遺傳信息流為DNA RNA 蛋白質。,現代分子生物學的三大技術發(fā)明：限制性核酸內切酶及其應用技術的發(fā)明，使DNA分子的

16、切割成為可能，為基因工程提供了技術基礎。DNA連接酶及其應用技術的發(fā)明?；蚬こ梯d體技術的發(fā)明(這些載體主要是質粒和一些DNA分子)。 上述三大理論發(fā)現和三大技術發(fā)明對基因工程的誕生(1973年)起了決定性作用。,意義：生產生長激素釋放抑制劑的基因工程使人們對昂貴藥品的需求付諸于現實。利用細菌制造胰島素和生長激素，生產血細胞凝集素、尿激酶、松弛素、人體血漿蛋白、乙肝疫苗等。基因工程在遺傳病的預防和治療方面貢獻突出，如單

17、基因缺陷的診斷、基因療法、用DNA探針診斷多種遺傳病等。,12、人類基因組(Human Genome) 是指人類的全部基因(包括30億對堿基對，約14萬個基因)。人類基因組計劃: 始于1990年，由美國能源部與美國健康研究院共同發(fā)起，由美、英、德、日、法、中六個國家參加，計劃15年完成，實際于2000年6月30日完成測序工作。人類基因組計劃的目的: 獲得人類基因組所攜帶的遺傳信息。,人類基因組計劃的目標:確

18、定人類染色體中的所有基因確定人類染色體的堿基序列建立人類基因信息數據庫開發(fā)用以數據分析的軟件工具將有關的技術轉讓給私營部門研究該計劃可能引起的倫理、法律以及 社會問題,意義：根據人類基因組信息可以確定與疾病相關的基因，揭示發(fā)病機制。人類基因組信息在疾病的基因診斷及治療、基因咨詢及藥物開發(fā)等方面均有潛在的應用價值。,13、轉基因技術(Transgenic Technique) 是指用實驗的方法將外源基因導入到生物體內

19、，此外源基因與生物本身的基因(染色體)整合，此外源基因隨細胞分裂而增殖，在體內得到表達，并傳給后代。這段外源基因源被稱為轉基因(Transgene)。最早的轉基因實驗： 轉基因小鼠實驗(80年代初完成)。,貢獻：打破了自然種間隔離，使基因能在種系關系遙遠的機體間流動，為基礎科學研究提供了有用的生物模型。通過轉基因動物和植物的表達可生產出一些新型的蛋白和藥物，具有很高的經濟價值。利用轉基因技術可以培育出產量增加、抗病蟲害的

20、優(yōu)良種子，有助于解決世界糧食問題，并有利于環(huán)保農業(yè)的發(fā)展。利用轉基因技術改造動物器官，使其被移植到人體中后不產生或少產生免疫排斥反應。,影響及重要性： 在1991年第一次國際基因定位會議上被公認為是遺傳學中的第四代技術和生物發(fā)展史(126年)上的第14個轉折點。說明: 染色體連鎖分析(第一代技術,20世紀初) 體細胞遺傳(第二代技術,60年代) 基因重組技術(第三代技術,70年代),14、DNA芯片(

21、DNA Chip) 又稱基因芯片或DNA陣列(DNA array)，非常類似于計算機芯片，由成千上萬的網格狀密集排列的基因探針組成，即：將大量特定序列的寡聚核苷酸(DNA探針)有序地固化在硅或玻璃等材料做的承載基片上，使其能與靶基因進行互補雜交形成DNA探針池。特點： 高效、快速、多參量。應用： 對遺傳物質進行分子檢測。,貢獻：生物醫(yī)學領域：基因芯片可檢測出疾病的遺傳傾向并作出準確診斷，由此影響整個醫(yī)療模式

22、；對制藥工業(yè)，將可開發(fā)出很多基因水平的藥物。基因芯片的大規(guī)模應用將會大大縮短實現人類基因組計劃的時間。,15、反義核苷酸(Antisence Oligonucleotide) 能夠與DNA或信使RNA發(fā)生特異性結合，分別阻斷核酸的轉錄或翻譯功能，阻止與病理過程相關的核酸或蛋白質的生物合成。這種可與DNA或信使RNA結合的互補鏈稱作反義寡核苷酸。,反義核苷酸,mRNA,基因治療主要用于由基因組的缺陷或在轉錄或翻譯過程中的失常而

