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高通量篩選技術(shù)在藥物研究方面的應(yīng)用

時(shí)間:2023-01-01 19:10:47 生物科學(xué)畢業(yè)論文 我要投稿
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高通量篩選技術(shù)在藥物研究方面的應(yīng)用

  在平平淡淡的日常中,大家都跟論文打過(guò)交道吧,借助論文可以達(dá)到探討問(wèn)題進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的目的。那么,怎么去寫(xiě)論文呢?下面是小編為大家收集的高通量篩選技術(shù)在藥物研究方面的應(yīng)用論文,希望對(duì)大家有所幫助。

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(cè)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(guó)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?jī)r(jià)值、自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),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

  當(dāng)前,由于環(huán)境問(wèn)題、污染問(wèn)題以及飲食問(wèn)題引起的“現(xiàn)代病”越來(lái)越多,并且越來(lái)越復(fù)雜,人類(lèi)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)(HighThroughputScreening,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(lái)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)(HighThroughputScreening,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(guò)程,以靈敏快速的檢測(cè)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(kù)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(cè)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(jiǎn)而言之,就是通過(guò)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(lèi),即樣品處理設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備、結(jié)果檢測(cè)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(kù);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(lái)源。因此,通過(guò)高通量藥物篩選發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物(leadingcompounds)的有效性就取決于化合物樣品庫(kù)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(lèi)型,大多是在計(jì)算機(jī)控制下完成樣品的處理過(guò)程,主要包括對(duì)樣品進(jìn)行自動(dòng)化標(biāo)記、識(shí)別稱(chēng)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(chēng)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(cè)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(wàn)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(zhuān)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:

 、贅悠穾(kù)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;

 、谏锘钚孕畔⒌墓芾砉δ,具體是貯存每一化合物經(jīng)過(guò)不同模型檢測(cè)后的結(jié)果,并根據(jù)多個(gè)模型的檢測(cè)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;

 、芩幬镌O(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(guò)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(guò)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(cè)等部件[6]。

  2.2.3檢測(cè)系統(tǒng)

  快速、高靈敏度的檢測(cè)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(cè)是通過(guò)與自動(dòng)化工作站連接的檢測(cè)儀器完成的。因此,無(wú)論應(yīng)用何種檢測(cè)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(cè)儀器中進(jìn)行檢測(cè),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(cè)儀器

  高通量藥物篩選檢測(cè)儀器是用于高通量藥物篩選過(guò)程中檢測(cè)樣品生物活性的分析儀器。根據(jù)藥物反應(yīng)過(guò)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(lèi)型,如放射活性檢測(cè)儀、熒光檢測(cè)儀、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)計(jì)數(shù)器、寬譜帶分光光度儀等。

  2.3.1放射活性檢測(cè)儀

  用于高通量藥物篩選的光學(xué)檢測(cè)儀是在早期的酶標(biāo)儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其靈敏度和檢測(cè)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(cè)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(cè),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(cè)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(cè)等[8]。

  2.3.2熒光檢測(cè)儀

  近年來(lái)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(lái)越多,因此測(cè)定的儀器也應(yīng)用而生并且快速發(fā)展。其不僅可以檢測(cè)各種型號(hào)的微板,而且可檢測(cè)各種類(lèi)型的熒光,如熒光偏振檢測(cè)法、熒光共振能量轉(zhuǎn)移檢測(cè)法、均相時(shí)間分辨熒光檢測(cè)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(guò)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(cè)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(lái),從而達(dá)到評(píng)價(jià)樣品藥用價(jià)值的目的,常用的檢測(cè)方法有比色檢測(cè)法、熒光檢測(cè)法、放射活性檢測(cè)法、分光光度檢測(cè)法、核磁共振檢測(cè)法等[11]。

  3.1比色檢測(cè)法

  比色檢測(cè)法主要用于檢測(cè)具有吸光性物質(zhì)的濃度,根據(jù)光線經(jīng)過(guò)檢測(cè)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(jiàn)光和紫外光的比色分析,在高通量的藥物篩選中這類(lèi)方法被廣泛的應(yīng)用[12]。

  3.2熒光檢測(cè)法

  熒光檢測(cè)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(lái),除了常規(guī)的熒光檢測(cè)又研發(fā)出許多新的熒光檢測(cè)方法,可以在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定熒光的強(qiáng)度和變化,使熒光檢測(cè)法的用途更加廣泛。例如采用連續(xù)的激發(fā)光譜和測(cè)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(cè)的效果[13]。

  3.3放射活性檢測(cè)法

  同位素標(biāo)記放射活性檢測(cè)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(cè)儀器能夠靈敏的在96孔板和384孔板上測(cè)定微量物質(zhì)的放射活性。如韓闖等人[14]將放射性檢測(cè)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(guó)學(xué)者GanieSM在高通量藥物篩選研究中,采用親和閃爍(SPA)檢測(cè)方法,通過(guò)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(guò)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(cè)法

  分光光度檢測(cè)法與熒光檢測(cè)法的原理基本一致,即通過(guò)測(cè)定物質(zhì)在特定波長(zhǎng)或一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸光度來(lái)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(cè)的分光光度計(jì)。如以Molecular Device公司的spectra190為例[15],采用8條光導(dǎo)纖維同時(shí)對(duì)8孔進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定波長(zhǎng)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(cè)法

  核磁共振檢測(cè)法在化合物結(jié)構(gòu)測(cè)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(cè)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(shì)[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(kù)的高通量篩選過(guò)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(kù)中的化合物進(jìn)行高通量篩選,通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)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(guò)程中,開(kāi)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(zhǎng)繁殖,然后利用多種檢測(cè)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(cè)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(guó)少數(shù)民族特色醫(yī)藥的簡(jiǎn)稱(chēng),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(guó)醫(yī)學(xué)寶庫(kù)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(shì),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(kāi)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(kù)。然后采用體外篩選的方法,對(duì)樣品庫(kù)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(shì),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(guò)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(kāi)發(fā);通過(guò)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(guò)藥物活性可以來(lái)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(kù)基礎(chǔ)上隨機(jī)篩選,實(shí)現(xiàn)藥物篩選的規(guī);,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(wèn)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(guò)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(lái)藥物研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[24]。

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