藥物重定位研究的現(xiàn)狀與展望

藥物重定位，也被稱為“舊藥新用”和“舊藥重驗”，是指在臨床研究階段或認可上市藥物的新適應(yīng)癥或用途。它包括：（第一學(xué)期）、第二學(xué)期（第二學(xué)期）、第二學(xué)期（第二學(xué)期）、，等。通常情況下,新藥研發(fā)從思路確定到藥物上市需要10~17年,且成功率低于10%,而藥物重定位則只需3~12年,且安全性和藥代動力學(xué)等不確定性顯著減小,使研發(fā)成本及風(fēng)險明顯降低,周期縮短。由于開展重定位研究的藥物通常已通過了臨床試驗的幾個階段或是已上市,因此與從頭開始研發(fā)、獲得專利許可等策略相比,其風(fēng)險更低。此外,與獲得專利許可和重新組方策略相比,具有上市時間短和發(fā)現(xiàn)藥物作用差異性的可能性更大的優(yōu)勢,因此可望獲得更高的回報。所以藥物重定位是目前已知的藥物研發(fā)策略中風(fēng)險/效益比最好的策略之一。隨著網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)研究的進展,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù)為新藥研發(fā)提供了嶄新的手段,并不斷應(yīng)用于藥物重定位研究,成為藥物重定位研究的重要技術(shù)之一。1藥物重定位研究的現(xiàn)狀藥物重定位研究通常包括4個階段:(1)化合物發(fā)現(xiàn)和確認階段:可通過靶向搜索或相似性搜索(主要是網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù))研究已上市藥物的其它作用,采用專門的藥物重定位篩選技術(shù)平臺進行篩選等,也可能通過新奇見解或意外發(fā)現(xiàn)獲得線索,該階段通常需要1~2年時間;(2)獲取化合物階段:可通過獲得專利使用許可、獲得新的知識產(chǎn)權(quán)(如采用異構(gòu)體、控釋制劑、專有劑量范圍、新配方等獲得的新專利)、已擁有的產(chǎn)品及化合物資源等進行,通常需要0~2年時間,(3)開發(fā)階段:可從臨床前、Ⅰ期或Ⅱ期臨床研究開始,與已有研發(fā)進展及所獲數(shù)據(jù)的支持力度有關(guān),通常需要1~6年;(4)注冊階段:依據(jù)提交注冊申請的國家或地區(qū)管理機構(gòu)[美國食品藥品管理局(FDA)和歐洲藥品評價局(EMEA)等]的不同而不同,通常需要1~2年。,目前全球每年提交注冊申請的新藥逐年增加,僅2011年一年就達7500個,其中向美國食品藥品管理局、歐洲藥品評價局、日本厚生勞動省提交注冊申請的分別為3091、1449和556個,其它國家和地區(qū)有2465個。這些已知藥物和藥物靶點信息同樣為藥物重定位的研究提供了較豐富的資源。從已知藥物中發(fā)現(xiàn)新適應(yīng)癥,成功重定位的藥物已有100多種,表1所列為其中具有代表性的40余種,這些藥物有的是在臨床用藥或?qū)嶒炑芯繒r偶然發(fā)現(xiàn)、并經(jīng)進一步研究確定的;有些則是基于新思路研究或通過其它途徑發(fā)現(xiàn)的。目前則多從專門為研發(fā)藥物重定位所建立的技術(shù)平臺篩選和基于計算機的方法所發(fā)現(xiàn),即理性發(fā)現(xiàn),這將大大提高發(fā)現(xiàn)效率。2網(wǎng)絡(luò)法理學(xué)—藥物重定位研究技術(shù)藥物重定位的生物學(xué)依據(jù)是一藥多靶和一靶多治,主要是基于生命科學(xué)尤其是網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)研究所取得的成果。目前用于藥物重定位研究的主要方法有兩類,一是以高通量篩選、高內(nèi)涵技術(shù)為主的篩選方法,二是基于計算機的虛擬篩選和生物計算的方法。