23、發(fā)生的疾病，如癌癥、病毒性疾病及遺傳性疾病。堿基配對是反義核苷酸作用的基礎。,反義核苷酸作為藥物的條件：制備方法簡便、經濟具有一定的穩(wěn)定性具有較強的細胞通透性能在靶細胞內保持一定的濃度能與靶細胞內特定位點作用不與其他生物大分子反應,反義寡核苷酸的分子大小是設計的重要環(huán)節(jié)：12－25范圍，15－20較佳反義核苷酸的類似物：局部修飾(堿基雜環(huán)、硫代、甲基磷酸酯等)骨架類似物(PNA等),16、細胞凋亡(Apoptosi

24、s) 是指在活組織中，單個細胞受內在基因編程的調節(jié)，通過主動的生化過程而自殺的現象，又稱程序化細胞死亡(programmed cell death, PCD)。細胞凋亡是細胞內在的有規(guī)律的自我消亡，其不同于細胞壞死(necrosis)。對多細胞生物個體發(fā)育、正常細胞更新、各組織保持正常結構與功能具有積極而重要的意義。,細胞凋亡與AIDS的病變過程及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉移密切相關。細胞凋亡可由輻射、高溫、化學藥物、激素、

25、環(huán)境污染物等引起。細胞凋亡可因受到某些因素的作用而被抑制，如：白細胞介素-3、EB病毒、bc12基因、P53腫瘤抑制基因等。腫瘤細胞可以通過人工觸發(fā)其細胞凋亡而被除去。,17、分子模擬(Molecular Modeling) 是指用簡化而理想的模型去模仿分子或分子體系在不同環(huán)境中的行為及性質。目前的分子模擬體系：單個分子聚合物體系(高分子材料等)生物大分子(蛋白質、DNA等),分子模擬的三個階段：選擇一個能夠描述分

26、子內和分子間相互作用的模型，即：理論計算方法，現常用量子力學法和分子力學法。具體的計算過程，包括：能量優(yōu)化、分子動力學模擬、構象搜尋等。對計算結果進行分析，考察計算結果的可靠性，分析計算結果的意義。 最終對所模擬的分子的性質作出合理的解釋及預測。,分子模擬的研究方向：從蛋白質的氨基酸序列預測其三維結構的計算方法，包括： 同源模建法(根據蛋白質一級序列的相似性) 穿針引線法(根據蛋白質的一級序列與某已

27、知結構的相容性) 從頭預測法(從氨基酸序列以及氨基酸在水溶液中的物化性質)研究生物大分子-生物大分子以及生物大分子-配體小分子間的相互作用(即：虛擬藥物篩選中的分子對接方法，docking)。,18、計算機輔助藥物設計(Computer-Aided Drug Design, CADD)方法：基于配體的藥物設計 根據已知的配體結構設計新的配體，包括QSAR方法和藥效團模型方法?；谑荏w的藥物設計 根據受體

28、的三維結構設計能與之匹配的配體，包括基團生長法、模板連接法、分子對接法?；跈C制的藥物設計 進一步考慮藥物與受體的動態(tài)結合過程，藥物對受體構象的調節(jié)以及藥物在體內的傳輸、分布和代謝。,19、合理藥物設計 依據藥物發(fā)現過程中基礎研究所揭示的藥物作用靶點(target of drug action)，如受體，再參考其內源性配基或天然藥物的化學結構特點，尋找和設計合理的藥物分子，以發(fā)現選擇性作用于靶點的，又具藥理活性的先導物

29、；或根據靶點3D-結構直接設計活性配基。 這種基于結構和基于機理的藥物設計(structure-based and mechanism-based drug design)稱為合理藥物設計。,合理藥物設計分為直接設計和間接設計。直接設計： 是在已知靶物質三維結構的前提下，運用定向設計原理，根據靶物質的結構要求，通過計算機圖形學的研究，直接設計新分子。間接設計： 是在靶物質結構未知的情況下利用藥物分子與靶物質的