第五章--蛋白质组与新药开发课件.ppt

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1、第十五章第十五章 蛋白质组与新药开发蛋白质组与新药开发第一节第一节 简介简介第二节第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系药物分子靶标的高通量筛选体系一、基因芯片一、基因芯片二、蛋白质芯片二、蛋白质芯片第三节第三节 药物的高通量筛选体系药物的高通量筛选体系一、高通量筛选一、高通量筛选二、计算机虚拟筛选二、计算机虚拟筛选第四节第四节 药物作用的监测评价体系药物作用的监测评价体系一、临床前安全性评价一、临床前安全性评价二、临床试验二、临床试验三、生物技术药物的开发三、生物技术药物的开发第十五章第十五章 蛋白质组与新药开发蛋白质组与新药开发第一节第一节 简介简介目目前前世世界界上上存存在在的的已已知知疾

2、疾病病大大约约有有4500种种，其其中中只只有有不不到到二二分分之之一一的的疾疾病病有有相相应应的的治治疗疗手手段段，可以可以有药物对应的疾病甚至不到四分之一有药物对应的疾病甚至不到四分之一一一个个新新药药从从开开发发到到上上市市，历历经经十十几几年年的的时时间间，研究开发经费可达十几亿美元研究开发经费可达十几亿美元。可可是是，一一旦旦上上市市以以后后，它它所所带带来来的的利利润润也也是是相相当可观的。当可观的。可可见见新新药药的的研研究究开开发发具具有有广广阔阔的的前前景景，是是一一个个周周期期长长、高高风风险险、高高投投入入、高高回回报的产业。报的产业。当当代代创创新新药药物物研研究究竞竞

3、争争十十分分剧剧烈烈，其其中中竞竞争争的的焦焦点点就就在在于于筛筛选选新新药药，问问题题的的核核心心是是低低成成本本、高高效效率率地地筛筛选选出出新新药药，以以达到缩短新药发现过程的目标。达到缩短新药发现过程的目标。在在医医药药工工业业，发发现现一一个个新新药药后后，临临床床前前药理、毒理学研究平均需要药理、毒理学研究平均需要3.53.5年年。临床试验平均需要临床试验平均需要6 6年年。审批上市审批上市平均平均需要需要2.52.5年年。三者相加平均三者相加平均1212年。年。企企图图从从这这几几个个发发展展阶阶段段上上缩缩短短周周期期，加加快新药上市的速度是很困难的。快新药上市的速度是很困难的

4、。这这几几个个阶阶段段的的周周期期长长短短，不不但但受受新新药药研研究究规规律律所所制制约约，也也受受药药品品审审批批管管理理法法规规要求的限制。要求的限制。针对上述难题，针对上述难题，新药研制机构，新药研制机构，特特别别是是各各国国的的制制药药企企业业公公司司纷纷纷纷加加大大人人力力、财财力的投入力度，力的投入力度，将热情和注意力倾注在新药发现过程上，将热情和注意力倾注在新药发现过程上，大量使用现代新技术，大量使用现代新技术，寻寻找找切切实实可可行行的的解解决决方方案案，以以期期抢抢占占制制药药行行业业的先机。的先机。这就在很大程度上促进了相关科技的高速发展。这就在很大程度上促进了相关科技的

5、高速发展。基因组学基因组学组合化学组合化学高高通通量量筛筛选选(highhighthroughput throughput screeningscreening，HTS)HTS)三三种种技技术术的的联联合合应应用用使使得得新新药药研研制制的的成成本本得得到到大幅度下降。大幅度下降。加速了具有加速了具有特定靶标的新化合物的发现特定靶标的新化合物的发现。人人类类基基因因组组测测序序工工作作的的完完成成，也也将将为为药药物物的的寻寻找提供更多的可供筛选的靶标。找提供更多的可供筛选的靶标。在在欧欧美美一一些些国国家家，将将HGPHGP的的研研究究和和新新药药开开发发结结合合在在一一起起，创创立立了了一

6、一门门新新的的学学科科，叫叫药物基因组学药物基因组学(pharmacogenomics)pharmacogenomics)。它它以以基基因因组组学学为为基基础础，以以研研究究开开发发新新药药为目的。为目的。在在基基因因水水平平上上对对疾疾病病敏敏感感度度、药药物物反反应应和副作用进行分析和研究。和副作用进行分析和研究。是药理学当中的一个新分支。是药理学当中的一个新分支。药物基因组学含义：药物基因组学含义：药药物物效效应应的的基基因因型型预预测测和和基基因因组组学学在在医医药工业上的应用，药工业上的应用，在在分分子子水水平平上上证证明明和和阐阐述述药药物物疗疗效效，药药物作用的靶标、作用模式和毒

7、副作用物作用的靶标、作用模式和毒副作用。核核酸酸作作为为药药物物作作用用的的靶靶标标实实际际上上存存在在着着致致命命的的缺陷：缺陷：(1)(1)首先首先由于核酸结构的同源性由于核酸结构的同源性联联系系到到许许多多人人类类正正常常的的功功能能，作作用用于于DNADNA的的药药物物大大多多选选择择性性差差，而而且且毒毒性性较较大大，特特别别是是形形成成共价结合的药物都有严重的共价结合的药物都有严重的细胞毒作用细胞毒作用。(2)(2)其其次次大大多多数数疾疾病病都都是是表表征征在在蛋蛋白白质质水水平平上上，而不是在基因水平上而不是在基因水平上。细细胞胞和和组组织织中中mRNAmRNA的的丰丰度度与与