其中為開展藥物重定位研究所建立的高通量篩選技術(shù)需購置專門的儀器設(shè)備,開發(fā)和購買特定的試劑盒,開展專門的數(shù)據(jù)分析和挖掘工作,并需投入大量專業(yè)技術(shù)人員,國外有實力的制藥企業(yè)常采用該方法。然而,高通量篩選方法的通量再高也有一定限度,只能對較少的藥物進行篩選,而且存在其篩選結(jié)果會受到藥物的化學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性等因素的影響,且不適合對前藥進行篩選等缺點。為提高篩選效率,目前所采用的策略是運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的思路和方法,首先應(yīng)用計算機進行虛擬篩選,優(yōu)選成藥性及發(fā)展前景好的候選藥物,進一步開展高通量和高內(nèi)涵篩選。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是指將藥物作用網(wǎng)絡(luò)與生物網(wǎng)絡(luò)進行整合、比對和分析,分析藥物在整合網(wǎng)絡(luò)中與特定節(jié)點或模塊的相互作用關(guān)系,從而深入認識藥物和機體相互作用規(guī)律的科學(xué)。因此,現(xiàn)階段基于計算機技術(shù)與方法進行的藥物重定位研究,主要是以生物學(xué)尤其是網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究進展為基礎(chǔ),采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)技術(shù)和方法開展的。根據(jù)研究策略的不同,可將基于計算機的藥物重定位研究方法分為三類:(1)基于小分子(配體)特征,即針對特定藥物或化合物,預(yù)測新的潛在靶點或藥物-靶點相互作用;(2)基于藥物靶點(核酸、蛋白、酶、離子通道和受體等)的特征,即針對某一特定靶點而預(yù)測新藥、目標(biāo)化合物或藥物-靶點相互作用;(3)基于表型(或網(wǎng)絡(luò))特征,即通過藥物-靶點網(wǎng)絡(luò)預(yù)測藥物-靶點相互作用。2.1預(yù)測靶點的確定盡管對藥物的初始設(shè)計都是有選擇性的,甚至對靶點具有高度的特異性,但實際情況是往往存在一個藥物同時具有多個靶點的現(xiàn)象,這種情況下通常會導(dǎo)致副作用產(chǎn)生,但同時也會對治療作用或其他方面的有效性做出貢獻。基于藥物或小分子結(jié)構(gòu)的藥物重定位研究方法主要有相似性搜索和定量構(gòu)效關(guān)系(quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)研究等。相似性搜索也稱相似性分析,其基本原理是:一方面,相似結(jié)構(gòu)的分子可能結(jié)合到同一個靶點,具有相似的生物學(xué)功能,通過比較配體分子間的化學(xué)相似性,可推測其可能具有相似的靶點,發(fā)揮相似的藥理作用,通過該方法可發(fā)現(xiàn)新的藥理作用,因此該方法可用來預(yù)測原認為在生物學(xué)上不相關(guān)的兩個靶點之間的相似性;另一方面,具有不同功能的生物大分子(靶點)可能具有相似的藥物結(jié)合域,因此對與靶點結(jié)合藥物的化學(xué)特征和靶點分子的結(jié)構(gòu)進行相似性比較,可預(yù)測藥物的未知靶點。Keiser等將3665個已獲美國FDA批準(zhǔn)的藥物和仍處于研究階段的藥物與數(shù)百個藥物靶點進行比對。通過對藥物和配體集間的化學(xué)相似性進行比較,預(yù)測到了數(shù)千種未曾預(yù)料到的關(guān)聯(lián)。