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第 卷第 期
年 月
中 国 中 药 杂 志 ,
沮 ,
·
学术探讨
·
生物芯片 、生物信息学与高通量中药活性筛选
王 忠‘ , 刘建勋‘ , 张伯礼“ , 王永炎
中国中医研究院 西 苑 医院 , 北京
中国 中医研究院 , 北京
天津中医学院 , 天津
药物筛选是一个采用适当方法与分析手段对候选物质
药理活性评价的主动寻找药物的过程 。 高通量筛选技术是
世纪 年代后期形成的寻找新药的高新技术 , 其有 大
技术支持 , 即组合化学
、
遗传学和高通量筛选 , 分别为新药开
发提供新化合物源 , 新的作用靶标和大规模的筛选方法 。 后
两者相辅相成 , 构成较为完整的筛选体系 , 即基于疾病机理 ,
选择特定生物分子作为靶标的高通量筛选 。 目前机理筛选
一般有两种模式 , 一种是直接检测化合物对生物大分子如受
体
、
酶 、离 子通道
、
抗体等的结合及作用 另一种是检测化合
物作用于细胞后基因表达 尤其是 丈 的变化 。 不论何
种筛选模式 , 其关键问题是药物靶标的确定和筛选效率的提
高 , 生物芯片及相关技术的出现将在药物筛选的关键问题上
发挥巨大的作用 , 不仅可促进药物基因组学的发展 , 尤其是
对中药活性物质的筛选和方剂作用原理的研究提供有力的
技术支撑 。
药物靶标的确定
生物芯片为药物筛选提供了大量的候选靶标
人类基因组工作草图的完成及模式生物基因组测序工
作的相继完成 , 将有越来越多的疾病相关基因 分子被发现 ,
迄今成功的药物治疗只包括 个以下的靶点或生长因子 ,
而人类基因组有 一 万个基因 , 〕, 至少 个基
因将是重要的靶位点或表达治疗性蛋白 , 这暗示着目前只鉴
定和利用了潜在治疗策略的 。 国际上 , 基因组药物研
究的开发和竞争已进人 白热化阶段 , 许多生物技术公司 、药
厂 、研究所 、大学等争相投人到这一领域 。 如美国人类基因
组科学公司 年 月公布 在功能基因组研究领
域 , 公司 己发现 的人类基因 克隆了
个人类分泌蛋白质的全长 〕 发现了约 个基因可
能为医学应用 。 但要从众多的基因中发现靶标基因及判断
其重要性 , 只能在基因组水平上进行 , 因为人体是一个复杂
的网络 , 疾病的发生发展必然影响到网络中的很多环节 , 其
收稿 日期 一 一
基金项目 」 国家重点基础研究发展
规划
污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文
项 目一方剂关键科学
问题的基础研究 国家自然科学基金
「通讯作者 一
络病的病理变化是超出人体自稳调节态的阴阳消长过程 , 这
种在多维时空中多因素参与的动态调控过程 , 最终实质是导
致基因组及相应的后基因组的变化〔 。 因此严重威胁人类
健康的心血管疾病 、恶性肿瘤 、老年性痴呆和一些代谢紊乱
疾病都是多因素作用的结果 , 往往不能归结于单一因素的变
化 。 以前的基因寻找策略如 」〕 〕 , 等虽然为发展新
的功能基因提供了一些线索 , 但存在相当的局限性 。 而生物
芯片的出现可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参
量同时进行研究以发掘筛选靶标 , 即疾病相关分子并同时获
得大量其他相关信息 , 任何一元化的分析方法均不及生物芯
片这种集成化的分析手段更具有优势 。 生物芯片技术是近
几年才发展起来的一种高通量检测技术 , 它包括基因芯片
、
蛋白芯片及芯片实验室三大领域 。 作为药靶 , 蛋白也许是最
直接和最佳的靶分子 , 但是 在很大程度上也能反映
蛋白表达的情况 。 目前对基因的大规模操作 , 远较蛋白组技
术平台成熟 、简单 , 对基因组基础资料的挖掘和掌握也较蛋
白质组学深人和全面冈 , 因而基因芯片技术已应用于生命科
学的许多领域 , 如疾病相关基因的发现
、
疾病分子诊断 、 预测
及基因功能研究等 。 在药物领域将对于药物靶标的发现 、多
靶位同步超高通量药物筛选 、药物作用的分子机理 、 中医药
基础理论现代化 、药物活性及毒性评价等领域都有其他方法
无可比拟的优越性 。 但是如何处理如此庞大的数据却是必
须面对的难题 。
生物信息技术将为靶标的确定作出贡献
生物信息学是 年代末随着基因组测序数据迅猛增加
而逐渐兴起的一门新的学科领域 , 其核心是基因组信息学 。
它包含着基因组信息的获取 、处理
、
存储
、
分配和解释 , 揭示
人类及重要动植物种类的基因的信息 , 继而开展生物大分子
结构模拟和药物设计 。 其研究不仅可提供生物大分子空间
