生物信息學在創(chuàng)新藥物研究中的應用演示文稿

生物信息學在創(chuàng)新藥物研究中的應用演示文稿當前第1頁\共有41頁\編于星期四\19點（優(yōu)選）生物信息學在創(chuàng)新藥物研究中的應用當前第2頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第3頁\共有41頁\編于星期四\19點DrugDiscovery&DevelopmentIdentifydiseaseIsolateproteininvolvedindisease(2-5years)Findadrugeffectiveagainstdiseaseprotein(2-5years)Preclinicaltesting(1-3years)Formulation&Scale-upHumanclinicaltrials(2-10years)FDAapproval(2-3years)FileINDFileNDA當前第4頁\共有41頁\編于星期四\19點ModerndrugdiscoveryprocessTargetidentificationTargetvalidationLeadidentificationLeadoptimizationPreclinicalphase

2-5yearsDrugdiscoveryisanexpensiveprocessinvolvinghighR&DcostandextensiveclinicaltestingAtypicaldevelopmenttimeisestimatedtobe10-15yearsandUS$0.3~0.5billions.6-9years當前第5頁\共有41頁\編于星期四\19點BioinformaticsAreImpactingThisProcess

生物信息學在新藥研究中發(fā)揮作用的兩個方面：IsolateproteinFinddrugPreclinicaltestingDrugTargetDiscovery藥物靶點發(fā)現(xiàn)Structure-baseddrugdesign藥物設計當前第6頁\共有41頁\編于星期四\19點9.1生物信息學與新藥開發(fā)中的基本概念藥物（drug）：與體內(nèi)的靶物質(zhì)（通常是蛋白質(zhì)）相互作用，通過這種相互作用引起生理反應加強或阻止靶標進行正常生理活動，已達到治療人類疾病的目的。