8、蛋蛋白白质质的的丰丰度度相相关关性不显著性不显著(仅为仅为0.5)0.5)；(3)(3)第第三三，将将核核酸酸结结合合的的药药物物释释放放到到相相应应的组织是一大难题。的组织是一大难题。(4)(4)第第四四，很很多多疾疾病病如如癌癌症症和和心心血血管管疾疾病病往往是多基因共同作用的结果往往是多基因共同作用的结果。因此很难找到因此很难找到关键基因关键基因作为作用的靶标作为作用的靶标以上几点都是制约新药开发进程的瓶颈。以上几点都是制约新药开发进程的瓶颈。为为了了阐阐明明生生命命活活动动的的本本质质，真真正正与与功功能能研研究究结结合合，基基因因组组的的研研究究必必然然要要回回归归到到蛋白质组研究。

9、蛋白质组研究。蛋白质的结构、分布和功能：蛋白质的结构、分布和功能：对对于于预预测测某某些些疾疾病病的的进进程程、药药物物作作用用及及其过程。其过程。对对于于阐阐明明不不同同个个体体之之间间遗遗传传学学上上的的差差异异是非常重要的。是非常重要的。疾疾病病的的发发生生与与发发展展、药药物物的的作作用用大大多多是是在在蛋蛋白白质水平上进行的质水平上进行的。蛋蛋白白质质组组学学研研究究克克服服了了蛋蛋白白质质表表达达和和基基因因之之间间的非线性关系。的非线性关系。将将蛋蛋白白质质组组应应用用于于新新药药研研究究，可可以以通通过过对对疾疾病病与与正正常常细细胞胞中中的的蛋蛋白白质质组组进进行行比比较较，

10、发发现现可可以以成成为为药药物物筛筛选选的的作作用用靶靶标标的的、与与一一些些疾疾病病相相关关的蛋白质的蛋白质。而而新新药药及及其其靶靶标标的的发发现现和和药药物物作作用用的的模模式式研研究究是是药物蛋白质组学的重要研究内容药物蛋白质组学的重要研究内容。为为了了尽尽快快发发掘掘到到具具有有可可成成为为疾疾病病标标志志物物或药物作用靶标的蛋白质，或药物作用靶标的蛋白质，蛋蛋白白质质组组学学技技术术向向高高通通量量(大大规规模模)和和自自动化方向发展。动化方向发展。评价蛋白质组学技术发展的标准：评价蛋白质组学技术发展的标准：高灵敏度高灵敏度高准确度高准确度高重现性高重现性蛋蛋白白质质组组学学可可以

11、以提提供供一一种种发发现现和和鉴鉴定定在在疾疾病病作作用用下表达异常的蛋白质的方法。下表达异常的蛋白质的方法。这种蛋白质可以作为这种蛋白质可以作为药物筛选的作用靶点药物筛选的作用靶点。通通过过对对疾疾病病发发生生的的不不同同阶阶段段蛋蛋白白质质的的变变化化进进行行分分析，发现一些疾病不同时期的析，发现一些疾病不同时期的蛋白标志物蛋白标志物。这这样样不不仅仅对对药药物物发发现现具具有有指指导导意意义义，还还可可形形成成未未来诊断学、治疗学的基础理论。来诊断学、治疗学的基础理论。癌癌症症被被称称为为当当今今人人类类的的一一大大天天敌敌，因因而而抗抗肿肿瘤瘤药药的开发也就成了科学家们研究的重点。的开

12、发也就成了科学家们研究的重点。现现今今大大多多数数抗抗癌癌药药都都伴伴有有严严重重的的毒毒副副作作用用，特特别别是是对对晚晚期期癌癌症症病病人人进进行行单单一一化化疗疗或或联联合合放放疗疗、过过热热疗疗法法时时，经经常常伴伴随随着着癌癌细细胞胞对对细细胞胞抑抑制制剂剂耐药性的发生耐药性的发生。如如果果能能发发现现在在耐耐药药细细胞胞系系中中表表达达异异常常的的蛋蛋白白质质或或者者与与细细胞胞毒毒性性密密切切相相关关的的蛋蛋白白质质，就就可可以以此此蛋蛋白白为为靶靶点点设设计计用用于于联联合合用用药药的的新新化化学学单单位位(new chemical entities)。也也可可以以此此信信息息

13、为为参参考考，设设计计避避免免产产生生耐耐药药性性或或毒副作用的药物。毒副作用的药物。造造成成癌癌症症病病人人死死亡亡率率极极高高的的主主要要原原因因是是肿瘤的转移肿瘤的转移现现在在国国内内一一些些实实验验室室已已开开始始利利用用蛋蛋白白质质组组学学技技术术，通通过过对对高高低低转转移移细细胞胞株株蛋蛋白白质的比较，质的比较，来寻找与肿瘤转移相关的蛋白质。来寻找与肿瘤转移相关的蛋白质。同同样样也也可可以以高高转转移移株株中中特特异异表表达达的的蛋蛋白白质为靶点，开发抑制肿瘤转移的新药质为靶点，开发抑制肿瘤转移的新药。在在抗抗生生素素方方面面，由由于于传传染染病病仍仍是是死死亡亡的的主主要要原原