對其中30個關(guān)聯(lián)進行了驗證,有23個新的藥物-靶點之間的作用得到確認,其中有5個與預(yù)測靶點的結(jié)合強度較高(Ki<100nmol·L-1),如研究發(fā)現(xiàn)原作用于NMDA受體的離子通道藥物芐哌酚胺(艾芬地爾)對5-羥色胺轉(zhuǎn)運體具有抑制作用,原為胃腸蠕動刺激劑的外周多巴胺受體阻滯藥多潘立酮對α1A腎上腺素受體具有阻斷作用,原為腎上腺素α1阻滯劑治療高血壓和偏頭痛的吲哚胺對多巴胺D4受體具有拮抗作用,原為抗組胺藥和抗高血壓藥的二甲利嗪對α1A腎上腺素受體具有阻斷作用,安定藥氟丁酰酮對α1腎上腺素受體具有阻斷作用。其中一個化合物N,N-二甲基色胺與5-羥色胺受體作用的生理學(xué)意義在基因敲除小鼠上得到了驗證。在另一項研究中,Keiser等將65000個配體(藥物)與數(shù)百個藥物靶點進行相似性分析,使用配體(藥物)拓撲學(xué)計算每個藥物-靶點集合的相似性分值,并使用統(tǒng)計學(xué)模型對相似性分值的重要性進行排序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)麻醉藥美沙酮可靶向毒蕈堿M3受體,抗寄生蟲病藥依米丁可靶向α2腎上腺素受體,麻醉和止瀉藥洛哌丁胺可靶向神經(jīng)激肽NK2受體。上述方法通過化學(xué)相似性進行關(guān)聯(lián)分析,同時融合了必要的生物學(xué)信息,具有系統(tǒng)性和綜合性的特點,可為很多藥物副作用或新適應(yīng)癥的發(fā)現(xiàn)提供線索,是發(fā)現(xiàn)新的藥物作用靶點、開展藥物重定位研究的良好策略與方法。QSAR是指將化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)和其生物活性數(shù)據(jù)以一定的算式相聯(lián)系的定量關(guān)系。在采用QSAR方法研究藥物重定位過程中,為克服傳統(tǒng)方法中僅針對一個蛋白靶點預(yù)測化合物活性的缺點,有人開發(fā)了多靶點定量構(gòu)效關(guān)系(multitargetQSAR,mt-QSAR)的方法。Prado-Prado等使用mt-QSAR方法對文獻報道的700多個抗寄生蟲的藥物進行了分析,用線性判別分析處理并建模,結(jié)果表明所建模型在訓(xùn)練中的預(yù)測準(zhǔn)確率為93.62%(1160/1239例),外部驗證表明其預(yù)測準(zhǔn)確率為94.9%(573/607例)。Gonzalez-Diaz等采用mt-QSAR法結(jié)合MARCH-INSIDE軟件計算藥物和靶點的結(jié)構(gòu)參數(shù),同樣采用線性判別分析法尋求最佳模型,發(fā)現(xiàn)其所獲模型在訓(xùn)練中其預(yù)測準(zhǔn)確率為94.4%(3859/4086例),外部驗證準(zhǔn)確率為94.9%(1909/2012例)。Cheng等使用mt-QSAR和計算化學(xué)基因組學(xué)技術(shù)進行化學(xué)物-蛋白相互作用(chemical-proteininteraction,CPI)預(yù)測,從ChEMBL數(shù)據(jù)庫收集了兩個綜合數(shù)據(jù)集,一個數(shù)據(jù)集由50924個化合物和136個G蛋白偶聯(lián)受體之間形成的81689個CPI對組成,另一個數(shù)據(jù)集則由23376個化合物和176個激酶之間形成的43965個CPI對組成。受試數(shù)據(jù)集的接收者操作特征曲線(ROC曲線)的曲線下面積(AUC,反映敏感性和特異性連續(xù)變量的綜合指標(biāo),曲線下面積越大,診斷準(zhǔn)確性越高。)在運用100個GPCR所構(gòu)建的mt-QSAR模型上為AUC0.95到1,而在由100個激酶所構(gòu)建的mt-QSAR模型上為AUC0.82到1。使用化學(xué)基因組方法進行5倍交叉驗證的結(jié)果表明,運用兩個模型所獲得的AUC均約為0.92。上述結(jié)果提示,與mt-QSAR相比,計算化學(xué)基因組學(xué)技術(shù)在對外部數(shù)據(jù)集進行驗證時存在較高的假陽性率,其性能不如mt-QSAR。