高通量筛选技术在药物研究方面的应用
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摘要：
目的
对高通量筛选技术常用的仪器设备、检测方法以及高通量筛选技术在药物研究领域的应用进行综述。
方法
对国内外发表的有关文献加以归纳、总结。
结果
高通量药物筛选技术在药物研究中具有重要的研究价值、自身的特点和优势，是一种用于寻找新药的高新技术。
结论
高通量筛选技术在药物研发方面展现出了广泛的应用前景。
关键词：高通量筛选技术；药物研究；应用
当前，由于环境问题、污染问题以及饮食问题引起的“现代病”越来越多，并且越来越复杂，人类对药物的需求不断增加，传统的筛选药物已不能适应社会的需要。因此，快速、高效率、大规模的筛选药物技术已经成为人们研究的重要领域，由此产生了高通量药物筛选技术(HighThroughputScreening，HTS)。
1.高通量筛选技术
随着组合化学的出现，药物筛选者面临着愈来愈多的新靶标或潜在的有效成分，高通量筛选技术就在此背景下应运而生。具体而言，高通量筛选技术(HighThroughputScreening，HTS)是20世纪80年代出现的新的药物筛选方法，它以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式为实验工具载体，以自动化操作系统执行实验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验数据，以计算机对数以千计的样品验数据进行分析处理，并以得到的相应数据库支持整体运转的技术体系[1]。它应用了基因科学、蛋白质科学、分子药理学以及微电子技术等多学科理论和技术，以及与疾病有关的酶和受体作为靶点，对天然和合成化合物进行活性检测并在此基础上进行筛选[2]。该技术的应用极大地提高了对目标分子、活性物质以及药物的筛选速度，具有微量、快速、灵敏和准确等特点。简而言之，就是通过一次实验可以获得大量有价值的药物信息。
2.高通量药物筛选常用的仪器设备
由于高通量筛选技术采用的是细胞、分子水平的筛选模型，其具有样品数量大、样品用量少、体积容量小等特点，因此，仅依靠传统的实验方法和手工操作不可能实现高通量药物筛选，必须借助自动化的仪器设备。现根据仪器设备的功能和用途，可将高通量药物筛选技术设备分为四大类，即样品处理设备、实验操作设备、结果检测设备和相关配套设备[3]。
2.1样品处理自动化设备
高通量筛选是一种利用已有的化合物进行体外随机筛选，筛选时首先需要具备一个高容量的化合物样品库。化合物样品主要有人工合成和从天然产物中分离纯化两个来源。因此，通过高通量药物筛选发现先导化合物(leadingcompounds)的有效性就取决于化合物样品库中化合物的数量和质量。化合物样品的数量是指不同样品的数量，其质量主要由化合物结构的多样性决定。目前，高通量药物筛选的样品处理设备有多种类型，大多是在计算机控制下完成样品的处理过程，主要包括对样品进行自动化标记、识别称量、溶解、稀释、拣选和转移等[4]。
2.2药物筛选自动化实验操作设备
高通量药物筛选技术的自动化操作设备，又称为实验室自动化工作站，一般由计算机控制系统、实验操作系统和检测系统等部分组成[5]。
2.2.1计算机控制系统高通量药物筛选的特点是针对数以万计的化合物样品进行多模型的筛选。因此，计算机控制系统中的多种设备各有其专用的计算机软件，可根据筛选实验的实际操作步骤和要求，编制用于特定的筛选实验控制程序，使自动化操作设备完成筛选操作任务[6]。该系统具有四个方面的功能：
①样品库的管理功能，主要针对高通量药物筛选时化合物样品的各种理化性质进行存储管理；
②生物活性信息的管理功能，具体是贮存每一化合物经过不同模型检测后的结果，并根据多个模型的检测结果对化合物的生物活性进行综合评价；
③高通量药物筛选的服务功能，主要是对与药物筛选相关的档案管理、样品标签打印等进行管理，使高通量药物筛选的各个环节程序化、标准化；
④药物设计与药物发现功能，主要针对高通量药物筛选产生的大量化合物结构信息和生物活性信息进行构效关系分析，从而为药物设计提供可靠的参考依据。