14、因因，因因而而抗抗感感染染药药是是近近年年来来各各国国新药开发的热点之一。新药开发的热点之一。面面对对抗抗生生素素耐耐药药问问题题以以及及不不断断出出现现新新的的微微生生物物的的感感染染性性疾疾病病，老老的的方方法法显显得得束束手无策。手无策。其其根根本本原原因因就就在在于于对对药药物物的的作作用用机机制制缺缺乏透彻的认识。乏透彻的认识。蛋蛋白白质质组组学学技技术术可可以以让让人人们们清清楚楚地地了了解解：细细菌菌内内哪哪些些蛋蛋白白质质会会在在抗抗生生素素的的作作用用下下发生改变，以及发生何种变化。发生改变，以及发生何种变化。根根据据这这些些变变化化，并并以以蛋蛋白白质质作作为为新新药药设设

15、计的靶点，筛选出新一类的抗生素。计的靶点，筛选出新一类的抗生素。同同时时还还可可选选取取一一些些耐耐药药菌菌株株，考考察察其其耐耐药机制药机制第二节第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系药物分子靶标的高通量筛选体系思考题：思考题：1 什么叫基因芯片？什么叫基因芯片？2 生物芯片技术组成部分有哪些？生物芯片技术组成部分有哪些？3 什么叫蛋白质芯片？什么叫蛋白质芯片？第二节第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系药物分子靶标的高通量筛选体系在药物研发中，在药物研发中，疾病靶标有两个含义疾病靶标有两个含义：靶基因靶基因靶蛋白靶蛋白靶基因的概念：靶基因的概念：通通常常，我我们们首首先先需需要要了了解解影影响

16、响某某一一疾疾病病的的基基因因(整整个个代代谢谢途途径径上上的的基基因因)，其其中中一一个个或或一一系系列列基因就称为靶基因。基因就称为靶基因。靶蛋白的概念：靶蛋白的概念：靶靶基基因因确确定定之之后后，就就有有可可能能针针对对与与此此疾疾病病相相关关的的某某一一个个基基因因产产物物蛋蛋白白质质设设计计药药物物，这这种种蛋白质就确定为靶蛋白。蛋白质就确定为靶蛋白。目目前前，已已有有许许多多新新技技术术新新方方法法可可加加快快这这一一阶阶段段的研究：的研究：生物信息学生物信息学(bioinformatics)体体 外外 或或 体体 内内 表表 达达 技技 术术(in vivo or in vitr

17、o express)超高通量超高通量(ultra high throughput)仪器仪器微阵列技术微阵列技术(microarrays)反义技术反义技术(anti-sense)蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)技术等等技术等等这些技术是药物早期开发成功的关键。这些技术是药物早期开发成功的关键。由于许多疾病与信号传导途径异常有关，因而由于许多疾病与信号传导途径异常有关，因而信号分子可以作为治疗药物设计的靶点。信号分子可以作为治疗药物设计的靶点。在信号传递过程中涉及成百上千个蛋白质，在信号传递过程中涉及成百上千个蛋白质，蛋蛋白质白质-蛋白质相互作用发生在细胞内信号传递蛋白质相互作用发生在

18、细胞内信号传递的所有阶段。的所有阶段。这种复杂的蛋白质作用的这种复杂的蛋白质作用的串联效应可以完全不串联效应可以完全不受基因调节而自发地产生。受基因调节而自发地产生。通过与正常细胞作比较，通过与正常细胞作比较，掌握与疾病细胞中某掌握与疾病细胞中某个信号途径活性增加或丧失有关的蛋白质的改个信号途径活性增加或丧失有关的蛋白质的改变变，将为药物设计提供更为合理的靶点。，将为药物设计提供更为合理的靶点。生生物物芯芯片片(biochip)技技术术是是近近几几年年才才发发展展起起来来的的一一种种高高通通量量、微微型型化化和和自自动动化化检检测测技技术术，又又称称微微阵阵列列(microarray)分分析析

19、技术。技术。它应用于生命科学的许多领域：它应用于生命科学的许多领域：疾病相关基因的发现疾病相关基因的发现疾病分子诊断疾病分子诊断预测及基因功能研究等预测及基因功能研究等(见图见图)。在药物领域在药物领域:对于对于药物靶标药物靶标的发现的发现多靶位同步超高通量药物筛选多靶位同步超高通量药物筛选药物作用的分子机理药物作用的分子机理中医药基础理论现代化中医药基础理论现代化药物活性及毒性评价等方面药物活性及毒性评价等方面都有其他方法无可比拟的优越性。都有其他方法无可比拟的优越性。生物芯片技术至少由生物芯片技术至少由5部分组成：部分组成：具有特殊表面的芯片本身。具有特殊表面的芯片本身。在在芯芯片片上上点