該研究者同時還開發(fā)了基于上述方法的可預(yù)測CPI的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,可免費使用,為網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和藥物重定位研究提供了可供選擇的方法和工具。2.2托非索裝置抑制劑的應(yīng)用基于藥物靶點的藥物重定位是指針對某一特定藥物靶點預(yù)測新藥或目標(biāo)化合物,通常使用配體-受體反向?qū)臃椒?。該方法可用于藥?靶點親和力預(yù)測、藥物-靶點相互作用預(yù)測等。如對已知生物活性但作用機制尚不清楚的候選藥物可預(yù)測其潛在的靶點,對于作用機制明確的藥物可通過反向?qū)铀褜に幬锎渭壈悬c信息,可用于藥物重定位及預(yù)測與藥物毒副作用相關(guān)的蛋白,也可用于小分子配體靶點的搜尋。但反向?qū)臃椒ú贿m于三維結(jié)構(gòu)未知的靶點。SELNERGY是一個基于反向?qū)拥某绦?能夠針對2000多個3D藥物靶點進行化合物靶向虛擬篩選。該程序已成功應(yīng)用于抗焦慮藥托非索泮的重定位研究。托非索泮于20世紀80年代上市,用于焦慮癥的治療,其特點是已過專利保護期、作用機制不十分清楚,且上市使用的是包含兩種對映異構(gòu)體的消旋體,具有研發(fā)出兩個對映異構(gòu)體藥物的可能,因而是一個具有較好前景的研究對象。做為具有非典型2,3-苯二氮艸卓藥物,托非索泮并不與苯二氮艸卓受體結(jié)合,因而避免了產(chǎn)生苯二氮艸卓類藥物的中樞副作用,但其作用機制一直不明。研究者所在團隊最近研究發(fā)現(xiàn)該藥具有PDE4抑制劑的作用,他們采用SELNERGY策略進一步研究發(fā)現(xiàn)托非索泮抑制PDE4的活性為亞微摩爾級,且其S-對映異構(gòu)體的活性比R-對映異構(gòu)體強10倍,這些研究為開發(fā)托非索泮與PDE4抑制劑作用相關(guān)的新適應(yīng)癥提供了有力證據(jù),提示SELNERGY是進行藥物重定位研究的良好方法之一。TarFisDock是一個基于網(wǎng)絡(luò)、基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫進行小分子-蛋白相互作用自動搜索的工具,它包含一個潛在藥物靶點數(shù)據(jù)庫和一個反向配體-蛋白對接程序。與傳統(tǒng)配體-蛋白對接不同,反向配體-蛋白對接的目的是通過篩選合適的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫為小分子尋找潛在的蛋白靶點。為檢驗TarFisDock方法的可靠性,研發(fā)者使用該工具在潛在藥物靶點數(shù)據(jù)庫庫中搜尋維生素E和4H-他莫昔芬的推定靶點,結(jié)果發(fā)現(xiàn),TarFisDock辨識得到的維生素E結(jié)合蛋白中得分最高的2個和得分靠前10%的候選靶點分別占已確認或經(jīng)實驗驗證靶點的30%和50%;TarFisDock辨識得到的4H-他莫昔芬結(jié)合蛋白中得分最高的2個候選靶點和得分靠前5%的候選靶點也分別占經(jīng)實驗驗證靶點的30%和50%。提示TarFisDock進行靶點預(yù)測可靠性較高,有望成為一種對老藥進行靶點辨識及機制研究的有用工具。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組脫靶研究技術(shù)是一種將分子動力學(xué)模擬、MM/GBSA自由能計算與配體結(jié)合位點比較以及生物網(wǎng)絡(luò)分析等進行整合以辨識已知藥物潛在靶外結(jié)合位點或靶點的方法,用于奈非那韋靶外結(jié)合分子的研究取得了明顯進展。