陳柯羽，杜 清，張 華，詹啟敏

（1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京100730；2青海民族大學(xué)藥學(xué)院，青海省青藏高原植物資源化學(xué)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810007；3北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部，北京100191）

0 引言

2011年，美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）及美國(guó)科學(xué)委員會(huì)共同發(fā)出“邁向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的倡議，著名基因組學(xué)家Maynard V.Olson博士參與起草的美國(guó)國(guó)家智庫(kù)報(bào)告《走向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)》正式發(fā)表［1］。中國(guó)早在21世紀(jì)初就開始關(guān)注精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，于2006年首先提出了精準(zhǔn)外科的概念。2015年2月，習(xí)近平總書記批示科技部和國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委組建“中國(guó)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)戰(zhàn)略專家組”。2015年12月11日，“中國(guó)個(gè)體化用藥-精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)科學(xué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”在上海正式成立，標(biāo)志著我國(guó)首個(gè)精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研一體化聯(lián)盟正式組建?！熬珳?zhǔn)醫(yī)療”是一種個(gè)體定制的醫(yī)療策略，根據(jù)患者自身的遺傳、生物標(biāo)志物、表型或心理社會(huì)特征，綜合應(yīng)用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，甚至是泛臨床表征來指導(dǎo)醫(yī)療決策的醫(yī)療手段，包括使用新診斷和治療，是實(shí)現(xiàn)真正個(gè)性化醫(yī)療的關(guān)鍵步驟，也是未來醫(yī)療發(fā)展的主要方向。隨著基因組學(xué)、酶學(xué)、藥劑學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，多學(xué)科交叉也為藥物研發(fā)帶來新的變革要求，“精準(zhǔn)藥物”成為藥品研發(fā)的重要方向。從藥物研發(fā)的角度來看，精確藥物是通過靶向定位提高藥物的定位療效，降低藥物不良事件的概率，或者更理想地以優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)來改善給定患者群體中藥物產(chǎn)品的治療指數(shù)。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)正朝著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的方向發(fā)展，其通俗意義上來講是針對(duì)不同個(gè)體的生理狀態(tài)、遺傳差異性、疾病發(fā)病機(jī)制和病理過程的不同進(jìn)行的“量身訂做”的醫(yī)療過程。它建議使用特定患者或亞群體的個(gè)體特征來定制藥物處方，精確命中靶點(diǎn)以提高藥物療效并降低不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，很大程度上可通過藥物研究中所使用的模型系統(tǒng)和分析的生理表征來驗(yàn)證，由此逐步規(guī)范應(yīng)用至臨床研究和患者的疾病治療。當(dāng)前藥物開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)是藥物有效性的個(gè)體差異、藥物作用靶點(diǎn)的復(fù)雜性、患者與健康人臨床結(jié)果對(duì)比的情況，即藥物在機(jī)體內(nèi)發(fā)生作用的分子細(xì)節(jié)、個(gè)體機(jī)體的病理狀態(tài)和發(fā)病過程的個(gè)體差異性。

藥物研發(fā)的最終目的是治療疾病，研發(fā)過程中利用基因組學(xué)對(duì)疾病過程中的具體機(jī)制進(jìn)行深入研究，清晰基因表達(dá)過程的規(guī)律，整合疾病發(fā)展、藥物代謝的數(shù)據(jù)差異和基因組數(shù)據(jù)差異是進(jìn)行精準(zhǔn)醫(yī)療下藥品研發(fā)的重要工具。另外，精準(zhǔn)藥物的研發(fā)區(qū)別于傳統(tǒng)藥物的研發(fā)理念，構(gòu)建新型的藥物測(cè)試和效能衡量模型，利用新技術(shù)進(jìn)行新型載藥體系和遞送系統(tǒng)的改良，是藥物在精準(zhǔn)醫(yī)療背景下創(chuàng)新研發(fā)中的重要內(nèi)容。

