醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是事關(guān)國(guó)家未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是世界公認(rèn)的最具發(fā)展前景的國(guó)際化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。新藥研發(fā)帶來的新技術(shù)創(chuàng)新和新品種上市是推動(dòng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)、化學(xué)合成、生物提取、天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域的技術(shù)突飛猛進(jìn)，使得目標(biāo)化合物的獲取更加快速高效，并在此基礎(chǔ)上建立了以來源、結(jié)構(gòu)、作用等不同特點(diǎn)進(jìn)行分類的各種化合物庫(kù)，化合物庫(kù)的樣品數(shù)量從幾百到上百萬不等。如美國(guó) ChemDiv 公司擁有全球最大的小分 子化合物庫(kù)，除了目前庫(kù)存的125 萬種化合物以外，每年以15 萬種新化合物的速度遞增。我國(guó)的化合物樣品庫(kù)儲(chǔ)量在2015 年將超過100萬個(gè)，具有結(jié)構(gòu)多樣化、存儲(chǔ)專業(yè)化、管理集中化、信息系統(tǒng)化和質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。如何從海量的化合物中篩選出有藥理活性的化合物或先導(dǎo)化合物，是目前醫(yī)藥行 業(yè)的研究熱點(diǎn)之一，也是各科研院所、醫(yī)藥公司傾力投資發(fā)展的一個(gè)重要方向。

藥物篩選是指對(duì)可能作為藥物使用的各種物質(zhì)，包括化學(xué)合成的化合物、蛋白多肽、天然產(chǎn)物、 海洋產(chǎn)物等，應(yīng)用適當(dāng)?shù)暮Y選方法和篩選技術(shù)，檢測(cè)其可能存在的藥理活性，為開發(fā)新藥提供實(shí)驗(yàn)依 據(jù)的方法，是連接藥物從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床應(yīng)用的重要紐帶，也是提高研發(fā)效率、縮短周期、減少成本、降低風(fēng)險(xiǎn)、使新藥研發(fā)能夠持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵。藥物篩選的歷史悠久，所采用的技術(shù)、方法也在不斷進(jìn)步，新技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了藥物篩選的發(fā)展和進(jìn)步。應(yīng)用新的藥物篩選技術(shù)也成為醫(yī)藥科學(xué)研 究的重要內(nèi)容。本文就近年來新發(fā)展的藥物篩選技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)有的藥物篩選技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述，主要包括高通量篩選技術(shù)、高內(nèi)涵篩選技術(shù)、表面等離子體共振技術(shù)及微流控芯片藥物篩選 技術(shù)。

1  高通量篩選技術(shù)

1.1  高通量篩選技術(shù)的發(fā)展

高通量篩選( High throughput screening，HTS) 技術(shù)，首先需要配備快速處理樣品的全自動(dòng)工作站，靈敏快速的檢測(cè)儀器和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等硬件設(shè)備，以分子水平或細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)， 以微孔板作為實(shí)驗(yàn)工具載體，通過程序控制，同一時(shí)間對(duì)數(shù)以千萬的樣品進(jìn)行檢測(cè)，并以相應(yīng)的數(shù)據(jù) 庫(kù)系統(tǒng)支持整體運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)體系。HTS技術(shù)大多是以光學(xué)檢測(cè)為基礎(chǔ)而建立的分子水平或細(xì)胞水平 的分析檢測(cè)方法，包括光吸收檢測(cè)、熒光檢測(cè)、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)等。由于HTS 在創(chuàng)新先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)過程中具有快速、高效、微量等特點(diǎn)，雖然其出現(xiàn)只有幾十年時(shí)間，卻已在全世界新藥研究機(jī)構(gòu)、大型醫(yī)藥公司的創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)過程中廣泛應(yīng)用。HTS 模型以分子水平居多，篩選的靶點(diǎn)包括離子通道、酶和 受體等。HTS通常以單一的篩選模型對(duì)大量樣品的活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中發(fā)現(xiàn)針對(duì)某一靶點(diǎn)具有活性的樣品。靶標(biāo)庫(kù)和化合物庫(kù)的建立，不僅為創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)提供了機(jī)遇，也對(duì) HTS 效率提出了新的要 求，使HTS朝著日篩選規(guī)模越來越大，速度越來越快的方向發(fā)展。目前已形成了可日篩選10 萬樣次的 超高通量篩選技術(shù)( Ultra high throughput screening，uHTS)。