奈非那韋是HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑類抗艾滋病藥,近年發(fā)現(xiàn)其具有多效抗腫瘤作用,實驗研究結(jié)果提示其可能通過抑制Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路而發(fā)揮抗腫瘤作用,但其確切的分子靶點并不清楚。Xie等采用結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組脫靶研究技術(shù)進行研究的結(jié)果表明,奈非那韋可抑制與腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的多個蛋白激酶樣超家族中成員,其中大部分蛋白激酶是Akt,MAPK,JNK,NF-κB,mTOR及相關(guān)信號通路的上游分子,作者推測奈非那韋對這些蛋白激酶弱但廣譜的抑制作用可能是其對不同類型腫瘤產(chǎn)生治療作用的重要原因。上述計算機預(yù)測的結(jié)果得到了激酶活性測定實驗的支持,且與已有實驗和臨床證據(jù)一致,這一結(jié)果為解釋奈非那韋具有廣譜抗腫瘤效應(yīng)的原因提供了分子基礎(chǔ),同時也為進一步研究和優(yōu)化奈非那韋的多向藥理學(xué)特性提供了線索。2.3網(wǎng)絡(luò)或表型研究方法的基礎(chǔ)從系統(tǒng)生物學(xué)的角度看,生物網(wǎng)絡(luò)平衡是健康的基礎(chǔ),疾病的本質(zhì)在于生物網(wǎng)絡(luò)的失平衡,藥物治療疾病的本質(zhì)則在于重建生物網(wǎng)絡(luò)的平衡或減輕平衡被破壞的程度。藥物治療復(fù)雜疾病的作用往往不是通過作用于單一致病基因而發(fā)揮的,而是通過調(diào)節(jié)或擾動“致病網(wǎng)絡(luò)”,從而影響疾病表型來實現(xiàn)的。基于網(wǎng)絡(luò)或表型研究方法的基礎(chǔ)是一藥多靶、一靶多藥且多個藥物-靶點相互作用可形成網(wǎng)絡(luò)的理論,這種生物學(xué)現(xiàn)象最直接的證據(jù)就是通過藥物-靶點二元相關(guān)性將美國FDA批準(zhǔn)的藥物和蛋白(或靶點)連接起來所建立的二部圖網(wǎng)絡(luò),經(jīng)定量分析,發(fā)現(xiàn)多數(shù)藥物或靶點呈現(xiàn)出冗余性的特征,即一個藥物對應(yīng)多個靶點,且一個靶點又對應(yīng)多個藥物?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,已有3種高級推理算法被用于藥物重定位研究,如基于藥物的相似性推理基于靶點相似性的推理和基于網(wǎng)絡(luò)的推理即基于藥物-靶點二部網(wǎng)絡(luò)拓撲相似性的推理。2.3.1gras基因和藥物的副作用關(guān)系除上述通過藥物結(jié)構(gòu)相似性進行藥物重定位研究外,根據(jù)藥物作用(生物效應(yīng))的相似性進行研究也是該領(lǐng)域的研究熱點。全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wideassociationstudies,GWAS)具有在全基因組范圍內(nèi)進行整體研究、獲得藥物全面作用信息的優(yōu)點,近年來被應(yīng)用于藥物重定位研究,取得了一些有意義的結(jié)果。Sanseau等通過對公開報道的GWAS數(shù)據(jù)進行分析后選擇其中991條GWAS相關(guān)基因用于潛在藥物靶點的評價,發(fā)現(xiàn)其中155條(15.6%)基因是全球范圍的藥物研發(fā)鏈上相關(guān)藥物或候選藥的靶點。進一步研究的結(jié)果表明,其中63條GWAS基因與GWAS性狀以及藥物的適應(yīng)癥相同或非常接近(認為匹配),更好地說明了藥物適應(yīng)癥是合適的;相反,有93條GWAS基因與藥物的適應(yīng)癥不同(認為不匹配),為藥物潛在新適應(yīng)癥的研究提供了線索,即為藥物重定位提供了機會。