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200121(4)
文章编号:100126325(2001) 0420302204
药物筛选模型研究进展
胡娟娟, 杜冠华3
(中国医学科学院中国协和医科大学, Abstract :points in drug discovery 1Although
the have , such as high throughput screening (HTS ) , the screening assay ) still limited drug discovery 1In present paper , advanced animal m odels , cell assays and m olecular methodology used for drug discovery were reviewed 1The characteristics and requires of the assay methods used for drug discovery in HTS were als o discussed 1K ey Words :drug discovery ; assay methods ; high throughput screening
中图分类号:R96511 文献标识码:A
药物筛选模型(drug screening m odel , drug screen 2ing assay method ) 是用于证明某种物质具有药理活性(生物活性、治疗作用) 的实验方法, 这些实验方法是寻找和发现药物的重要条件之一。人们在长期寻找药物的实践过程中, 建立了大量用于新药筛选的各类模型, 在新药发现和研究中发挥了积极作用。随着生命科学的发展, 新的药物筛选模型不断出现, 这些新的筛选模型不仅促进了药物的发现, 而且对药物筛选的方法、理论、技术都产生了巨大影响[1]。本文对近年来药物筛选模型的研究进展作简单综述。
动物模型获得的筛选结果, 对预测被筛选样品的临床价值和应用前景具有十分重要的价值。
整体动物模型包括正常动物和病理动物模型。由于正常动物并不能充分反应药物在病理条件下的治疗作用, 在药物筛选中应用更多的是整体动物病理模型。因此, 研究和制备更多的整体病理动物模型, 成为药物研究领域长期的重要课题。理想的整体动物模型应具备的基本条件是病理机制与人类疾病的相似性、病理表现的稳定性和药物作用的可观察性。
由于整体动物的特殊性, 决定了药物筛选的过程主要依赖于手工操作, 而且只能对有限的样品进行筛选, 特别是人类目前在实验动物身上复制出的病理模型还十分有限, 使用整体动物模型筛选新药具有显著的局限性、低效率和高成本等不足之处。112 组织器官水平的筛选模型和体外药物筛选方法
1 常用药物筛选模型在药物筛选中的应用
应用于药物筛选的模型有多种, 根据所选用的
材料和药物作用的对象以及操作特点, 可以将这些模型大致分为三类:整体动物水平模型、组织器官水平模型和细胞分子水平模型。不同的筛选模型建立的理论基础不同, 因此药物发现的过程也不同。111 整体动物模型与传统筛选程序
用整体动物进行药物筛选, 是长期以来倍受重视的方法, 单纯从新药筛选的角度看, 整体动物筛选模型的最大优点是可以从整体水平, 直观地反应出药物的治疗作用, 不良反应以及毒性作用。由整体
收稿日期:2001-06-22
随着现代医学和现代药理学的发展, 采用动物的组织、器官制备的药物筛选模型越来越多, 如离体血管实验, 心脏灌流实验、组织培养实验等方法。通过观察药物对特定组织或器官的作用, 可以分析药物作用原理和可能具有的药理作用。组织、器官水平的筛选模型可以反映生理条件下的药物作用, 也
基金项目:国家自然科学基金(3001161940) ; 国家“九五”攻关计划项目(96-901-02-09)
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联系人:北京先农坛街1号, 北京100050, 电话:63165184
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可以制备成病理模型, 观察药物对病理条件下组织