1 基因組學(xué)的深入應(yīng)用

2017年2月 21日，麻省理工科技評(píng)論（MIT Technology Review）中國(guó)地區(qū)獨(dú)家合作伙伴深科技（Deep Tech）公布了“《麻省理工科技評(píng)論》2017年全球十大突破性技術(shù)”榜單，基因療法名列其中［1］。自從人類基因組計(jì)劃開始，人們就對(duì)基因組學(xué)如何改變藥物研發(fā)有著特別的熱情。隨著基因組技術(shù)的迅速發(fā)展，我們正在進(jìn)入基因組學(xué)的一個(gè)新階段，基因組學(xué)現(xiàn)在可以全面地表征患者和健康個(gè)體的基因組。重要的是，測(cè)序技術(shù)已經(jīng)與整合基因組數(shù)據(jù)和電子病歷的使用相結(jié)合，最終會(huì)促進(jìn)用于識(shí)別基因組變異與臨床之間關(guān)系數(shù)據(jù)共享的推廣。精準(zhǔn)醫(yī)療的核心在于直接準(zhǔn)確地依據(jù)致病機(jī)理和原因進(jìn)行治療，這就使在精準(zhǔn)醫(yī)療下的“精準(zhǔn)藥物”的研發(fā)與以往的各個(gè)階段都不同。藥物作用的靶向性、作用機(jī)制的精確性是藥物研發(fā)的重要方向。下一代測(cè)序（next generation sequencing，NGS）即組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，增加了計(jì)算能力和大數(shù)據(jù)，將有助于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中“精準(zhǔn)藥物”的發(fā)展。其快速的增長(zhǎng)為具有高度復(fù)雜和異質(zhì)性的基因組成的疾病帶來了希望［2］。

1.1 免疫藥物研發(fā)和使用當(dāng)William Coley使用活菌作為治療癌癥的免疫激動(dòng)劑時(shí)，免疫藥物控制腫瘤生長(zhǎng)的歷史可以追溯到1893年，但是由于基因組學(xué)研究不透徹，具體免疫機(jī)制藥物深度不夠，免疫治療進(jìn)展并不顯著。免疫系統(tǒng)在人體的健康維持中具有重要作用，例如在癌癥的發(fā)病機(jī)制中可以抑制或促進(jìn)癌癥生長(zhǎng)的雙重作用。即癌癥免疫編輯，其包括三個(gè)階段：消除、平衡和逃逸。目前針對(duì)癌癥的免疫治療策略有癌癥疫苗、溶瘤病毒、體外激活T和自然殺傷細(xì)胞的過繼轉(zhuǎn)移，以及給予共刺激細(xì)胞或阻斷所謂的免疫檢查點(diǎn)途徑的抗體或重組蛋白［3］。

免疫療法是基因組學(xué)發(fā)展過程中開辟藥物研發(fā)的重要途徑。傳統(tǒng)藥物在治療疾病過程中主要作用于發(fā)生病變的組織或者細(xì)胞，采用損傷患病細(xì)胞的方式達(dá)到治療疾病的目的。免疫療法的不同點(diǎn)在于通過多種創(chuàng)新的方法，包括刺激免疫細(xì)胞來激發(fā)和增強(qiáng)癌癥細(xì)胞免疫循環(huán)的內(nèi)在能力（BOXFI2），通過腫瘤疫苗和繼發(fā)性T細(xì)胞治療增強(qiáng)宿主反應(yīng)，對(duì)抗免疫抑制，即激發(fā)腫瘤細(xì)胞的免疫反應(yīng)達(dá)到抑制或毀傷腫瘤細(xì)胞的作用［4］。目前在腫瘤治療中應(yīng)用的免疫疫苗是整個(gè)腫瘤發(fā)生過程中積累的突變產(chǎn)物，可以用來改善免疫系統(tǒng)區(qū)分自身與非自身的能力，從而促進(jìn)一種有效的抗癌免疫應(yīng)答的誘導(dǎo)，同時(shí)保留正常的、健康的細(xì)胞［5］。目前正在進(jìn)行各種臨床試驗(yàn)，以評(píng)估用于治療癌癥的個(gè)性化疫苗，包括黑色素瘤、胰腺癌和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（NCT01970358、NCT03122106和NCT02510950）。另外，基因組學(xué)在遺傳疾病的藥物研發(fā)和癲癇病等神經(jīng)性疾病的治療上也有重要的作用［6］。