20、点布布或或原原位位合合成成核核酸酸(或或蛋蛋白白质质)探针得到微阵列的设备探针得到微阵列的设备。布阵的质量直接影响微阵列分析的结果布阵的质量直接影响微阵列分析的结果目目前前喷喷泡泡(bubble jet)技技术术和和寡寡核核苷苷酸酸的的无无屏屏蔽蔽原原位位(maskless in situ)合合成成技技术术的的建立使微阵列分析技术得到很大提高。建立使微阵列分析技术得到很大提高。用于与靶用于与靶DNA杂交的流体系统。杂交的流体系统。读取芯片的扫描仪。读取芯片的扫描仪。定量分析和解释结果的完善的软件程序。定量分析和解释结果的完善的软件程序。另另外外还还需需要要从从生生物物材材料料中中提提取取核核酸

21、酸以以备备分分析析的的工具。工具。基基 因因 芯芯 片片(genechip)及及 蛋蛋 白白 质质 芯芯 片片(proteinchip)均均属属于于生生物物芯芯片片，都都是是近近年年来来发发展展起起来来的的新新的的生生物物技技术术。现现在在它它们们越越来来越越多多地地应应用用到到生生物物学学、医医学学、遗遗传传学学、药药理理学学和和毒毒理学等多个方面，并开始崭露头角。理学等多个方面，并开始崭露头角。一、基因芯片及其应用一、基因芯片及其应用基因芯片概念：基因芯片概念：基基因因芯芯片片又又称称DNA或或cDNA微微阵阵列列(DNA or cDNA microarray)，是是指指在在面面积积很很小

22、小的的载载体体上上，点点布布数数以以万万计计不不同同的的寡寡核核苷苷酸或酸或cDNA，将将芯芯片片与与标标记记有有荧荧光光染染料料的的待待测测DNA或或mRNA杂交，杂交，与与靶靶序序列列配配合合好好的的探探针针会会产产生生强强烈烈的的杂杂交信号交信号如果有碱基的错配，信号就会减弱。如果有碱基的错配，信号就会减弱。籍籍此此能能判判断断靶靶DNA或或mRNA中中与与芯芯片片相相应基因的突变或表达等情况。应基因的突变或表达等情况。它的特点是：它的特点是：一次性检测样本量大一次性检测样本量大成本相对低成本相对低计算机自动分析结果以及快速、准确等。计算机自动分析结果以及快速、准确等。因此因此适于靶适于

23、靶DNA或或mRNA的高通量筛选的高通量筛选。在在肿肿瘤瘤研研究究和和诊诊治治方方面面，Wang等等将将5766种种cDNA点点布布在在一一张张基基因因芯芯片片上上，用用它它检检测测正正常常卵巢组织和卵巢组织和卵巢肿瘤之间各基因表达的差异。卵巢肿瘤之间各基因表达的差异。鉴鉴定定了了在在卵卵巢巢癌癌变变过过程程中中起起着着重重要要作作用用的的几几种种基基因因，这这也也为为肿肿瘤瘤的的诊诊断断和和治治疗疗带带来来了了新新的的方方法和途径。法和途径。另另外外还还有有多多种种癌癌症症组组织织被被人人们们用用这这种种方方法法所所研研究究，这这些些肿肿瘤瘤基基因因表表达达谱谱的的研研究究对对于于肿肿瘤瘤的

24、的分分类和提供癌症的新型基因靶标提供了可能。类和提供癌症的新型基因靶标提供了可能。近近年年来来，随随着着分分子子生生物物学学的的不不断断发发展展，越越来来越越多多的的单单基基因因遗遗传传病病的的基基因因被被克克隆隆出来出来。利利用用基基因因芯芯片片检检测测容容量量大大的的特特点点，可可根根据据某某个个遗遗传传病病的的特特定定基基因因，设设计计一一组组包包含含能能检检测测该该基基因因各各外外显显子子上上所所有有可可能能出出现现突突变变的的DNA序序列列位位点点的的寡寡核核苷苷酸酸探探针针，制成一张芯片制成一张芯片。利利用用杂杂交交时时会会出出现现碱碱基基错错配配杂杂交交信信号号减减弱弱的的特特性

25、性，经经计计算算机机分分析析扫扫描描信信号号，将将该该基基因因上上的的杂杂合性突变检测出来，合性突变检测出来，并并分分析析出出该该突突变变位位点点在在突突变变后后有有无无mRNA表表达达、表达后翻译的蛋白质功能变化的可能情况表达后翻译的蛋白质功能变化的可能情况。使使得得一一次次检检测测就就可可以以完完成成对对一一系系列列疾疾病病的的基基因因诊断。诊断。单张芯片上容纳的寡核苷酸探针越多单张芯片上容纳的寡核苷酸探针越多一一次次检检测测能能够够诊诊断断的的基基因因遗遗传传病病种种类类也也越多。越多。随随着着基基因因芯芯片片产产量量的的增增加加，价价格格也也会会逐逐步步下下降降，使使得得对对基基因因遗

