发现毒理学的研究进展

*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)基金(2002AA2Z342D 和2004A A2Z3774)

综 述

发现毒理学的研究进展

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王全军,吴纯启,廖明阳

(军事医学科学院毒物药物研究所,国家北京药物安全评价研究中心,北京100850)

[摘要] 发现毒理学又称为开发前毒理学(Predevelopmental Toxicology),是指在创新药物的研发早期,对所合成的系列新化合物实体(New Chemical Entities,NCEs)进行毒性筛选,以发现和淘汰因毒性问题而不适于继续研发的化合物,指导合成更安全的同类化合物。发现毒理学的研究既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的定义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简述。 [关键词] 发现毒理学;新化合物实体(NCEs);毒性筛选

[中图分类号]R994 1;R965 1 [文献标识码]A [文章编号]1003-3734(2005)08-0958-04

Progresses of discovery toxicology research

W ANG Quan jun,W U Chun qi,LI AO Ming yang

(Institute o f Pharmacology and To xicology ,Academ y o f Military Medical Sciences ,National Beijing Center f o r Drug Sa fety Evaluation and Research ,Beijing 100850,China )[Abstract ] Discovery toxicology,also named predevelopmental toxicology,is to screen toxicities of new che mical entities (NCEs)in the discovery phase of ne w drug research,to discover and eliminate the compounds that are unsuitable for further development due to their toxicity as early as possible,and to optimize the next more safe compounds.Discovery toxicology research can break through the limitation and improve the efficiency of drug research.This article will present the concept of discovery toxicology,the essentiality of discovery toxicology research.The content,methods and current status of discovery toxicology in China are described too.

[Key words ] discovery toxicology;new chemical entities(NCEs);toxicity screening

药物研发成功与否部分取决于在研发早期严格淘汰不适合进一步研发的化合物。在药物临床前阶段,毒性问题是研发失败的主要原因。在研发早期尽早发现候选化合物的潜在毒性是毒理学研究的重要问题。

多年来,新药研发越来越多地依赖于生命科学技术的研究进展。在新药设计方面,化学家参考药物作用靶、内源性配体和底物的化学结构特征,应用计算机辅助药物设计手段发现选择性作用于靶位的新药;在新药活性筛选方面,现代药物组合化学与体外高通量筛选的成功结合极大地提高了先导化合物的发现速度;在新药的药动学(ADME)研究方面,多种基于药物代谢酶或转运体的药动学筛选模型已开始应用于新药开发研究。这些新技术的成功运用大

大加快了药物研发早期的药物发现、药物合成、药效筛选的进程,从而产生大量的候选化合物。传统药物毒理学研究在时间、经费、样品消耗量和动物数等方面都花费巨大,在药物毒作用机制研究方面难以阐明一些临床使用药物的毒性机制和理想的应急解毒措施,因此传统药物毒理学无法满足因新的生物技术而产生的海量候选化合物的毒性筛选研究,成为限制整个药物研发的瓶颈。而发现毒理学(Discovery Toxicology)的研究将打破这个瓶颈,既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的含义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简要综述。1 定义、产生背景和产生的必要性

伴随着科学技术的发展,当代毒理学的发展将

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以分子毒理学为主线,呈现出以下5种发展趋势: 由被动毒理学向主动毒理学转变。 由高剂量测试向低剂量测试转变。 由单一型动物模型向特征性模型转变。 由低通量测试向高通量测试转变。 由单一用途向多用途、多领域转变。发现毒理学正是体现这5大趋势而应运而生的。

发现毒理学又称为开发前毒理学(Predevelop mental Toxicology),是指在创新药物的研发早期,即对所合成的系列新化合物实体(New Chemical Entities,NCEs)进行毒性筛选,以发现和淘汰因毒性问题而不适于继续研发的化合物,或者是有针对性地设计一些试验研究,解决某些重要化合物的特异性毒性问题,指导化合物合成,帮助选择先导化合物。发现毒理学的基本要求是要快速、灵活,化合物样本量消耗少,并且根据实际情况不断地调整和完善研究。特点是既包括按GLP原则进行的毒性试验评价,也包括不受GLP规范约束的毒性筛选和评价,特别是在产品研发早期。