1.2  高通量篩選技術(shù)的應(yīng)用

潘麗等建立了穩(wěn)定可靠的以轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活子( STAT3) 為靶標(biāo)的抗腫瘤HTS模型，應(yīng)用該模型 對(duì)8,248 個(gè)潛在的抗癌藥物進(jìn)行篩選，抑制率在80%以上的有5 種，在500 μmol/L 藥物濃度下，化合物MDC6 的抑制率最高為92%，為后續(xù)MDC6 的抗癌研究提供了可靠的前期數(shù)據(jù)。羅睿等建立以蛋白激酶A為靶點(diǎn)的抗結(jié)核藥物HTS模型，利用該模型對(duì)4,000個(gè)微生物發(fā)酵液粗提物樣品進(jìn)行篩選，最終得到21個(gè)抑制蛋白激酶A 活性的陽性樣品，陽性率為0.53%；以恥垢分枝桿菌和海分枝桿菌為檢定菌，平板紙片法檢測(cè)陽性樣品的抗分枝桿菌活性，然后對(duì)HTS 篩選的陽性樣品的細(xì)胞毒性和酶活抑制特異性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到8個(gè)陽性樣品，其中有4個(gè)陽性樣品的酶活抑制特異性、抗菌活性均較好，且細(xì)胞毒性較低，證明該篩選模型得到的陽性藥品值得進(jìn)一步研究。隨著耐藥菌株的出現(xiàn)，抗生素的研發(fā)變得更加緊迫。應(yīng)用HTS技術(shù)，能快速?gòu)娜斯ず铣苫衔飵?kù)或天然產(chǎn)物化合物中篩選出具有潛在抗菌活性的物質(zhì)。Duetz等提供的高通量發(fā)酵技術(shù)能在96 孔板中進(jìn)行菌種發(fā)酵，發(fā)酵過程能與自動(dòng)化的提取和掃描平臺(tái)整合。該方法能夠在較短時(shí)間內(nèi)研究多達(dá)20 種不同的培養(yǎng)基質(zhì)對(duì)微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的影響。平板霉素正是采用這種新篩選方法得到的產(chǎn)物。流感病毒的PA_N 蛋白高度保守，且具有核酸內(nèi)切酶活性，是抗流感藥物研發(fā)的潛在靶點(diǎn)。張國(guó)防等采用HTS體系，從372 種化合物中篩選出3 種對(duì)流感病毒H5N1 的PA_N蛋白抑制作用較好的化合物。將這3 種化合物分別與 PA _N蛋白進(jìn)行分子對(duì)接模擬，結(jié)果顯示它們均可與 PA_N 蛋白活性位點(diǎn)的二價(jià)金屬離子和氨基酸殘基相互作用，從而為抗流感病毒藥物的發(fā)現(xiàn)提供了先導(dǎo)化合物。Canavaci 等建立了用化學(xué)發(fā)光方法檢 測(cè)β-半乳糖苷酶的HTS模型，以384 孔板為載體，篩選了NIH 化合物庫(kù)中的303 224 種化合物，得到4,394 種能對(duì)抗美洲錐蟲病的陽性樣品，隨后的毒性檢測(cè)顯示，其中有3,005 種化合物的 IC50 ＜10 μmol/L。本課題組將由Tecan公司的全自動(dòng)工作站及其連續(xù)波長(zhǎng)多功能酶標(biāo)儀組成的高通量篩選系統(tǒng)用于自主合成的化合物，包括β2 受體激動(dòng)劑、PDE4 抑制劑、乙酰膽堿酯酶抑制劑以及自由基清除劑的大量篩選，得到了具有潛在藥理活性的先導(dǎo)化合物。  

2  高內(nèi)涵篩選技術(shù)

2.1  高內(nèi)涵篩選技術(shù)的發(fā)展

細(xì)胞生物學(xué)研究已成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域中最為重要的部分，尤其是步入到后基因組時(shí)代，科學(xué)家不再簡(jiǎn)單割裂地研究單個(gè)基因或單個(gè)蛋白的功能，而是開始從一個(gè)功能整體的角度考慮問題。HTS 技術(shù)單指標(biāo)的篩選方法，已經(jīng)不能滿足藥物發(fā)現(xiàn)的需要，而且也不利于對(duì)化合物活性的綜合評(píng)價(jià)。因此，以多指標(biāo)多靶點(diǎn)為主要特點(diǎn)的高內(nèi)涵藥物篩選( High content screening，HCS) 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

HCS的儀器一般由白色連續(xù)光源、多通道濾光片( 適于常用的熒光染料) 、顯微鏡模塊和高速高分辨率 的CCD照相機(jī)進(jìn)行圖像獲取，同時(shí)還可以配備細(xì)胞培養(yǎng)和自動(dòng)加樣模塊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間全自動(dòng)的實(shí)驗(yàn)分析。基于激光的硬件聚焦系統(tǒng)使得自動(dòng)對(duì)焦在200 ms以內(nèi)，再結(jié)合軟件聚焦，完善了對(duì)拍攝對(duì)象的快速定位和圖像獲取。除了圖像獲取部分外，圖像采集、圖像分析和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也是高內(nèi)涵藥物篩選設(shè)備 的主要組成部分。

