藥物篩選中分子生物學技術的應用研究

【引言】藥物篩選是藥物研發過程中的重要環節，它是針對有可能藥用的各類物質，包括各類蛋白多肽、化合物、天然及海洋產物等，運用一定的篩選方法和技術，對其內部可能存在的具有藥理作用的活性物質進行檢測，并利用相應的方法，進行藥用成分的提取與合成。藥物篩選在藥物的實驗室研究到臨床應用之間發揮了核心的橋梁作用。

隨著分子生物學的不斷進步，以分子生物學為應用基礎的各類方法在藥物篩選中獲得了廣泛的應用，例如高通量及高內涵篩選技術、反義核酸技術、生物芯片技術、基因工程技術、轉基因技術、流式細胞術、免疫分析法等。分子生物學的基礎是受體學說，針對受體進行研究能夠加強對于藥物作用、激素及神經遞質作用的認識。針對受體的分子生物學相關研究，能夠通過研究分子結構及基因序列推動人們了解各類物質結構與作用的關系，從而在細胞及分子層面研究受體進行生理病理調節的機制^[1]。分子生物學的發展使得人們對藥物篩選的研究與應用提升到了分子水平，大大加速了藥物篩選的技術進步。

1. 高通量及高內涵篩選技術

高通量及高內涵篩選技術是分子生物學的重要應用之一，高通量篩選((high throughput screening，HTS)和高內涵篩選((high content screening HCS)是針對單細胞水平進行多參數分析的細胞成像分析方法，高內涵篩選（HCS）是高通量篩選的一種補充技術，更加側重于多細胞樣品的無偏成像。HTS及HCS在藥物篩選領域有著較為廣泛的應用^[2]。與傳統的藥物篩選技術相比，HTS及HCS通過顯微鏡下的全自動成像及無偏成像從細胞樣品獲得了更加豐富的信息，同時能夠在更為優化的生理生化環境中進行藥物篩選研究，所獲取的數據集更為豐富，對于藥物篩選過程中所出現的各類問題有著更好的解釋能力。

圖1 高通量篩選及高內涵篩選技術

高通量HTS技術具有具有高效、快速、微量的特點，其篩選靶點包括酶、受體、離子通道，一般以單一模型針對大量樣品進行活性篩選，主要分析方法包括光吸收、化學發光、熒光檢測等，HTS技術能夠建立可觀的靶標及化合物庫，在先導化合物的評價、優化、毒性研究等多個階段均有重要作用，對于創新藥物的研制有著重要的應用價值。

高內涵HCS技術主要在細胞分子層面進行多元分析，能夠對細胞的生長過程、分化過程、凋亡過程以及其代謝、傳導等進行全面的分析，篩選靶點包括細胞器、膜受體、胞內成分、離子通道等，HCS技術對于細胞表征的生理病理特征有更強的分析功能，其分析獲取的先導化合物及陽性化合物有效率及成功率更高。

圖2 高通量及高內涵篩選的應用 

相比較而言，高通量HTS技術更為側重于同時能夠對大量的樣本進行檢測，目前HTS技術已經進步到可以日篩選10萬以上樣本超高通量階段。而高內涵HCS技術更側重于對單個樣本的分析所呈現的信息更為豐富。在藥物篩\結合，能夠在樣本數量及微觀豐富性方面大大提高藥物篩選的可靠性及有效性。

2. 反義核酸技術

反義核酸技術是基因表達調控的一種作用方式，它是以mRNA具有互補作用的RNA分子，其基礎的作用機理是與靶RNA進行堿基配對，反義核酸技術能夠通過與特定的mRNA進行互補、阻斷、翻譯等作用，使得某些基因的表達實現封閉，體現為不表達或低表達的形式^[3]。反義核酸技術具有基因調節作用，對于有害及失控基因的抑制有著重要的作用。目前反義核酸技術主要包括反義RNA ( antisense RNA)、反義寡核普酸(an tisense oligonucleotide）、RNA干擾技術(RNA interference, RNAi)等作用機制。

圖3 反義核酸生化分子演變

當前，反義核酸技術主要應用于體內外模型中對于各項靶基因功能進行驗證或檢測，對于基因敲除技術有一定的替代作用。反義核酸技術能夠通過高通量HTS技術的應用，大量快速的發現藥物靶基因，并且能夠特異性的對潛在靶點的基因作用進行控制與干擾，這一技術能夠為藥物的靶點發現以及疾病的基因治療提供較為可靠的手段，該技術廣泛的應用于基因治療、基因組研究、轉錄調控研究等。