为了提高新药早期毒性的科学预测性,20世纪90年代初西方各大制药公司将过去的临床前和临床安全性评价的药物毒理学早期研究模式转变为在新药发现阶段即对NCEs进行毒理学与药理学、药效学、药动学相结合的筛选和优化的发现毒理学研究模式,通过综合分析药效学、药代学及毒理学的各项指标,评价系列NCEs的研发前景,从中筛选出毒性小的选出候选新药进行后续研究。其研究的思路是将药物毒理学研究贯穿于新药发现、临床前安全性评价、临床试验和上市后监督与跟踪的整个过程中[1~3]。这就是发现毒理学研究的产生背景。

在药物开发的过程中,通过毒性筛选技术发现新化合物有明显的毒性作用时,则会终止做进一步的研发。但这时,毒理学的主要任务是要了解终止开发的原因,探讨毒作用机制,避免重复开发有类似毒性的产品。此时,有必要采用发现毒理学技术(组学技术、转基因技术等)对化合物进行快速、全面、系统的毒理机制预测研究。建立以作用机制为基础的模型,来检测和预测类似的毒性效应。研究确定化合物毒性效应的生物学机制,有助于建立识别潜在人类毒性的临床指标,更好地评估人类危险度;而探明化合物的化学作用机制,则有助于在产品开发过程中淘汰有潜在毒性的化合物,或者是删除化合物中有潜在毒性的功能基团。

2 主要研究内容和技术手段

按出现的先后顺序分类,发现毒理学的主要研究内容和技术手段大致包括以下4个方面。

2 1 建立药物毒性的早期优化和筛选系统 通过各种评价NCEs细胞毒性或特殊毒性的先导化合物优化技术(Preclinical Lead Optimization Technologies, PLOTs)如细胞毒性筛选技术、一般毒性筛选技术、特殊毒性筛选技术等[4,5]在药物发现阶段对根据先导化合物结构合成的同系化合物进行短期毒性的优化和筛选。应用PLOTs进行药物毒性研究最突出的优点是: 能同时进行系列化合物的毒性比较。 快速、周期短、样品消耗量小、成本低。 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。PLOTs实验的最终目的是找出系列NCEs中最适宜成为新药的NCEs,其观察的实验终点与新药审批机构规定的临床前新药安全性评价实验终点基本一致,该系统的有效性和可靠性已在国外的研究中获得证实[6,7]。

2 2 利用现代组学( omics)技术研究药物的毒性机制 近年来随着人类及多种模式生物基因组测序的完成,新药发现和研发逐步进入后基因组时代;基因组学[8]、蛋白质组学和代谢物组学[9]等 组学 技术已逐步应用于药物发现毒理学研究。对于经过PLOTs系统筛选出的候选新药,利用基因组学技术和代谢物组学技术进行毒理机制和生物标志物的研究。从而形成 反向毒理学 (Reverse Toxicology)的药物毒作用机制研究的新型模式[10]。反向毒理学属于发现毒理学研究的重要内容之一,其伴随着反向遗传学(Reverse Genetics)研究而产生的,又称之为预测毒理学或演绎型毒理学,其最终目标为单纯分析转录组谱、蛋白质组谱或代谢物图谱即可推知中毒表型。反向毒理学的基本假设为:除快速坏死之外,任何体内外的毒性相关终点都涉及基因或蛋白质的差异表达或代谢产物的差异。其基本工作原理包括:建立基因表达参照数据库,即分析作用机制已知的模式毒物的基因差异表达谱(指纹),找出不同作用模式的毒物所引起的独特性基因表达模式;建立毒理基因组学的标准实验条件和稳定的数据分析软件;比较未知毒物和模式毒物诱发的基因差异表达谱,确定未知毒物的中毒表型。肝脏因独特的生理功能和接触大量外源性化学物,是一种重要的毒性靶器官,目前有数个肝毒性的毒理基因组学数据库正在构建之中。商用毒理基因组学数据库供应商包括Genelogic,Curagen,Ic onix和Phase1。此外,多家大型制药公司也拥有内部的数据库。公用数据库中最常用的则是NIE HS国家毒理基因组学中心数

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