藥物篩選模型研究進展

藥物篩選模型研究進展

藥物篩選模型是一種用于證明特定物質是否具有學術和藥理作用（生物活性和治療效果）的實驗方法。這些實驗方法是確定和發(fā)現(xiàn)重要藥物的重要準備之一。人們在長期尋找藥物的實踐過程中,建立了大量用于新藥篩選的各類模型,在新藥發(fā)現(xiàn)和研究中發(fā)揮了積極作用。隨著生命科學的發(fā)展,新的藥物篩選模型不斷出現(xiàn),這些新的篩選模型不僅促進了藥物的發(fā)現(xiàn),而且對藥物篩選的方法、理論、技術都產生了巨大影響。本文對近年來藥物篩選模型的研究進展作簡單綜述。1豬細胞模型的分類應用于藥物篩選的模型有多種,根據(jù)所選用的材料和藥物作用的對象以及操作特點,可以將這些模型大致分為三類:整體動物水平模型、組織器官水平模型和細胞分子水平模型。不同的篩選模型建立的理論基礎不同,因此藥物發(fā)現(xiàn)的過程也不同。1.1培育整體動物模型用整體動物進行藥物篩選,是長期以來倍受重視的方法,單純從新藥篩選的角度看,整體動物篩選模型的最大優(yōu)點是可以從整體水平,直觀地反應出藥物的治療作用,不良反應以及毒性作用。由整體動物模型獲得的篩選結果,對預測被篩選樣品的臨床價值和應用前景具有十分重要的價值。整體動物模型包括正常動物和病理動物模型。由于正常動物并不能充分反應藥物在病理條件下的治療作用,在藥物篩選中應用更多的是整體動物病理模型。因此,研究和制備更多的整體病理動物模型,成為藥物研究領域長期的重要課題。理想的整體動物模型應具備的基本條件是病理機制與人類疾病的相似性、病理表現(xiàn)的穩(wěn)定性和藥物作用的可觀察性。由于整體動物的特殊性,決定了藥物篩選的過程主要依賴于手工操作,而且只能對有限的樣品進行篩選,特別是人類目前在實驗動物身上復制出的病理模型還十分有限,使用整體動物模型篩選新藥具有顯著的局限性、低效率和高成本等不足之處。1.2離體組織器官模型篩選藥物的優(yōu)點隨著現(xiàn)代醫(yī)學和現(xiàn)代藥理學的發(fā)展,采用動物的組織、器官制備的藥物篩選模型越來越多,如離體血管實驗,心臟灌流實驗、組織培養(yǎng)實驗等方法。通過觀察藥物對特定組織或器官的作用,可以分析藥物作用原理和可能具有的藥理作用。組織、器官水平的篩選模型可以反映生理條件下的藥物作用,也可以制備成病理模型,觀察藥物對病理條件下組織器官的作用。應用組織器官模型篩選藥物,是藥物篩選技術的一大進步。應用離體組織器官模型篩選藥物,在一定程度上克服了整體動物模型的不足。首先降低了篩選樣品的用量。用整體動物進行藥物篩選,對樣品的需求量一般在1-5g以上(根據(jù)用量和動物大小),而采用組織器官水平的篩選模型篩選藥物,樣品用量一般僅需整體動物的1/10或更少;第二,降低勞動強度,擴大篩選規(guī)模,減少動物用量,特別是有些模型僅使用一小部分組織器官(如血管條實驗法),同一時間內可以進行多樣品的篩選,提高了篩選效率,降低了篩選成本。第三,減少了影響藥物作用的因素,易于評價藥物作用。組織器官水平的藥物篩選模型在藥物篩選和藥理學研究中發(fā)揮了十分重要的作用,特別是在藥理學研究中,具有獨特的優(yōu)勢,目前仍在廣泛應用。但是,應用組織器官水平的篩選模型進行藥物篩選也存在明顯的缺點,主要是規(guī)模小、效率低、反應藥物作用有限、對樣品的需求量仍然較大,不易實現(xiàn)一藥多篩,此外,人工操作技術要求高等也是影響其在藥物篩選中應用的主要原因之一。