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军事医学科学院毒物药物研究所2011年06月09日新药发现毒理学研究策略与早期毒性筛选新技术新方法介绍我国重大新药创制专项全面实施GCP临床前研究新药发现研究临床研究产业化上市500候选药物200临床前研究药物8个新药安全评价中心（GLP）100临床研究药物26个新药临床研究中心（GCP）10个综合性创新药物研究开发技术平台39个企业为主体的药物技术创新平台99个关键技术研究21个创新药物孵化基地现代生物医学技术的发展动态2.纳米技术3.干细胞技术4.现代组学分析技术5.现代仪器分析技术6.生物信息学技术1.转化医学InformationCommunicationBiomedicalEnvironment324516跨領域、多学科综合研究技术是未來研究的重要方向新靶标发现新先导化合物发现药物开发新靶标新候选物新药新基因/新功能靶标发现靶标确证先导化合物发现先导化合物优化临床前研究临床研究功能基因研究市场当代的新药研究模式创新药物研究模式转变药物发现及研发的全过程LO=先导化合物优化CE=候选药物评价CS=候选药物选择FHD=首次用于人PD=产品决策Submission=申报Submission从药物发现到投放市场,都要对药物进行毒理研究6-15年发现阶段非临床阶段临床阶段I期II期III期投放市场Ⅳ期CSFHDPDLOCE靶标确认创新药物研发基本程序化学合成发现先导化合物作用靶点作用靶点验证作用靶点确定蛋白质组学基因质组学化合物库先导化合物是否值得开发？毒性筛选药代筛选理化测试制剂考察N先导化合物优化Y安全性评价药效评价毒代研究制剂研究质控研究预测和评估新药在人体上试验是否安全？Y临床人体试验新药是否有效安全？SFDA审查新药发现新药研发临床前研究临床研究YNN药新天然产物生物技术高通量优化筛选STOP药效筛选NN新药候选化合物的淘汰率第1阶段第2阶段第3阶段第4阶段发现药物临床前临床试验提交注册申请1期20－100名志愿者3期1000–5000名志愿者10，000250种化合物5种化合物1个获得批准的药物种化合物2期100–500名志愿者6.5年7年1.5年3－6亿美元5千万－1亿美元4.5－10亿美元35万美元新药的必要元素：安全，有效新药研发中的毒理学问题临床前阶段:毒性问题是新药开发失败的主要原因，约占全部开发失败的40％；临床阶段:临床药效则成为开发失败的重要原因，约占Ⅲ期临床试验失败的75％在一般动物毒性试验中只占３５％左右；在Ⅰ期人体耐受试验中只有２０％；在Ⅱ、Ⅲ期临床试验的出现率是３５％；在Ⅳ期临床试验时出现７０％；到市场销售时全部副作用才陆续出现。药物研发过程中面临的问题药物发现阶段:上万种化合物，只有几种或十几种化合物通过实验室测试作为候选化合物，成功率低临床前研究阶段:试验过程的质量控制；临床前阶段从动物试验获得安全性信息的数量与质量有限临床、药物上市研究阶段:临床研究病例少，低概率的毒副作用动物与人的种属差异临床前为正常动物模型与临床多种疾病病人临床中用药的相互作用问题20世纪重大药害事件甘汞：汞中毒，死亡585人醋酸铊：铊中毒，死亡1万人氨基比林：粒细胞缺乏症，死亡2082人磺胺酏：肝肾损害，死亡107人非那西丁：肾损害、溶血，死亡500人碘二乙基锡：神经毒性、脑炎、失明，死亡110人反应停：海豹样畸形儿10000多，死亡5000人异丙肾气雾剂：严重心律失常、心衰，死亡3500人氯碘喹啉：骨髓变性、失明、受害7856人，死亡5%心得宁：眼-皮肤-粘膜综合征，受害2257人21世纪(07年)10大药物不良反应事件头孢曲松钠的安全使用问题（与钙使用，婴儿死亡）静脉输注人免疫球蛋白引起丙肝抗体阳性率增加甲磺酸培高利特撤市（心脏瓣膜病）马来酸替加色罗撤市(心肌梗死、脑卒中）含钆造影剂的安全问题（肾源性纤维化病）罗格列酮的安全性受质疑（心梗和心源