比如,他們在研究中發(fā)現(xiàn),用于治療絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松癥的單抗藥物地舒單抗靶向腫瘤壞死因子(配體)超家族成員11[tumornecrosisfactor(ligand)superfamily,member11,TNFSF11,也叫核因子NF-κB受體活化子配體(RANKL)];而Franke等通過GWAS分析曾發(fā)現(xiàn),TNFSF11與克羅恩氏病發(fā)生關(guān)聯(lián),其可能在炎癥性腸病中發(fā)揮重要作用。因此,他們推測,地舒單抗可能對克羅恩氏病具有治療作用,進而通過分別使用順式-調(diào)節(jié)變異和順式-e定量性狀位點分析等方法,證明了TNFSF11的等位基因(rs2062305[G])與克羅恩氏病發(fā)生的相關(guān)性,從而部分證實了他們的推測。通過藥物的副作用發(fā)現(xiàn)新的藥物作用靶點和機制是進行藥物重定位研究的另一個重要策略。Campillos等對已上市的746個藥物按副作用相似性建立網(wǎng)絡(luò)并進行網(wǎng)絡(luò)分析,構(gòu)建了一個由1018個副作用所驅(qū)動的藥物-藥物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),包括已知有共同靶點的407個藥物-藥物關(guān)聯(lián)和新預(yù)測出來的611個藥物-藥物關(guān)聯(lián)(或藥物對)。這611個新預(yù)測出的藥物-藥物關(guān)聯(lián)又可分為四類,包括有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)或相似靶點的158個、無已知人類靶點的119個、屬于同樣治療分類的73個,以及未曾預(yù)料到的屬于不同治療分類的關(guān)聯(lián)261個。由于這261個藥物-藥物關(guān)聯(lián)中既無相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),也無相同的適應(yīng)癥,用傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn),從通過計算預(yù)測藥物作用的角度來看意義更大,因此作者對其進行了詳細研究。他們選擇其中的20個進行了實驗驗證,發(fā)現(xiàn)有13個與所預(yù)測靶點之間在體外結(jié)合實驗中顯示了較高親和力,其中有11個與所預(yù)測靶點的結(jié)合常數(shù)小于10μmol·L-1(表2),被認為具有生物活性,足以引起副作用。進而,又選擇了9個藥物在細胞水平進行了活性檢測,結(jié)果活性全部得到了驗證,說明通過副作用(表型)相似性進行靶點預(yù)測的準(zhǔn)確性很高。研究結(jié)果提示,使用藥物作用表型(如副作用)相似性不但能推斷藥物是否共用一個靶點,還能闡明新的藥物-靶點相互作用,說明使用表型變化特點推斷分子相互作用及發(fā)現(xiàn)上市藥物的新用途是可行的。2.3.2激酶2抑制劑作用模式的系統(tǒng)計算及相關(guān)研究以網(wǎng)絡(luò)或表型為基礎(chǔ),基于靶點相似性的推理通常采用以下兩個策略:一是對基因表達譜相似性的擾動,二是對基因表達標(biāo)簽相似性的擾動。這兩種方法均需要首先獲得待研究藥物的基因表達譜。根據(jù)基因表達譜的相似性可預(yù)測藥物作用的相似性和新的作用方式,對藥物作用進行重定位。Lorio等構(gòu)建了一個由1302個節(jié)點(藥物)和41047個邊(具有相似性的藥物對)組成的藥物網(wǎng)絡(luò),進一步進行網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)致密連接區(qū)富集的藥物具有相似的作用方式或作用于同一生物通路,據(jù)此可預(yù)測藥物靶向的主要生物通路。