目前精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)將特定藥物與特定基因聯(lián)系起來，可歸納為“單藥／單基因診斷”。然而，大多數(shù)癌癥在遺傳上是復(fù)雜的，并且信號(hào)傳導(dǎo)失調(diào)，突變不確定，使得單基因／單藥物模型不可持續(xù)。利用基因組學(xué)對(duì)患有難治性晚期／轉(zhuǎn)移性肝細(xì)胞癌患者的腫瘤樣品進(jìn)行靶向 NGS分析，檢測(cè)到導(dǎo)致 PI3K／AKT／mTOR途徑的推定活化的分子畸變，利用基因組學(xué)分析結(jié)果對(duì)患者進(jìn)行了包括mTOR抑制劑在內(nèi)的治療，表現(xiàn)出了良好的治療效果［7］。利用基因組學(xué)進(jìn)行分析和深入挖掘，有利于發(fā)現(xiàn)測(cè)量藥物反應(yīng)的新型生物標(biāo)志物，通過全基因組體細(xì)胞新表位分析和HLA分型，可以為每位患者鑒定候選腫瘤新抗原，新抗原檢測(cè)對(duì)于預(yù)測(cè)免疫療法的反應(yīng)非常重要［8-9］。最近可見免疫治療方式對(duì)患者進(jìn)行成功治療的報(bào)道，如單克隆抗體阻斷細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白（cytotoxic lymphocyte antigen， CTLA-4）和程序化細(xì)胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1， PD-1）信號(hào)通路探明，促進(jìn)了免疫治療方式的發(fā)展。

1.2 小分子藥物的研發(fā)小分子藥物主要來源于新藥研發(fā)中基因編輯技術(shù)和藥物代謝途徑中的蛋白質(zhì)、多肽，甚至是單克隆抗體或經(jīng)修飾的蛋白質(zhì)。

基因組學(xué)研究的深入明顯促進(jìn)了小分子藥物的研發(fā)，這是基于精準(zhǔn)治療的前提。2015～2017年，美國(guó)食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)101個(gè)新型小分子實(shí)體為 NME（new molecule entities）類別（小分子、生物制劑、治療組合和診斷）。同時(shí)利用Drug Bank數(shù)據(jù)庫(kù)（該數(shù)據(jù)庫(kù)匯編了已批準(zhǔn)藥物的信息），依據(jù)其目標(biāo)和作用機(jī)制（mechanisms of action，MOA），將小分子細(xì)分為單靶標(biāo)和多靶標(biāo)藥物，其中生物技術(shù)藥物（蛋白質(zhì)、多肽和單克隆抗體）的研發(fā)量占新型NME的31%，幾乎接近單一目標(biāo)藥物的數(shù)量（34%）。這清楚地反映了最近制藥公司對(duì)小分子藥物的研究明顯增強(qiáng)。

激酶抑制劑的研發(fā)和應(yīng)用具有一定的代表性，使抗腫瘤藥物的耐藥性得到了一定程度的解決［10］。伊馬替尼（諾華；Glevec）是第一個(gè)上市的靶向治療慢性粒細(xì)胞白血病的藥物。靶向其他致癌激酶的藥物包括受體酪氨酸蛋白激酶 EbBFI2（human epidermalgrowth factor receptor 2， HER2）、BRAF 或表皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor， EGFR），在特定的患者群中也表現(xiàn)出臨床反應(yīng)［10］。目前精準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)用中的藥品研發(fā)還包括聚合酶抑制劑的使用，在卵巢癌的治療由BRCA1或BRCA2中的LASSFIFF功能突變引起的同源重組修復(fù)（homologous recombination，HR）的缺陷腫瘤細(xì)胞，使腫瘤細(xì)胞對(duì)PARP抑制敏感，最終導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡［11］。PARP抑制劑用于治療其他包含HRR突變的腫瘤類型的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中（NCT01682272和 NCT01585805），并且PARP抑制劑奧拉帕利已被FDA批準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)移性去勢(shì)耐藥前列腺癌（metastatic castration-resistant prostate cancer）的突破性治療［11-12］。