结构的信息 , 还能提供电子结构的信息 , 如能级 、表面电荷分
布 、分子轨道相互使用等以及动力学信息 , 如生物化学反应
中的能量变化 、 电荷迁移 、构象变化等 。 理论模拟还可研究
包括生物分子及其周围环境 如水 、离子等 的复杂体系和生
物分子的量子效应 。 上述的不少方面当前是难以直接用分
子生物学的实验手段加以研究的 。 这些模拟的结构对于在
分子 、亚分子和电子结构层次上了解生命现象的基本过程具
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中 国 中 药 杂 ,志 ,
,
有重要意义 。 并为天然生物大分子的改性和基于受体结构
的药物分子设计提供依据 。
由于机器人和合成化学的进步 , 药物发现中最关键的问
题不再只是得到一种先导化合物 印 叉〕 , 而是得到
导向靶基因 。 靶位点的鉴定有传统的鉴定策略和先进的新
生物学策略 , 如图 所示 , 底部代表了与疾病靶位点假设相
关的知识系列 。 传统上成功的靶位点鉴定 顶部 现在补充
了新的生物学策略 中部 促进疾病发生过程中的靶位点的
发现 。 所有这些方法结合起来覆盖了靶位点鉴定的全部过
程 , 并加快引人新的治疗
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
。
传统的鉴定策略
墓于疾病假设
的靶位点鉴定
靶位点结合
相关生理学
与疾病生物学周期 临床前体内
相联系的靶位点机理 药效脸证
药物在人体
成功测试
靶位点鉴定步骤
图 药物筛选过程中先进的靶位点鉴定策略
随着人类基因组测序的基本完成 , 生物信息学成为靶位
发现的一种有效工具 , 并将基因表达 、基因功能的计算机分
析整合为一体 , 运用聚类分析 、 人工神经 网 、 支持 向量机
叩 “ 〕等分析方法对生物信息进行处
理 , 并运用各种算法分析数据 。 简化了相关靶位的挑选工
作 , 而且发展了很多计算方法来预测化合物作为药物的可能
性 , 因此药物发现已进人了信息时代 。
虽然高通量药物筛选检测图与数据分析技术图 已有了
较大的进展 , 但面对大量的数据的取舍 , 既是挑战 , 亦是机
遇 中医药复方和东方的哲学也许能为问题的解决提供一
点思路 。
生物芯片与中药复方的哲学相似性
生物芯片的出现就是为了避免零打碎敲的研究基因的
结构和功能 , 使研究更趋于“ 真实 ” , 更有可比性 , 其研究思路
是从还原走向整体 , 从单一趋向系统 , 从结构到结构与功能
的统一 , 从一个靶点到复杂网络 , 随后诞生的生物信息学更
能说明这一点 。 可以说这不仅是人类基因组计划的必然产
物 , 也是人类认识世界的方法论的历史循环 。 中医学即是一
门带有明显整体与个体相结合的医学 , 其临床常用的复方 ,
药理作用具有群论 、层次论及可优化论特征 , 但是其作用的
多靶点 、多途径 、多环节的作用机制既是优势所在 , 又是 目前
需要解决的问题 , 若能将这种多靶点与多基因很好的融合起
来 , 不仅可推动生物信息学的发展 , 而且为有效靶点的确定
做出贡献 。
筛选体系思路与方法
基于小分子药物与核酸作用机理的生物芯片筛选
近年来以核酸为作用靶的药物研究已有相 当进展 。 小
分子与 〕 的结合常常诱发很多生物学效应 。 而以
的空间结构的运动性为基础研究小分子与 的相互结
合 , 是以 〕 为靶分子进行药物设计的分子基础 。 这种结
合作用按化学键来划分主要有共价键及非共价键结合两种
方式 。 共价结合中既包括与亲核试剂也包括与亲电试剂作
用 , 主要表现为 的烷基化及 的链间交联 、链内交
联等 。 非共价结合则以 种不同的方式进行 ①外部静电作
用 , ②沟区结合 , 分为大沟区结合及小沟区结合 , ③嵌插结
合 。 非共价键一般称为次级键 , 其中主要的是氢键 、离子键 、
范德华力和疏水键 。 这些键均属于弱作用键 , 而在分子水平
的生命现象中 , 上述弱作用键是一种决定性的因素 , 形成了
生物大分子生物功能所要求的空间结构 , 因而决定了基因转
录 、调控的主要分子机制 。 由于大多数药物与 的作用
都是共价结合 , 它主导着药物分子与 结合的特异性 。
以 为靶分子的药物选择性取决于与 州 结合的
特异性 , 这一研究首次于 年发表以来 , 发展极为迅速 。
在药物与 的识别研究中 , 药物对 的序列选择性识
别 明 诚
、 位点专一性识别 下犯 及
形状选择性识别 已 成 为 当今 的研究热
点 。
目前药物与 非共价结合的研究已有大量的工作 ,
如纺锤霉素 与小沟区 皿
、