性死亡）注射用甲氨蝶呤、阿糖胞苷中混入长春新碱（N受损）感冒药禁用于2岁或以下儿童（死亡）哺乳妇女服用可待因可能导致婴儿发生严重不良反应硫酸普罗宁与胸腺肽注射剂可引起严重不良反应我国药品风险大事记2006-05齐二药事件——亮菌甲素注射剂2006-06鱼腥草事件——鱼腥草有关的注射剂2008-06博雅事件——免疫球蛋白注射剂2006-07欣弗事件——克林霉素磷酸酯注射剂2007-03佰易事件——血液制品（白蛋白）注射剂2007-07华联事件——甲氨蝶呤注射剂（阿糖胞苷）2008-10完达山事件——刺五加注射液沙利度胺事件震惊世界抗生素类药物性致耳聋“千手观音”21位演员中18人因药致聋21世纪毒性试验发展愿景毒性通路针对性测试毒性试验化学品鉴定剂量反应建模与外推建模毒性通路21世纪毒性实验分类针对性测试评价毒性通路的紊乱，而非顶端终点；强调采用细胞或细胞系，尤其是人源细胞的高通量试验方法；采用中通量实验法评价细胞的整体反应开展相关的实验，以评价代谢物、评估靶组织或者在基因组水平上进一步了解受影响的细胞过程；限制体内研究的种类和期限，重点关注暴露时间不超出14天的研究；依据最新的化学品分类法，对代表性的受试物作更为详尽的测试新范式:激活毒性通路生物学输入信息正常的生物学功能发病率和死亡率细胞损伤适应性应激反应早期的细胞学改变暴露量组织剂量生物学相互作用紊乱LowDoseHigherDose依次升高毒性通路:是指当其达到足够紊乱后，预期可能导致不良健康效应的细胞反应通路。现行范式：暴露量-反应关系连续统暴露量组织剂量生物学有效剂量早期反应后期反应病理学药代动力学生理模型作用模式组织剂量测定法药代动力学药效学毒理学内源性激素(Endogenoushormones)DNA损伤(DNAdamage)抗氧化剂反应（AntioxidantResponsePathway）PXR、CAR、PPAR和AhR受体(PXR,CAR,PPARandAhRreceptors)低渗(Hypo-osmolarity)Nrf2氧化应激(Nrf2oxidativestress)热休克蛋白(Heat-shockproteins)P38MAPK(P38MAPK)已知的主要的毒性通路抗氧化剂反应通路活化状态的核因子相关因子2(Nuclearfactor-E2relatedfactor2,Nrf2)通过与核内的抗氧化反应元件(antioxidantresponseelement,ARE)相结合,启动下游一系列分子的表达,如Ⅱ相解毒酶、抗氧化酶等；正常情况下,Nrf2与细胞质蛋白Keap1结合；氧化应激激发后，释放Nrf2，再转位至胞核内，以指导抗氧化应激基因的表达。选项I体内选项II分级/体内选项III体外/体内选项IV体外动物生物学动物生物学主要为人类生物学主要为人类生物学高剂量高剂量剂量范围宽剂量范围宽低通量通量有所提高高、中通量高通量昂贵不太贵不太贵不太贵耗时省时省时省时动物数量较多少量动物动物数明显减少几乎不用动物顶端终点顶端终点毒性通路紊乱毒性通路紊乱某些体外和硅上筛选方法可能开展硅上筛选硅上筛选未来毒理学实验策略的选项由低通量测试高通量测试发展采用体外实验建立了急性毒性、致畸性的胚胎毒性、遗传毒性等高通量筛选系统；采用生物芯片技术建立了高通量的毒性评价和研究芯片。如英国研制的Toxiblot芯片中专门设计了机制性毒理学、安全性评价等专用芯片。一些研究致力于发展主要器官毒性评价基因芯片和检测肝脏毒性、肾脏毒性、心脏毒性、致癌性的蛋白质组技术平台。