药物发现的新方向
摘要
现代药物发现需要采用整合方法，运用多种不同技术，但最终基于对治疗疾病病理生理学的理解。将药物靶向主要的病理生理过程是成功的关键。这一问题需要借助现有的多种筛选系统来解决，这些系统可用于发现新的先导化合物。
关键词： 药物发现、病理生理学、药物测试、筛选
一种新药的发现和开发成本约为8亿美元（计入失败成本），平均需要10至12年。如此巨额的投资，伴随着如此延迟的投资回报，在人类活动中是无与伦比的。
尽管投入巨大，一些具有重大治疗需求的领域仍未获得最佳治疗方法——急性中风和阿尔茨海默病，以及其他中枢神经系统（CNS）疾病。目前尚无注册用于治疗急性中风的药物，而中风是重大治疗需求领域，是第三大死亡原因和第二大致残原因。然而，临床试验中存在特定的方法学原因，在许多情况下可能阻碍证明中风治疗的有效性[1]。制药行业未能彻底革新治疗的另一个领域是阿尔茨海默病的治疗。然而，通过使用血管紧张素转换酶抑制剂（在PROGRESS研究中的培哚普利）解决高血压问题的预防性治疗，已显示出显著降低中风发病率，以及痴呆和认知能力下降的发病率[2,3]。迫切需要具有更高疗效和更少副作用的抗抑郁药物。
有效的药物发现需要针对疾病过程的关键点进行治疗干预的药物靶点，到目前为止，这些关键点尚未被明确确定用于中风（可能早期干预的组织纤溶酶原激活剂除外）或阿尔茨海默病。
背景
尽管大型制药公司研究支出达330亿美元，2003年仅有35种新化合物在美国食品药品监督管理局（FDA）注册（图1）。部分成本是由于失败的成本。（图2）显示了英国制药公司投入I期临床试验的121种药物样本的命运。结果令人深思。虽然一些药物因毒理学问题或代谢问题而失败，甚至因商业原因停止，但失败的主要原因是缺乏疗效。药物停止是因为它们不起作用。这可能有多种原因。
首先，原始假设可能是错误的，最终结果是一个有用的实验，尽管是非常昂贵的。其次，动物模型可能不能代表I期和II期临床试验中使用的测试——也有可能I期和II期中使用的测试不能代表真实患者的反应。
事实上，每年进入I期的340种化合物中，五分之四会失败，即使获得注册，不到一半的化合物能收回其开发成本。药物在临床环境中不起作用（由于概念不工作，或动物模型或临床模型不能满足患者需求而导致的缺乏疗效）是需要改进的关键领域。
第三，日益增加的安全性要求阻碍了风险承担。对于可能具有心血管副作用（例如心电图[ECG] QTc间期影响）的中枢神经系统活性药物尤其如此。仍然可以说，没有药物能在不承担某种程度风险的情况下有效。
然而，现在可以对安全性进行高通量筛选，并在早期阶段更好地选择化合物。
药物发现者面临的困难通过以下序列显示。首先，他或她必须找到最佳的结构/活性，然后排除在其他位点的结构/活性：
- 定义作用位点的结构/活性
- 排除细胞色素的结构/活性
- 排除致突变性的结构/活性
- 排除对心脏QTc影响的结构/活性
- 开始毒性研究。
第四，人们认识到生物系统的日益复杂性。尽管可能只有25,000至30,000个基因，其中许多是药物靶点（图3），但由于可变剪接、mRNA编辑、受体二聚化、功能转运（作用于同一受体的药物可能具有不同效果）以及多种翻译后控制和辅助蛋白，基因产物要复杂得多。
新技术机遇
体外筛选
在重组蛋白上的筛选已被证明极其强大，可以以前所未有的规模从高通量筛选中提供新的先导化合物。现在，靶蛋白甚至可以与药物或药物片段一起结晶，并分析晶体以定义不同药物在靶点上诱导的构象变化。该技术的通量使得整个化学系列都可以分析其对目标蛋白的直接影响。因此，数十万种化合物可以在几个月内在细胞靶点上进行测试，"命中"化合物然后可以进行化学优化，以制造新的代谢稳定的药物。（图3）。在细胞激活过程中不同的构象状态，特别是在辅助蛋白存在的情况下，可能轻易改变单个氢键或静电吸引，从而改变亲和力。事实上，必须指出，化合物和靶点之间的一个额外氢键可以将亲和力改变三十倍。这种复杂性可能导致对预测治疗效果的不充分反应。由于化合物选择是关键问题，我们认为，在重组系统中进行初步筛选后，并排除不适当的化合物（出于代谢或安全原因），最终化合物的选择应放在病理生理模型中进行，如果寻找突破性化合物，最好是在新型病理生理模型中。然而，这意味着在动物模型筛选方面需要重大投资。