器官的作用。应用组织器官模型筛选药物, 是药物筛选技术的一大进步。
应用离体组织器官模型筛选药物, 在一定程度上克服了整体动物模型的不足。首先降低了筛选样品的用量。用整体动物进行药物筛选, 对样品的需求量一般在1-5g 以上(根据用量和动物大小) , 而采用组织器官水平的筛选模型筛选药物, 样品用量一般仅需整体动物的1/10或更少; 度, , , ) , , 提高了筛选效率, 降低了筛选成本。第三, 减少了影响药物作用的因素, 易于评价药物作用。
组织器官水平的药物筛选模型在药物筛选和药理学研究中发挥了十分重要的作用, 特别是在药理学研究中, 具有独特的优势, 目前仍在广泛应用。但是, 应用组织器官水平的筛选模型进行药物筛选也存在明显的缺点, 主要是规模小、效率低、反应药物作用有限、对样品的需求量仍然较大, 不易实现一药多筛, 此外, 人工操作技术要求高等也是影响其在药物筛选中应用的主要原因之一。113 细胞、分子水平药物筛选模型和高通量药物筛选细胞生物学、分子药理学、分子生物学、生物化学、病理学等学科的发展, 为观察药物作用提供了新的方法, 大量分子细胞水平的药物筛选模型不断出现并应用到药物研究和药物筛选实践中。与整体动物和组织器官水平的筛选模型相比较, 细胞、分子水平的药物筛选模型具有材料用量少、药物作用机制比较明确、可实现大规模的筛选等特点, 已经成为目前药物筛选的主要方法。细胞分子水平药物筛选模型的应用为自动化操作奠定了基础, 使药物筛选由传统的手工筛选形式转变为由计算机控制的自动化大规模筛选的新技术体系, 形成了高通量药物筛选[2]。
采用细胞水平和分子水平筛选模型进行药物筛选, 在两个方面表现出极大的优势, 一是大样本量的筛选, 由于药物筛选是对未知的探索和发现过程, 只有扩大筛选对象和筛选范围, 才有可能发现真正高水平的药物; 二是实现了一药多筛, 由于这类筛选模型消耗样品很少(微克级) , 可以使珍贵的样品在多个模型上进行筛选, 扩大发现新药的范围。这种筛选方法符合药物筛选和药物发现的基本规律。
2 高通量药物筛选模型的基本要求
如前所述, 用于高通量药物筛选的模型主要是在细胞和分子水平上建立的, 观察的是药物对细胞和生物特定分子的相互作用。由于药物作用的过程, :21, ; 二是阳性对照与空白对照之间的差别或信噪比能够足以反应样品作用的水平。一般情况下, 信噪比不应小于3。影响灵敏度的因素很多, 如样品浓度、药物靶点浓度等, 在模型建立过程中要特别注意。212 特异性
高通量筛选模型要对药物作用具有特异的反应, 才能表现出药物的作用。筛选模型的特异性包括药物作用的特异性和疾病相关的特异性。根据筛选结果可以说明药物的作用原理, 证明药物发挥了特异性的作用。而疾病相关特异性则是指该模型确实能够反映某种疾病的病理过程。213 可操作性
主要是指建立的筛选模型应符合高通量筛选的要求, 在微量体外可控条件下稳定地反应筛选结果, 可进行大规模实验。
3 高通量筛选模型的类型及原理
用于高通量筛选的模型大体可以分为三种类型, 即细胞模型、分子模型和其他模型。311 细胞水平药物筛选模型
细胞水平的筛选模型是观察被筛样品对细胞的作用, 但不能反映药物作用的具体途径和靶点, 只能够反映出药物对细胞生长等过程的综合作用。用于筛选的细胞模型包括各种正常细胞、病理细胞(如肿瘤细胞和经过不同手段模拟的病理细胞) 。
药物对细胞的作用可以有多种表现, 但是由于检测方法和检测手段的限制, 可供药物筛选的检测指标还很有限, 在细胞模型的建立方面, 扩大检测范围, 是应用细胞模型的重要研究内容[3～6]。
由于多种细胞筛选模型的监测指标都是细胞的生殖状态, 因此, 在药物筛选方面应用最广泛的细胞模型是观察化合物样品的细胞毒性。而肿瘤细胞模
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型是筛选抗肿瘤药物的重要手段。由于细胞模型的
材料来源比较容易, 在药物筛选方面具有广阔的应用前景[7]。312 分子水平筛选模型[8]
分子水平筛选模型是高通量药物筛选中使用最
法出现, 但检测的指标都是被筛样品与受体分子结合情况[11]。
是要根据酶的特点来决定。检测酶活性的方法很多, 酶的反应底物、产物都可用作检测指标, 并可由此确定酶反应速度[12]。