1.3 生物納米材料的研發(fā)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面功能化、基因／藥物存儲(chǔ)和遞送、細(xì)胞靶向和醫(yī)學(xué)成像方面的新問題給藥用材料領(lǐng)域帶來了許多挑戰(zhàn)。用納米材料構(gòu)建的非病毒載體成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中最有前途和最受歡迎的遞送系統(tǒng)。目前基因或藥物傳遞中的關(guān)鍵問題涉及簡(jiǎn)便易行、可擴(kuò)展的合成、無效的RNA有效載荷、基因／藥物傳遞的生物學(xué)障礙、低細(xì)胞攝取、溶酶體逃逸和全身毒性。各種納米載體已被設(shè)計(jì)和開發(fā)，如陽離子脂質(zhì)、聚合物膠束、聚陽離子聚合物為載體和無機(jī)納米粒子，具有特定大小、形狀、結(jié)構(gòu)和表面功能?？紤]將RNA進(jìn)行包裹，然后通過納米體系送入病態(tài)細(xì)胞中，直接對(duì)患病細(xì)胞進(jìn)行殺傷［13］，根據(jù)非編碼 RNAs的顆粒特性，研制安全、穩(wěn)定、高效的精密藥物輸送系統(tǒng)已成為納米材料研究的主要任務(wù)之一［14］。

2 藥物的靶向性設(shè)計(jì)

藥品研發(fā)的方向是一種藥物多靶標(biāo)組合且各個(gè)靶標(biāo)均具有高度靶向性，未來的藥品研發(fā)方向應(yīng)該是單藥多靶標(biāo)藥物。所謂單藥多靶標(biāo)，指的是一種藥物制劑中具有作用于多個(gè)靶標(biāo)的成分或藥物分子基團(tuán)，每個(gè)靶向藥物具有高度的靶向性，每個(gè)成分或分子基團(tuán)僅針對(duì)疾病過程中的個(gè)別酶、個(gè)別基因或者個(gè)別結(jié)合位點(diǎn)，精準(zhǔn)到細(xì)胞生命過程中的最基本的環(huán)節(jié)或者動(dòng)作，這樣為將來大數(shù)據(jù)時(shí)代下個(gè)性化治療方案的匹配，即精準(zhǔn)醫(yī)療，實(shí)現(xiàn)多靶點(diǎn)、多種藥物的配合治療奠定基礎(chǔ)［15］。藥品靶向性的關(guān)鍵在于靶標(biāo)的明確，在于疾病生物標(biāo)志物的檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)藥品的過程中應(yīng)當(dāng)尤其注意生物信息學(xué)的結(jié)合和應(yīng)用，在生物標(biāo)志物的檢測(cè)中加大研究力度，為臨床試驗(yàn)的開展建立基本的檢測(cè)指標(biāo)［16］。根據(jù)它們的實(shí)用性，生物標(biāo)志物可分為預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物、預(yù)后生物標(biāo)志物、藥效學(xué)（PD）生物標(biāo)志物和替代生物標(biāo)記物，為避免增加藥品開發(fā)的復(fù)雜性，應(yīng)該合理利用生物標(biāo)志物進(jìn)行階段性、分層性的藥品開發(fā)活動(dòng)［17］。

隨著基因組學(xué)中分子亞型的研究取得的進(jìn)步，疾病發(fā)生環(huán)節(jié)進(jìn)一步清晰，藥物作用靶標(biāo)明確性提高，使治療策略和靶抑制的藥物組合由一個(gè)基因、一種藥物途徑轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗷?、多藥模型?8］。Midostaurin是泛激酶抑制劑staurosporine的半合成衍生物，是一種著名的多激酶抑制劑，于2017年4月批準(zhǔn)用于治療那些具有FLT3特異性變異的新診斷的急性髓性白血病成年患者基因，臨床使用中發(fā)現(xiàn)其可以抑制蛋白激酶Cα（PKCα）、VEGFR2、KIT、PDGFR、WT 和／或突變FLT3酪氨酸激酶的活性［19］。另外，多靶點(diǎn)藥物也被應(yīng)用到治療精神分裂癥和抑郁癥。用于治療精神分裂癥的主要策略是利用多巴胺拮抗d2、血清素5-HT 2A和α1腎上腺素受體［20-21］。細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）4和6的雙重抑制劑以吡啶并［2，3-d］嘧啶-7-酮支架作為模板，通過化學(xué)篩選和優(yōu)化結(jié)合成為廣泛的橫截面激酶，包括由于相關(guān)毒性而中斷的泛CDKs抑制劑，發(fā)現(xiàn)C2位的修飾為CDK提供了精確的選擇性抑制劑。其中，palbociclib、abemaciclib和ribociclib在此時(shí)間框架內(nèi)被FDA批準(zhǔn)為乳腺癌治療藥物［22］。

