在小分子领域挖呀挖,高通量筛选技术助力“鸟枪换炮”

2024-02-29 18:13:27, Viny 美谷分子仪器(上海)有限公司


目前,全球范围内上市药物中大部分属于小分子药物。小分子化药更是现代药物研发史的开端,经过长时间的沉淀,其在研发成本和工艺成熟度上均有较大优势,是新药研发的主战场。据美国FDA披露的数据显示,2017年至2022年中FDA批准的293个新化学实体中有182个是小分子药物,小分子药物仍然占据至关重要的地位。

FDA在2017-2022年批准的新化学实体类型占比

(来源:FDA网站)

当下药物的发现方法主要有两种——基于靶标的药物发现(TDD)和基于细胞表型的药物发现(PDD)。TDD是对于某一个和疾病机理高度相关的特定靶点进行针对性药物设计的研发方式,而PDD则不依赖于靶标,是从化合物库中利用模型或者实验来筛选,找到能够达到药效的分子进行优化和开发,两者各有优缺点。TDD的优点在于靶点和机理已知,易于设计高通量的筛选试验,局限性在于可用靶标少,竞争大效率较低,将药效简化为单一靶点调控与实际上生命体调控的复杂性相矛盾。激酶抑制剂舒尼替尼和Nexavar就是基于这一策略研发的。

PDD的优势在于筛选出来的药物靶点直接和疾病生物学模型相关,可以发现多种靶标和作用机制,但其作用机制和靶标未知会给后续开发带来挑战,筛选靶点和验证需要进行大量的工作。基于PDD的药物研发案例是daclatasvir,在未知NS5A蛋白三维结构和作用机制的情况下,BMS通过高通量筛选方法筛选了百万数量级的化合物发现一个具有初步活性和选择性Hit,多次运用骨架迁越和药效团替换等优化,最终抗丙肝病毒药物daclatasvir于2015年获得FDA批准上市。

TDD和PDD策略的药物开发流程

(来源:J Biomol Screen. 2013 Dec;18(10):1143-55)

随着分子生物学、结构生物学以及首个小分子靶向抑制剂伊布替尼(格列卫)的诞生,小分子药物的开发进入基于靶点的药物设计时代。现代小分子药物研发主要流程分为新化学实体发现、临床前研究、临床研究申请、临床研究、新药申请、批准上市、IV期临床研究。

其中,新化学实体发现是第一步,其首要目标是靶点发现(包括受体、酶、激素、因子、离子通道和蛋白间的相互作用等),可以通过从有效单体化合物着手发现,定量分析和比较研究在正常和疾病状态下蛋白质表达谱的改变,抑制细胞基因表达比较细胞表型的改变等途径实现。再进行筛选化合物库构建,这个库包含了大量化合物,需要设置适当的筛选条件,借助高通量筛选,可以确定多个有潜力的苗头化合物(Hit),再经过化学结构、药物性质优化、体外和体内评估后可以得到先导化合物(Lead),先导化合物再经过一系列优化,在药代动力学、毒理学、药效学等方面都表现良好,且有望成为一种有效的药物时就可以成为临床前候选化合物(PCC),后续需要经过系统的临床前研究和临床研究。

新药研发并非易事,其中如何找到更为优越的苗头化合物以为后续药物开发奠定基础成为关键一环。不过这一环节并不可控,且具有很大的随机性,需要进行大量的筛选。而在当下新药研发竞争加剧的背景下,利用高效的方法筛选出新药能够有效缩短新药发现过程,提升竞争优势。

前沿技术助阵,药物开发提速

高通量筛选(HTS)技术和高内涵筛选技术(HCS)是目前广泛应用于小分子药物开发中的两种高通量技术。高通量筛选(HTS)是基于分子水平或细胞水平的筛选模型,依靠微孔板作为筛选载体,利用仪器采集数据并结合计算机进行分析处理,支持在短时间内和特定的筛选模型中完成数以万计的化合物样品测试,具有快速、微量、灵敏和经济的特点。

丹纳赫生命科学拥有成熟的高通量筛选技术和流程,已经应用于小分子开发的实践中。以丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特生命科学的自动化工作站为基础整合Echo纳升级声波移液系统和美谷分子仪器的SpectraMax i3x多功能酶标仪、FLIPR高通量实时荧光检测分析系统,可以自动化地完成小分子高通量筛选过程中的细胞铺板、移液、检测等功能。

丹纳赫生命科学高通量筛选方案

美谷分子仪器的FLIPR适用于96/384/1536等多种通量,可实时加样,HS-EMCCD整板成像,可以在毫秒级时间内测定荧光的强度和变化,对细胞内钙离子流、细胞膜电位变化、细胞内pH值变化等进行监测,是一种被高度认可的高通量和高效的检测方法。

美谷分子仪器的FLIPR Penta高通量

实时荧光检测分析系统

另外,高内涵筛选技术是在高通量筛选技术的基础上逐步发展而来,主要依赖高分辨的细胞成像分析技术,可在保持细胞结构和功能完整性的前提下,同时检测被筛样品对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导等各个环节的影响,在单一实验中获取大量相关信息,确定其生物活性和潜在毒性。它可实现化合物多靶点多参数的同步检测,从疾病相关基因调控通路和网络水平上研究药物的作用机制、代谢途径和潜在毒性等,也使在细胞水平全面评价活性化合物的成药性成为可能。

丹纳赫生命科学同时拥有经验证的高内涵筛选技术和流程。其中旗下美谷分子仪器的ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高内涵成像分析系统采用转盘共聚焦盘技术,配置7色激光光源、8色荧光通道和水镜系统,可进行不同类型细胞的多种效应成像分析,并且能够覆盖整体细胞的多种药物靶标。人工智能软件IN Carta结合直观的用户界面,基于机器学习和深度学习简化了图像分析的工作流程,实现了复杂数据集的智能分析。

美谷分子仪器的ImageXpress Confocal HT.ai

智能化共聚焦高内涵成像分析系统

在科学技术的不断革新之下,还有很多前沿方法被用于新药研发的前期高通量筛选,通常都涉及自动化、微型化以及大规模数据分析,这些技术能够助力高效、便捷地筛选出目标靶点和更为优越的苗头化合物等,实现小分子药物开发的降本增效,为未解决的临床需求带来新的希望。

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