中心的结合 , 偏端霉
素 〔‘ 〕与 的 富集的小沟区部分的结合
等 。 对小分子药物与 结合模式有较为详细
的论述〔“ 〕。 既然药物能与 结合 , 因而开发小沟结合药
物以选择性抑制转录因子 等基因与 的交互作用
及伴随的基因表达就是药物研究的一个目标〔‘ 〕。
中药中所包含的成分大多为小分子物质 , 而无论其与核
酸是何种形式的结合均为中药活性物质的筛选提供了可能 。
面对中药复方成分的复杂性和各成分所具有的多靶点可能
性以及成分之间存在的多种相互作用 , 生物芯片将是揭示这
种复杂关系的技术之一 。
基于药物基因表达谱分析的高通量药物筛选 反向药
理学
反向药理学 呢 是相对于传统药理学
研究过程 , 提出新的研究思路 , 是对高通量药物筛选引发的
研究过程的概括 , 其最大的特点是从药物作用机制开始 , 反
向研究药物作用的特点和规律 。 真正促进反向药理学发展
的基础是高通量药物筛选的广泛开展 。 由于高通量药物筛
选多数是在分子水平的筛选模型上进行 , 故获得的药物作用
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中 国 中 药 杂 志
已记 加
, 斗
,
信息是药物与作用靶点之间的关系 , 或者说是直接认识了药
物作用机制 。 利用药物靶点进行药物筛选 , 已成功的发现了
大批临床用药 。 如血管紧张素转换酶抑制剂卡托普利 、依那
普利 , 件肾上腺素受体拮抗剂普蔡洛尔 、阿替洛尔等 , 都是利
用分子靶点筛选而发现的药物 。 中药成分的复杂性及多
靶点多因素的干扰 , 若没有高通量的并行分析技术与检测手
段 , 将很难阐明中药的作用机制 。 而利用表达谱芯片研究用
药前后两样品不同时点的基因表达情况 , 就可得到该药物作
用后相应组织或细胞中基因的动态变化表达谱 , 从而有可能
揭示调控药物反应通路上的基因表达网络机制 , 确定药物作
用的靶向基因 。
药物效应的基因多态性研究
药物治疗的综合药理效应是典型的非单基因特性 , 更确
切地应是几种编码蛋白质包括药物代谢 、分布及效应的多种
途径的相互作用 。 因而有人提出了药效是多基因决定因素
的药物反应仁‘ 〕。 目前从基因特性评价临床研究 , 特别是当
药物治疗的代谢和作用机制限定较差时的评价比较困难 。
鉴于在药物靶点中基因多态性与药物的灵敏度相关联 , 所以
期望发展可迅速解释药物与基因组的关系 , 并描述药物效应
的单基因决定因素的成熟技术与方法 。 生物信息学不仅影
响到新药物靶标的发现 , 还对改善药物开发的临床前期和临
床期的现状极具重要性 。 众所周知 , 涉及数以千计病人的临
床试验 可能是药物开发最为花钱的部分 的设计不论多么
仔细 , 也不能为正确的药物选择正确的病人 。 而在基因组水
平划分病人群体的方法可以大大改善发现新药的效率 。 将
病人的基因型和表型标志结合起来以改善临床前期和临床
期药物开发过程必将是药物研究的发展方向 , 即将遗传学和
生物信息学数据同化学 、生物化学 、药理学和医学数据连接
起来的集成信息管理和分析方法是极其重要的 。 不容置疑 ,
生物芯片将能胜任药物研究的复杂性研究工作 , 为明确基因
多态性与药物效应的关系发挥作用 。
当前 , 我国药物研究与医药产业面临十分严峻的形势和
挑战 , 要实现医药产业的跨越性发展 , 发挥后发优势 , 有效地
实现追赶的策略 , 必须加强创新药物的研究 。 创新药物的研
究可分为发现和开发两个基本点阶段 。 其中发现阶段对于
创新性药物的研究具有决定性的意义 , 是新药研究最富有创
造性的阶段 , 包括阐明疾病发生的细胞和分子机制及药物作
用的靶标 , 发展寻找新药的新理论 、新方法 、新技术 , 药理研
究工作面临的挑战是阐明人类疾病的病理生理学 , 鉴定药物
影响的靶位点 。 这种从基因研究演化出的新的生物学系统
或研究思路必将融人成功的药物筛选领域〔, ‘ 」。 目前国外
几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用 了芯片技术 。
我国在该领域虽然起步较晚 , 但潜力较大 , 以此作为突破 口
用于创新药物的研究和开发 、 中药基础理论现代化及中药多
靶位筛选等领域 , 该技术的发展不仅为生命科学的诸多领域
研究带来一场革命 , 而且给我国创新药物研究和开发及中医
药现代化等领域带来新的契机 , 适时抓住这一良机必将给我
国药物研究和中药活性物质的筛选工作的跨越式发展带来
希望 。
〔参考文献
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