盡管目前單藥多靶標(biāo)的研究工作已經(jīng)逐步展開，但是藥物開發(fā)工作仍然面臨許多困境。第一個(gè)問題是多靶點(diǎn)藥物和治療組合中疾病的靶標(biāo)的正確組合，需要明確的目標(biāo)-疾病關(guān)聯(lián)，同時(shí)需要兼顧代謝途徑-目標(biāo)-藥物-疾病關(guān)系和不良事件分析［23］。此外，選擇應(yīng)基于調(diào)整所選目標(biāo)是否會(huì)導(dǎo)致加性或協(xié)同效應(yīng)［24］。當(dāng)靶標(biāo)屬于相同途徑時(shí)可以獲得累加效應(yīng)，而只有當(dāng)所選靶標(biāo)位于功能互補(bǔ)的途徑上時(shí)才能實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，這意味著在兩種情況下都可以在較低劑量下獲得效果，影響藥物的安全性。第二個(gè)問題，天然產(chǎn)物中藥效物質(zhì)多為偶然發(fā)現(xiàn)的，多靶標(biāo)化合物現(xiàn)在通過合理設(shè)計(jì)，通常由不同的框架結(jié)合成一個(gè)單一的化學(xué)實(shí)體。因此，多靶標(biāo)化合物通常來自選擇性分子的藥效團(tuán)的整合，來源于已知的藥物或候選藥物，具有相似支架（通常是環(huán)系統(tǒng)）的藥效團(tuán)可以根據(jù)起始框架之間的重疊程度融合或合并，或者藥效團(tuán)存在與每個(gè)靶相互作用所需的不同結(jié)構(gòu)元件，它們可以與可切割或不可切割的接頭整合［25］。在所有情況下，多靶化合物的產(chǎn)生通常由靶的性質(zhì)、起始框架的可用性和化學(xué)易處理性驅(qū)動(dòng)。除此之外，多靶標(biāo)化合物的基本要求是每個(gè)框架保留與其特定靶標(biāo)相互作用的能力?？刂破鹗挤肿优c其特定靶標(biāo)相互作用的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，并且當(dāng)這些靶標(biāo)僅略微相關(guān)或不相關(guān)時(shí)（即當(dāng)它們屬于不同的蛋白質(zhì)類型時(shí)）使得多靶標(biāo)藥物的研發(fā)變得最具挑戰(zhàn)性。

3 構(gòu)建新型的藥物測(cè)試和效能衡量模型

藥物研究中使用的模型系統(tǒng)和檢測(cè)方法是否具有生理上的代表性，是否可以準(zhǔn)確表達(dá)出在人體生理環(huán)境中的效能問題直接決定了藥物研發(fā)的臨床有效性和安全性。目前興起的主要技術(shù)包括無標(biāo)記細(xì)胞分析技術(shù)，其主要來源于患者的病理和生理細(xì)胞構(gòu)建模型系統(tǒng)，特異性調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子作為特定生理過程的生物標(biāo)志物，利用熒光和發(fā)光蛋白作為標(biāo)志指標(biāo)，從而制定某一樣本下的精準(zhǔn)治療方案［26］，同時(shí)對(duì)治療方案中的模型體系構(gòu)建和基本數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)積累，從而形成精準(zhǔn)醫(yī)療下的藥品研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，以促進(jìn)藥品研發(fā)。