26、遗传传病病的的诊诊断断和和产产前诊断在实际中的应用成为现实前诊断在实际中的应用成为现实。二、蛋白质芯片二、蛋白质芯片蛋白质芯片又称蛋白质微阵列蛋白质芯片又称蛋白质微阵列(protein microarray)蛋白质芯片蛋白质芯片是继基因芯片之后，作为基因芯片功是继基因芯片之后，作为基因芯片功能的补充发展起来的。能的补充发展起来的。DNA基因芯片为描绘不同组织的基因芯片为描绘不同组织的mRNA表达谱提表达谱提供了可能，并且得到了广泛的应用。供了可能，并且得到了广泛的应用。一个基因一个基因在转录时也许以在转录时也许以多种多种mRNA形式剪接形式剪接而而同一种蛋白质同一种蛋白质可能会以多种形式进行翻

27、译后可能会以多种形式进行翻译后修饰，修饰，蛋白质组中蛋白质的数量可能超过基因组的数蛋白质组中蛋白质的数量可能超过基因组的数量。量。所以更能所以更能反映生物体机能的是蛋白质表达谱，反映生物体机能的是蛋白质表达谱，而不是而不是mRNA表达谱表达谱。蛋白质芯片的发展使得在同一时相分析整个蛋蛋白质芯片的发展使得在同一时相分析整个蛋白质组成为可能。白质组成为可能。蛋白质芯片的两种常用的分离手段蛋白质芯片的两种常用的分离手段：（1）保留色谱）保留色谱（2）预活化芯片表面）预活化芯片表面用于蛋白质芯片表面的色谱主要有：用于蛋白质芯片表面的色谱主要有：反相色谱反相色谱离子色谱离子色谱(阴离子和阳离子阴离子和阳

28、离子)交换色谱交换色谱金属亲和色谱等金属亲和色谱等预预活活化化表表面面主主要要是是基基于于蛋蛋白白质质之之间间的的专专一性作用。一性作用。如：抗原一抗体结合和受体一配基等。如：抗原一抗体结合和受体一配基等。通通过过分分离离，可可以以将将从从细细胞胞或或体体液液中中分分离离出出的的具具有有某某些些共共同同特特性性的的蛋蛋白白质质富富集集至至蛋白质芯片上用于进一步的分析蛋白质芯片上用于进一步的分析。蛋白质芯片的概念：蛋白质芯片的概念：与基因芯片相似，蛋白质芯片就是在载与基因芯片相似，蛋白质芯片就是在载体上体上点布高密度不同种类的蛋白质点布高密度不同种类的蛋白质，然后再用然后再用标记了荧光染料的已知

29、抗体或标记了荧光染料的已知抗体或配体配体等与待测样本中的抗体或配体一起等与待测样本中的抗体或配体一起同芯片上的蛋白质竞争结合同芯片上的蛋白质竞争结合，在扫描仪上读出荧光强弱，在扫描仪上读出荧光强弱，利用计算机分析计算出待测样本结果。利用计算机分析计算出待测样本结果。在此基础上进一步发展到对各种蛋白质、在此基础上进一步发展到对各种蛋白质、抗体以及配体的检测抗体以及配体的检测，弥补了基因芯片弥补了基因芯片检测的空缺。检测的空缺。从而在从而在SELDI-TOF-MS中获得比普通中获得比普通MALDI-TOF-MS信号更强信号更强(灵敏度更高灵敏度更高)、更均一、重复性更好的谱图，进行蛋白更均一、重复

30、性更好的谱图，进行蛋白质的相对分子质量和相对定量分析。质的相对分子质量和相对定量分析。与与DNA芯片一样，芯片一样，蛋白质芯片蛋白质芯片同样蕴涵同样蕴涵着丰富的信息量，着丰富的信息量，必须利用专门的计算必须利用专门的计算机软件包机软件包进行图像分析、结果定量和解进行图像分析、结果定量和解释，才能应用于疾病靶标蛋白质的发现释，才能应用于疾病靶标蛋白质的发现与筛选研究。与筛选研究。目前我国在生物芯片研发及生产技术、应用等目前我国在生物芯片研发及生产技术、应用等方面已经取得了很大的成功。方面已经取得了很大的成功。世界世界首例用于肿瘤早期检测的多肿瘤标志物蛋首例用于肿瘤早期检测的多肿瘤标志物蛋白芯片检

31、测系统白芯片检测系统，日前已在日前已在上海数康生物科技有限公司上海数康生物科技有限公司开发研制开发研制问世，问世，经多家医院临床试验和备方专家论证鉴定，经多家医院临床试验和备方专家论证鉴定，国家药品监督管理局已正式为其颁发了国家药品监督管理局已正式为其颁发了生物制生物制品一类新药证书及试生产批文。品一类新药证书及试生产批文。这一系统是基于生物芯片技术和免疫学这一系统是基于生物芯片技术和免疫学技术技术通过检测通过检测12种肿瘤标志物种肿瘤标志物可以达到对可以达到对10种常见肿瘤种常见肿瘤:原发性肝癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌、原发性肝癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌、食道癌、卵巢癌、子宫内膜癌、胃