2.2.2实验操作系统
实验操作系统是指执行程序指令的机械部分，可利用计算机操作软件控制整个实验过程。该系统采用微孔板作为反应容器，不同的微孔板以条形码加以标记，通过光电阅读器对特定的微孔板上的特定位置进行操作，并将操作结果及相关数据存贮在计算机内，筛选结果准确、快速。为保证筛选实验的顺利进行，根据需要实验操作系统中可配置样品的加样、温解、离心、分离、清洗、检测等部件[6]。
2.2.3检测系统
快速、高灵敏度的检测技术是高通量药物筛选的关键技术之一。高通量的药物筛选自动化操作设备中，结果检测是通过与自动化工作站连接的检测仪器完成的。因此，无论应用何种检测仪器，都必须实现与自动化工作站的对接，将处理完毕的实验载体转移到检测仪器中进行检测，以获得最终的原始筛选数据[7]。
2.3高通量药物筛选检测仪器
高通量药物筛选检测仪器是用于高通量药物筛选过程中检测样品生物活性的分析仪器。根据药物反应过程中生物活性变化产生的信号特点，高通量药物筛选仪器可分为多种类型，如放射活性检测仪、荧光检测仪、化学发光检测计数器、宽谱带分光光度仪等。
2.3.1放射活性检测仪
用于高通量药物筛选的光学检测仪是在早期的酶标仪基础上发展起来的，其灵敏度和检测效率均高于传统的酶标仪。其表现在仪器体积变小，检测灵敏度提高，可以对96孔板、384孔板或以薄膜为载体的实验结果进行检测，极大的减少了同位素的用量和闪烁液的用量。该仪器主要用于检测放射活性的强度，用于放射性同位素标记物质生物活性指示剂的实验结果检测等[8]。
2.3.2荧光检测仪
近年来荧光技术和化学发光技术在高通量的药物筛选领域应用越来越多，因此测定的仪器也应用而生并且快速发展。其不仅可以检测各种型号的微板，而且可检测各种类型的荧光，如荧光偏振检测法、荧光共振能量转移检测法、均相时间分辨荧光检测等[9]。
2.4相关配套设备
高通量药物筛选通常是针对大量的药品进行筛选，整个过程中涉及的相关配套仪器很多，如条码编制、打印、识别等，以用于样品管理、实验载体管理和筛选结果管理等，具体可根据实验室的条件和筛选的规模等装备配置[10]。
3.高通量药物筛选常用的检测方法
为适应高通量药物筛选技术的要求，将药物与分子、细胞间的相互作用结果灵敏的以各种可视形式反映出来，从而达到评价样品药用价值的目的，常用的检测方法有比色检测法、荧光检测法、放射活性检测法、分光光度检测法、核磁共振检测法等[11]。
3.1比色检测法
比色检测法主要用于检测具有吸光性物质的浓度，根据光线经过检测样品被吸收的.程度，计算吸光物质的含量，具体包括可见光和紫外光的比色分析，在高通量的药物筛选中这类方法被广泛的应用[12]。
3.2荧光检测法
荧光检测法基于多数荧光基团都有短暂的半衰期，即使用较弱的激发光源也能获得大量的光子流。近年来，除了常规的荧光检测又研发出许多新的荧光检测方法，可以在短时间内同时测定荧光的强度和变化，使荧光检测法的用途更加广泛。例如采用连续的激发光谱和测定光谱取代固定光谱，使模型的建立更具备灵活性；利用脉冲激发光源和相关调节技术，可在样品荧光信号采集之前让背景荧光信号消失等，大大地提高了检测的效果[13]。
3.3放射活性检测法
同位素标记放射活性检测技术在药物研究中应用了几十年，放射活性液闪计数的实验方法仍具有广阔的应用前景，特别是用于高通量检测仪器能够灵敏的在96孔板和384孔板上测定微量物质的放射活性。如韩闯等人[14]将放射性检测法应用到研究体内的生理生化反应、各种化合物的结合与分布、信号传导通路等试验中；美国学者GanieSM在高通量药物筛选研究中，采用亲和闪烁(SPA)检测方法，通过亲合结合，将放射性配基结合到具有受体的闪烁球上，从而产生光子，减少了放射配体标记分析中的游离配基与结合配基的分离过程，使得放射配基分析可完全以自动化的方式进行[15]。
3.4分光光度检测法
