高通量篩選技術(shù)在藥物研究方面的應(yīng)用

摘要：目的 對(duì)高通量篩選技術(shù)常用的儀器設(shè)備、檢測方法以及高通量篩選技術(shù)在藥物研究領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述。方法 對(duì)國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)加以歸納、總結(jié)。結(jié)果 高通量藥物篩選技術(shù)在藥物研究中具有重要的研究價(jià)值、自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，是一種用于尋找新藥的高新技術(shù)。結(jié)論 高通量篩選技術(shù)在藥物研發(fā)方面展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高通量篩選技術(shù)；藥物研究；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：R917 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)前，由于環(huán)境問題、污染問題以及飲食問題引起的“現(xiàn)代病”越來越多，并且越來越復(fù)雜，人類對(duì)藥物的需求不斷增加，傳統(tǒng)的篩選藥物已不能適應(yīng)社會(huì)的需要。因此，快速、高效率、大規(guī)模的篩選藥物技術(shù)已經(jīng)成為人們研究的重要領(lǐng)域，由此產(chǎn)生了高通量藥物篩選技術(shù)（High Throughput Screening，HTS）。

1 高通量篩選技術(shù)

隨著組合化學(xué)的出現(xiàn)，藥物篩選者面臨著愈來愈多的新靶標(biāo)或潛在的有效成分，高通量篩選技術(shù)就在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。具體而言，高通量篩選技術(shù)（High Throughput Screening，HTS）是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新的藥物篩選方法，它以分子水平和細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，以微板形式為實(shí)驗(yàn)工具載體，以自動(dòng)化操作系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)以千計(jì)的樣品驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并以得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫支持整體運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)體系[1]。它應(yīng)用了基因科學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、分子藥理學(xué)以及微電子技術(shù)等多學(xué)科理論和技術(shù)，以及與疾病有關(guān)的酶和受體作為靶點(diǎn)，對(duì)天然和合成化合物進(jìn)行活性檢測并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選[2]。該技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了對(duì)目標(biāo)分子、活性物質(zhì)以及藥物的篩選速度，具有微量、快速、靈敏和準(zhǔn)確等特點(diǎn)。簡而言之，就是通過一次實(shí)驗(yàn)可以獲得大量有價(jià)值的藥物信息。

2 高通量藥物篩選常用的儀器設(shè)備

由于高通量篩選技術(shù)采用的是細(xì)胞、分子水平的篩選模型，其具有樣品數(shù)量大、樣品用量少、體積容量小等特點(diǎn)，因此，僅依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和手工操作不可能實(shí)現(xiàn)高通量藥物篩選，必須借助自動(dòng)化的儀器設(shè)備?，F(xiàn)根據(jù)儀器設(shè)備的功能和用途，可將高通量藥物篩選技術(shù)設(shè)備分為四大類，即樣品處理設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備、結(jié)果檢測設(shè)備和相關(guān)配套設(shè)備[3]。

2.1樣品處理自動(dòng)化設(shè)備 高通量篩選是一種利用已有的化合物進(jìn)行體外隨機(jī)篩選，篩選時(shí)首先需要具備一個(gè)高容量的化合物樣品庫?；衔飿悠分饕腥斯ず铣珊蛷奶烊划a(chǎn)物中分離純化兩個(gè)來源。因此，通過高通量藥物篩選發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物（leading compounds）的有效性就取決于化合物樣品庫中化合物的數(shù)量和質(zhì)量。化合物樣品的數(shù)量是指不同樣品的數(shù)量，其質(zhì)量主要由化合物結(jié)構(gòu)的多樣性決定。目前，高通量藥物篩選的樣品處理設(shè)備有多種類型，大多是在計(jì)算機(jī)控制下完成樣品的處理過程，主要包括對(duì)樣品進(jìn)行自動(dòng)化標(biāo)記、識(shí)別稱量、溶解、稀釋、揀選和轉(zhuǎn)移等 [4]。

2.2藥物篩選自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備 高通量藥物篩選技術(shù)的自動(dòng)化操作設(shè)備，又稱為實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化工作站，一般由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等部分組成[5]。