32、癌、食道癌、卵巢癌、子宫内膜癌、结直肠癌、乳腺癌结直肠癌、乳腺癌进行同时检测的目的进行同时检测的目的，可广泛地应用于，可广泛地应用于临床辅助诊断、体检普查等领域。临床辅助诊断、体检普查等领域。第三节第三节 药物的高通量筛选体系药物的高通量筛选体系一、高通量筛选一、高通量筛选二、计算机虚拟筛选二、计算机虚拟筛选第三节第三节 药物的高通量筛选体系药物的高通量筛选体系综合运用蛋白质组技术等筛选得到综合运用蛋白质组技术等筛选得到疾病疾病靶标蛋白质靶标蛋白质以后，可以合理设计针对疾以后，可以合理设计针对疾病靶标特点的病靶标特点的先导化合物及其活性类似先导化合物及其活性类似物物。要想得到临床药物，还需要对

33、其进行大要想得到临床药物，还需要对其进行大规模活性筛选。规模活性筛选。在人类基因组计划进行的近几年中，药在人类基因组计划进行的近几年中，药物筛选有了很大发展，物筛选有了很大发展，现代药物筛选包现代药物筛选包括以下几个层次：括以下几个层次：计算机模拟药物筛选和计算机辅助设计算机模拟药物筛选和计算机辅助设计。计。运用计算机技术，运用计算机技术，以药物靶标分子三维以药物靶标分子三维结构和蛋白质晶体结构为基础结构和蛋白质晶体结构为基础，对含有，对含有大量化合物结构的数据库进行模拟大量化合物结构的数据库进行模拟“筛筛选选，迅速高效地发现先导化合物及其新，迅速高效地发现先导化合物及其新用途。用途。分子水平

34、的药物筛选模型。分子水平的药物筛选模型。利用生命活动中发挥重要作用的利用生命活动中发挥重要作用的基因位基因位点、受体、酶、离子通道、核酸点、受体、酶、离子通道、核酸等生物等生物大分子大分子作为药物筛选的作用靶点作为药物筛选的作用靶点进行分进行分子水平筛选，其中，子水平筛选，其中，基因芯片和蛋白质基因芯片和蛋白质芯片将被广泛应用芯片将被广泛应用。细胞水平的药物筛选模型。细胞水平的药物筛选模型。利用利用离体培养细胞株、转基因细胞株离体培养细胞株、转基因细胞株进进行药物作用的筛选或鉴定。行药物作用的筛选或鉴定。动物个体水平的药物筛选模型。动物个体水平的药物筛选模型。动物试验作为药物在人体临床前的鉴定

35、动物试验作为药物在人体临床前的鉴定模型，模型，转基因和基因剔除动物模型的平转基因和基因剔除动物模型的平台建立台建立，为药物筛选和基因治疗提供了，为药物筛选和基因治疗提供了实验模型。实验模型。人体临床筛选模型。人体临床筛选模型。作为药物上市前的最后筛选。作为药物上市前的最后筛选。采用分子水平的筛选模型采用分子水平的筛选模型已被普遍用于已被普遍用于模拟药物筛选的第一步初筛，模拟药物筛选的第一步初筛，其优点其优点:特异性强、灵敏度高、微量快速。特异性强、灵敏度高、微量快速。蛋白质组学技术应用于筛选模型构建中蛋白质组学技术应用于筛选模型构建中的一个最大的优势的一个最大的优势:更清楚、更详尽地阐明分子药

36、理机制，更清楚、更详尽地阐明分子药理机制，提供更为有效、合理的药理模型。提供更为有效、合理的药理模型。现在蛋白质组学的研究结果表明现在蛋白质组学的研究结果表明:蛋白质基因表达的调控成了真正的药物作用机蛋白质基因表达的调控成了真正的药物作用机制。制。在药物发现阶段在药物发现阶段，大量，大量合成的有机化合物合成的有机化合物和分和分离得到的离得到的天然产物有效成分天然产物有效成分，在有效的药理模型上利用自动化的筛选技术对在有效的药理模型上利用自动化的筛选技术对其进行随机筛选，其进行随机筛选，发现具有进一步开发价值的化合物，称发现具有进一步开发价值的化合物，称为先导为先导化合物化合物(1ead com

37、pound)。药物发现阶段对创新药物的研究具有决定性的药物发现阶段对创新药物的研究具有决定性的意义，筛选效率的提高将大大缩短新药发现的意义，筛选效率的提高将大大缩短新药发现的周期。蛋白质组学技术除能够促进靶点的发现周期。蛋白质组学技术除能够促进靶点的发现外，还有助于筛选模型的建立。外，还有助于筛选模型的建立。在新药研究中形成了药物发现过程的新方法，在新药研究中形成了药物发现过程的新方法，出现了出现了高通量筛选高通量筛选(high throughput screening,HTS)体体系系:高通量筛选：高通量筛选：有机地将组合化学、基因组研究、生物信息和有机地将组合化学、基因组研究、生物信息和自