1.3細胞、分子水平的藥物篩選模型細胞生物學、分子藥理學、分子生物學、生物化學、病理學等學科的發(fā)展,為觀察藥物作用提供了新的方法,大量分子細胞水平的藥物篩選模型不斷出現(xiàn)并應用到藥物研究和藥物篩選實踐中。與整體動物和組織器官水平的篩選模型相比較,細胞、分子水平的藥物篩選模型具有材料用量少、藥物作用機制比較明確、可實現(xiàn)大規(guī)模的篩選等特點,已經成為目前藥物篩選的主要方法。細胞分子水平藥物篩選模型的應用為自動化操作奠定了基礎,使藥物篩選由傳統(tǒng)的手工篩選形式轉變?yōu)橛捎嬎銠C控制的自動化大規(guī)模篩選的新技術體系,形成了高通量藥物篩選。采用細胞水平和分子水平篩選模型進行藥物篩選,在兩個方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢,一是大樣本量的篩選,由于藥物篩選是對未知的探索和發(fā)現(xiàn)過程,只有擴大篩選對象和篩選范圍,才有可能發(fā)現(xiàn)真正高水平的藥物;二是實現(xiàn)了一藥多篩,由于這類篩選模型消耗樣品很少(微克級),可以使珍貴的樣品在多個模型上進行篩選,擴大發(fā)現(xiàn)新藥的范圍。這種篩選方法符合藥物篩選和藥物發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律。2藥物與生物特定分子的相互作用如前所述,用于高通量藥物篩選的模型主要是在細胞和分子水平上建立的,觀察的是藥物對細胞和生物特定分子的相互作用。由于藥物作用的過程是在微量條件下進行的,因此要求這些模型必須符合以下基本要求:2.1空白對照細菌初始作用篩選模型的靈敏度實際上包括兩方面的含義,一是能夠靈敏地反應樣品在該模型上的作用;二是陽性對照與空白對照之間的差別或信噪比能夠足以反應樣品作用的水平。一般情況下,信噪比不應小于3。影響靈敏度的因素很多,如樣品濃度、藥物靶點濃度等,在模型建立過程中要特別注意。2.2篩選模型的特異性高通量篩選模型要對藥物作用具有特異的反應,才能表現(xiàn)出藥物的作用。篩選模型的特異性包括藥物作用的特異性和疾病相關的特異性。根據(jù)篩選結果可以說明藥物的作用原理,證明藥物發(fā)揮了特異性的作用。而疾病相關特異性則是指該模型確實能夠反映某種疾病的病理過程。2.3可用性主要是指建立的篩選模型應符合高通量篩選的要求,在微量體外可控條件下穩(wěn)定地反應篩選結果,可進行大規(guī)模實驗。3高流量篩選模型的類型和原理用于高通量篩選的模型大體可以分為三種類型,即細胞模型、分子模型和其他模型。3.1細胞生物模型的應用細胞水平的篩選模型是觀察被篩樣品對細胞的作用,但不能反映藥物作用的具體途徑和靶點,只能夠反映出藥物對細胞生長等過程的綜合作用。用于篩選的細胞模型包括各種正常細胞、病理細胞(如腫瘤細胞和經過不同手段模擬的病理細胞)。藥物對細胞的作用可以有多種表現(xiàn),但是由于檢測方法和檢測手段的限制,可供藥物篩選的檢測指標還很有限,在細胞模型的建立方面,擴大檢測范圍,是應用細胞模型的重要研究內容。由于多種細胞篩選模型的監(jiān)測指標都是細胞的生殖狀態(tài),因此,在藥物篩選方面應用最廣泛的細胞模型是觀察化合物樣品的細胞毒性。而腫瘤細胞模型是篩選抗腫瘤藥物的重要手段。