蛋白质组与新药开发课件

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1、,第十五章 蛋白质组与新药开发 第一节 简介 第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系 一、基因芯片 二、蛋白质芯片 第三节 药物的高通量筛选体系 一、高通量筛选 二、计算机虚拟筛选 第四节 药物作用的监测评价体系 一、临床前安全性评价 二、临床试验 三、生物技术药物的开发,第十五章 蛋白质组与新药开发 第一节 简介 目前世界上存在的已知疾病大约有4500种，其中只有不到二分之一的疾病有相应的治疗手段，可以有药物对应的疾病甚至不到四分之一 一个新药从开发到上市，历经十几年的时间，研究开发经费可达十几亿美元。 可是，一旦上市以后，它所带来的利润也是相当可观的。,可见新药的研究开发具有广阔的前景，是一

2、个周期长、高风险、高投入、高回报的产业。 当代创新药物研究竞争十分剧烈，其中竞争的焦点就在于筛选新药，问题的核心是低成本、高效率地筛选出新药，以达到缩短新药发现过程的目标。,在医药工业，发现一个新药后，临床前药理、毒理学研究平均需要3.5年。 临床试验平均需要6年。 审批上市平均需要2.5年。 三者相加平均12年。 企图从这几个发展阶段上缩短周期，加快新药上市的速度是很困难的。 这几个阶段的周期长短，不但受新药研究规律所制约，也受药品审批管理法规要求的限制。,针对上述难题， 新药研制机构， 特别是各国的制药企业公司纷纷加大人力、财力的投入力度， 将热情和注意力倾注在新药发现过程上， 大量使用现

3、代新技术， 寻找切实可行的解决方案，以期抢占制药行业的先机。,这就在很大程度上促进了相关科技的高速发展。 基因组学 组合化学 高通量筛选(highthroughput screening，HTS) 三种技术的联合应用使得新药研制的成本得到大幅度下降。 加速了具有特定靶标的新化合物的发现。 人类基因组测序工作的完成，也将为药物的寻找提供更多的可供筛选的靶标。,在欧美一些国家，将HGP的研究和新药开发结合在一起，创立了一门新的学科，叫药物基因组学(pharmacogenomics)。 它以基因组学为基础，以研究开发新药为目的。 在基因水平上对疾病敏感度、药物反应和副作用进行分析和研究。 是药理学当

4、中的一个新分支。,药物基因组学含义： 药物效应的基因型预测和基因组学在医药工业上的应用， 在分子水平上证明和阐述药物疗效，药物作用的靶标、作用模式和毒副作用。,核酸作为药物作用的靶标实际上存在着致命的缺陷： (1)首先由于核酸结构的同源性 联系到许多人类正常的功能，作用于DNA的药物大多选择性差，而且毒性较大，特别是形成共价结合的药物都有严重的细胞毒作用。 (2)其次大多数疾病都是表征在蛋白质水平上，而不是在基因水平上。 细胞和组织中mRNA的丰度与蛋白质的丰度相关性不显著(仅为0.5)；,(3)第三，将核酸结合的药物释放到相应的组织是一大难题。 (4)第四，很多疾病如癌症和心血管疾病往往是多

5、基因共同作用的结果。 因此很难找到关键基因作为作用的靶标 以上几点都是制约新药开发进程的瓶颈。,为了阐明生命活动的本质，真正与功能研究结合，基因组的研究必然要回归到蛋白质组研究。 蛋白质的结构、分布和功能： 对于预测某些疾病的进程、药物作用及其过程。 对于阐明不同个体之间遗传学上的差异是非常重要的。,疾病的发生与发展、药物的作用大多是在蛋白质水平上进行的。 蛋白质组学研究克服了蛋白质表达和基因之间的非线性关系。 将蛋白质组应用于新药研究，可以通过对疾病与正常细胞中的蛋白质组进行比较，发现可以成为药物筛选的作用靶标的、与一些疾病相关的蛋白质。 而新药及其靶标的发现和药物作用的模式研究是药物蛋白质