38、动化仪器、机器人等先进技术进行组合，形自动化仪器、机器人等先进技术进行组合，形成一种发现新药的新程序。成一种发现新药的新程序。高通量筛选高通量筛选是药物产业化过程中的一个关键环是药物产业化过程中的一个关键环节，它是测试标靶相对于批量化合物的结合能节，它是测试标靶相对于批量化合物的结合能力或生物学活性。力或生物学活性。被测试化合物可能作为被测试化合物可能作为:标靶的抑制物标靶的抑制物天然受体结合位点的竞争物天然受体结合位点的竞争物细胞内受体介导过程的激活物或拮抗物细胞内受体介导过程的激活物或拮抗物等。等。制药公司一般一次要筛选制药公司一般一次要筛选100 000100 000300 300 00

39、0000个以上的化合物，从中确定个以上的化合物，从中确定100100300300个候选物个候选物.最后，最后，1-21-2个个化合物可能成为化合物可能成为先导化合物。先导化合物。在在HTS(高通量筛选高通量筛选)发展之前的发展之前的90年代初年代初期，期，采用传统的方法采用传统的方法:一个实验室借助一个实验室借助20余种药物作用靶位余种药物作用靶位，一年内，一年内可以筛选可以筛选75 000个样品个样品；到了到了1997年年HTS发展的初期发展的初期，采用，采用100余种靶余种靶位位，每年可筛选，每年可筛选1 000 000个样品个样品；到到1999年年，由于，由于HTS的进一步完善，每天的筛

40、的进一步完善，每天的筛选量就高达选量就高达100 000种化合物种化合物。因此称为超高通量筛选因此称为超高通量筛选(ultrahighthroughput screening)这种新的飞跃，将大大加速新药发现的速度。这种新的飞跃，将大大加速新药发现的速度。HTS系统应用和推广的关键在于必须具备相应系统应用和推广的关键在于必须具备相应的新药筛选模型。的新药筛选模型。近年来以基因表达产物为模型建立的新药筛选近年来以基因表达产物为模型建立的新药筛选模型为模型为HTS的应用提供了有利条件。的应用提供了有利条件。如根据人类重要如根据人类重要疾病的种类疾病的种类，以每种疾病可能涉及的以每种疾病可能涉及的基

41、因基因及每种及每种基因产物基因产物在致病过程中可能与之相关的在致病过程中可能与之相关的蛋白蛋白相互作用数目计算，相互作用数目计算，预计基因组研究的结果可提供预计基因组研究的结果可提供500010 000种种分子药靶分子药靶，靶位数目将超过以往的，靶位数目将超过以往的20余倍。余倍。二、计算机虚拟筛选二、计算机虚拟筛选 计算机虚拟筛选计算机虚拟筛选(in silico screening/virtual screening)：主要用于限定：主要用于限定(减少减少)提交生物学筛选的化合物数量和结构特提交生物学筛选的化合物数量和结构特征。征。它是综合计算机辅助药物分子设计等多它是综合计算机辅助药物分

42、子设计等多学科的一种筛选优筛学科的一种筛选优筛(focused screening)策略。策略。（1）它覆盖了计算机辅助药物分子设计）它覆盖了计算机辅助药物分子设计的大部分研究领域，从的大部分研究领域，从组合化学库的合组合化学库的合理设计理设计到到三维结构化学关系数据库三维结构化学关系数据库的自的自动产生；动产生；（2）从库中分子结构相似性分类到化合）从库中分子结构相似性分类到化合物是否物是否具备药物类似性的快速预测具备药物类似性的快速预测；（3）从对系列化合物三维定量构效关系）从对系列化合物三维定量构效关系研究与药效团的构建，到研究与药效团的构建，到药物分子与受药物分子与受体相互作用的精确计

43、算机模拟体相互作用的精确计算机模拟。其目的其目的是在大量化合物样品库中挑选出是在大量化合物样品库中挑选出能代表分子多样性和药物类似性的分子，能代表分子多样性和药物类似性的分子，作为作为候选先导化合物进行生物学筛选候选先导化合物进行生物学筛选，从而大大减少药物开发的消耗和缩短药从而大大减少药物开发的消耗和缩短药物开发的周期。物开发的周期。第四节第四节 药物作用的监测评价体系药物作用的监测评价体系经过大规模筛选后的先导化合物经过大规模筛选后的先导化合物进入药进入药物开发阶段。物开发阶段。这一阶段包括：这一阶段包括：药效学研究药效学研究药代动力学研究药代动力学研究安全性评价和临床试验等步骤。安全性评

44、价和临床试验等步骤。这一过程最大的特点：这一过程最大的特点：耗时又耗资，且常常是幸存者寥寥无几。耗时又耗资，且常常是幸存者寥寥无几。尤其是在临床试验中被淘汰出局的为多数。尤其是在临床试验中被淘汰出局的为多数。分析其原因分析其原因:缺乏对药物的毒理机制深入了解缺乏对药物的毒理机制深入了解缺乏有效的临床前安全性评价指标。缺乏有效的临床前安全性评价指标。蛋白质组学的出现及时有效地弥补了这块空白。蛋白质组学的出现及时有效地弥补了这块空白。一、临床前安全性评价一、临床前安全性评价人们越来越认识到蛋白质组学在药物毒理机制人们越来越认识到蛋白质组学在药物毒理机制研究中的重要性。研究中的重要性。蛋白质组数据库

