药物设计和发现的前沿

药物开发是一个漫长而昂贵的过程。虽然药物开发的时间长短可能因目标类别而异，但消耗是造成财政负担的主要因素。因此，需要各种生物标志物（生物标志物）来确定化合物的疗效和给药。生物标记物提供了体内靶化合物和先导化合物分子网络的全面信息。此类信息有可能通过帮助决定在早期开发阶段应采用何种先导化合物来缩短开发时间并降低成本。这篇综述文章重点介绍了生物标记物发现的策略，为读者提供了一个实用的指南，介绍了用于发现、验证和使用生物标记物以加快药物发现过程的方法。

蛋白质组学技术的最新进展为我们提供了多种蛋白质表达谱分析方法。在这些方法中，蛋白质和抗体微阵列是发现生物标记物的有希望的新方法。尽管目前它们在样品制备、敏感性、特异性等方面存在一些局限性，但蛋白质和抗体微阵列无疑将成为实际临床中的标准辅助方法。有鉴于此，我们建立了一种新型的抗体微阵列系统，其中表面等离子体共振（SPR）技术用于信号检测。一小时内可同时测量多达400个实时抗体靶结合。虽然SPR被认为是蛋白质和抗体微阵列的一种权宜之计，但与其他检测技术相比，我们描述了其优势和劣势。本文重点介绍这两种方法的技术方面，并讨论其临床实用性。我们进一步强调结合DNA微阵列和主要由蛋白质相互作用数据构建的细胞内通路的结果来解释蛋白质和抗体微阵列结果。

目前，宫颈癌及其恶性前体的检测是使用巴氏涂片结合检测人乳头瘤病毒（HPV）的存在来完成的。这种筛查方法在识别宫颈疾病患者方面是成功的，其敏感性非常高，但特异性有限。为了提高宫颈疾病检测和诊断的准确性，已经采用了许多方法将分子诊断纳入检测程序。已采用两种研究方法来识别生物标记物：（1）根据已知的角质形成细胞对HPV感染的反应使用特定的生物标记物；以及（2）使用全基因组表达谱来识别新基因，其表达会因HPV感染和转化过程而改变。这两种方法都确定了适合检测轻度异型增生疾病前体、中度异型增生恶性前体和宫颈癌的生物标记物。一些生物标记物适用于检测显示轻度异型增生的HPV感染细胞，而其他生物标记物对中度异型增生和癌症更具特异性（疾病特异性标记物）。疾病特异性标记物似乎在高级别宫颈疾病中过度表达，并表示感染细胞异常进入细胞周期的S期。这些标记物在分子诊断应用中似乎很有希望检测组织学和宫颈细胞学标本中的恶性细胞。将讨论一种新兴的诊断范式，其中HPV DNA分析代表了短暂感染和未来疾病风险的测量；HPV癌基因转录物分析区分活动感染和短暂感染；异常S相诱导的检测代表了对活动性疾病的测量。

使用质谱（MS）的新型高通量蛋白质组和代谢分析的出现大大有助于药物发现过程。随着检测设备（纳米技术和生物传感器）的小型化，这一过程得到了加速，以进行快速有效的筛选。利用蛋白质组学（蛋白质阵列）可以全面研究疾病的分子基础，药物作用导致药物开发。类似的营养状态代谢分析，通过串联质谱扩大新生儿筛查可以在短短几分钟内快速通过数千个与特定疾病（蛋白质/肽或代谢物）相关的数据点，并得出高度敏感和准确的诊断结果。纳米生物技术为新的基于分析阵列的分析（受体结合、DNA-DNA杂交或两者兼而有之）和微分析分离带来了诱人的可能性，这里将提及每一种方法对药物发现过程的影响。DNA微阵列技术的分子剖析对理解癌症等疾病的分子靶点做出了重大贡献。挑战之一是如何有效利用积累的研究数据来开发新的诊断和/或预后标记物和治疗靶点。基于蛋白质组学的疾病治疗研究涉及高通量蛋白质结构测定（例如蛋白质酪氨酸激酶（PTK）的结构生物学）。这些过程包括传统的基于抗体的阵列以及使用结构生物学确定的靶点，以缩小药物输送的靶点。旨在产生治疗恶性肿瘤的抑制剂的药物发现过程被认为依赖于特定PTK功能的获得。目前的研究包括Src作为药物干预的靶点、白血病/淋巴瘤中的JAK激酶和磷酸蛋白质组学。以上提到的以下领域将成为本章的重点。

