高通量筛选：化合物库在药物研发过程中的应用-MedChe...-1
高通量筛选：化合物库在药物研发过程中的应用-MedChemExpress
一、化合物库的应用
化合物库 (Compound library)是按照特殊的研究目的研制而成的大量化合物集合，适用于高通量筛选。
新药研发
现代药物研发是最复杂的科学领域之一，需要综合多种学科的理论和方法。自19世纪末期，随着生物医学的实验研究以及有机化学的巨大进步，现代药物研发的也逐渐发展起来。迄今为止，已经有1500多种药物，通过不同的机制发挥了治疗多种疾病的作用。药物研发的流程如下图所示，主要包括靶标确认，化合物筛选，临床前研究，临床研究及批准上市等步骤。其中化合物筛选过程即是从大量的化合物库中筛选出可以成为药物的小分子的过程。新药研发的成功率较低，仅为1/10000-1/5000，因此成功的药物研发需要大量化合物库的支持。
图1. 药物研发流程示意图
伊马替尼是被FDA批准的第一个肿瘤靶向药物，用于治疗慢性髓系白血病（CML）。伊马替尼的发现符合典型的药物研发流程。诺华公司利用高通量筛选的方式在大量的化合物库中筛选到了先导化合物，并经过一系列的修饰和优化，最后形成了具有良好理化性质和生物学性质的候选化合物伊马替尼。替马替尼成功通过各期临床试验后于2001年被FDA批准上市。
图2. 伊马替尼结构及优化过程
老药新用
如上所述，新药从头研发是一个漫长且代价高昂的过程，平均每个新药从最初研发到最后上市需花费20-30亿美金的研发费用，13-15年的时间。随着对药物安全性及有效性的要求不断提高，开发新药的成本还将持续上涨。2012年发表在Nature上的文章显示，尽管有生物、化学、计算机等技术飞速发展的加持，新药研发仍面临了投入产出比快速下降的困境。 在这种背景下，“老药新用（Drug
Repurposing）“的概念被提出并且越来越受到制药行业的关注。老药新用是指发现现有临床药物的新用途，具有成本低、耗时短、成功率高的优势。事实上，老药新用的研发成本可以降低到原来的十分之一（3亿美金）左右，研发周期也会缩短一倍以上的时间（6.5年）。
将已经通过临床I期安全性确认以及已批准上市药物的化合物集合起来，即是具有较好的安全性、生物活性和生物利用度的高质量化合物库。利用这些化合物去进行新适应症的开发，可以显著加速药物开发进度，降低药物开发的风险。目前已经有多种老药新用的例子，比如阿司匹林，一直是作为解热镇痛消炎作用的治疗药物，在老药新用研究中又发现阿司匹林还可以用于治疗大肠癌。
图3. 新药研发与老药新用对比图
除了作为药物研发的主体之外，化合物库在基础研究领域也可以发挥很多作用。化合物分子量小、较易进入细胞发挥作用等天然优势使其成为科学研究的重要工具。例如，化合物可以用来研究分子间的相互作用，可用来研究其蛋白靶点在细胞中的具体作用，也可以用来与其他实验技术产生的实验结果相互印证等。而将大量化合物集合起来，采用高通量的筛选技术对化合物库进行系统实验，可大大增加获得阳性实验结果的概率，加速基础生命科学的研究进展。
随着生物医药相关学科的发展，大量疾病相关靶点及活性化合物被发现，高通量筛选技术在基础研究及药物开发领域得到越来越多的应用。而高通量技术的发展也对化合物库的质量、数量和种类等提出了越来越高的要求。高质量的化合物库往往成为了决定药物研发或基础研究成功率的关键。
虚拟筛选
虚拟筛选 (Virtual Screening, VS)指针对靶蛋白的三维结构或定量构效关系 (QSAR)模型，从化合物数据库中搜寻与靶蛋白结合或符合QSAR模型的化合物的方法。虚拟筛选可快速从几十至上百万化合物中，遴选出具有潜在成药性的活性化合物，大大降低实验筛选化合物数量，缩短研究周期，降低药物研发的成本。虚拟筛选作为计算机辅助药物设计中的一项实用化技术，在当代的创新药物研发中发挥着重要的作用。而化合物库作为虚拟筛选的重要工具，一定程度上决定了小分子药物研发的速度和质量。
图4. 虚拟筛选