由于細胞模型的材料來源比較容易,在藥物篩選方面具有廣闊的應用前景。3.2藥物作用機理的信息分子水平篩選模型是高通量藥物篩選中使用最多的模型,根據(jù)生物分子的類型,主要分為受體、酶和其他類型的模型。分子水平的篩選模型的最大特點是藥物作用靶點明確,應用這種方法篩選可以直接得到藥物作用機理的信息。篩選作用于受體的藥物,通常使用放射標記競爭結合分析法,這一方法具有靈敏度高、特異性強等特點,適合于大規(guī)模篩選。近年來也有一些新的方法出現(xiàn),但檢測的指標都是被篩樣品與受體分子結合情況。篩選作用于酶的藥物,主要是觀察藥物對酶活性的影響,由于藥物與酶的相互作用也是分子間的結合,也可以采用與靶點結合的方法進行檢測。但是要根據(jù)酶的特點來決定。檢測酶活性的方法很多,酶的反應底物、產物都可用作檢測指標,并可由此確定酶反應速度。除此之外,其他分子水平的篩選模型,如作用于基因、其他大分子等,目前應用的還不廣泛。3.3其他高流量篩選模型生化反應、活性物質的釋放,亞細胞的功能形態(tài)變化等都可用作藥物篩選模型,在實際篩選工作中也經常使用。4選拔模型的研究4.1動物模型的制備如前所述,整體動物篩選模型在藥物篩選、藥物研究過程中具有十分重要的作用,特別與人類疾病相關的病理動物模型,更是研究的重點。近年來,在制備模擬人類疾病的動物模型方面,出現(xiàn)了一些新的動物模型,如遺傳性病理動物、基因敲除和轉基因動物模型以及用化學、物理或其他方法制備的動物模型。遺傳性動物模型如高血壓大鼠、糖尿病大鼠和小鼠、肥胖癥小鼠、心肌病大鼠等?；蚯贸娃D基因動物的發(fā)展更是令人矚目,采用這種方法,建立了多種動物模型,如衰老性動物、老年癡呆動物等。其他方法制備的動物模型如腫瘤、心腦缺血、老年性癡呆、帕金森氏病等。4.2檢測手段和方法盡管藥物篩選模型的研究主要集中在分子細胞水平和轉基因動物模型方面,近幾年在組織器官水平的篩選模型研究方面也取得了很大的進步,主要進展為測定方法的改進和結果處理自動化。近年來采取形態(tài)學、生物化學、電子學等多種方法相結合使檢測手段取得巨大的發(fā)展。而在實驗結果的記錄和處理方面,與計算機技術相結合,實現(xiàn)了智能化和自動化。但是,在學科交叉中仍有許多工作需要進一步加強。組織器官水平的篩選模型仍然不能克服效率低,自動化操作程度低,結果影響因素多等不足,在藥物篩選應用中受到一定限制。但作為深入篩選或對活性化合物的確證篩選方面,卻有不可替代的價值。4.3生物芯片技術由于近年來分子生物學技術和細胞生物學技術的快速發(fā)展,分子藥理學研究也不斷深入,新的藥物作用靶點、功能蛋白質、基因表達的變化,生物活性成分等不斷發(fā)現(xiàn),為藥物篩選提供了大量新的靶點,如新的有受體、酶等。這些新的靶點為新藥篩選提供了新的信息和機會。細胞生物學的進展使更多的細胞可用于篩選,除正常細胞外,轉基因細胞、病理細胞等被更多的用于藥物篩選實驗中。目前,多數(shù)生物性物質都可通過轉基因的方法由細胞表達,為新藥篩選創(chuàng)造了的便利條件。生物芯片技術是近年來發(fā)展的新技術,應用生物芯片進行藥物篩選,能夠在微小的芯片上獲得大量的生物活性數(shù)據(jù),該項技術目前仍處于起步階段,存在著許多需要解決的技術問題,但已經展現(xiàn)出潛在的強大優(yōu)勢,它必然會在未來的藥物發(fā)現(xiàn)過程中起到重