在新型藥物研發(fā)過程中一旦找到潛在藥物的生物學(xué)靶標(biāo)，并鑒定出先導(dǎo)化合物，就必須對(duì)化合物的藥代動(dòng)力學(xué)（藥物如何處理）和藥效學(xué)（藥物對(duì)身體功能的作用）進(jìn)行分析。在這個(gè)階段，大部分測(cè)試是在二維細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型中完成的，這兩種方法都沒有充分模擬人體生理反應(yīng)。人體組織本質(zhì)上是3D的，并且由于存在多種細(xì)胞類型和細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，這種結(jié)構(gòu)和異質(zhì)環(huán)境不能在96（或更高）孔板中復(fù)制［27］。在藥物研究的初級(jí)階段可以采用組織芯片法進(jìn)行研究，所謂組織芯片法是指通過人為設(shè)計(jì)用于將細(xì)胞定位在模擬身體器官功能的三維結(jié)構(gòu)中的裝置，并且以生理反應(yīng)方式暴露于藥物、激素、細(xì)胞信號(hào)分子和生物力學(xué)、壓力源的環(huán)境。人為設(shè)計(jì)不同種平臺(tái)，或者使細(xì)胞自組織成類器官型結(jié)構(gòu)，或者為細(xì)胞提供支架，以結(jié)構(gòu)定義的方式增殖和生長(zhǎng)。一些具有高度規(guī)范性的設(shè)計(jì)，其中將特定細(xì)胞類型置于明確定義的位置或區(qū)室中（例如腎近端小管或肝竇）以重現(xiàn)器官的功能單元。在3D模型中，人類多能神經(jīng)祖細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞前體在水凝膠上培養(yǎng)，并允許在三周內(nèi)自組裝成“神經(jīng)球”，其顯示具有功能性神經(jīng)膠質(zhì)整合的血管網(wǎng)絡(luò)，然后將構(gòu)建體暴露于70種已知毒性的化合物，并通過RNASeq讀數(shù)測(cè)量全局基因表達(dá)模式變化。生成的大量數(shù)據(jù)集與機(jī)器學(xué)習(xí)算法一起用于構(gòu)建神經(jīng)毒性的預(yù)測(cè)模型，該模型正確預(yù)測(cè)了10種不同化合物中的9種可能的毒性（其余化合物后來被鑒定為假陽性），這種機(jī)器學(xué)習(xí)和中等吞吐量平臺(tái)的組合使用可能對(duì)藥物篩選方法產(chǎn)生變革性影響［28］。

增材制造（additive manufacturing，AM，也稱為3D打?。?，定義為由3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）文件中的數(shù)字信息引導(dǎo)的部件的逐層制造，提供了同步快速原型制作（rapid prototyping，RP）的優(yōu)勢(shì)、生物功能化以及高分辨率的細(xì)胞、生物材料的精確放置。目前在生物組織和生物器官的打印，例如腦、肺等器官的生物骨架，骨血管等生物組織的構(gòu)建中已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，這對(duì)于體外3D藥物篩選模型的構(gòu)建具有重要的推動(dòng)作用［29］，在腫瘤微環(huán)境構(gòu)建對(duì)于抗腫瘤藥物的研發(fā)起到了重要作用［30］。

4 大數(shù)據(jù)與基因組技術(shù)的聯(lián)合使用

雖然目前藥品研發(fā)中的各環(huán)節(jié)技術(shù)得到了進(jìn)步，但是精準(zhǔn)的個(gè)性化藥品研發(fā)進(jìn)展仍然是緩慢的。在藥品研發(fā)的過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)收集和處理關(guān)乎藥品改進(jìn)方法和作用機(jī)制的探明，同時(shí)關(guān)乎藥品從實(shí)驗(yàn)室走向臨床。因此，藥品研發(fā)中藥品從有效天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)修飾或者合成藥物的設(shè)計(jì)、藥理實(shí)驗(yàn)等方面數(shù)據(jù)的積累和應(yīng)用具有重要意義，尤其針對(duì)臨床遺傳學(xué)數(shù)據(jù)的深化處理將極大地促進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展。

藥物研發(fā)過程主要分為天然活性產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)／藥物分子設(shè)計(jì)、藥物活性篩選、藥理活性機(jī)制探明、藥物臨床試驗(yàn)、藥物上市等幾個(gè)主要步驟。