藥物重要參數(shù)：LogP疏水常數(shù)、ADME/Tox：其中Absorption（吸收），Distribution（分布），Metabolism（代謝），Excretion（排泄），Toxic（毒性）。藥物靶標（drugtarget）：指導致疾?。―iseaseorDisorder）或與疾病產(chǎn)生密切相關的生物大分子，包括蛋白質(zhì)（酶、受體、離子通道），核酸（DNA、RNA），糖類等。藥物可與其專一的結合來加強或者阻止它進行正常生理活動。當前第7頁\共有41頁\編于星期四\19點先導化合物（leadmolecule）：是指具有一定藥理活性的、可通過結構改造來優(yōu)化其藥理特性而可能導致藥物發(fā)現(xiàn)的特殊化合物。先導物的來源：主要有天然產(chǎn)物（植物、動物、微生物、海洋生物等）提取、偶然發(fā)現(xiàn)、隨機篩選、老藥新用等。Aspirin先導物的優(yōu)化：先導化合物未必是可實用的優(yōu)良藥物，可能由于藥效不強，特異性不高，藥物代謝動力學性質(zhì)不合理，或毒性較大等特點，不能直接藥用，但作為新的結構類型和線索物質(zhì)，需要對其進一步的結構修飾和改造，來獲得理想的藥物。當前第8頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第9頁\共有41頁\編于星期四\19點該類物質(zhì)是一類重要的化工原料，主要在塑料業(yè)中用做增塑劑。目前普遍認為，生物體中的該類物質(zhì)是從環(huán)境中攝取并儲存于體內(nèi)，而非生物自身代謝產(chǎn)生的。海綿中此物質(zhì)的含量在一定程度上可以顯示海水的污染狀況。因此我國南海海域的污染問題已不容忽視。當前第10頁\共有41頁\編于星期四\19點高通量藥物篩選(HighThroughputScreening,HTS)：是近年發(fā)展起來的藥物篩選新方法。這一方法集計算機控制、自動化操作、高靈敏度檢測、數(shù)據(jù)結果和自動采集和處理于一體，實現(xiàn)了藥物篩選的快速、微量、靈敏和大規(guī)模，日篩選量達到數(shù)千甚至數(shù)萬樣品次。當前第11頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第12頁\共有41頁\編于星期四\19點虛擬篩選：是上述藥物設計方法的延伸和推廣，可定義為：針對重要疾病特定靶標生物大分子的三維結構或定量構效關系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)模型，從現(xiàn)有小分子數(shù)據(jù)庫中，搜尋與靶標生物大分子結合或符合QSAR模型的化合物，進行篩選實驗研究。藥效基團：通常是指那些可以與受體結合位點形成氫鍵相互作用、靜電相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用的原子或官能團。對一組具有生物活性的化合物進行化學結構的分析和比較，找出其共同的特征結構，即可建立藥效基團的模型。當前第13頁\共有41頁\編于星期四\19點定量構效關系：狹義的構效關系(Structure-activityrelationships,SAR)是藥物的結構發(fā)生變化時生物活性的定性變化經(jīng)驗規(guī)律。定量構效關系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)是由SAR發(fā)展而來的，是采用數(shù)學模式來描述藥物的生物活性與結構間的定量依賴關系所謂QSAR就是通過一些數(shù)理統(tǒng)計方法建立起一系列化合物的生理活性或某種性質(zhì)與其物理化學性質(zhì)之間的定量關系。組合化學：在每一步反應過程中加入各種不同的能夠參與反應的化合物基團，利用組合的原理，使各種不同的基本結構的基團以組合的方式參與反應，在結果一定反應步驟后就可以獲得各種結構不同的化合物。當前第14頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第15頁\共有41頁\編于星期四\19點一、藥物靶標的識別：識別潛在的合適的疾病靶標二、先導化合物的發(fā)現(xiàn)：尋找與之相作用的藥物即先導化合物的發(fā)現(xiàn)，包導化合物，也就是說它應該有理想藥物的部分但并非全部的生物活性，對象到化合物進行化學修飾三、修飾后產(chǎn)生的候選藥物，有更好的治療效果，通過評估這些候選藥物的質(zhì)量，通過這些測試的候選藥物便被注冊為研發(fā)中新藥，當前第16頁\共有41頁\編于星期四\19點四、提交臨床試驗Ⅰ期臨床試驗：初步的臨床藥理學及人體安全性評價試驗。Ⅱ期臨床試驗：治療作用初步評價階段。其目的是初步評價藥物對目標適應癥患者的治療作用和安全性，也包括為III期臨床試驗研究設計和給藥劑量方案的確定提供依據(jù)。Ⅲ期臨床試驗：治療作用確證階段。其目的是進一步驗證藥物對目標適應癥患者的治療作用和安全性，評價利益與風險關系，最終為藥物注冊申請獲得批準提供充分的依據(jù)。Ⅳ期臨床試驗：新藥上市后由申請人自主進行的應用研究階段。五、臨床研究工作完成以后，將臨床研究總結資料以法規(guī)規(guī)定形式呈送給國家藥品監(jiān)督管理局,進行全面審評，合格后獲得新藥證書及生產(chǎn)批文。當前第17頁\共有41頁\編于星期四\19點9.2藥物開發(fā)中的生物信息學生物信息學在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮作用主要有兩個方面：藥物靶點發(fā)現(xiàn)藥物基本設計當前第18頁\共有41頁\編于星期四\19點①基于生物信息學的藥物靶點發(fā)現(xiàn)主要的藥物靶標：細胞膜受體約占靶標總數(shù)的45%，酶占28%，激素和因子類占10%，離子通道占5%，核受體占2%，其它占7%。當前第19頁\共有41頁\編于星期四\19點G蛋白偶聯(lián)受體：G蛋白偶聯(lián)受體(G-proteincoupledreceptor,GPCR)是一類具有7個跨膜螺旋的跨膜蛋白受體.GPCR的結構特征和在信號傳導中的重要作用決定了其可以作為很好的藥物靶標。與GPCRs家族相關疾病包括阿爾茨海默氏癥、帕金森癥、侏儒癥、色盲癥、色素性視網(wǎng)膜炎和哮喘等利用生物信息學手段尋找新的GPCR編碼基因(新的潛在藥物靶標)，并構建GPCR分子生物學數(shù)據(jù)庫，一直是GPCR研究領域中的熱點當前第20頁\共有41頁\編于星期四\19點離子通道藥靶：細胞膜離子通道是調(diào)節(jié)細胞興奮性的一類重要膜蛋白結構，也是僅次于G蛋白偶聯(lián)受體的藥物作用重要靶點。當前第21頁\共有41頁\編于星期四\19點蛋白酶酶靶：在大約400個已知人類蛋白酶中，有大約14%被確認為藥物靶標。選擇藥物靶點的基本標準