2.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)高通量藥物篩選的特點(diǎn)是針對(duì)數(shù)以萬計(jì)的化合物樣品進(jìn)行多模型的篩選。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的多種設(shè)備各有其專用的計(jì)算機(jī)軟件，可根據(jù)篩選實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作步驟和要求，編制用于特定的篩選實(shí)驗(yàn)控制程序，使自動(dòng)化操作設(shè)備完成篩選操作任務(wù)[6]。該系統(tǒng)具有四個(gè)方面的功能：①樣品庫的管理功能，主要針對(duì)高通量藥物篩選時(shí)化合物樣品的各種理化性質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)管理；②生物活性信息的管理功能，具體是貯存每一化合物經(jīng)過不同模型檢測后的結(jié)果，并根據(jù)多個(gè)模型的檢測結(jié)果對(duì)化合物的生物活性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；③高通量藥物篩選的服務(wù)功能，主要是對(duì)與藥物篩選相關(guān)的檔案管理、樣品標(biāo)簽打印等進(jìn)行管理，使高通量藥物篩選的各個(gè)環(huán)節(jié)程序化、標(biāo)準(zhǔn)化；④藥物設(shè)計(jì)與藥物發(fā)現(xiàn)功能，主要針對(duì)高通量藥物篩選產(chǎn)生的大量化合物結(jié)構(gòu)信息和生物活性信息進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系分析，從而為藥物設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

2.2.2實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)是指執(zhí)行程序指令的機(jī)械部分，可利用計(jì)算機(jī)操作軟件控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。該系統(tǒng)采用微孔板作為反應(yīng)容器，不同的微孔板以條形碼加以標(biāo)記，通過光電閱讀器對(duì)特定的微孔板上的特定位置進(jìn)行操作，并將操作結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)，篩選結(jié)果準(zhǔn)確、快速。為保證篩選實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，根據(jù)需要實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)中可配置樣品的加樣、溫解、離心、分離、清洗、檢測等部件 [6]。

2.2.3檢測系統(tǒng) 快速、高靈敏度的檢測技術(shù)是高通量藥物篩選的關(guān)鍵技術(shù)之一。高通量的藥物篩選自動(dòng)化操作設(shè)備中，結(jié)果檢測是通過與自動(dòng)化工作站連接的檢測儀器完成的。因此，無論應(yīng)用何種檢測儀器，都必須實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化工作站的對(duì)接，將處理完畢的實(shí)驗(yàn)載體轉(zhuǎn)移到檢測儀器中進(jìn)行檢測，以獲得最終的原始篩選數(shù)據(jù)[7]。

2.3高通量藥物篩選檢測儀器 高通量藥物篩選檢測儀器是用于高通量藥物篩選過程中檢測樣品生物活性的分析儀器。根據(jù)藥物反應(yīng)過程中生物活性變化產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，高通量藥物篩選儀器可分為多種類型，如放射活性檢測儀、熒光檢測儀、化學(xué)發(fā)光檢測計(jì)數(shù)器、寬譜帶分光光度儀等。

2.3.1放射活性檢測儀 用于高通量藥物篩選的光學(xué)檢測儀是在早期的酶標(biāo)儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其靈敏度和檢測效率均高于傳統(tǒng)的酶標(biāo)儀。其表現(xiàn)在儀器體積變小，檢測靈敏度提高，可以對(duì)96孔板、384孔板或以薄膜為載體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測，極大的減少了同位素的用量和閃爍液的用量。該儀器主要用于檢測放射活性的強(qiáng)度，用于放射性同位素標(biāo)記物質(zhì)生物活性指示劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測等[8]。

2.3.2 熒光檢測儀 近年來熒光技術(shù)和化學(xué)發(fā)光技術(shù)在高通量的藥物篩選領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，因此測定的儀器也應(yīng)用而生并且快速發(fā)展。其不僅可以檢測各種型號(hào)的微板，而且可檢測各種類型的熒光，如熒光偏振檢測法、熒光共振能量轉(zhuǎn)移檢測法、均相時(shí)間分辨熒光檢測等[9]。

2.4相關(guān)配套設(shè)備 高通量藥物篩選通常是針對(duì)大量的藥品進(jìn)行篩選，整個(gè)過程中涉及的相關(guān)配套儀器很多，如條碼編制、打印、識(shí)別等，以用于樣品管理、實(shí)驗(yàn)載體管理和篩選結(jié)果管理等，具體可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件和篩選的規(guī)模等裝備配置[10]。