反義核酸技術應用與藥物篩選之中，具有高度特異性、高生物活性、高信息量等優點，同時由于反義核酸沒有被發現存在顯著毒性，并且能夠最終實現降解與消除，因此相比傳統的藥物篩選方法，其獲取的藥物更為安全、低毒。目前反義核酸技術在腫瘤、病毒感染、神經退行類疾病的藥物篩選中有著重要的應用。

3. 生物芯片技術

   生物芯片技術的基本作用機制是通過微縮技術，利用分子生物學中特異性分子能夠相互作用的原理，將不連續分析過程在硅芯片或玻璃芯片上進行集成，從而形成微型的化學生物分析機制，從而對各類生物組分進行快速高效的檢測與篩選。生物芯片技術能夠有效應用與藥物篩選過程，通過測定分析可以對藥物的靶點、活性、毒性、細胞表達等進行發現與評價。

圖4 生物芯片技術應用演示

    依據固化內容物的差別，生物芯片可以分為基因芯片、多糖芯片、蛋白質芯片、神經元芯片等；根據作用原理的不同，生物芯片可以分為組件型微陣列、通道型微陣列、生物傳感等多種類型的生物芯片，微陣列形式的生物芯片又稱基因芯片(DNA Microarray)，是目前研究中較為成熟的在藥物篩選領域有著重要應用前景的技術形式，尤其對于需要進行長時間追蹤研究的藥物篩選，這一方法有著尤為顯著的作用。該方法能夠針對上千個基因進行平行測定，對于有效靶點的發現作用明顯^[4]。同時，該技術對于藥物篩選過程中的化合物的基因表達變化能夠進行較好的監測。目前的DNA Microarray主要的應用形式有兩種，一類是對大量不同靶標的DNA進行分析，一類是對同一靶標的DNA通過不同探針序列的操作形式進行分析。

蛋白質芯片也在藥物篩選中有著重要的應用，該技術突破了原有的應用較多的酵母雙雜交技術的限制，能夠通過功能性與檢測性的蛋白質芯片實現對于藥物篩選的體外研究。目前的主要分析手段包括核磁共振、質譜儀、高效液相分析等。

此外，組織芯片是一種將大量微小組織固化于某介質而組成的高通量微陣列，這一研究方法能夠使藥物篩選在DNA、RNA、蛋白質多個層面上進行平行研究，對不同層面的研究結果進行匯總并建立數據庫，對于指標、靶點、抗體等的篩選具有顯著的適用性。

4. 基因工程技術

基因工程技術是近年來分子生物學的重要進展，主要的技術形式是基因拼接及基因重組，該技術將不同類型的基因進行預先設計，而后在體外構建雜交的DNA分子，并將之導入活體細胞之后對原有的細胞特征進行改變。

圖5 基因工程技術流程圖

基因工程技術的出現使得從人體中提取受體或受體亞型成為可能，并將所提取的基因在哺乳動物的細胞或者某類微生物中進行重組，從而用于進行藥物篩選模型的構建。這一技術的應用使得動物模型的有效性被大大加強，由于經過基因重組之后，實際的受體是從人體中提取的受體，通過該方法獲得重組的受體，更為接近受體在人體中存在和發揮作用的狀態，動物僅是研究的載體，因此其藥物篩選的特異性與針對性得到了提升。這一方法的應用使得藥物的篩選與制備獲得了顯著的突破^[5]。該方法的出現使得原有的只能在人體特定位置或特定環境中存在的受體獲得了大規模的制備，從而降低了特定受體的藥物篩選的難度。基因工程技術在胰島素、干擾素、乙肝疫苗、白細胞介質等藥物的制造出發揮了關鍵的作用，將基因工程技術繼續應用于藥物篩選，能夠有效提高藥物的特異性與篩選效率。

5. 轉基因動物模型

轉基因動物模型是通過對動物模型進行代際改良而獲得醫藥目的的一種技術運用形式，其基本作用機制是運用外源性的基因，通過實驗的方法導入動物染色體基因組內，通過實驗篩選后獲得能夠將轉入基因遺傳到下一代的動物模型。轉基因動物模型可以在藥物篩選中用于疾病模型的制作，從而使得人類相關疾病能夠通過轉基因動物模型獲得更具特異性的研究^[6]。通過動物模型的制備，特定的分子、細胞及整體情況能夠在同一個動物模型中獲得整合，對于特定疾病的藥物篩選有著更為全面的模擬效果。