20 世紀(jì)70 年代Talyor等最早提出高內(nèi)涵概念，此后該課題組一直致力于開發(fā)定量研究細(xì)胞的新工具，1996 年，Talyor成立了 Cellomics 公司，并于1999 年研發(fā)生產(chǎn)了世界第一臺(tái)商用 HCS 儀器。

進(jìn)入21 世紀(jì)，單克隆抗體技術(shù)、細(xì)胞的制備方法、熒光染料的開發(fā)、儀器設(shè)備的改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)的發(fā) 展，使得HCS技術(shù)作為一門生物檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。

相對(duì)于HTS結(jié)果單一，HCS是篩選結(jié)果多樣化的一種篩選技術(shù)手段。HCS 模型主要建立在細(xì)胞水平，通過觀察樣品對(duì)固定或動(dòng)態(tài)細(xì)胞的形態(tài)、生長(zhǎng)、分化、遷移、凋亡、代謝及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多個(gè)功能 的作用，涉及的靶點(diǎn)包括細(xì)胞的膜受體、胞內(nèi)成分、細(xì)胞器等，從多個(gè)角度分析樣品的作用，最終確定樣品的活性和可能的毒性。HCS 技術(shù)克服 了以往細(xì)胞研究領(lǐng)域的“串行”研究方法（即細(xì)胞周期→細(xì)胞毒理→信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)→代謝調(diào)控等）效率低、速度慢的弱點(diǎn)，在同一實(shí)驗(yàn)中， 可完成各種對(duì)于細(xì)胞生理現(xiàn)象本質(zhì)的研究。

這不僅大大提高了研究效率，降低了研究成本，避免了大量的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)獲得了比之前成倍，甚至成百倍的海量數(shù)據(jù)，為各項(xiàng)研究提供了第一手實(shí)踐材料。圖 1 直觀比較了HTS和HCS的共同點(diǎn)和差異性。從實(shí)驗(yàn)載體上看，HCS 與 HTS 無顯著區(qū)別，均是在微孔板( Microplate) 上進(jìn)行，兩者的樣品消耗量一致，實(shí)驗(yàn)操作同樣簡(jiǎn)單可行、自動(dòng)化。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，HTS 實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一，通常只獲得每個(gè)樣品孔的最終讀數(shù)。而 HCS 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果多樣化，既有樣品孔的最終讀數(shù)，還有細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析、細(xì)胞空間結(jié)構(gòu)分析、細(xì)胞成像等多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1  HTS和HCS的共同點(diǎn)和差異性比較

2.2  高內(nèi)涵篩選技術(shù)的應(yīng)用

Baniecki等將HCS用于尋找抗瘧新藥，認(rèn)為使用基于圖像的 DAPI 惡性瘧原蟲生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，可以 檢測(cè)到單個(gè)瘧原蟲；而使用DAPI惡性瘧原蟲生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)和［3H］標(biāo)記的次黃嘌呤實(shí)驗(yàn)，96 孔板上得到 的讀數(shù)結(jié)果顯示，具有活力的瘧原蟲比例為0.25%。兩種實(shí)驗(yàn)手段的結(jié)果比較表明，HCS 的靈敏度及 可靠性顯著提高。Xu等針對(duì)一系列與肝毒性直接相關(guān)的細(xì)胞表面形態(tài)變化，建立了一個(gè) HCS 檢測(cè) 方案。在檢測(cè)300 多種藥物和化合物（其中包括許多可以導(dǎo)致人類罕見的肝毒性藥物）時(shí)，使用該檢測(cè) 方案，檢出率達(dá)50%～60%，假陽性率非常低，僅為0～5%。Moffat 等建立了一種基于 HCS 的方法，來鑒定有絲分裂進(jìn)程中所必須的基因，并針對(duì)5,000 種表達(dá)獨(dú)特的shＲNA、以1,028 個(gè)人類基因作為靶點(diǎn)的慢病毒載體進(jìn)行篩選，篩選到約100 個(gè)( 新型) 增殖相關(guān)的候選調(diào)控元件。此外，在藥物毒性 篩選方面，采用基于熒光成像的 HCS 進(jìn)行篩選，能夠從單個(gè)細(xì)胞水平觀察到細(xì)胞內(nèi)部正在發(fā)生的事件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比傳統(tǒng)的MTT法的靈敏度更高，信息量更大，結(jié)果更可靠，從而降低了后續(xù)的藥物開發(fā)研究失敗的風(fēng)險(xiǎn)。本實(shí)驗(yàn)室建立了以核轉(zhuǎn)錄因子NFκB為靶標(biāo)的NFκB－U2OS細(xì)胞質(zhì)核轉(zhuǎn)染高內(nèi)涵篩選模型，通過自動(dòng)獲取細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核的熒光強(qiáng)度差值，陽性組的差值比陰性組差值大8 倍以上，說明 NFκB 在藥物刺激下入核明顯。96 孔板方法評(píng)估因子 Z － factor≥0.5。這一模型適于以NFκB為靶標(biāo)的高內(nèi)涵藥物篩選。

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