4.1 藥品研發(fā)和活性篩選大數(shù)據(jù)和基因組技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用不僅包括目前已經(jīng)比較成熟的化合物庫(kù)和藥理模型庫(kù)的應(yīng)用，而且在新藥的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、生物活性的篩選和藥物靶標(biāo)的確定等功能上也有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。藥物分子研發(fā)傳統(tǒng)上，化合物選擇和／或設(shè)計(jì)是藥物化學(xué)家的主要研究方向。定向多樣性合成提供了一種用于以受控的方式與不同的官能團(tuán)、立體化學(xué)和框架生成的小分子的集合的途徑［31］。遵循這一概念，Maurya等［32］報(bào)道了碳水化合物衍生的結(jié)構(gòu)單元對(duì)大環(huán)化合物的多樣化。基于大數(shù)據(jù)Eli Lilly公司的研究，已經(jīng)建立了這樣一個(gè)完全自動(dòng)化的機(jī)器人的合成實(shí)驗(yàn)室，可以進(jìn)行遙控，用以完成化合物的自動(dòng)設(shè)計(jì)［33-34］。利用大數(shù)據(jù)和基因組技術(shù)部分取代低效的傳統(tǒng)篩選方法，例如組合QSAR和混合QSAR 方法，使用 Random forest（RF）和 Decision trees（DT）首次模擬藥物-毒性關(guān)系。他們的數(shù)據(jù)包括227 093名潛在候選藥物志愿者和39種潛在候選藥物，結(jié)果模型預(yù)測(cè)了特定載體對(duì)藥物的毒性緩解［35］。在小分子藥物的篩選過程中，大數(shù)據(jù)和基因組技術(shù)的集合提高藥物篩選的效率極為明顯。AbbVie的研究人員開發(fā)了一個(gè)用于小型自動(dòng)平行合成的集成機(jī)器人平臺(tái)。他們的系統(tǒng)能夠進(jìn)行液體處理和蒸發(fā)，用以進(jìn)行在線分析、純化和活性測(cè)試，24～36 h內(nèi)可以得出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這使得項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以在一兩天內(nèi)獲得假設(shè)檢驗(yàn)的結(jié)果［36］。未來基于深度學(xué)習(xí)的背景下可以利用人工智能將模型-預(yù)測(cè)藥物-靶標(biāo)相互作用關(guān)系進(jìn)行模擬，目前已經(jīng)有了藥物設(shè)計(jì)和臨床效果間的預(yù)測(cè)方法。 Segler等［37］介紹了使用RNN（recurrent neural network）設(shè)計(jì)新型聚焦圖書館的生成模型，實(shí)現(xiàn)了滿意的性能，完成了整個(gè)藥物設(shè)計(jì)周期。

4.2 藥理數(shù)據(jù)處理和藥物設(shè)計(jì)優(yōu)化了解疾病的時(shí)間、空間異質(zhì)性以及這些因素在確定試驗(yàn)和個(gè)體治療成功和失敗方面非常重要，其中科學(xué)家、臨床醫(yī)生、社會(huì)和行為調(diào)查員、患者合作產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)網(wǎng)來訪問、聚集、整合和分析龐大患者群體、健康人群和實(shí)驗(yàn)生物的信息，以確定正常和疾病過程的機(jī)制［38］，為藥物研發(fā)的靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有藥物的改良和配合藥物制劑的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用。特別是對(duì)于罕見病的藥物研發(fā)、大數(shù)據(jù)的積累更加重要［39］?；谒幬锖突蚪M開發(fā)的drug CIPHER就是一個(gè)預(yù)測(cè)藥物靶點(diǎn)的計(jì)算工具，利用該模型在全基因組范圍內(nèi)構(gòu)建了726種藥物的生物指紋圖譜，其中，在501例中發(fā)現(xiàn)新的藥物互作關(guān)系。通過多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)的與嗜鉻細(xì)胞瘤和副神經(jīng)節(jié)瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的13個(gè)位點(diǎn)可作為藥物研發(fā)的靶點(diǎn)［40］。在風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療過程中，通過對(duì)10 000例患者的數(shù)據(jù)整理和深入探討發(fā)現(xiàn)了101個(gè)疾病治療相關(guān)靶點(diǎn)，為市場(chǎng)中批準(zhǔn)的27種藥物中的18種確定了藥物治療靶點(diǎn)。在LDL膽固醇水平類疾病的作用過程的發(fā)現(xiàn)和藥品發(fā)展中，遺傳和臨床大數(shù)據(jù)的應(yīng)用都起到了至關(guān)重要的作用［41］。