蛋白质组学的高通量能力允许同时检测大量蛋白质，并使对细胞、组织、器官或生物流体中的蛋白质进行全局分析成为可能。蛋白质组学的这种优势已被广泛应用于检测各种疾病引起的蛋白质改变。其中一些改变的蛋白质可能对疾病进展和/或并发症特别重要。因此，关于这些改变的蛋白质的信息对于更好地理解医学疾病的发病机制和病理生理学很有价值。此外，对这些蛋白质的功能分析可能会导致识别新的治疗靶点和开发新的药物，以改善治疗结果以及预防严重并发症。本文主要介绍肾和尿蛋白质组学在肾脏疾病治疗中的应用。最近几项关于各种肾脏疾病的研究已经成功地确定了肾脏和尿液蛋白的改变，其中一些可能是新的治疗靶点。尿蛋白质组分析也已应用于生物标志物的发现，这将有助于临床诊断、预后、治疗反应的预测和个性化药物的开发。最后，讨论了蛋白质组学在药物设计和发现中的潜在作用。

蛋白质组学提供了一种工具来定义特定细胞或组织的蛋白质谱，并将蛋白质表达水平和翻译后修饰与疾病状态联系起来，因此开发用于测量蛋白质水平的创新技术已成为过去几年的一大挑战。基于核酸的特定化合物，称为适体，已被证明是疾病相关蛋白的高亲和力配体和潜在拮抗剂。通过反复体外选择过程从组合文库中分离出的适配子能够区分密切相关的靶点，从而代表抗体或其他生物模拟受体的有效替代品，用于开发生物传感器和其他生物分析方法。此外，它们可以通过体内应用的化学修饰很容易稳定，许多例子表明，针对生长因子、受体、激素或凝血因子等细胞外靶点的稳定适配体是相应蛋白质功能的非常有效的抑制剂。通过将基于适配体的生物传感器开发与成熟技术相结合，体外选择抗蛋白适配体，实现了蛋白质组芯片的高通量生产。此外，适配体阵列和生物传感器将揭示检测生物分子相互作用和识别蛋白质靶点的最有效工具，特别是对于酶或抗体等已知受体无法检测到的靶点。在此，我们将回顾基于适配体作为蛋白质检测生物传感器的主要创新方法，这些方法可以替代或结合经典蛋白质组学方法，显示出适用于诊断和治疗目的。

为了通过高通量DNA测序和微阵列技术了解基因组信息的相关性，蛋白质组学受到了越来越多的关注。蛋白质组学可以被视为一种实验方法，从生物过程和途径的结构、功能和控制方面解释基因组序列中包含的信息。因此，它系统地分析了细胞中表达的蛋白质。众所周知，蛋白质的一些修饰，如翻译后修饰和剪接，在DNA水平上是不可见的，但会大大改变相关蛋白质的功能。这些可以在蛋白质水平上进行设想，其中可以分配功能。阐明蛋白质表达、相互作用和功能需要连贯的策略和技术。最成熟的蛋白质鉴定和分离方法是2-D-PAGE。它可以在不了解蛋白质功能的情况下，从各种来源中分离和鉴定蛋白质。这种方法存在局限性，缺乏敏感性，无法有效分离疏水性膜蛋白。然而，该技术仍然是传递蛋白质表达和记录蛋白质结构变化的领先方法。最近，质谱已成为蛋白质纯化后鉴定和表征蛋白质的首选方法。在目前的质谱方法中，蛋白质是从片段中鉴定出来的，因此不能获得翻译后修饰的信息。它的应用仍处于发展阶段，未来它将成为描述蛋白质结构的领先技术之一。蛋白质组学最近以微阵列技术的形式取得了进展。基于微阵列的分析是一种高通量技术，可以在动态范围内进行，还具有执行功能蛋白质组学的附加优势。它易于操作，能够控制温度、pH值和辅因子浓度等关键参数，因此适合自动化。这篇综述将主要关注用于识别和表征不同来源蛋白质的不同质谱方法以及蛋白质阵列技术的发展。