分光光度检测法与荧光检测法的原理基本一致，即通过测定物质在特定波长或一定的波长范围内的吸光度来对物质进行定性和定量分析[14]。为了适应高通量药物筛选，许多公司生产了具备计算机接口并能对多孔板进行同时检测的分光光度计。如以Molecular Device公司的spectra190为例[15]，采用8条光导纤维同时对8孔进行测定，测定波长以2nm为间隔，对未知物质在190nm～850nm间进行扫描，以确定其特征吸收光谱，大大增加了建立模型的多样性。
3.5核磁共振检测法
核磁共振检测法在化合物结构测定方面发挥了重要的作用，现已成为药物化学研究特别是天然产物化学研究中主要的技术手段之一。它不仅可以提供比其他生物活性检测方法更多的信息，同时在药物作用机理的研究中，发现该方法在研究小分子化合物与生物大分子相互作用时具有明显的优势[16，17]。
4.高通量筛选技术在药物研发方面的应用
4.1高通量筛选技术在微生物制药中的应用
一般微生物代谢产物化合物库的高通量筛选过程为首先构建适宜的高通量筛选模型，再利用微量滴定板对微生物代谢产物库中的化合物进行高通量筛选，通过相应的检测技术筛选目标化合物，以期发现具有不同生理活性的微生物先导化合物和获得具有某一特定性质的菌株。筛选过程中，开发合适的培养基，对微生物进行适宜的微量滴定板的缩小化培养以便微生物菌株生长繁殖，然后利用多种检测技术对目的产物的浓度或菌株的各项生理生化指标进行测定，最终可获得目标菌株[18，19]。
4.2高通量筛选技术在民族药物研究中的应用
民族药是中国少数民族特色医药的简称，具有独特的理论体系、丰富的临床经验，其活性高、疗效确切、毒副作用小，是祖国医学宝库中的瑰宝。但民族药也存在品种繁多、资源海量、作用机制不清的特点，因此，为充分发挥民族药的传统优势，还必须借助高通量、高信息药物筛选技术，使其提高疗效、减少毒性、明确靶点[22]。
刘庆山等人基于多组分多靶点理论和高通量筛选技术的民族药物开发创新思路，采用中压、高压制备液相色谱技术将药材复方水提物进行划段分离，降低研究目标的复杂性，快速制得可供活性筛选用的样品库。然后采用体外筛选的方法，对样品库中的样品进行快速活性筛选，选取活性高、毒性小的各段组分进行组合与剂量配比考察，组成新的组分配伍复方，并选用适宜的整体动物模型将其与原方进行对比，最终获得疗效显著提高、毒副作用降低、靶点明确、质量可控的民族新药[23]。
4.3高通量筛选技术在中药现代化研究中的应用高通量药物筛选技术作为药物研究的新技术，不仅在药物筛选、寻找活性化合物的方面具有极大的优势，而且在中药化学成分、中药有效部位及中药复方的研究方面也发挥着重要的作用。如通过新型药理模型的建立可直接认识有效部位的药理作用，从而进行药物开发；通过对中药有效部位的药理学研究和生物活性筛选可以寻找活性先导化合物；通过药物活性可以来追踪有效化学成分、提高活性化合物的发现率、提升中药现代化的研究水平[21]。
4.4高通量筛选技术在创新药物研究中的应用
高通量药物筛选是体外药物筛选技术的发展与优化，它的基本特点是充分利用药用物质资源、在数量庞大的样品库基础上随机筛选，实现药物筛选的规模化，提高药物发现的几率，提高发现新药的质量，这种方式是发现创新药物的基本要求和新模式。中草药由于其化学成分的复杂性，提取物不宜直接用于高灵敏、微量的高通量活性筛选。但如果把平行和序列组合高通量分离技术应用于中草药样品的分离，使复杂样品按极性快速分离成一些成分组(或单体)，不仅可以克服以上问题，而且节省了样品资源，奠定了“一药多筛”的物质基础，使提取物中的微量成分得到富集，极大地加快了以中草药有效物质为基础的创新药物研究步伐[20]。
5.高通量筛选技术在药物研究方面的展望
高通量筛选技术是目前药物筛选领域研究的重要课题，通过药物化学、分子生物学、细胞生物学、数学、微生物学、计算机科学等多学科理论和技术的有效结合，不仅实现了计算机控制的自动化，降低了药物筛选的工作强度及实验成本，减少了实验操作误差，而且提高了筛选效率和结果的准确性，扩充了药物资源的利用度。因此，随着高通量活性筛选技术研究的不断深入，必将在未来药物研究中发挥越来越重要的作用[24]。
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