千年来，人类开发新药总是充满着经验性猜测和侥幸。但随着先进计算机技术的发展，科学家已经能够通过模拟和建模寻找药物靶点。Texas大学的计算机科学教授Chandrajit Bajaj在这一领域进行了超过20年的研究。他对药物研发过程的每一个阶段进行了系统化的研究，希望改善计算机药物研发中的算法，提高药物研发的速度和准确性。
分子配对为药物研发寻求新突破
Texas大学Bajaj博士的研究团队通过单颗粒低温电子显微技术，重建了蛋白质的高分辨率3D图像，能显示蛋白的二级结构（α螺旋和β折叠），该文章发表在Journal of Structural Biology杂志上。在该文章中，研究人员应用专业的生物物理学算法和Texas高级计算中心（TACC）的高性能平行处理超级计算机，结合了建模、模拟、分析和可视化，大大提高了重构模型的分辨率和准确性。
近来有研究显示，随着每亿元研发经费被FDA批准的药物越来越少，节省研发经费和时间的需求在不断增长。这就增加了开发快速低成本药物研发方法的重要性。
研发新药一般始于对引发疾病的病毒、细菌或突变进行详细分析。通过X光照射样本，电子显微镜能得到相关分子接近自然条件的纳米级图像。这些显微镜得到的图片充满斑点而且混乱，必须先进过处理才能应用于建模。
结合100,000张处理过的图像，研究人员就能得到目标分子的3D结构模型。在药物研发中结构是很重要的特征，因为它代表了相关分子的形态和形态互补性，决定了两个分子相互契合的程度。分子的契合程度是一种药物是否能结合靶点的主要因素，也是完成其使命的第一步。正确的3D模型使研究人员能理解、识别和检测病毒上的潜在结合位点。
图像重构和建模算法的改进，使Bajaj及其同事得以识别分子的二级结构，如单独的侧链。侧链是分子中心向外延伸的松软但至关重要的臂。要准确的预测药物的结合能力，就必须得到该水平上的详细信息。
一旦得到了目标分子的结构，就需要检测潜在药物化合物是否能与靶位点结合。Bajaj的研究对象是HIV病毒，研究人员筛选的药物需要能结合到病毒表面特异位点，并且对病毒发出信号告诉它目的地已经达到。这种药物会诱使病毒将其内容物释放在细胞外基质中，而不是将病毒遗传物质注入宿主细胞，这样HIV病毒就不能对机体造成损害。
然而在众多的潜在化合物中，科学家怎样搜索能结合靶标区域的药物分子呢？近十年，计算机科学家找到了更快的搜索方式，称之为“Googlization”。 Bajaj将这种方法应用到了药物靶点筛选中。研究人员基于两个分子结合时的结合能量和生化动力学，列出了靶点的需求清单，对药物分子进行评价，从而寻找最合适的化合物。随后研究人员对评级最高的分子进行可视化建模和分析，以研究其方法的有效性并进行改进。 研究人员必须确信他们找到的化合物不会与其他重要生物分子结合，因为这样会造成严重的副作用。化合物可能的结合数据相当庞杂，但改进了计算机软件和算法后，这一问题就能引刃而解。为此Bajaj几乎使用了TACC的所有计算机系统。
计算机药物研发在学术界和产业界都是热点话题。Bajaj博士对复杂的传染性疾病药物设计、药物特性和药物转运进行了成功的计算机建模，大大改善了药物模型的分辨率和准确性，提高了药物研发的速度，降低了成本。Bajaj称过去需要数月的工作，现在只需要几天就可完成。有科学家称，该项研究有望改革药物研发工作程序。
药物研发流程
药物从最初的实验室研究到最终摆放到药柜销售平均需要花费12年的时间。进行临床前试验的5000种化合物中只有5种能进入到后续的临床试验，而仅其中的1种化合物可以得到最终的上市批准。
总的来说新药的研发分为两个阶段：研究和开发。这两个阶段是相继发生有互相联系的。区分两个阶段的标志是候选药物的确定，即在确定候选药物之前为研究阶段，确定之后的工作为开发阶段。所谓候选药物是指拟进行系统的临床前试验并进入临床研究的活性化合物。
研究阶段包括四个重要环节，即靶标的确定，模型的建立，先导化合物的发现，先导化合物的优化。
一、靶标的确立
确定治疗的疾病目标和作用的环节和靶标，是创制新药的出发点，也是以后施行的各种操作的依据。药物的靶标包括酶、受体、离子通道等[2]。作用于不同的靶标的药物在全部药物中所占的比重是不同的。以2000年为例，在全世界药物的销售总额中，酶抑制剂占32.4%，转运蛋白抑制剂占16.0%，受体激动剂占9.1%，受体拮抗剂占10.7%，作用于离子通道的药物占9.1%等等。目前，较为新兴的确认靶标的技术主要有两个。一是利用基因重组技术建立转基因动物模型或进行基因敲除以验证与特定代谢途径相关或表型的靶标。这种技术的缺陷在于，不能完全消除由敲除所带来的其他效应(例如因代偿机制的启动而导致的表型的改变等)。二是利用反义寡核苷酸技术通过抑制特定的信使RNA对蛋白质的翻译来确认新的靶标。例如嵌入小核核糖核酸(snRNA)控制基因的表达，对确证靶标有重要作用。
二、模型的确立
靶标选定以后，要建立生物学模型[1]，以筛选和评价化合物的活性。通常要制订出筛选标准，如果化合物符合这些标准，则研究项目继续进行;若未能满足标准，则应尽早结束研究。一般试验模型标准大致上有：化合物体外实验的活性强度;动物模型是否能反映人体相应的疾病状态;药物的剂量(浓度)--效应关系，等等。可定量重复的体外模型是评价化合物活性的前提。近几年来，为了规避药物开发的后期风险，一般同时进行药物的药代动力模型评价(ADME评价)、药物稳定性试验等。