, 313 其他用于高通量筛选的模型
生化反应、活性物质的释放, 亚细胞的功能形态变化等都可用作药物筛选模型, 在实际筛选工作中也经常使用。
尽管药物筛选模型的研究主要集中在分子细胞水平和转基因动物模型方面, 近几年在组织器官水平的筛选模型研究方面也取得了很大的进步, 主要进展为测定方法的改进和结果处理自动化。近年来采取形态学、生物化学、电子学等多种方法相结合使, 结果影响因素多等不足, 在。但作为深入筛选或对活性化合物的确证筛选方面, 却有不可替代的价值。413 分子水平、细胞水平筛选模型[18]由于近年来分子生物学技术和细胞生物学技术的快速发展, 分子药理学研究也不断深入, 新的药物作用靶点、功能蛋白质、基因表达的变化, 生物活性成分等不断发现, 为药物筛选提供了大量新的靶点, 如新的有受体、酶等。这些新的靶点为新药筛选提供了新的信息和机会[19,20]。
细胞生物学的进展使更多的细胞可用于筛选, 除正常细胞外, 转基因细胞、病理细胞等被更多的用于药物筛选实验中。目前, 多数生物性物质都可通过转基因的方法由细胞表达, 为新药筛选创造了的便利条件[21]。
生物芯片技术是近年来发展的新技术, 应用生物芯片进行药物筛选, 能够在微小的芯片上获得大量的生物活性数据, 该项技术目前仍处于起步阶段, 存在着许多需要解决的技术问题, 但已经展现出潜在的强大优势, 它必然会在未来的药物发现过程中起到重要作用, 具有广阔的应用前景。对于生物芯片在药物筛选中的应用将另文论述[22]。
4 筛选模型研究进展
411 整体动物筛选模型[14]
如前所述, 整体动物筛选模型在药物筛选、药物研究过程中具有十分重要的作用, 特别与人类疾病相关的病理动物模型, 更是研究的重点。近年来, 在制备模拟人类疾病的动物模型方面, 出现了一些新的动物模型, 如遗传性病理动物、基因敲除和转基因动物模型以及用化学、物理或其他方法制备的动物模型。遗传性动物模型如高血压大鼠、糖尿病大鼠和小鼠、肥胖症小鼠、心肌病大鼠等。基因敲除和转基因动物的发展更是令人瞩目, 采用这种方法, 建立了多种动物模型, 如衰老性动物、老年痴呆动物等[15]。
其他方法制备的动物模型如肿瘤[16]、心脑缺血、老年性痴呆、帕金森氏病等[17]。412 组织器官水平筛选模型的研究进展
5 结语
药物筛选模型是发现新药的重要条件。新模型
的建立将会带动新型药物的出现。分子生物学、细胞生物学、计算机科学的发展, 特别是人类基因组计划的完成, 为医药研究带来了良好的机遇, 也为建立新的药物筛选模型, 提供了理论、技术、材料等多方面的优势条件。因此, 我们应充分利用各学科的发展技术建立更多新的筛选模型, 促进新药的发现。
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参考文献:
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1overview of structure 2activity relationships as an
alternative to testing in animals for carcinogenicity , mutagenici 2ty , dermal and eye irritation , and acute oral toxicity[J].T oxi 2col Ind Health , 1988,4:479-498.
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[8]Bu HZ , Magis L , K nuth K, et al 1High 2throughput cytochrome
P450(CY P ) inhibition screening via a cassette probe 2dosing strategy 1VI 1S imultaneous evaluation of inhibition potential of drugs on human hepatic is ozymes CY P2A6, 3A4, 2C9, 2D6and 2E1[J].Rapid C ommun Mass S pectrom , 2001,15(10) :741-748.