在过去的十年里，代谢组学在进一步理解疾病过程、毒理学过程、基因表达的表型结果和生物标志物发现方面显示出巨大的潜力。然而，代谢组学方法的实施需要开发通用、快速、先进的分析工具，以全面分析生物样品（生物流体和组织）代谢物。1H核磁共振波谱可以说是生物样品剖面分析的最强大工具，与其他分析技术相比具有固有的优势，例如：1）不需要大量样品制备；2） 非破坏性；3） 非平衡扰动；4） 从同一数据集中可以获得小样本（小于1ml）和5）定量和定性信息。虽然传统的“目标分析”方法可能会采用比1H核磁共振波谱更灵敏的分析方法来检测生物材料中的低代谢物水平，但目标分析方法需要考虑关键的生物化学途径和预选感兴趣的代谢物。然后需要主观选择一组生物化学方法，这是一个必要但复杂且耗时的过程，如果选择了不适当或限制范围的生物化学方法或参数，可能会过度考虑重要的代谢紊乱。另一方面，使用1H核磁共振波谱跟踪生化反应并不需要预先选择代谢物，并允许随后进行多组分分析，而不存在实验者预期的偏差，因此，大量出版物证明，生物样品的核磁共振波谱在健康和疾病的内源性生物化学过程中具有非常丰富的信息。

本综述旨在讨论与该领域相关的技术发展、常用的数据处理和数据分析策略以及代谢组学作为工具的使用，以促进我们在代谢水平上了解健康状况。

本报告介绍了以NMR为基础的尿液代谢组学研究的结果，该研究是一项多剂量、双盲、随机、安慰剂对照的平行组探索性研究的一部分，该研究对健康志愿者和2型糖尿病患者进行了环丙沙星的药效学研究。当分别对男性和女性进行分析时，使用监督统计分析可以区分不同的治疗组（健康组和糖尿病组：安慰剂治疗组或药物治疗组）。

用系统生物学方法来理解生物功能的概念，如慢性病的发展和进展以及药物诱导的人类毒性，引起了药学界的广泛兴趣。包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、肽组学、脂质组学和代谢组学在内的技术正在被整合，不仅为了理解整个生物系统，而且为了发现新的生物标记物。分析“组学”分析在这些方法的发展中发挥着重要作用。我们将回顾其中一些分析技术，并特别关注应用于发酵、细菌、植物和动物等不同领域的基于色谱-质谱的代谢组学策略。

光波导光模式光谱（OWLS）有望成为药物设计和发现中的关键测量技术。这篇综述的重点是该技术是什么，为什么它优于现有技术，以及它将如何开发用于药物发现应用。

近年来，基于生物传感器的诊断应用数量迅速增加，包括活的、完整的细胞、组织、器官或整个生物体。整个细胞提供多用途催化剂，特别是在需要多个酶按顺序参与的过程中。然而，由于分析物和环境的变化，这些传感器的灵敏度和可靠性通常受到信号转导机制和非特异性干扰的限制。

与通过分子识别元件的高密度空间排列提供多重检测的DNA和蛋白质微阵列类似，高密度的细胞阵列可以形成具有极高高通量能力的基于细胞的传感器的基础。感兴趣的受体在这些阵列中的表达可以产生具有特定特异性的细胞传感器。此外，由表达特定基因的哺乳动物细胞高密度阵列组成的转染细胞微阵列可能是未来高通量细胞蛋白传感平台的基础。这种细胞阵列可以用于检测体外功能蛋白质组学中的分子相互作用，也可以用于活细胞功能研究中的蛋白质测试。具有GFP产生菌或发光菌有序细胞排列的微阵列可以用作未来生物传感器的组成部分。这方面的最新代表性应用包括（i）抗体特异性和与基因工程人类免疫细胞的蛋白质相互作用的分析，（ii）含有针对不同病原体抗原的表面抗体的细胞，以及（iii）细胞增殖/代谢传感器，用于筛选候选药物和药物动力学分析。