三、先导化合物的发现
新药研制的第三步是先导化合物的发现。所谓先导化合物(leading compound)，也称新化学实体(new chemical entity，NCE)，是指通过各种途径和方法得到的具有某种生物活性或药理活性的化合物。因为目前的知识还不足以渊博到以足够的受体机制指导药物设计以使药物的合成不必使用预先已知的模型，所以，先导化合物的发现，一方面有赖于以上两步所确定的受体和模型，另一方面也成为了整个药物研发的关键步骤。一般来说，先导化合物主要有如下几个来源：对天然活性物质的挖掘、现有药物不良作用的改进以及药物合成心中间体的筛选等。目前，主要有两个获得新的先导化合物的途径。一是广泛筛选，这种毫无依据的方法在实际操作上其实是比较有效的。过去半个多世纪以来，由于这个原因，先导化合物的发现随机性很强，如从煤焦油中分离出的本份被发现具有抗菌作用因而被开发成为一系列诸如萨罗的抗生素;又如对染料中间体的筛选发现了苯胺以及乙酰苯胺具有解热镇痛作用，经改造得到了非那西丁和乙酰氨基酚等。近二十年来，计算机预筛被用于这一过程，大大加快了研究进程。另外，先导化合物的合理设计近年来也越来越成为这一领域的热点。所谓合理设计，是指根据已知的受体(或受体未知但有一系列配体的构效关系数据)进行有针对性的先导化合物设计，这种方法有别于一般普遍筛选的显著特点在于目的性强，有利于各种构效理论的进一步发展，因此前途十分广阔。
四、先导化合物的优化
由于发现的先导化合物可能具有作用强度或特异性不高、药代动力性质不适宜、毒副作用较强或是化学或代谢上不稳定等缺陷，先导化合物一般不能直接成为药物。因此有必要对先导化合物进行优化以确定候选药物，这是新药研究的最后一步。简要地说，先到化合物的优化就是基于相似性原理制备一系列化合物，评价其全面的构效关系已对其物理化学及生物化学性质进行优化。优化后再进行体内外活性评价，循环反馈，最终获得优良的化合物--候选药物(drug candidate)
五、临床前及临床研究
新药开发阶段如下：
临床前试验：由制药公司进行的实验室和动物研究，以观察化合物针对目标疾病的生物活性，同时对化合物进行安全性评估[3]。这些试验大概需要3.5年的时间。
研发中新药申请(Investigational New Application,IND)：在临床前试验完成后，公司要向FDA提请一份IND，之后才能开始进行药物的人体试验。如果30天内FDA没有发出不予批准的申明，此IND即为有效。提出的IND需包括以下内容：先期的试验结果，后续研究的方式、地点以及研究对象;化合物的化学结构;在体内的作用机制;动物研究中发现的任何毒副作用以及化合物的生产工艺。另外，IND必须得到制度审核部门(the Institutional Review Board)的审核和批准。同时，后续的临床研究需至少每年向FDA提交一份进展报告并得到准许。
临床试验，Ⅰ期：此阶段大概需要1年时间，由20~80例正常健康志愿者参加。这些试验研究了药物的安全性方面，包括安全剂量范围。此阶段的研究同时确定了药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄、以及药物的作用持续时间等项目。
临床试验，Ⅱ期：此阶段需要约100到300名志愿患者参与进行一些控制研究，以评价药物的疗效。这个阶段大约需要2年时间。
临床研究，Ⅲ期：此阶段持续约3年时间，通常需要诊所和医院的1000~300名患者参与。医师通过对病患的监测以确定疗效和不良反应。
新药申请(New Drug Application,NDA)：通过三个阶段的临床试验，公司将分析所有的试验数据。如果数据能够成功证明药物的安全性和有效性，公司将向FDA提出新药申请。新药申请必须包括公司所掌握的一切相关科学信息。典型的新药申请有10万页甚至更多。根据法律，FDA审核一份NDA的时限应该为6个月。但是几乎所有案例中的新药申请从首次提交到最终获得FDA批准的过程都超过了这个时限;在1992年对于新分子实体的新药申请平均审核时间为29.9个月。
[1] Fowler JS, Volkow ND, Wang GJ, Ding YS, Dewey SL. PET and drug research and development[J]. Journal of Nuclear Medicine. 1999,40:1154-63
[2] Weissleder, R.&Ntziachristos, V. Shedding light onto live molecular targets[J]. Nature Med. 2003,9,123-128
[3] Fischman,A.J., Alpert,N.M.&Rubin,R.H. Pharmacokinetic Imaging:a noninvasive method for determining drug distribution and action[J]. Chin.Pharmacokinet.2002,41:581-602