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文章编号:100126325(2001) 0420302204
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胡娟娟, 杜冠华3
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中图分类号:R96511 文献标识码:A
药物筛选模型(drug screening m odel , drug screen 2ing assay method ) 是用于证明某种物质具有药理活性(生物活性、治疗作用) 的实验方法, 这些实验方法是寻找和发现药物的重要条件之一。人们在长期寻找药物的实践过程中, 建立了大量用于新药筛选的各类模型, 在新药发现和研究中发挥了积极作用。随着生命科学的发展, 新的药物筛选模型不断出现, 这些新的筛选模型不仅促进了药物的发现, 而且对药物筛选的方法、理论、技术都产生了巨大影响[1]。本文对近年来药物筛选模型的研究进展作简单综述。
动物模型获得的筛选结果, 对预测被筛选样品的临床价值和应用前景具有十分重要的价值。
整体动物模型包括正常动物和病理动物模型。由于正常动物并不能充分反应药物在病理条件下的治疗作用, 在药物筛选中应用更多的是整体动物病理模型。因此, 研究和制备更多的整体病理动物模型, 成为药物研究领域长期的重要课题。理想的整体动物模型应具备的基本条件是病理机制与人类疾病的相似性、病理表现的稳定性和药物作用的可观察性。
由于整体动物的特殊性, 决定了药物筛选的过程主要依赖于手工操作, 而且只能对有限的样品进行筛选, 特别是人类目前在实验动物身上复制出的病理模型还十分有限, 使用整体动物模型筛选新药具有显著的局限性、低效率和高成本等不足之处。112 组织器官水平的筛选模型和体外药物筛选方法
1 常用药物筛选模型在药物筛选中的应用
应用于药物筛选的模型有多种, 根据所选用的
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用整体动物进行药物筛选, 是长期以来倍受重视的方法, 单纯从新药筛选的角度看, 整体动物筛选模型的最大优点是可以从整体水平, 直观地反应出药物的治疗作用, 不良反应以及毒性作用。由整体
收稿日期:2001-06-22
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组织器官水平的药物筛选模型在药物筛选和药理学研究中发挥了十分重要的作用, 特别是在药理学研究中, 具有独特的优势, 目前仍在广泛应用。但是, 应用组织器官水平的筛选模型进行药物筛选也存在明显的缺点, 主要是规模小、效率低、反应药物作用有限、对样品的需求量仍然较大, 不易实现一药多筛, 此外, 人工操作技术要求高等也是影响其在药物筛选中应用的主要原因之一。113 细胞、分子水平药物筛选模型和高通量药物筛选细胞生物学、分子药理学、分子生物学、生物化学、病理学等学科的发展, 为观察药物作用提供了新的方法, 大量分子细胞水平的药物筛选模型不断出现并应用到药物研究和药物筛选实践中。与整体动物和组织器官水平的筛选模型相比较, 细胞、分子水平的药物筛选模型具有材料用量少、药物作用机制比较明确、可实现大规模的筛选等特点, 已经成为目前药物筛选的主要方法。细胞分子水平药物筛选模型的应用为自动化操作奠定了基础, 使药物筛选由传统的手工筛选形式转变为由计算机控制的自动化大规模筛选的新技术体系, 形成了高通量药物筛选[2]。
采用细胞水平和分子水平筛选模型进行药物筛选, 在两个方面表现出极大的优势, 一是大样本量的筛选, 由于药物筛选是对未知的探索和发现过程, 只有扩大筛选对象和筛选范围, 才有可能发现真正高水平的药物; 二是实现了一药多筛, 由于这类筛选模型消耗样品很少(微克级) , 可以使珍贵的样品在多个模型上进行筛选, 扩大发现新药的范围。这种筛选方法符合药物筛选和药物发现的基本规律。
2 高通量药物筛选模型的基本要求
如前所述, 用于高通量药物筛选的模型主要是在细胞和分子水平上建立的, 观察的是药物对细胞和生物特定分子的相互作用。由于药物作用的过程, :21, ; 二是阳性对照与空白对照之间的差别或信噪比能够足以反应样品作用的水平。一般情况下, 信噪比不应小于3。影响灵敏度的因素很多, 如样品浓度、药物靶点浓度等, 在模型建立过程中要特别注意。212 特异性
