高通量药物筛选化合物库在科研中的有有优势
2020-06-11 
MCE小分子
一、化合物库的应用
化合物库 （Compound library） 是按照特殊的研究目的研制而成的大量化合物集合，适用于高通量药物筛选。化合物库可在短时间内、在特定的筛选模型上完成数以千计，甚至万计化合物样品的活性测试，主要有以下几方面的应用。
1. 新药研发
现代药物研发是最复杂的科学领域之一，需要综合多种学科的理论和方法。自19世纪末期，随着生物医学的实验研究以及有机化学的巨大进步，现代药物的研发也逐渐发展起来。药物研发的流程如下图所示，主要包括靶标确认，化合物筛选，临床前研究，临床研究及批准上市等步骤。其中化合物筛选过程即是从大量的化合物库中筛选出可以成为药物的小分子的过程。新药研发的成功率较低，仅为1/10000-1/5000，因此成功的药物研发需要大量化合物的支持。
图1. 药物研发流程示意图
伊马替尼是被FDA批准的第一个肿瘤靶向药物，用于治疗慢性髓系白血病（Chronic myeloid leukemia，CML）。伊马替尼的发现符合典型的药物研发流程。诺华公司利用高通量筛选的方式在大量的化合物库中筛选到了先导化合物，并经过一系列的修饰和优化，最后形成了具有良好理化性质和生物学性质的候选化合物伊马替尼。伊马替尼成功通过各期临床试验后于2001年被FDA批准上市。
图2. 伊马替尼结构及优化过程
2. 老药新用
如上所述，新药从头研发是一个漫长且代价高昂的过程，平均每个新药从最初研发到最后上市需花费20-30亿美金的研发费用，13-15年的时间。随着对药物安全性及有效性的要求不断提高，开发新药的成本还将持续上涨。在这种背景下，“老药新用（Drug Repurposing）”的概念被提出并且越来越受到制药行业的关注。老药新用是指发现现有临床药物的新用途，具有成本低、耗时短、成功率高的优势。事实上，老药新用的研发成本可以降低到原来的十分之一（3亿美金）左右，研发周期也会缩短一倍以上的时间（6.5年）。
将已经通过临床I期安全性确认以及已批准上市药物的化合物集合起来，即是具有较好的安全性、生物活性和生物利用度的高质量化合物库。利用这些化合物去进行新适应症的开发，可以显著加速药物开发进度，降低药物开发的风险。目前已经有多种老药新用的例子，比如阿司匹林，一直是作为解热镇痛消炎作用的治疗药物，在老药新用研究中又发现阿司匹林还可以用于治疗大肠癌。
图3. 新药研发与老药新用对比图
3. 其他应用
除了作为药物研发的主体之外，化合物库在基础研究领域也可以发挥很多作用。化合物分子量小、较易进入细胞发挥作用等天然优势使其成为科学研究的重要工具。而将大量化合物集合起来，采用高通量的筛选技术对化合物库进行系统实验，可大大增加获得阳性实验结果的概率，加速基础生命科学的研究进展。
随着生物医药相关学科的发展，大量疾病相关靶点及活性化合物被发现，高通量筛选技术在基础研究及药物开发领域得到越来越多的应用。而高通量技术的发展也对化合物库的质量、数量和种类等提出了越来越高的要求。高质量的化合物库往往成为了决定药物研发或基础研究成功率的关键。
二、虚拟筛选
虚拟筛选 （Virtual Screening, VS）指针对靶蛋白的三维结构或定量构效关系 （QSAR）模型，从化合物数据库中搜寻与靶蛋白结合或符合QSAR模型的化合物的方法。虚拟筛选可快速从几十至上百万化合物中，遴选出具有潜在成药性的活性化合物，大大降低实验筛选化合物数量，缩短研究周期，降低药物研发的成本。
虚拟筛选作为计算机辅助药物设计中的一项实用化技术，在当代的创新药物研发中发挥着重要的作用。而化合物库作为虚拟筛选的重要工具，一定程度上决定了小分子药物研发的速度和质量。
MCE 拥有丰富的化合物库资源、高性能的计算机服务器、丰富经验的药筛团队，可提供专业的虚拟筛选服务。针对具体需求，可量身定做高性价比的服务方案，为广大科研及医药企业客户提供优质的早期药物研发服务。
图4. 虚拟筛选
三、化合物库使用方法及使用注意事项
化合物库筛选过程主要包括化合物库选择、实验方案设计、实验进行、实验结果检测、实验方案优化等步骤。
进行化合物库筛选，要根据自己的实验目的选择合适的化合物库，设计适合的实验方案，并设计好化合物作用结果的检测指标及检测方法。化合物库筛选的实验方案设计至少需要包括以下几个要素：①重复孔设置；②浓度/时间梯度设置；③对照组设置等。其中对照组设置又包括阳性对照（已有文献报道可以达到实验目的的化合物）、溶剂设置（根据化合物库中化合物的溶剂情况，设置不同的对照，理论上每种溶剂均需要设置对照）、空白对照等。按照设计好的实验方案进行实验，第一轮筛选得到初步的阳性结果之后，还可以根据具体的研究目标对实验方案或筛选到的化合物进行优化。