3 高通量藥物篩選常用的檢測方法

為適應(yīng)高通量藥物篩選技術(shù)的要求，將藥物與分子、細(xì)胞間的相互作用結(jié)果靈敏的以各種可視形式反映出來，從而達(dá)到評(píng)價(jià)樣品藥用價(jià)值的目的，常用的檢測方法有比色檢測法、熒光檢測法、放射活性檢測法、分光光度檢測法、核磁共振檢測法等[11]。

3.1比色檢測法 比色檢測法主要用于檢測具有吸光性物質(zhì)的濃度，根據(jù)光線經(jīng)過檢測樣品被吸收的程度，計(jì)算吸光物質(zhì)的含量，具體包括可見光和紫外光的比色分析，在高通量的藥物篩選中這類方法被廣泛的應(yīng)用[12]。

3.2熒光檢測法 熒光檢測法基于多數(shù)熒光基團(tuán)都有短暫的半衰期，即使用較弱的激發(fā)光源也能獲得大量的光子流。近年來，除了常規(guī)的熒光檢測又研發(fā)出許多新的熒光檢測方法，可以在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測定熒光的強(qiáng)度和變化，使熒光檢測法的用途更加廣泛。例如采用連續(xù)的激發(fā)光譜和測定光譜取代固定光譜，使模型的建立更具備靈活性；利用脈沖激發(fā)光源和相關(guān)調(diào)節(jié)技術(shù)，可在樣品熒光信號(hào)采集之前讓背景熒光信號(hào)消失等，大大地提高了檢測的效果[13]。

3.3放射活性檢測法 同位素標(biāo)記放射活性檢測技術(shù)在藥物研究中應(yīng)用了幾十年，放射活性液閃計(jì)數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法仍具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是用于高通量檢測儀器能夠靈敏的在96孔板和384孔板上測定微量物質(zhì)的放射活性。如韓闖等人[14]將放射性檢測法應(yīng)用到研究體內(nèi)的生理生化反應(yīng)、各種化合物的結(jié)合與分布、信號(hào)傳導(dǎo)通路等試驗(yàn)中；美國學(xué)者GanieSM在高通量藥物篩選研究中，采用親和閃爍（SPA）檢測方法，通過親合結(jié)合，將放射性配基結(jié)合到具有受體的閃爍球上，從而產(chǎn)生光子，減少了放射配體標(biāo)記分析中的游離配基與結(jié)合配基的分離過程，使得放射配基分析可完全以自動(dòng)化的方式進(jìn)行 [15]。

3.4分光光度檢測法 分光光度檢測法與熒光檢測法的原理基本一致，即通過測定物質(zhì)在特定波長或一定的波長范圍內(nèi)的吸光度來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析[14]。為了適應(yīng)高通量藥物篩選，許多公司生產(chǎn)了具備計(jì)算機(jī)接口并能對(duì)多孔板進(jìn)行同時(shí)檢測的分光光度計(jì)。如以Molecular Device公司的spectra 190為例[15]，采用8條光導(dǎo)纖維同時(shí)對(duì)8孔進(jìn)行測定，測定波長以2nm為間隔，對(duì)未知物質(zhì)在190nm～850nm間進(jìn)行掃描，以確定其特征吸收光譜，大大增加了建立模型的多樣性。

3.5 核磁共振檢測法 核磁共振檢測法在化合物結(jié)構(gòu)測定方面發(fā)揮了重要的作用，現(xiàn)已成為藥物化學(xué)研究特別是天然產(chǎn)物化學(xué)研究中主要的技術(shù)手段之一。它不僅可以提供比其他生物活性檢測方法更多的信息，同時(shí)在藥物作用機(jī)理的研究中，發(fā)現(xiàn)該方法在研究小分子化合物與生物大分子相互作用時(shí)具有明顯的優(yōu)勢[16，17]。

4 高通量篩選技術(shù)在藥物研發(fā)方面的應(yīng)用

4.1 高通量篩選技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用 一般微生物代謝產(chǎn)物化合物庫的高通量篩選過程為首先構(gòu)建適宜的高通量篩選模型，再利用微量滴定板對(duì)微生物代謝產(chǎn)物庫中的化合物進(jìn)行高通量篩選，通過相應(yīng)的檢測技術(shù)篩選目標(biāo)化合物，以期發(fā)現(xiàn)具有不同生理活性的微生物先導(dǎo)化合物和獲得具有某一特定性質(zhì)的菌株。篩選過程中，開發(fā)合適的培養(yǎng)基，對(duì)微生物進(jìn)行適宜的微量滴定板的縮小化培養(yǎng)以便微生物菌株生長繁殖，然后利用多種檢測技術(shù)對(duì)目的產(chǎn)物的濃度或菌株的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)進(jìn)行測定，最終可獲得目標(biāo)菌株[18，19]。