與疾病之間的關系非常清楚;跟藥物能有一定的結合位點;最好結構已經(jīng)清楚了，尤其是與藥物相互作用的位點;動物敲除（Knockout）這個基因不引起顯著的不良后果;當然也要有一定的市場需求和銷量。當前第22頁\共有41頁\編于星期四\19點藥物靶標識別的生物信息學方法：基因組數(shù)據(jù)庫搜索：通過生物信息學方法對人類基因組序列進行挖掘與靶標相似的潛在靶標。如：通過基因從頭預測和序列相似性搜索能夠在有效靶標家族中發(fā)現(xiàn)新的成員。EST數(shù)據(jù)庫搜索：同源搜索組織差異表達差異搜尋：具有組織特異性表達的基因有可能成為特異性的副作用小的靶標?；蛭㈥嚵蟹椒ㄅc藥物靶標預測：DNA芯片，又稱基因芯片或DNA陣列（DNAarray），將大量特定序列的寡聚核苷酸（DNA探針）有序地固化在硅或玻璃等材料作的承載基片上，使其能與靶基因進行互補雜交形成DNA探針池。利用DNA芯片可以快速高效地獲取空前規(guī)模的生物信息，因而可用于發(fā)現(xiàn)疾病的相關基因，可以在基因組水平上來檢測基因表達模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標。當前第23頁\共有41頁\編于星期四\19點蛋白質(zhì)組學與藥物靶標識別：應用蛋白質(zhì)組學尋找新的藥物靶標有以下幾種方法：：①比較病態(tài)與正常態(tài)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達差異；②比較給藥后病變與正常組織的蛋白質(zhì)表達差異；③從已知的生物活性尋找新的蛋白作為藥物靶點；④從蛋白質(zhì)間的相互作用尋找和驗證新的藥物靶點。當前第24頁\共有41頁\編于星期四\19點SNP研究與藥物靶標識別：單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotidepolymorphism，SNP),主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性?？墒褂蒙镄畔W來決定一個基因的變異是否改變一個氨基酸而帶來影響。

不同的個體對藥物的敏感性和毒性反應有很大的區(qū)別，這主要是由基因決定的,特別是藥物靶點基因、藥物代謝基因等的單核苷酸多態(tài)性，影響了藥物作用的強弱和藥物代謝的不同。因此對應不同的snp個體應該采用不同個體化治療達菲為羅氏制藥獨家生產(chǎn)的抗流感藥物，其通用名稱為磷酸奧司他韋（Oseltamivirphosphate）。高致病禽流感曾引起世界范圍內(nèi)的恐慌。美國FAD發(fā)現(xiàn)達菲在一定程度上有治療作用，瞬間成為搶手貨，但是，日本報道了數(shù)百例兒童服藥后導致精神混亂于2007年發(fā)布預警提示國民慎用達菲。而Nature雜志的評論員質(zhì)疑是日本國內(nèi)利益集團和羅氏制藥集團有不恰當利益關系而進行虛假報道。北京大學魏麗萍課題組用生物信息學分析提出了一個假設，用一個亞洲人特異性的單核苷酸多態(tài)性位點幾乎解釋了全部疑點當前第25頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第26頁\共有41頁\編于星期四\19點②藥物靶標驗證技術兩方面的驗證靶標的有效性，即藥物靶標與疾病確實有關藥物靶標的副作用，如果靶標的活性調(diào)節(jié)不可避免的產(chǎn)生重大的副作用，將其選為靶標也是不合適的當前第27頁\共有41頁\編于星期四\19點基因水平上：DNA芯片技術：可以確定疾病細胞的基因表達模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標基因敲除技術：通過DNA同源重組，使ES細胞（EmbryonicStemcell，ES）特定的內(nèi)源基因被破壞而造成功能喪失，然后再通過ES細胞介導得到該基因喪失的模式生物模型的過程稱為基因敲除(geneknockout)，又稱基因打靶技術，通過基因敲除試驗以檢測該基因缺失以后是否就丟失了某種功能，從而對該靶點進行確證。RNAi（RNAinterference）：是一種新的基因抑制技術，它通過人為地引入與內(nèi)源靶基因具有同源序列的雙鏈RNA，從而誘導內(nèi)源靶基因的mRNA降解，達到阻止基因表達的目的。雙鏈RNA能夠高效特異性阻斷相應基因的表達，其機理與反義RNA技術相似，當前第28頁\共有41頁\編于星期四\19點基因表達譜：是通過構建處于某一特定狀態(tài)下的細胞或組織的非偏性cDNA文庫，收集cDNA序列片段、定性、定量分析其mRNA群體組成，從而描繪該特定細胞或組織在特定狀態(tài)下的基因表達種類和豐度信息，這樣編制成的數(shù)據(jù)表就稱為基因表達譜。該表達譜實際上從mRNA水平反映了細胞或組織特異性表型和表達模式。蛋白質(zhì)水平的主要技術：酵母雙雜交、蛋白質(zhì)組學③靶標發(fā)現(xiàn)的相關資源介紹當前第29頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第30頁\共有41頁\編于星期四\19點重點數(shù)據(jù)庫及軟件介紹：TTD:TherapeuticTargetDatabase