图5. 化合物筛选实验设计示意图
化合物库实现了药物筛选的规模化，较大限度地利用了药用物质资源，提高了药物发现的概率，同时提高了发现新药的质量；筛选实验是在微量筛选系统中完成的，样品用量一般在微克级（μg），节省了样品资源，奠定了“一药多筛”的物质基础，同时节省了实验材料，降低了单药筛选成本；高通量药物筛选为高度自动化操作减少了操作误差的发生，降低了劳动强度，而且提高了药物筛选的效率和结果的准确性；具有多学科理论和技术结合的特点。
四、MCE化合物库优势
1. 基于化合物库筛选的研究成果高效持续
基于化合物库筛选的研究课题，通常可以借助高通量的筛选平台，可大大提高课题进展的速度。而且，由于采用了化合物库筛选的研究课题通常是更加具有系统性的工作，因此得到的研究成果的质量也相对较高。据统计，近三年来采用MCE化合物库发表的文章平均影响因子约为7.64。此外，基于筛选化合物库筛选进行的研究课题更加具有持续性，可支持多篇学术论文的发表。
2. 化合物库种类齐全，化合物库中产品种类多样
作为全球领先的科研化学品和生物活性化合物供应商，MCE可提供60+ 种活性化合物库，总计10000+具有生物活性的小分子化合物，可用于高通量筛选 （HTS）和高内涵筛选 （HCS），是进行新药筛选和新适应症发现等研究的专业工具。
MCE提供的化合物库基本涵盖了热门的研究领域（肿瘤、干细胞、神经、表观遗传等）、信号通路（TGFβ、mTOR、NF-κB等）及蛋白靶点（激酶、GCPRs，离子通道等）。此外，为了满足所有科研工作者的个性化需求，MCE还可以化合物库定制服务，定制范围包括化合物种类、化合物规格、化合物库包装形式等。
图6. MCE 化合物库分类
3. 先进的化合物库管理系统
为了解决大量活性分子的综合管理问题，MCE建立了高效的管理平台。该平台紧跟国际新药创制的前沿方向，按照国际生物医药产业的发展战略，采用新型的管理模式，通过建立大规模化合物样品库发展、管理、维护和使用规范，服务于国际创新药物的研究和开发。
该平台保证MCE在研发过程的化合物库中活性分子数目的持续更新，生产和存储过程化合物的质量控制，对数目庞大的活性分子进行有效分类以及对活性分子相关信息（药效药理数据等）的集成与管理。
4. 400万+化合物
小分子药物虚拟筛选中，化合物库“越大越好”；但也需考虑化合物合成问题，这样才能避免“筛到买不到”的窘境。MCE与Enamine、LifeChemicals、Chemspace强强联合，可提供400万+有库存、结构多样、具有类药性的化合物及38种化合物库。化合物库包括蛋白-蛋白相互作用库、靶向RNA的小分子库、结构新颖且多样性丰富的多样性库、共价化合物库、靶点库 （如GPCR、激酶、离子通道等）等等。
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1. 生物活性化合物库
生物活性化合物是一类能够在机体内引起一定生物学效应的物质的总称，是小分子药物的主要来源。这类化合物一般比较容易透过细胞膜，作用于细胞内特定的靶蛋白，调控细胞内信号通路，进而引起细胞表型的一些变化。MCE收录了8700多种具有明确报道的、活性已知、靶点明确的小分子化合物，包括天然产物，新型化合物，已上市化合物及处于临床期化合物等，可以用于信号通路研究，新药研发，老药新用等不同的筛选目的。
临床药物库：
新药研发是一个耗时且成本高昂的研发过程。与新药研发相比，药物再定位 （也称为老药新用） 具有很多优势。首先，降低了药物研发失败风险；其次，可以缩短研发周期；最后，降低研发成本。批准上市药物及通过临床I期的化合物由于具有良好的生物活性、药代动力学特性和安全性，特别适合老药新用的研究，可以显著加快药物开发进程。具有潜在的生物活性，可以作为药物发现的先导化合物，用于商业开发。随着化合物靶点的开发，对筛选化合物多样性的需求越来越大。
3. 天然产物化合物库
天然产物是自然界中产生的，来自于任何生物体的小分子化合物，也包括初级代谢物及次级代谢物。天然产物生物多样性的持续研究，其中许多生物多样性仍有待开发，天然产物将在满足这一需求方面发挥关键作用。
中草药是中药的重要组成部分，在中国，中药被认为是许多急慢性疾病的基本治疗方法，已经有上千年的使用历史。许多研究表明，中药通过多成分、多靶点网络对机体发挥整体调控作用。中药单体是中草药中的活性成分，具有多种药用特性，如抗氧化，抗癌，抗菌等作用，是新药开发的重要来源。
