第一篇　药物研发概述
　　第1章学术界的药物发现
　　1.1引言
　　据估计，在2007～2017年这十年间，全球制药行业的总投资已超过1.36万亿美元，而2020年度支出总额为1810亿美元［1］。2019年底，十大制药公司的市值总额约为1.68万亿美元［2］。
　　自20世纪90年代开始，生命科学的巨大进步为研究人员带来了希望，当时研究人员认为新药的发现将很快成为一个工程化的过程。人类基因组测序的完成为开发新靶点带来了大量的机会，研究人员已开始应用大规模化合物库筛选技术、高效小型化高通量筛选技术，以及用于苗头化合物生成的计算机辅助方法，这也表明大量获得针对这些靶点的合理先导化合物应该是可行的。此外，用于预测早期代谢倾向和毒理学风险的细胞模型也促进了类药性的优化。然而，30年后，这些希望并没有变为现实，至少在1989～2013年期间每年获批药物的数量基本保持不变。2019年，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准了47个新药，其中9个为生物药（图1.1）［3］。一个有趣的现象是，尽管存在将研究重点聚焦在生物药上的趋势，且小分子药物业务也已经消沉了数年，但每年新批准生物药的比例仍然停滞在25%左右。
　　在2011年发表的一篇文章中，史蒂文斯（Stevens）［4］分析了40年来公共资助组织对当前批准率的贡献。值得注意的是，约有9%的药物（143/1541）是利用公共资金获批的，或至少是由公共资金促成的。如果比较对新分子实体（new molecular entity，NME）的贡献，该比例将上升至13.3%（64/483）。对于获得优先审查的NME，该比例为21.1%（44/209）。在最近的一项研究中，纳亚克（Nayak）等［5］证实了由大学和临床中心推动的药物研究的重要性。他们全面分析了2008～2019年FDA批准的药物，并且考虑了专利方面的信息。他们发现在获批的248个NME中，公共资助组织对其中62个（25%）药物做出了重大贡献。令人费解的是，虽然制药企业雇用了大量的高技能科学家，拥有几乎不设上限的资金、专门用于药物发现的基础设施，但其表现却不尽如人意。为了维持公司未来的发展，开发新药显然是至关重要的任务，而且已批准药物的专利周期明显是非常有限的。因此，考虑到这些因素，制药公司的表现就更加令人意外了。
　　独立将药物开发上市显然不属于任何学术研究的范畴。据估计，一种药物获批的花费可达13亿美元，其中大部分预算用于临床试验。此外，该过程还需要经验丰富的临床科学家进行监督和管理，优化研究方案，以确保临床试验不会因研究组效力不足或患者群体选择不当而失败。
　　当临床试验开始时，研究人员已经完成治疗方案的选择，目标和方法也已经确定，从此时起临床医生的任务就是验证提出的假设是否成立。
　　学者们利用他们的特殊优势为药物发现做出了重要贡献。这些优势可能是基于好奇心、特定领域的专业知识、对意外发现的探索、振奋人心的跟进研究，以及不同学术实验室合作促成的跨学科研究。本章将讨论不同的案例，以说明这些特殊优势是如何实现药物的成功研发的。
　　1.2老药新用
　　一个反映学术研究对药物发现贡献的经典案例是寻找新的适应证。
　　由于获批的药物是公开上市的，研究人员尤其是临床中心的科学家可以提出假设（基于患者的数据）并以直接的方式进行探索。在这种情况下，老药新用引起了研究人员的广泛关注，因为这种方法非常直接，由此产生的药物已经被证明是安全的、生物体可利用的，并且在人体中具有良好的耐受性。
　　通常这种方法以仔细观察疾病伴随因素和解释潜在病理学为指导，特别是有多种疾病患者症状的变化可能为提出新的假设提供有趣的起点。癌症治疗药物利妥昔单抗（rituximab）的开发就是一个经典案例，本章将对其发现过程进行更详细的讨论。爱德华兹（Edwards）等提出，自我存留的B淋巴细胞可能在推动类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）和自身免疫性疾病的进展中发挥关键作用［6］。他们推测分化簇20（cluster of differentiation 20，CD20）靶向治疗能够特异性地消耗这一B细胞群体，可能是一个很好的治疗选择。1999年出现了第1例非霍奇金淋巴瘤伴炎性关节病的病例报告［7］。在使用单克隆抗CD20抗体治疗的几周内，研究人员观察到患者的关节疼痛显著改善，3个月后症状几乎消失，每天能够步行5英里（译者注：1英里=1609.3米）。在随后的Ⅱ期临床试验中，利妥昔单抗在RA患者中的阳性结果进一步得到证实［8］，随后，研究人员开展了进一步的试验，在证明了确切的获益后，利妥昔单抗于2006年被批准与甲氨蝶呤（methotrexate）联用治疗类风湿关节炎。
　　1.2.1　沙利度胺衍生物