傳統的動物模型一般通過外源干預的方法制作動物的疾病模型，由于疾病發生的過程、方式、誘因等存在較大的差異，因此相關藥物的研制在應用于人體方面需要有一個較長的研究試驗過程。轉基因動物模型的運用能提升藥物篩選對于人體的適用性，從而將這一過程大大縮短。目前轉基因動物模型在抗腫瘤、抗肝炎病毒、抗艾滋病病毒、腎臟疾病藥物等方面的研究發揮了重要的作用，但由于動物與人體不可避免的差異性，轉基因動物模型仍然存在種族差異、轉基因產物能否獲得長期穩定表達、目的基因在試驗過程中是否獲得了完整的等位基因定位等問題。

6. 流式細胞術

流式細胞術是一種能夠單次高速分析上萬細胞的定量分析方法，該方法在細胞分子水平上運用抗體單克隆的方式對細胞或生物例子進行多參數分析。流式細胞術主要通過流式細胞儀進行操作，其分析速度快、準確度高^[7]。近年來隨著分子生物學的發展，多種單細胞抗體和熒光探針在流式細胞技術中獲得了廣泛應用，通過熒光對細胞分子進行標記，細胞的受體、離子、胞內成分、配基等都能獲得快速分析，在細胞凋亡、細胞抗藥性檢測、癌基因與抗癌基因檢測等方面有著較好的應用，這些功能使得流式細胞術能夠較好的用于創新藥物的篩選。

圖6 流式細胞術細胞分析

流式細胞分析的優點在于對于細胞的分子層面的分析較為全面，目前已經實現從單色到多色的熒光分析，細胞膜到細胞內微觀成分的分析，細胞內可溶成分分析，分子表型分析等多種技術的應用。在藥物篩選方面，流式細胞術能夠通過對細胞凋亡的觀察與監測提高藥物研制的針對性，在細胞凋亡研究中，流式細胞術能夠對DNA、膜成分、肌動蛋白、磷脂成分等的改變狀況進行具體測定，并根據測定的結果為藥物篩選提供一定的有效參考。

7. 免疫分析法

免疫分析法是藥物篩選中一種常用的分子生物學分析方法，其基本原理是可溶的抗體和抗原在接觸時能夠形成不相容的抗體抗原復合物，并發生可觀察課測量的沉淀作用。該方法主要利用抗原以及抗體的特異性，根據其對藥物、蛋白、微生物、激素等的反應進行特定的分析。目前，免疫分析法較為主要的分析技術包括放射免疫分析、化學發光免疫分析、酶免疫分析、熒光免疫分析等。

免疫分析法能夠對生物利用度以及藥物代謝參數等具體的指標進行詳細的測定，從而了解藥物在試驗過程中的吸收及作用情況，在對藥物的毒性試驗、濃度試驗方面，免疫分析法也有很好的適用性^[8]。免疫分析法能夠對試驗中的細胞分子的各類有效成分進行具體的含量測定，對于藥品中是否含有某種特定物質，以及特定物質的影響作用均能進行有效的指標評價。

8. 展望

    藥物篩選是創新藥物研發的必經階段，其篩選效率及其有效性對于后續的藥物研發有著重大的影響。運用各類分子生物學技術，推進藥物篩選向更為微觀更為精準有效的方向發展，為藥物的篩選與制備提供更有效的指標參考，對于提升藥物研發速度，降低研發成本有著重要的意義。各類新興的分子生物學技術為藥物篩選提供了新的模型與方法，而各類方法的相互融合組合利用，對于未來的創新藥物開發能夠提供更為有效的技術支持。

參考文獻： 

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[8] 黃衛平. 免疫學分析法在檢測濫用藥物中的應用[J]. 中國藥物濫用防治雜志, 2005(3):164-168.

摘要:藥物篩選是新藥物研究、制造、合成的必備過程，通過藥物篩選，能夠從已有的海量化合物中尋找到具有特定藥物作用及治療功能的新化合物，從而提高藥物的研發效率，縮短其研發周期，起到降低風險減少成本的作用。隨著分子生物學技術的不斷發展，該技術的應用對于藥理研究及藥物臨床應用的推進起到了極大的促進作用，提高了藥物篩選的特異性，對于藥物篩選效率及成功率的提升具有重要的意義。

關鍵詞：藥物篩選；生物技術；分子生物學；應用 

Abstract: Drug screening is an essential process in the research, manufacture and synthesis of new drugs,through the screening of drugs, it is possible to find new compounds with specific drug action and therapeutic function from the existing massive compounds,reducing risk and costs of drug manufacture,improve the efficiency and shorten the cycle of drug research and development.With the continuous development of molecular biology technology, the application of this technology has played a significant role in the promotion of pharmacological research and clinical application of drugs.It is of great significance to improve the screening efficiency and improve the success rate of drug screening.

Key words: drug screening; Biotechnology; molecular biology; application