体内筛选
动物模型通常是研究的限制因素（特别是认知问题），找到熟练处理它们的工作人员并不容易。以前的药物已在既定模型中进行测试，测试苯二氮卓类抗焦虑药的方法是使用由地西泮定义的经典焦虑筛选模型。然而，以新方式工作的新型药物可能需要新模型。因此，应使用病理生理条件模型选择化合物。然而，这需要具有病理生理学整合视野的熟练药理学家。
新药是如何发现的？
新药可以通过多种方式发现，但发现几乎总是涉及化学家和药理学家之间的紧密合作，他们必须识别病理生理学中重要的细胞和遗传因素，提出适当的假设，并设计新的测试系统。筛选新分子可以通过多种方式进行。
靶点识别
理想情况下，靶点应该是可以在分子水平上靶向的特定疾病的病因。通过类比现有的7-跨膜受体，已经在定义人类基因组中的受体系统方面取得了巨大进展。这标志着科学的一个独特时刻，因为许多靶点正变得为人所知。已经产生了这些受体的列表（例如，参考文献5）。此外，仍有新靶点有待发现，已知现有靶点有许多不同形式（可变剪接、信使核糖核酸[mRNA]编辑、单核苷酸多态性等），这可能允许选择性靶向疾病状态。生物信息学行业为科学家提供了极其强大的工具，其中许多数据是公开的。
靶点验证
一个关键问题是，在动物和最好是人类模型中验证靶点。这至关重要，因为发现针对靶点的新药并进行临床实验以确定新药在人类疾病状态中是否有效成本高昂。由于有数万个潜在靶点，靶点验证是一个关键问题。幸运的是，转基因模型可能在这方面有所帮助，但它们的预测性只是相对的。
先导化合物识别
先导化合物通常通过高通量筛选化合物集合或文库来选择（图4）。这些化合物文库可能由制药公司多年来构建的数千或数十万种化合物组成。现在可以通过模拟靶点与由所有商业可用化合物组成的虚拟文库的相互作用来进行虚拟筛选——然后可以选择最佳化合物进行筛选。在第一轮筛选中活性的"命中"或化合物然后被优化，使它们具有新药所需的特性。然后对这些分子中的每一个进行测试，以确认其对药物靶点的效果。
先导化合物优化
先导化合物优化比较各种先导化合物的特性，允许选择最有潜力开发成安全有效药物的化合物或化合物。在高通量筛选中优化代谢，以产生在目标位点保持活性，同时具有代谢稳定性和良好吸收的化合物。
人体药物测试
测试一种研究性新药需要提交有关该药物的所有信息，以获得向健康志愿者或患者给药的许可。不仅监管机构，而且机构或独立审查委员会（IRB）或伦理咨询委员会批准实验方案以及志愿者签署的知情同意文件。
药物的临床测试通过I期、II期和III期临床研究进行。在每个连续阶段，测试的患者数量增加，但药物的成功或失败（见图2）不仅取决于其作用方式，还取决于临床中使用的测试计划的良好方法学质量。
I期临床研究
I期研究必须验证新药在志愿者中的安全性和耐受性，显示最大耐受剂量，以及它如何被吸收、分布、代谢和排泄。这一阶段需要6个月到1年。健康志愿者被急性然后慢性给予药物。作用假设可以通过脑渗透指数、脑成像和脑电图（EEG）进行药理学测试。然而，必须记住，健康个体可能不会像患者一样反应。一些药物不能在健康志愿者中测试（例如，在肿瘤学中）。
II期临床研究
II期研究是一个关键研究领域，旨在显示有效性，为关键的III期批准研究定义剂量反应，并在患者群体中展示一定程度的安全性。开发的这一阶段通常需要1至3年，涉及数百名患者。在这里，选择与动物模型相关的药物有效性标准，同时为患者群体提供对药物的现实测试，可以产生真正的差异。
III期临床研究
III期研究在涉及数千名患者的随机和盲法临床试验中显示有效性和安全性。这一阶段可能需要2至5年，是最昂贵的临床测试阶段。
新药申请/市场授权
