在19世纪末和20世纪初，对药物发现、开发和制造具有重要意义的社会、文化和技术变革正在发生。其中最重要的变化之一发生在大学开始鼓励其教职员工形成对现有信息更连贯的理解时。一些化学家开发了从矿物质、植物和动物中分离化学物质的新方法和改进方法，而另一些化学家则开发了合成新型化合物的方法。生物学家开展研究以增进对微生物、植物和动物生命基本过程的理解。科学发展以大大加速的速度进行，药剂师和医生的教育方式也发生了变化。在此之前，教育医生和药剂师的主要方式是通过学徒制。虽然学徒教学在教育过程中仍然很重要（以实习、见习和住院医师的形式），但药学院和医学院开始创建科学系并聘请教职员工向学生讲授基础生物学和化学的新信息。新教职员工被期望进行自己的研究或学术活动。随着化学分离和合成的迅速发展，单个药剂师没有技能和资源来制造更新的、化学纯净的药物。相反，大型化学和制药公司开始出现，并雇用受过大学教育的科学家，他们具备各自领域最新技术和信息的知识。
随着20世纪的推进，医学、化学和生物研究的益处开始被公众和政治家所认识，促使政府开发机制来支持大学研究。例如，在美国，国家卫生研究院（National Institutes of Health）、国家科学基金会（National Science Foundation）、农业部和许多其他机构承担了自己的研究或支持大学的研究和发现，然后可以用于药物开发。非营利组织也成立以支持研究，包括澳大利亚心脏基金会、美国心脏协会、加拿大心脏和中风基金会以及H.E.A.R.T英国。进行基础研究的大型公共机构与利用新知识开发和生产新药品的私营公司之间的共生关系，极大地促进了医学的进步。
建立对抗传染病的战斗
抗感染药物开发的早期努力
在历史上很长一段时间里，传染病是世界上大多数地区的主要死因。疫苗的广泛使用以及公共卫生措施的实施，如建设可靠的下水道系统和对饮用水进行氯化处理以确保安全供应，对于减少工业化世界中传染病的影响大有裨益。然而，即使采取了这些措施，仍需要药物治疗来对抗传染病。第一个这样的药物是砷凡纳明（arsphenamine），它是由德国医学科学家保罗·埃利希（Paul Ehrlich）于1910年开发的，用于治疗梅毒（syphilis）。砷凡纳明是埃利希在寻找抗梅毒药物过程中研究的第606种化学物质。其疗效首先在患有梅毒的小鼠身上得到证实，然后在人类身上得到证实。砷凡纳明以Salvarsan的商品名上市，并一直用于治疗梅毒，直到20世纪40年代被青霉素（penicillin）取代。埃利希将他的发明称为化学疗法（chemotherapy），即使用特定化学物质来对抗特定的传染性生物体。砷凡纳明之所以重要，不仅因为它是第一种杀死特定入侵微生物的合成化合物，还因为埃利希用来寻找它的方法。本质上，他合成了大量化合物并对每一种进行筛选，以找到有效的化学物质。筛选疗效成为制药业开发新药的最重要手段之一。
抗感染药物开发的下一个重大进展出现在20世纪30年代，当时发现某些含有磺胺基团的偶氮染料（azo dyes）在治疗小鼠链球菌感染（streptococcal infections）方面有效。其中一种染料，被称为普罗尼奥斯（Prontosil），后来被发现会在患者体内代谢为磺胺（sulfanilamide），这是活性抗菌分子。1933年，普罗尼奥斯首次用于治疗一名患有全身性葡萄球菌感染（staphylococcal infection）的婴儿。该婴儿经历了戏剧性的治愈。在随后的几年中，许多磺胺类药物（sulfa drugs）的衍生物被合成并测试其抗菌和其他活性。
青霉素的发现
青霉素的首次描述是由苏格兰细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）于1929年发表的。弗莱明一直在伦敦圣玛丽医院（St. Mary's Hospital）的实验室研究葡萄球菌（staphylococcal bacteria）。他注意到一种霉菌污染了他的一份培养物（cultures），导致其附近的细菌发生裂解（膜破裂）并死亡。由于这种霉菌属于青霉菌属（Penicillium），弗莱明将这种活性抗菌物质命名为青霉素。起初，弗莱明发现的意义并未被广泛认识。直到10多年后，英国生物化学家恩斯特·鲍里斯·钱恩（Ernst Boris Chain）和澳大利亚病理学家霍华德·弗洛里（Howard Florey）在牛津大学（University of Oxford）工作时，才证明粗制青霉素制剂在给予患有链球菌感染的小鼠时会产生显著的治愈效果。
用研究人员可用的设施大量生产青霉素很困难。然而，到1941年，他们已经生产出足够的青霉素，可以对几名患有严重葡萄球菌和链球菌感染的患者进行临床试验（clinical trial）。青霉素的效果非常显著，尽管没有足够的药物来挽救试验中所有患者的生命。
为了开发大量青霉素，研究人员寻求了伊利诺伊州皮奥里亚美国农业部（United States Department of Agriculture）北部区域研究实验室科学家的合作。皮奥里亚的实验室有大型发酵（fermentation）罐，可用于尝试大量培养霉菌。在英国，最初的青霉素是通过在小型容器中培养青霉菌（Penicillium notatum）生产的。然而，P. notatum在皮奥里亚可用的大型发酵罐中生长不佳，因此实验室的科学家们寻找另一种青霉菌菌株。最终，从一个过熟的哈密瓜中分离出的一种产黄青霉菌（Penicillium chrysogenum）菌株被发现在深层培养（culture）罐中生长得非常好。在开发出培养产青霉素生物体的过程后，制药公司被招募来进一步开发和将该药物用于临床用途。青霉素的使用很快彻底改变了严重细菌感染的治疗。青霉素的发现、开发和营销为非营利研究人员与制药行业有益的协作互动提供了一个极好的例子。