45、能根据蛋白质组数据库能根据蛋白质点的强度蛋白质点的强度反映一反映一种疾病的过程变化或对一组药物反应的变化种疾病的过程变化或对一组药物反应的变化。蛋白质蛋白质可以用作可以用作药物反应或疾病的替代标志药物反应或疾病的替代标志。环孢素环孢素A造成严重的肾毒性造成严重的肾毒性原因的探明是蛋白原因的探明是蛋白质组学在药物毒理机制研究中成功应用的一个质组学在药物毒理机制研究中成功应用的一个很好的例子。很好的例子。环孢素环孢素A是一种应用广泛的是一种应用广泛的免疫抑制剂免疫抑制剂被成功地用于器官移植手术中和自身免疫疾病被成功地用于器官移植手术中和自身免疫疾病的治疗中的治疗中但应用中也伴随着但应用中也伴随着许

46、多副作用许多副作用，其中最值得注，其中最值得注意的是意的是肾毒性肾毒性。用环孢素用环孢素A处治后最明显的结果是处治后最明显的结果是:部分蛋白点消失部分蛋白点消失，这些蛋白点后来从大鼠肾脏，这些蛋白点后来从大鼠肾脏蛋白质模式中被鉴定为蛋白质模式中被鉴定为calbindin-D的的28 kDa蛋蛋白。白。使用使用酶联免疫吸收剂分析酶联免疫吸收剂分析的进一步研究证实，的进一步研究证实，大鼠肾脏中大鼠肾脏中calbindin-D的的28 kDa蛋白量持续减蛋白量持续减少。少。这种减少伴随着尿钙排泄物和皮层脊髓这种减少伴随着尿钙排泄物和皮层脊髓管内石灰化的增加。管内石灰化的增加。如果如果calbindi

47、n-D 28 kDa蛋白扮演钙运输蛋白扮演钙运输的促进器和钙缓冲器的促进器和钙缓冲器的角色，观察到的的角色，观察到的效应就能得到解释。效应就能得到解释。环孢素环孢素A毒性标志物的鉴定毒性标志物的鉴定，为其毒效提，为其毒效提供了可靠的说明供了可靠的说明.这是蛋白质组与其他的技术结合的成功这是蛋白质组与其他的技术结合的成功应用结果。应用结果。第二个生物标记蛋白质成功鉴别的例子第二个生物标记蛋白质成功鉴别的例子来自来自膀胱鳞片状细胞癌膀胱鳞片状细胞癌进程的长期研究进程的长期研究在此研究中，可以监测定义在此研究中，可以监测定义蛋白质标志物蛋白质标志物和癌和癌损害的分化程度。损害的分化程度。Aicher

48、等这样评论蛋白质组：等这样评论蛋白质组：“鉴于目前蛋白质组相关技术已取得的长足进鉴于目前蛋白质组相关技术已取得的长足进步，人们有信心期待大规模步，人们有信心期待大规模蛋白质组学将成为蛋白质组学将成为进行临床安全性评价的重要工具进行临床安全性评价的重要工具。二、临床试验二、临床试验利用蛋白质组学利用蛋白质组学可以检测到疾病可以检测到疾病相关蛋相关蛋白质，白质，这些蛋白质实际上就是指示疾病发生的这些蛋白质实际上就是指示疾病发生的分子标志物分子标志物。这些分子信号将来有可能被用作在临床这些分子信号将来有可能被用作在临床试验中试验中监测受试者用药反应的参考监测受试者用药反应的参考。同时也可以这些分子信

49、号为依据进行最同时也可以这些分子信号为依据进行最适临床受试者的挑选。适临床受试者的挑选。三、生物技术药物的开发三、生物技术药物的开发生物技术药物包括：生物技术药物包括：基因工程重组蛋白质药物基因工程重组蛋白质药物寡核苷酸药物寡核苷酸药物基因工程抗体药物基因工程抗体药物DNA药物等药物等生物技术药物发展的主要动力：生物技术药物发展的主要动力：来源是来源是基因组和蛋白质组基因组和蛋白质组的研究。的研究。其中最令人注目的进展是其中最令人注目的进展是抗体药物抗体药物。抗体是机体抵抗病原体的主要防御系统。抗体是机体抵抗病原体的主要防御系统。它们是由免疫系统自主产生的蛋白质。它们是由免疫系统自主产生的蛋白

50、质。每个抗体都可特异性地识别作为抗原靶分子的每个抗体都可特异性地识别作为抗原靶分子的特征，哪怕是极其微小的差别。特征，哪怕是极其微小的差别。目前，大多数抗体药物都是目前，大多数抗体药物都是鼠人嵌合体抗体或鼠人嵌合体抗体或人源化抗体。人源化抗体。由于传统的产生抗体方法是基于鼠的免疫机制，由于传统的产生抗体方法是基于鼠的免疫机制，来源是鼠类，因而临床易发生免疫排斥反应。来源是鼠类，因而临床易发生免疫排斥反应。针对这一问题，针对这一问题，CAT生物技术公司正在利用蛋生物技术公司正在利用蛋白质组学独特的技术体系，以及组合噬菌体抗白质组学独特的技术体系，以及组合噬菌体抗体文库体文库(combinator