在美国的新药申请（NDA），或在欧洲的市场授权（MA），记录了拟议药物的安全性和有效性，申请包含药物开发过程中的所有报告。在III期结束时，提交证明有效性和安全性的证据。审批过程可能需要1至2年，随后是上市后监测和治疗适应症及患者群体的扩展。
快速通道
几个监管问题可能被视为机遇。FDA引入了针对非常紧急治疗需求（如获得性免疫缺陷综合症[AIDS]治疗）的快速通道。此外，FDA发布了关于患者群体药理遗传亚型（反应者、有副作用风险的患者、快速代谢者等）的指南。
合作
现代药物发现和开发取决于项目中涉及的许多学科参与者的持续合作。工业界和学术界之间的伙伴关系是一个关键问题，因为基础研究可能导致许多意外突破，研究者可能不欣赏其工业和医学重要性。将财务回报与创新性联系起来是正确的。然而，工业合作伙伴越少（如在法国），初创生物技术公司的本地工业合作伙伴就越少。因此，在支持制药公司和小型生物技术公司之间存在着微妙的平衡。由于主要的工业经验（例如，避免图2中显示的陷阱）位于制药公司，这种实用的反馈和审查是当地工业环境健康的重要组成部分。研究也必须非常注重医学，因为患者的需求是首要的。因此，与临床医生和顶级医疗团队的合作也是成功的关键要素。然而，药物发现的所有阶段仍然是一个实验，必须这样设计。在找到药物的初始选择过程之后，开发过程中唯一不变的是分子；所有其他因素——科学家，有时甚至是治疗领域——都可能改变。然而，分子所能做的不会比选择它的那天多或少，这就是为什么选择分子的测试如此重要。
表I显示了影响药物发现过程成功的关键因素。
**表I. 影响药物发现过程成功的主要因素是什么，以及如何改善研究产出？**
精神疾病新方向定义的关键点
定义疾病过程修改的特定节点或开关点并适合治疗干预非常重要。这些可以在几个层面：
- 分子层面——多种细胞内信号级联具有可以靶向的关键节点。癌症药物靶向关键点，现在同样的情况正在扩展到中枢神经系统研究中，双相情感障碍药物（如锂）可能与糖原合成酶激酶3（GSK3）等关键信号分子相互作用。
- 表观遗传变化——表达的基因与个人过去的历史相关。此外，许多基因产物通过可变剪接或mRNA编辑而被修饰，这可以在病理生理条件下改变关键蛋白的功能。
- 细胞可塑性——神经营养因子和细胞因子对细胞可塑性和完整性有重大影响。许多基因可以在神经营养信号级联内相互作用，这些是治疗干预的主要点。例如，我们已经表明，脑源性神经营养因子（BDNF），参与活动依赖性神经元网络重塑的关键神经营养因子，也可以改变线粒体的呼吸耦合效率，表明细胞活动和耦合代谢之间联系的新方向[6]。
- 参与调节脑系统的神经递质定义明确，仍然是药物发现的来源（去甲肾上腺素、5-HT、多巴胺等）。然而，受体及其信号通路的多种状态警告不要过于简化[7]。
- 生物节律问题在重置生物节律方面很重要，可能比以前认为的更重要。阿戈美拉汀（一种褪黑激素激动剂和5-HT2C拮抗剂）可以成为具有低副作用潜力的有效抗抑郁药[8,9]的发现，重新确认了对生物节律系统的兴趣，因为它们的失调是衰老和精神疾病的共同特征。
- 特定节点上的细胞放电——大脑中的系统正变得定义明确，现在可以干预可能失调的大脑开关点。这些可以通过主要神经递质的电生理学或微透析，或通过脑成像技术量化。
- 脑功能的神经元网络（例如，参与认知、决策、情绪和恐惧的主要系统（前额叶皮层、杏仁核、海马体，图5））。该领域研究的一个例子是发现压力阻断海马到腹内侧前额叶皮层的长期增强作用（LTP，可塑性的一种衡量标准）[11]，而这些效应被非典型抗抑郁药替尼普汀急性逆转。McEwen的团队表明，这些急性效应会转变为对树突分支的影响。此外，现在有概念验证证明，Mayberg的团队[13]已在人类相当于啮齿动物腹内侧前额叶皮层的Cg25后白质中植入电极，并在完全治疗抵抗的患者中发现立即的抗抑郁效果。因此，靶向这些脑区域为抑郁症药物发现开辟了新前景。此外，重新设计动物模型来研究这些脑区域将允许选择新型分子。
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