本综述侧重于混合纳米材料研究和生物技术交叉点出现的当前方法。这个跨学科的化学和生物学领域还与有机和无机纳米粒子的物理和化学性质以及DNA、蛋白质和多糖研究相关。

包括红外和拉曼技术在内的光谱方法在提供药物和毒物对细胞和组织影响的快速、无创信息方面具有巨大的前景。光谱学不是一个新领域；然而，这些方法只是最近才被应用于研究细胞和组织的生理和功能。细胞或组织的红外光谱（2500-25000 nm）可以提供生物分子中存在的功能基团的基本振动模式的信息，从而可以量化材料组成，在某些情况下可以与细胞功能联系起来。光谱学允许在分子水平上观察细胞内发生的变化，是一种快速、无损和无试剂的测量方法。

红外和拉曼光谱已被应用于评估哺乳动物细胞的生化成分或区分癌细胞和健康细胞。虽然由于核酸光谱特征的改变，可以在细胞周期的不同阶段进行区分，但不同亚细胞结构之间只有很小的差异。通过蔗糖密度梯度离心分离的分离细胞组分的分析表明，C-H（碳和氢）拉伸区（2800-3000 cm-1）、酯羰基拉伸带（1737 cm-1）和PO2-拉伸区（1089和1242 cm-1）的光谱差异最大。

这份手稿对这些方法进行了批判性审查，包括它们在药物筛选应用中的潜在用途和陷阱。近年来，在设备、实验方法和分析方法方面取得了重大创新。

近年来，溶胶-凝胶封装方法因开发理想的蛋白质掺杂基质作为生物传感器而备受关注。蛋白质被包裹在多孔的二氧化硅基质中，该基质是通过低温溶胶-凝胶反应形成的。被包裹的蛋白质可以长时间保持其结构和生物活性。这种溶胶-凝胶封装方法可以多次重复使用昂贵的蛋白质试剂。此外，包封方法通常可以提高固定化蛋白质的稳定性。基于这些原因，该技术已被应用于各个领域，预计将有助于提高分析系统的有效性，并应用于高通量筛选系统。在这篇综述中，我们介绍了使用溶胶-凝胶反应将生物分子固定在基于毛细管、微芯片和微阵列的分析系统上的各种研究。使用紫外线、荧光、质谱或电化学检测来检测固定化的生物分子和分析物的相互作用。另一方面，许多研究人员正在研究溶胶-凝胶工艺，以利用新的生物相容性硅烷前体和加工方法来提高溶胶-凝胶衍生材料的生物相容性能。还使用各种分析系统研究了二氧化硅基体的微观结构。我们还回顾了一些描述溶胶-凝胶反应基本方面的报告。

综述了环境敏感水凝胶模拟的数学模型在药物释放中的应用。该综述表明，尽管药物输送研究领域的大多数调查都是基于实验的，但已发表了大量关于模型开发的研究。因此，有必要通过综合评估用于模拟水凝胶药物释放机制的数学模型的几个关键发展，对环境敏感水凝胶的数学模型进行系统回顾。本综述将所开发的模型分为基本组和经验/半经验组，并讨论了水凝胶作为药物释放系统在动力学和平衡方面的特性和性能。

纳米生物技术的应用是科学领域和医学领域未来应用的最有希望的工具。特别是具有纳米级定制特性的自组装系统以令人满意的方式满足了纳米组织系统的要求。因此，通过逐层技术制备的所谓纳米胶囊的开发是朝着单个药物传递系统或纳米生物反应器方向的一大进步。药物输送用中空壳的制备需要聚电解质以及无细胞毒性的带电芯。根据这一目的，引入不同形状的碳酸钙晶体作为可拆卸模板，用于因pH值变化而具有可变渗透率的胶囊。由于核心的低毒性潜力，它在人体中的应用可能很有价值。

此外，纳米组织壳适合作为活细胞或人工组织的涂层。有了这个“第二个”细胞壁，就可以将封装材料对准预定的器官，并防止免疫反应。此外，人们可以在仅使用胶囊作为目标载体破坏覆盖层或在剩余外壳内产生蛋白质之间进行选择。此应用的要求是聚电解质，对移植部位的组织和涂层细胞无毒。