实验动物由单一性模型特征性模型致癌试验评价模型rasH2转基因小鼠模型TgAC转基因小鼠模型p53+/-基因敲除小鼠模型XPA+/-基因敲除小鼠模型XPA+/-/p53+/-基因敲除小鼠模型新生小鼠试验(CD-1或·B6C3F1小鼠)遵循“4R”原则，更多地采用替代动物和替代试验替代(replacement)减少(reduction)优化(refinement)责任心(responsibility)替代法(alterativemethods)invitroandcomputertechnologiesusenonmammalianorganismstransgeniccellandanimals基因组转录谱蛋白质组表达谱代谢组谱由高剂量测试低剂量测试分子病理学组织芯片细胞芯片分子标志物替代或部分替代以死亡、组织病理学为主的传统毒性指标体系;阐明和评价更接近实际条件下暴露剂量对人体的毒性效应，解决从高剂量向低剂量外推时的误差。单一用途逐步向多用途、多领域发展药物发现阶段的毒理学研究发现阶段非临床阶段临床阶段I期II期III期投放市场Ⅳ期LOCE靶标确认1.基于阶段的策略2.基于机制的策略1.计算机虚拟筛选2.基本毒性筛选2.高通量筛选3.高内涵筛选4.毒理组学技术预测5.生物标志物筛选……策略与方法新药发现阶段毒性研究—基于阶段的策略靶标确认阶段的毒性筛选按基因功能推测药物靶标：5000－10000个；与人疾病关联，易成药靶标：3000－5000个。策略：重点关注毒性来源一定数量的“dirty”靶标，抑制其功能可能引起毒性药物靶标基因敲除小鼠的行为、体征及其它异常推测可能出现的毒性问题尽可能达到“clean敲除”，药物的其他毒性表现即为离靶效应（off-targeteffects）。新药发现阶段的毒性筛选策略：采用临床前先导化合物毒性优化筛选系统(PreclinicalLeadOptimizationTechnologies,PLOTs)能同时进行系列化合物的毒性比较具有快速短期、动态、灵活、样品消耗量小、成本低等特点毒性筛选的结果通过定量结构活性分析可指导系列化合物的结构改造新药发现阶段毒性研究—基于阶段的策略主要药理学所引起的毒性是指药物直接作用靶标所导致的扩大药理效应。策略：可先评估此种毒性的种属特性及与人的相关性，在通过结构改造和优化选出具有最佳药代特征的化合物，以尽可能地降低与给药剂量密切相关的毒性。新药发现阶段毒性研究－基于机制的策略基于主要药理学所引起的毒性药物的次要药理效应，即对主要药效靶标之外的其它靶标所介导的效应可导致的毒性策略：可通过结构活性关系建模确定某类化合物对主要及次要药理靶标的药效，以便找出保留主要药理活性、但无次要药理活性，从而发现无毒性的化合物。基于次要药理学所引发毒性研究新药发现阶段毒性研究－基于机制的策略化学介导性毒性的发生与某一个（类）特定化学物的理化性质密切相关，但与药物作用的靶标无关，如氧化应激反应、磷脂病或溶血等策略：可采用体外筛选模型确定毒性与化合物的理化性质、结构、代谢物及药效之间的关系，并在此基础上进行结构的优化与筛选.关注化学介导的毒性常与特殊的化学基团和代谢活化过程有关。基于化学介导性的毒性研究新药发现阶段毒性研究－基于机制的策略高通量毒性筛选技术10’s/年100’s/年10,000’s/年100,000’s/天高通量分子机制1-3/年计算毒理学虚拟筛选技术根据化合物的毒性和结构特征，建立定量结构活性关系（QSAR）计算机模型来对化学物的各种毒性终点进行预测和筛选基于知识的专家系统（Knowledge-basedsystem)软件：DEREK(急性毒性、致癌、致畸、致突变、刺激性、皮肤敏感性、神经毒性)基于知识的专家系统（Knowledge-basedsystem）软件：HarzardExpert（化合物名称、给药途径、剂量和用药时程，程序给出结果）CYP抑制：CeriusADME；hERG：同源性模型；遗传毒性和致癌性：TOPKAT，CASE，EREK等；安全性药理：BioPrint药物早期虚拟筛选程序用计算机筛选的方法称为虚拟筛选，或称insilico筛选，成为insilico-invitro-invivo模式。用一系列“基于知识的滤片”对虚拟库“筛选”，以“浓缩”出能够满足预定标准的化合物。这些滤片包括类药性(druglike)，药代动力学性质，毒性，知识产权