　　另一个案例是使用沙利度胺（thalidomide）、来那度胺（lenalidomide）和泊马度胺（pomalidomide）治疗麻风病和各种癌症。在沙利度胺臭名昭著的悲惨历史之后，几乎任何一家大型制药企业的研究人员都不可能使这一药物起死回生。沙利度胺于1957年在德国获批上市，用于治疗晨吐。由于副作用似乎非常小，也经常用于孕妇止吐。然而，1961年有研究者做了出生缺陷增加的报道，并最终发现与沙利度胺有关。这些缺陷导致婴儿出生时死亡率显著增加，出现肢体变形、心脏问题和其他毒副作用。据估计，伴有肢体缺陷的婴儿数量超过1万名。沙利度胺从欧洲市场的撤出促使监管部门在注册过程中对药物安全性表征的要求更加严格。如今，致畸性已成为候选化合物被排除在药物优化项目之外的重要限制因素，因为很难保证不会有育龄妇女错误地使用具有致畸性的药物。然而，在撤市仅3年后的1964年，耶路撒冷哈达萨医学院（Hadassah University）的雅各布 瑟斯琴（Jacob Sheskin）开始使用沙利度胺治疗有严重麻风病的患者［9］。在他的原始文献中，瑟斯琴提到将沙利度胺作为镇静药物治疗6名麻风病患者，令他惊讶的是所有患者的病情都得到了改善。在最初的研究之后，研究人员进行了多项对比试验，证明了该药物的临床获益——尤其是在快速起效和良好耐受性方面获益明显。沙利度胺最终于1998年被批准用于治疗麻风病。
　　哈佛医学院儿童医院（Children’s Hospital at Harvard Medical School）犹大 福克曼（Judah Folkman）实验室的研究进一步表明，沙利度胺能有效抑制成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF-2）诱导的血管生成，这也解释了其导致肢体缺陷毒性的可能机制［10］。然而，血管生成是肿瘤生长的标志之一，因此研究人员在1997年启动了一项试验［11］，以验证沙利度胺治疗多发性骨髓瘤的疗效。多发性骨髓瘤是一种血液系统癌症，常规化疗无法治愈。该试验最终的应答率为32%。事实上，早在1965年就已经开展了沙利度胺的第一次抗肿瘤临床试验。奥尔森（Olson）等［12］采用沙利度胺治疗了21名有各种类型晚期癌症的患者，但总体上该研究未观察到对肿瘤进展的抑制作用，但1/3的患者产生了主观缓解。尽管没有观察到肿瘤消退，但作者注意到两名患者之前快速进展的肿瘤的进展速度可能暂时得到减缓。有趣的是，其中1人患有多发性骨髓瘤。
　　1.2.2　化疗：氮芥类化合物
　　另一个老药新用的案例是癌症化疗（chemotherapy）疗法的建立。芥子气（mustard gas）是第一次世界大战中使用的最致命、最可恶的武器之一，造成了数十万人死亡。在暴露于芥子气士兵的医疗记录中，研究人员发现其血液成分发生了显著变化，尤其是白细胞明显减少［13］。受此启发，化学家米尔顿 温特尼茨（Milton Winternitz）与耶鲁大学（Yale University）的两位药理学家路易斯 古德曼（Louis Goodman）和阿尔弗雷德 吉尔曼（Alfred Gilman）开始开展合作，以研究化学毒剂对癌症治疗的潜在效果（图1.2）。尽管硫芥（S-lost）因挥发性过高而不能用于医疗用途，但其相应的氮衍生物氮芥（N-lost）却更易于给药。其盐酸盐在应用中明显更为安全，使用前用无菌生理盐水溶解即可很容易地制成注射溶液。在小鼠淋巴肉瘤模型中，研究人员观察到肿瘤快速消退，但作者指出所需的剂量与毒性水平接近，且肿瘤仍会复发［14］。第一位患者于1942年8月27日接受了氮芥的治疗，这一天也可被视为化疗的诞生日。J. D.（目前只知道该患者名字的首字母缩写）患有晚期非霍奇金淋巴瘤，已经接受了放疗，但肿瘤仍在扩散，情况非常严重［15］。因此，他自愿参加了这项探索性研究。事实上，每天注射该药物使病情得以扭转，肿瘤迅速消退，患者整体状况明显改善。不幸的是，疗效相对短暂，虽然第二轮治疗仍能缓解肿瘤复发，但第三轮治疗再也无法改善患者的病情，最终J. D.在首次给药后的第96天死亡。但其寿命可能已经得到了显著延长，这些结果促使研究人员开展了进一步的临床研究［16］。总体而言，尽管效果短暂、治疗窗窄，但研究人员已观察到其对霍奇金病或淋巴肉瘤患者的有益效果。研究人员在第二次世界大战期间就已经开展过初步的研究，但由于化学毒剂被列为调查对象，相关研究成果被视为机密信息，一直推迟到1946年才被公开。结果公开后引发了科学界的一阵兴奋，但其治疗效果持续时间有限和最终无法治愈癌症的现实导致人们改变了对该药物的看法，并在医学界引发了广泛的悲观情绪。由此产生的癌症不能通过化学药物治愈的观点持续了很多年。尽管如此，这些标志性的成果仍为化疗奠定了基础，研究人员陆续开发了苯丁酸氮芥（chlorambucil）、美法仑（melphalan）和环磷酰胺（cyclophosphamide）（图1.2）等其他烷化剂，这些药物耐受性更好，至今仍在临床使用。值得注意的是，这里需要纠正一个历史错误。第二次世界大战期间巴里（Bari）的一艘轮船被炸，导致船员暴露于芥子气中。人们通常认为这是芥子气抗肿瘤活性和化学疗法发现的开始，但这并不正确。尽管在受影响的士兵中也观察到严重的白细胞减少症，但德国对巴里港船只的空袭发生于1943年12月2日，即患者J.D.接受治疗一年多之后。化学疗法的开发是一个引人入胜的话题，其他文献也进行了详细的综述［17］。