6、组学的重要研究内容。,为了尽快发掘到具有可成为疾病标志物或药物作用靶标的蛋白质， 蛋白质组学技术向高通量(大规模)和自动化方向发展。 评价蛋白质组学技术发展的标准： 高灵敏度 高准确度 高重现性,蛋白质组学可以提供一种发现和鉴定在疾病作用下表达异常的蛋白质的方法。 这种蛋白质可以作为药物筛选的作用靶点。 通过对疾病发生的不同阶段蛋白质的变化进行分析，发现一些疾病不同时期的蛋白标志物。 这样不仅对药物发现具有指导意义，还可形成未来诊断学、治疗学的基础理论。 癌症被称为当今人类的一大天敌，因而抗肿瘤药的开发也就成了科学家们研究的重点。,现今大多数抗癌药都伴有严重的毒副作用，特别是对晚期癌症病人进行

7、单一化疗或联合放疗、过热疗法时，经常伴随着癌细胞对细胞抑制剂耐药性的发生。 如果能发现在耐药细胞系中表达异常的蛋白质或者与细胞毒性密切相关的蛋白质，就可以此蛋白为靶点设计用于联合用药的新化学单位(new chemical entities)。 也可以此信息为参考，设计避免产生耐药性或毒副作用的药物。,造成癌症病人死亡率极高的主要原因是肿瘤的转移 现在国内一些实验室已开始利用蛋白质组学技术，通过对高低转移细胞株蛋白质的比较， 来寻找与肿瘤转移相关的蛋白质。 同样也可以高转移株中特异表达的蛋白质为靶点，开发抑制肿瘤转移的新药。,在抗生素方面，由于传染病仍是死亡的主要原因，因而抗感染药是近年来各国新

8、药开发的热点之一。 面对抗生素耐药问题以及不断出现新的微生物的感染性疾病，老的方法显得束手无策。 其根本原因就在于对药物的作用机制缺乏透彻的认识。 。,蛋白质组学技术可以让人们清楚地了解：细菌内哪些蛋白质会在抗生素的作用下发生改变，以及发生何种变化。 根据这些变化，并以蛋白质作为新药设计的靶点，筛选出新一类的抗生素。 同时还可选取一些耐药菌株，考察其耐药机制,第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系 思考题： 1 什么叫基因芯片？ 2 生物芯片技术组成部分有哪些？ 3 什么叫蛋白质芯片？,第二节 药物分子靶标的高通量筛选体系 在药物研发中，疾病靶标有两个含义： 靶基因 靶蛋白 靶基因的概念： 通常

9、，我们首先需要了解影响某一疾病的基因(整个代谢途径上的基因)，其中一个或一系列基因就称为靶基因。 靶蛋白的概念： 靶基因确定之后，就有可能针对与此疾病相关的某一个基因产物蛋白质设计药物，这种蛋白质就确定为靶蛋白。,目前，已有许多新技术新方法可加快这一阶段的研究： 生物信息学(bioinformatics) 体外或体内表达技术(in vivo or in vitro express) 超高通量(ultra high throughput)仪器 微阵列技术(microarrays) 反义技术(anti-sense) 蛋白质组学(proteomics)技术等等 这些技术是药物早期开发成功的关键。,由

10、于许多疾病与信号传导途径异常有关，因而信号分子可以作为治疗药物设计的靶点。 在信号传递过程中涉及成百上千个蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用发生在细胞内信号传递的所有阶段。 这种复杂的蛋白质作用的串联效应可以完全不受基因调节而自发地产生。 通过与正常细胞作比较，掌握与疾病细胞中某个信号途径活性增加或丧失有关的蛋白质的改变，将为药物设计提供更为合理的靶点。,生物芯片(biochip)技术是近几年才发展起来的一种高通量、微型化和自动化检测技术，又称微阵列(microarray)分析技术。 它应用于生命科学的许多领域： 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(见图)。,在药物领域: 对于

11、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方面 都有其他方法无可比拟的优越性。,生物芯片技术至少由5部分组成： 具有特殊表面的芯片本身。 在芯片上点布或原位合成核酸(或蛋白质)探针得到微阵列的设备。 布阵的质量直接影响微阵列分析的结果 目前喷泡(bubble jet)技术和寡核苷酸的无屏蔽原位(maskless in situ)合成技术的建立使微阵列分析技术得到很大提高。,用于与靶DNA杂交的流体系统。 读取芯片的扫描仪。 定量分析和解释结果的完善的软件程序。 另外还需要从生物材料中提取核酸以备分析的工具。 基因芯片(genech