4.2 高通量篩選技術(shù)在民族藥物研究中的應(yīng)用 民族藥是中國少數(shù)民族特色醫(yī)藥的簡稱，具有獨(dú)特的理論體系、豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)，其活性高、療效確切、毒副作用小，是祖國醫(yī)學(xué)寶庫中的瑰寶。但民族藥也存在品種繁多、資源海量、作用機(jī)制不清的特點(diǎn)，因此，為充分發(fā)揮民族藥的傳統(tǒng)優(yōu)勢，還必須借助高通量、高信息藥物篩選技術(shù)，使其提高療效、減少毒性、明確靶點(diǎn)[22]。劉慶山等人基于多組分多靶點(diǎn)理論和高通量篩選技術(shù)的民族藥物開發(fā)創(chuàng)新思路，采用中壓、高壓制備液相色譜技術(shù)將藥材復(fù)方水提物進(jìn)行劃段分離，降低研究目標(biāo)的復(fù)雜性，快速制得可供活性篩選用的樣品庫。然后采用體外篩選的方法，對(duì)樣品庫中的樣品進(jìn)行快速活性篩選，選取活性高、毒性小的各段組分進(jìn)行組合與劑量配比考察，組成新的組分配伍復(fù)方，并選用適宜的整體動(dòng)物模型將其與原方進(jìn)行對(duì)比，最終獲得療效顯著提高、毒副作用降低、靶點(diǎn)明確、質(zhì)量可控的民族新藥[23]。

4.3高通量篩選技術(shù)在中藥現(xiàn)代化研究中的應(yīng)用 高通量藥物篩選技術(shù)作為藥物研究的新技術(shù)，不僅在藥物篩選、尋找活性化合物的方面具有極大的優(yōu)勢，而且在中藥化學(xué)成分、中藥有效部位及中藥復(fù)方的研究方面也發(fā)揮著重要的作用。如通過新型藥理模型的建立可直接認(rèn)識(shí)有效部位的藥理作用，從而進(jìn)行藥物開發(fā)；通過對(duì)中藥有效部位的藥理學(xué)研究和生物活性篩選可以尋找活性先導(dǎo)化合物；通過藥物活性可以來追蹤有效化學(xué)成分、提高活性化合物的發(fā)現(xiàn)率、提升中藥現(xiàn)代化的研究水平[21]。

4.4高通量篩選技術(shù)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用 高通量藥物篩選是體外藥物篩選技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化，它的基本特點(diǎn)是充分利用藥用物質(zhì)資源、在數(shù)量龐大的樣品庫基礎(chǔ)上隨機(jī)篩選，實(shí)現(xiàn)藥物篩選的規(guī)模化，提高藥物發(fā)現(xiàn)的幾率，提高發(fā)現(xiàn)新藥的質(zhì)量，這種方式是發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新藥物的基本要求和新模式。中草藥由于其化學(xué)成分的復(fù)雜性，提取物不宜直接用于高靈敏、微量的高通量活性篩選。但如果把平行和序列組合高通量分離技術(shù)應(yīng)用于中草藥樣品的分離，使復(fù)雜樣品按極性快速分離成一些成分組（或單體），不僅可以克服以上問題，而且節(jié)省了樣品資源，奠定了“一藥多篩”的物質(zhì)基礎(chǔ)，使提取物中的微量成分得到富集，極大地加快了以中草藥有效物質(zhì)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新藥物研究步伐[20]。

5 高通量篩選技術(shù)在藥物研究方面的展望

高通量篩選技術(shù)是目前藥物篩選領(lǐng)域研究的重要課題，通過藥物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、數(shù)學(xué)、微生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科理論和技術(shù)的有效結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化，降低了藥物篩選的工作強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)成本，減少了實(shí)驗(yàn)操作誤差，而且提高了篩選效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，擴(kuò)充了藥物資源的利用度。因此，隨著高通量活性篩選技術(shù)研究的不斷深入，必將在未來藥物研究中發(fā)揮越來越重要的作用[24]。

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