提供了已知或正在探索的可用作治療的蛋白質(zhì)靶點和核苷酸靶點的信息，以及與這些靶點對應的靶疾病，靶通路和相應的藥物/配體信息。DrugADMEAssociatedProteinDatabase

此數(shù)據(jù)庫提供了藥物吸收、分布、代謝和排泄相關蛋白的信息，目前包括321個蛋白條目。提供了已知的藥物ADME(Absorption，Distribution，Metabolism，Excretion)相關蛋白的功能、相似性、底物/配體、組織分布以及靶點性質(zhì)等信息。TRMP:TherapeuticallyRelevantMultiplePathwayDatabase提供了文獻中報道的可用于治療的靶點所參與的MultiplePathway信息，靶疾病的狀況以及靶點對應的藥物/配體信息當前第31頁\共有41頁\編于星期四\19點9.3藥物合理設計與篩選藥物合理設計與篩選也稱基于結構的藥物設計與篩選(structure-baseddrugdesignandscreening)或稱合理發(fā)現(xiàn)（rationaldiscovery）。這種篩選的策略是將基于機制（尤其基于大分子三維結構）的篩選與藥物合理設計融合為一體。有人稱理性藥物發(fā)現(xiàn)的時代尚未到來。藥物合理設計仍屬于輔助手段。但可以預見計算機藥物篩選將是未來創(chuàng)新藥物開發(fā)研究的新方法。9.4藥物設計的基本方法：傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物中進行篩選。得到一個可供臨床使和的藥物要耗費大量的時間與金錢。近年來由于生物信息學的發(fā)展，相當數(shù)量的大分子三維結構已被人們精確測定，使得基于蛋白質(zhì)和核酸結構的藥物設計成為可能。當前第32頁\共有41頁\編于星期四\19點計算機輔助藥物設計所涉及的兩類問題：對接問題確定藥效結構的問題對接問題:是將小分子配體放置于受體的活性位點處，并尋找合理的取向和構象使得配體與受體的形狀和相互作用能夠最佳匹配。分子對接有兩個核心問題，即如何找到最佳的結合位置以及如何評價對接分子之間的結合強度。分子對接方法:主要用來從化合物數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，從而發(fā)現(xiàn)全新的先導化合物。常用軟件有：Dock和FlexDOCK由Kuntz小組于1982年開發(fā)，最新版本為DOCK5.0F1exX是一種快速、精確的柔性對接算法，在對接時考慮了配體分子的許多構象。當前第33頁\共有41頁\編于星期四\19點當前第34頁\共有41頁\編于星期四\19點確定藥效結構的問題：通試驗發(fā)現(xiàn)受體的配體，然后利用配體的幾何結構和化學特征，通過計算機的幫助得到受體的信息從而得到該類藥物的藥效結構。①間接藥物設計方法早期，人們對于藥物作用的靶標分子大多缺乏了解，只能從藥物小分子化合物的結構和活性出發(fā)，去歸納和認識藥物分子的構效關系，進而設計藥物分子，這種藥物設計即為間接藥物設計。定量構效關系(QuantitativeStructure-ActivityRelationship,QSAR)是一種重要的間接藥物設計方法。所謂定量構效方法就是通過一些數(shù)理統(tǒng)計方法建立其一系列化合物的生理活性或某種性質(zhì)與其物理化學性質(zhì)之間的定量關系，通過這些定量關系?？梢灶A測化合物的生理活性或某些性質(zhì)，指導我們設計出具有更高活性的化合物。一旦確定已知的化合物的生物活性與其結構之間的定量關系，研究者就可以依據(jù)這一關系對化合物結構進行改造，以獲得更