疾病相关性细胞的表型分析 – 研制新药的良方

admin Post in 2013.08, 药物讯息
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张眉  博士

新型药物的开发耗人力,耗时间,耗经费。近十年来显现的的全球性的失败,成为最糟糕的全球大事之一。作者有一首七律来描述这个现状,抄录分享一下:

觅新药难

寻药技苦无仙杖,

三千大千尽寒噤。

痼疾临证乏新术,

苦痛逢缘有病根。

高知年生千百计,

众企日烧万万金。

何当一粒金丸奉,

耄耋无虞度平生。

广泛裁员、大量缩减开发投资、研究战略全面撤换、小公司纷纷倒闭、大公司收购为数已不多尚存的小公司,常常成为生物技术新闻动态的头条。这些来自于研发计划(Programs)失败的宏观变化和动荡,在实验室有其根源。在我们观点看来,细胞研究的方法欠缺和失误造成的‘眼高手低’或‘心长手短’的实际状况,在研发初期即埋下了总体计划的根本性缺陷。

从具体的战略的手段(战术上)来说,我们至今仍然缺乏一个可靠的、从高通量筛选到人体试验之间的桥梁科学,一个高效而敏感的、能探测细胞全面改变的细胞学分析方法。本文介绍一个药物分析方法的后起之秀,即基于高容量筛选即High Content Screening的分子表型筛选法。

高容量筛选方法,即HCS, 是一种基于人类疾病机理的细胞表型形态学的分析技术。目的是测量细胞的变化,用以探测药物的疗效。HCS之前身是表型分析,即Phenotypic screening。随着数字照相机的快速改良,以及计算机技术的指数级进步,参照高通量筛选(即HTS)这个词,人们开始使用HCS来代替表型筛选这个词汇。因为这个词反映了这种技术的优势,那就是,它不是测定单指标变化,而是测定多因素;不是看细胞的一种改变,而是细胞的广泛变化;也许最终会成为WCS吧 – Whole Cell Screening 即全细胞筛选法。

药物导致的细胞改变,常常无法准确测量,其原因之一在于细胞改变的复杂性。比如微管干扰药物(秋水仙碱、长春新碱等),不但导致微观断裂和消失,还会导致细胞皱缩、分裂停止、染色体显现、多核现象、细胞数减少、细胞死亡、甚至微管在细胞内结晶。这样复杂的变化,只是一个例证。抗微管药物的机理颇为简单,抗肿瘤药效广谱,但仍然有新的替代品在高技术公司开发研究;相比之下,一些抗激酶药物和核受体阻断剂的功能可能复杂或精细得多,涉及的下游基因改变也许更加丰富,形态学改变的种类和层次可能更复杂。现代显微镜、自动化、计算机软件和人工智能分析方法的进步,已经为表型分析提供了新的工具,使以往不可能的测量成为可能。

但是,并不是说复杂机理的药物,总会导致常规分析中容易察觉的细胞形态变化;可能恰恰相反,毒性不强的药物,可能导致广泛变化,但是细胞总体形态变化可能轻微。比如JAK2 抑制剂(e.g.,ruxolitinib (INCB18424 or INC424)),在细胞水平,可以达到亚nM半数有效浓度(IC50),完全抑制STAT3的磷酸化,使STAT3完全遗留在细胞质中(在IL6 的刺激下),但细胞形态与二甲亚砜作对照的处理无异。作为对STAT3依赖的肿瘤,JAK2的疗效可能更好。因此,形态学的简单或细微变化,并非提示药物机理简单、作用局限,有时恰恰相反,因为不导致细胞死亡的药物,才会导致广泛性的功能适应和持久性调控转换。而现代技术支持下的表型分析,已经不是指细胞的单纯的形态变化,而是可以达到分子水平了。JAK2抑制剂就可以通过显微镜在单个细胞水平清晰看到,而且精确分析出它们的对细胞中STAT3的抑制活性。

总之,目前越来越受到重视的分子水平的表型筛选法,不但适合探测细胞死亡或类似剧烈改变,而且能检测表观改变不明显的变化。表型筛选法在现代药物筛选的历史长河中,曾经扮演过非常重要的角色,据Nature统计,目前使用的80%的现代药物是通过表型筛选法发现的。因此,在结合强大的HCS,分子表型筛选法正在发展和完善成为与HTS平行的标准和广泛筛选方法。HCS的困难不少,存在不少亟待解决的问题,但其前途却越来越光明。

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