高通量筛选模型要对药物作用具有特异的反应, 才能表现出药物的作用。筛选模型的特异性包括药物作用的特异性和疾病相关的特异性。根据筛选结果可以说明药物的作用原理, 证明药物发挥了特异性的作用。而疾病相关特异性则是指该模型确实能够反映某种疾病的病理过程。213 可操作性
主要是指建立的筛选模型应符合高通量筛选的要求, 在微量体外可控条件下稳定地反应筛选结果, 可进行大规模实验。
3 高通量筛选模型的类型及原理
用于高通量筛选的模型大体可以分为三种类型, 即细胞模型、分子模型和其他模型。311 细胞水平药物筛选模型
细胞水平的筛选模型是观察被筛样品对细胞的作用, 但不能反映药物作用的具体途径和靶点, 只能够反映出药物对细胞生长等过程的综合作用。用于筛选的细胞模型包括各种正常细胞、病理细胞(如肿瘤细胞和经过不同手段模拟的病理细胞) 。
药物对细胞的作用可以有多种表现, 但是由于检测方法和检测手段的限制, 可供药物筛选的检测指标还很有限, 在细胞模型的建立方面, 扩大检测范围, 是应用细胞模型的重要研究内容[3～6]。
由于多种细胞筛选模型的监测指标都是细胞的生殖状态, 因此, 在药物筛选方面应用最广泛的细胞模型是观察化合物样品的细胞毒性。而肿瘤细胞模
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型是筛选抗肿瘤药物的重要手段。由于细胞模型的
材料来源比较容易, 在药物筛选方面具有广阔的应用前景[7]。312 分子水平筛选模型[8]
分子水平筛选模型是高通量药物筛选中使用最
法出现, 但检测的指标都是被筛样品与受体分子结合情况[11]。
是要根据酶的特点来决定。检测酶活性的方法很多, 酶的反应底物、产物都可用作检测指标, 并可由此确定酶反应速度[12]。
, 313 其他用于高通量筛选的模型
生化反应、活性物质的释放, 亚细胞的功能形态变化等都可用作药物筛选模型, 在实际筛选工作中也经常使用。
尽管药物筛选模型的研究主要集中在分子细胞水平和转基因动物模型方面, 近几年在组织器官水平的筛选模型研究方面也取得了很大的进步, 主要进展为测定方法的改进和结果处理自动化。近年来采取形态学、生物化学、电子学等多种方法相结合使, 结果影响因素多等不足, 在。但作为深入筛选或对活性化合物的确证筛选方面, 却有不可替代的价值。413 分子水平、细胞水平筛选模型[18]由于近年来分子生物学技术和细胞生物学技术的快速发展, 分子药理学研究也不断深入, 新的药物作用靶点、功能蛋白质、基因表达的变化, 生物活性成分等不断发现, 为药物筛选提供了大量新的靶点, 如新的有受体、酶等。这些新的靶点为新药筛选提供了新的信息和机会[19,20]。
细胞生物学的进展使更多的细胞可用于筛选, 除正常细胞外, 转基因细胞、病理细胞等被更多的用于药物筛选实验中。目前, 多数生物性物质都可通过转基因的方法由细胞表达, 为新药筛选创造了的便利条件[21]。
生物芯片技术是近年来发展的新技术, 应用生物芯片进行药物筛选, 能够在微小的芯片上获得大量的生物活性数据, 该项技术目前仍处于起步阶段, 存在着许多需要解决的技术问题, 但已经展现出潜在的强大优势, 它必然会在未来的药物发现过程中起到重要作用, 具有广阔的应用前景。对于生物芯片在药物筛选中的应用将另文论述[22]。
4 筛选模型研究进展
411 整体动物筛选模型[14]
如前所述, 整体动物筛选模型在药物筛选、药物研究过程中具有十分重要的作用, 特别与人类疾病相关的病理动物模型, 更是研究的重点。近年来, 在制备模拟人类疾病的动物模型方面, 出现了一些新的动物模型, 如遗传性病理动物、基因敲除和转基因动物模型以及用化学、物理或其他方法制备的动物模型。遗传性动物模型如高血压大鼠、糖尿病大鼠和小鼠、肥胖症小鼠、心肌病大鼠等。基因敲除和转基因动物的发展更是令人瞩目, 采用这种方法, 建立了多种动物模型, 如衰老性动物、老年痴呆动物等[15]。
其他方法制备的动物模型如肿瘤[16]、心脑缺血、老年性痴呆、帕金森氏病等[17]。412 组织器官水平筛选模型的研究进展
5 结语
药物筛选模型是发现新药的重要条件。新模型
的建立将会带动新型药物的出现。分子生物学、细胞生物学、计算机科学的发展, 特别是人类基因组计划的完成, 为医药研究带来了良好的机遇, 也为建立新的药物筛选模型, 提供了理论、技术、材料等多方面的优势条件。因此, 我们应充分利用各学科的发展技术建立更多新的筛选模型, 促进新药的发现。
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参考文献:
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