激素和维生素的发现与开发
胰岛素的分离
绝大多数激素在20世纪上半叶被识别、定义其生物活性并被合成。与激素过多或缺乏相关的疾病也在此时开始被理解。激素由特定器官产生，释放到循环系统中，并输送到其他器官，显著影响新陈代谢（metabolism）和内稳态（homeostasis）。一些激素的例子包括胰岛素（insulin，来自胰腺）、肾上腺素（epinephrine或adrenaline，来自肾上腺髓质）、甲状腺素（thyroxine，来自甲状腺）、皮质醇（cortisol，来自肾上腺皮质）、雌激素（estrogen，来自卵巢）和睾酮（testosterone，来自睾丸）。由于发现了这些激素及其在体内的作用机制，现在可以有效治疗缺乏症或过多症疾病。使用胰岛素治疗糖尿病就是这些发展的例子。
1869年，德国医学生保罗·兰格汉斯（Paul Langerhans）正在研究胰腺的组织学。他注意到这个器官有两种不同类型的细胞——腺泡细胞（acinar cells，现已知分泌消化酶）和胰岛细胞（islet cells，现在称为兰格汉斯岛islets of Langerhans）。胰岛细胞的功能在1889年被提出，当时德国生理学家兼病理学家奥斯卡·明科夫斯基（Oskar Minkowski）和德国医生约瑟夫·冯·梅林（Joseph von Mering）表明，从狗身上切除胰腺会导致动物出现类似于人类糖尿病（diabetes mellitus，血糖升高和代谢变化）的疾病。在这一发现之后，世界各地的许多科学家试图从胰腺中提取活性物质，以便用于治疗糖尿病。我们现在知道，这些尝试大多失败，因为在胰腺被破坏时，腺泡细胞中存在的消化酶会代谢胰岛细胞的胰岛素。
1921年，罗马尼亚生理学家尼古拉·C·保列斯库（Nicolas C. Paulescu）报告了首次成功分离活性物质的尝试之一，他发现了一种称为胰腺素（pancrein）的物质，存在于狗的胰腺提取物中。保列斯库发现，给糖尿病狗注射胰腺素会导致血糖水平暂时降低。尽管他没有纯化胰腺素，但人们认为该物质是胰岛素。同年，独立工作的加拿大多伦多年轻外科医生弗雷德里克·班廷（Frederick Banting）说服一位生理学教授允许他使用实验室来寻找胰腺中的活性物质。班廷正确地猜测胰岛细胞分泌胰岛素，而这种胰岛素被腺泡细胞的酶破坏。此时，班廷已经获得了四年级医学生查尔斯·H·贝斯特（Charles H. Best）的支持。他们一起结扎了腺泡细胞释放消化酶的胰管。这种损伤导致腺泡细胞死亡。随后，胰腺的其余部分用乙醇（ethyl alcohol）和酸均质化并提取。由此获得的提取物降低了患有糖尿病形式的狗的血糖水平。班廷和贝斯特与加拿大化学家詹姆斯·B·柯利普（James B. Collip）和苏格兰生理学家J.J.R.麦克劳德（J.J.R. Macleod）合作，获得了纯化的胰岛素，不久之后，1922年，一名14岁的严重糖尿病男孩成为第一个成功接受胰腺提取物治疗的人类。
在这一成功之后，其他科学家开始参与开发大量纯化胰岛素提取物的探索。最终，从猪和牛的胰腺中提取的提取物创造了足够且可靠的胰岛素供应。在接下来的50年里，用于治疗糖尿病的大多数胰岛素是从猪和牛的来源中提取的。牛胰岛素、猪胰岛素和人胰岛素在化学结构上只有细微差别，它们的激素活性基本相当。如今，由于重组DNA技术（recombinant DNA technology），用于治疗的大多数胰岛素由制药公司合成，与人胰岛素完全相同（见下文"合成人类蛋白质"）。
维生素的识别
维生素（Vitamins）是身体代谢所必需的有机化合物，通常必须从饮食中提供。几个世纪以来，许多饮食缺乏症疾病已被认识，尽管定义不明确。大多数维生素缺乏症疾病在19世纪末和20世纪初在生物化学和生理学上被定义。硫胺素（thiamin，维生素B1）的发现说明了维生素缺乏症及其治疗是如何被发现的。
硫胺素缺乏会导致脚气病（beriberi），这是一个来自僧伽罗语的词，意为"极度虚弱"。症状包括腿部痉挛和僵硬、肢体可能瘫痪、人格障碍和抑郁。这种疾病在19世纪的亚洲广泛流行，因为蒸汽动力的碾米机生产出的精米缺乏富含维生素的麸皮。1880年，当日本海军为水手的精米饮食添加鱼、肉、大麦和蔬菜时，海军中脚气病的发病率显著降低，首次提出饮食缺乏是脚气病的原因。1897年，荷兰医生克里斯蒂安·艾克曼（Christiaan Eijkman）在爪哇（Java）工作时，表明喂食精米饮食的家禽会出现类似脚气病的症状。他还能够证明饮食中的未抛光米可以预防和治愈家禽和人类的症状。到1912年，波兰生物化学家卡西米尔·芬克（Casimir Funk）制备了活性成分的高度浓缩提取物，他认识到它属于一类称为维生素的新必需食物。硫胺素于1926年被分离出来，其化学结构于1936年确定。其他维生素的化学结构在1940年之前确定。
【全文结束】