12、ip)及蛋白质芯片(proteinchip)均属于生物芯片，都是近年来发展起来的新的生物技术。现在它们越来越多地应用到生物学、医学、遗传学、药理学和毒理学等多个方面，并开始崭露头角。,一、基因芯片及其应用 基因芯片概念： 基因芯片又称DNA或cDNA微阵列(DNA or cDNA microarray)，是指在面积很小的载体上，点布数以万计不同的寡核苷酸或cDNA， 将芯片与标记有荧光染料的待测DNA或mRNA杂交，,与靶序列配合好的探针会产生强烈的杂交信号 如果有碱基的错配，信号就会减弱。 籍此能判断靶DNA或mRNA中与芯片相应基因的突变或表达等情况。,它的特点是： 一次性检测样本量大 成

13、本相对低 计算机自动分析结果以及快速、准确等。 因此适于靶DNA或mRNA的高通量筛选。,在肿瘤研究和诊治方面，Wang等将5766种cDNA点布在一张基因芯片上，用它检测正常卵巢组织和卵巢肿瘤之间各基因表达的差异。 鉴定了在卵巢癌变过程中起着重要作用的几种基因，这也为肿瘤的诊断和治疗带来了新的方法和途径。 另外还有多种癌症组织被人们用这种方法所研究，这些肿瘤基因表达谱的研究对于肿瘤的分类和提供癌症的新型基因靶标提供了可能。,近年来，随着分子生物学的不断发展，越来越多的单基因遗传病的基因被克隆出来。 利用基因芯片检测容量大的特点，可根据某个遗传病的特定基因，设计一组包含能检测该基因各外显子上所

14、有可能出现突变的DNA序列位点的寡核苷酸探针，制成一张芯片。,利用杂交时会出现碱基错配杂交信号减弱的特性，经计算机分析扫描信号，将该基因上的杂合性突变检测出来， 并分析出该突变位点在突变后有无mRNA表达、表达后翻译的蛋白质功能变化的可能情况。 使得一次检测就可以完成对一系列疾病的基因诊断。,单张芯片上容纳的寡核苷酸探针越多 一次检测能够诊断的基因遗传病种类也越多。 随着基因芯片产量的增加，价格也会逐步下降，使得对基因遗传病的诊断和产前诊断在实际中的应用成为现实。,二、蛋白质芯片 蛋白质芯片又称蛋白质微阵列(protein microarray) 蛋白质芯片是继基因芯片之后，作为基因芯片功能的

15、补充发展起来的。 DNA基因芯片为描绘不同组织的mRNA表达谱提供了可能，并且得到了广泛的应用。 一个基因在转录时也许以多种mRNA形式剪接,而同一种蛋白质可能会以多种形式进行翻译后修饰， 蛋白质组中蛋白质的数量可能超过基因组的数量。 所以更能反映生物体机能的是蛋白质表达谱，而不是mRNA表达谱。 蛋白质芯片的发展使得在同一时相分析整个蛋白质组成为可能。,蛋白质芯片的两种常用的分离手段： （1）保留色谱 （2）预活化芯片表面 用于蛋白质芯片表面的色谱主要有： 反相色谱 离子色谱(阴离子和阳离子)交换色谱 金属亲和色谱等,预活化表面主要是基于蛋白质之间的专一性作用。 如：抗原一抗体结合和受体一配

16、基等。 通过分离，可以将从细胞或体液中分离出的具有某些共同特性的蛋白质富集至蛋白质芯片上用于进一步的分析。,蛋白质芯片的概念： 与基因芯片相似，蛋白质芯片就是在载体上点布高密度不同种类的蛋白质， 然后再用标记了荧光染料的已知抗体或配体等与待测样本中的抗体或配体一起同芯片上的蛋白质竞争结合， 在扫描仪上读出荧光强弱， 利用计算机分析计算出待测样本结果。 在此基础上进一步发展到对各种蛋白质、抗体以及配体的检测，弥补了基因芯片检测的空缺。,从而在SELDI-TOF-MS中获得比普通MALDI-TOF-MS信号更强(灵敏度更高)、更均一、重复性更好的谱图，进行蛋白质的相对分子质量和相对定量分析。 与DNA芯片一样，蛋白质芯片同样蕴涵着丰富的信息量，必须利用专门的计算机软件包进行图像分析、结果定量和解释，才能应用于疾病靶标蛋白质的发现与筛选研究。,目前我国在生物芯片研发及生产技术、应用等方面已经取得了很大的成功。 世界首例用于肿瘤早期检测的多肿瘤标志物蛋白芯片检测系统， 日前已在上海数康生