采用無偏測(cè)序技術(shù)對(duì)亞群體進(jìn)行疾病控制測(cè)序［42］，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、藥物遺傳學(xué)數(shù)據(jù)和臨床表征的交叉對(duì)比，打破空間限制，加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)與臨床機(jī)構(gòu)的聯(lián)合，建立大數(shù)據(jù)對(duì)比庫(kù)。加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)，通過化學(xué)結(jié)構(gòu)相似性檢索、數(shù)據(jù)挖掘、生物活性譜等算法模擬藥物設(shè)計(jì)過程，尋找潛在的藥物靶點(diǎn)。例如改進(jìn)對(duì)已定義問題的病例狀態(tài)的識(shí)別（例如檢測(cè)煙草暴露），糖尿病足檢查的提取元素，或IDE，或改進(jìn)通用工具，如自然語言處理算法，并通過廣譜測(cè)算的方法進(jìn)行藥物篩選和副作用預(yù)測(cè)［43］。隨著醫(yī)療實(shí)踐的發(fā)展和治療匹配成為常規(guī)，每名患者的結(jié)果可以有助于擴(kuò)大臨床數(shù)據(jù)、藥品作用和基因組信息的數(shù)據(jù)池，患者從中可以導(dǎo)出治療方法，藥品研發(fā)也將獲得更加結(jié)合臨床和疾病的珍貴數(shù)據(jù)。在臨床實(shí)用過程中通過藥物遺傳學(xué)進(jìn)一步優(yōu)化原創(chuàng)設(shè)計(jì)藥物，提高藥物質(zhì)量。藥物遺傳學(xué)的重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)改變藥物應(yīng)答的基因變體，通過改變藥物的吸收、分布、代謝或排泄產(chǎn)生有效差異，如早期的藥物基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)為TPMT基因型和活性的表現(xiàn)［44］。結(jié)合基因組學(xué)的研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)新生活環(huán)境下的個(gè)體或個(gè)別疾病的發(fā)生、發(fā)展和變異規(guī)律，探究發(fā)病深層機(jī)制發(fā)現(xiàn)新型藥物作用靶點(diǎn)，優(yōu)化現(xiàn)有藥物的作用方式，改進(jìn)現(xiàn)有治療手段療效，尤其對(duì)于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中“精準(zhǔn)藥物”的發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)作用巨大。

5 前景與展望

精準(zhǔn)醫(yī)療下的精準(zhǔn)藥物的研發(fā)是將來藥物發(fā)展的主要方向，藥品研發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的體系工程，其中涉及眾多環(huán)節(jié)，然而精準(zhǔn)的作用靶點(diǎn)是精準(zhǔn)藥物使用的基礎(chǔ)。精準(zhǔn)藥物的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)在于發(fā)病機(jī)制的探明，發(fā)病位點(diǎn)和生理病理過程的清晰可見，這一切都建立在藥理研究和生物信息學(xué)的基礎(chǔ)上。只有清晰地把握具體生理病理機(jī)制，掌握具體的生理病理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，才可以實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)作用。就目前的研究現(xiàn)狀來看，精準(zhǔn)醫(yī)療背景下藥品研發(fā)需要加強(qiáng)的工作是進(jìn)一步探明藥物具體生物學(xué)機(jī)制，深入研究分子層次的具體作用機(jī)理，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)和臨床機(jī)構(gòu)的聯(lián)合，進(jìn)行多學(xué)科交叉研究，進(jìn)一步探明藥物多作用位點(diǎn)、多靶向藥物的研發(fā)。同時(shí)加強(qiáng)來源生物學(xué)機(jī)制的研究，探明有效作用分子或化合物的來源機(jī)制，進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)體基因通路的影響，小分子藥物的研發(fā)。對(duì)目前已知藥物的協(xié)作作用成分進(jìn)行研究，加強(qiáng)疾病微環(huán)境的機(jī)制探明，橫向比較藥用成分，發(fā)現(xiàn)多成分同靶點(diǎn)、多成分多靶點(diǎn)綜合體藥物的機(jī)制研究，以發(fā)現(xiàn)更多的藥物。加強(qiáng)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和體外人工3D模型的構(gòu)建，加強(qiáng)人工智能在藥品研發(fā)工作中的使用，相信隨著基因組學(xué)的進(jìn)步和大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的結(jié)合，納米靶向投送機(jī)制的進(jìn)一步發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療下的精準(zhǔn)藥物會(huì)給人民帶來巨大福祉。另外，隨著上市創(chuàng)新藥物的成熟，應(yīng)當(dāng)注意成熟藥物的再利用問題，爭(zhēng)取藥物服務(wù)人民的可用性最大化。