將新的未知的化合物整合到該網(wǎng)絡(luò)中預(yù)測其治療效應(yīng)和脫靶效應(yīng),結(jié)果正確地預(yù)測了9個抗癌化合物的作用模式,其中發(fā)現(xiàn)了拓撲異構(gòu)酶抑制劑具有抑制細胞周期依賴的蛋白激酶的作用,該作用到目前為止還未見報道。進而,通過實驗證明了細胞周期蛋白依賴的激酶2抑制劑與拓撲異構(gòu)酶抑制劑作用模式之間未曾預(yù)料到的相似性,從而為化合物作用方式或模式的揭示提供線索。此外,還發(fā)現(xiàn)Rho激酶抑制劑法舒地爾亦是一種細胞自噬增強劑,因此,該藥除作為血管擴張劑用于缺血性腦血管痙攣外,還有望用于幾種神經(jīng)退行性疾病的治療。Sirota等則采用系統(tǒng)計算的方法,通過綜合測定藥物-疾病配對中的分子標(biāo)簽預(yù)測新的適應(yīng)癥。該研究將164個藥物的基因表達譜與100種疾病的基因表達譜進行整合,來預(yù)測這些藥物的潛在治療作用,結(jié)果既發(fā)現(xiàn)了許多已有藥物與疾病的關(guān)聯(lián)性,同時也預(yù)測到了這164個藥物的許多新治療作用。作者從100種疾病中找出了53種疾病的藥物-疾病的配對關(guān)系,164個小分子中的每一個分子都與53種疾病中至少1種相關(guān),而與這些藥物匹配數(shù)最高的疾病是癌癥,預(yù)測結(jié)果表明,組蛋白去乙?；敢种苿┓炙舅沁m應(yīng)癥最多藥物,對多種疾病都有效。進而,作者選擇了專利到期、價格低且副作用較少的藥物西咪替丁進行了實驗,結(jié)果表明,西咪替丁可使肺腺癌細胞生長減慢、分化減少并發(fā)生廣泛凋亡,使用肺腺癌小鼠異種移植模型進行實驗發(fā)現(xiàn),西咪替丁使腫瘤縮小的程度幾乎與化療藥多柔比星的作用相當(dāng)。上述研究表明,通過對基因表達譜進行系統(tǒng)計算是發(fā)現(xiàn)藥物新作用,進行藥物重定位研究的有效方法之一。采用基因表達標(biāo)簽(疾病發(fā)展過程中或經(jīng)藥物處理后顯著上調(diào)和下調(diào)的基因)的相似性進行藥物重定位研究時,通常采用如下方法進行:首先采用微陣列顯著性分析技術(shù),對兩套基因表達數(shù)據(jù)即基因表達庫中與疾病相關(guān)的芯片檢測數(shù)據(jù)和使用藥物處理細胞后芯片檢測數(shù)據(jù)進行分析,獲得基因標(biāo)簽,然后將疾病標(biāo)簽與藥物表達標(biāo)簽進行統(tǒng)計比較,產(chǎn)生一系列藥物基因表達譜。依據(jù)譜的相似性給每個藥物-疾病對分配一個分值,若分值為負值則表示藥物和疾病有相反的標(biāo)簽,提示藥物有可能對該疾病具有治療效果。采用該方法,Dudley等預(yù)測發(fā)現(xiàn)治療癲癇的藥物托吡酯對克羅恩氏病的治療分值較對該病具有確切療效的潑尼松龍還要高,預(yù)測也發(fā)現(xiàn)托吡酯對潰瘍性結(jié)腸炎也是最具療效的藥物之一。在此基礎(chǔ)上,采用三硝基苯甲酸誘導(dǎo)的炎性腸病大鼠模型檢測托吡酯的作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與潑尼松龍?zhí)幚斫M相比,使用托吡酯的模型大鼠腹瀉減少,炎癥和潰瘍均減輕,結(jié)腸黏膜層破壞減少,表明托吡酯對實驗性炎性腸病具有良好治療作用。上述研究表明,采用基因表達標(biāo)簽相似性推理的方法對于預(yù)測藥物新的適應(yīng)癥是非常有用的,是開展藥物重定位研究的有效方法。2.3.3藥物重定位研究基于網(wǎng)絡(luò)相似性(或稱網(wǎng)絡(luò)拓撲相似性)推理的方法,通常采用藥物-靶點二部網(wǎng)絡(luò)拓撲相似性推導(dǎo)已知藥物作用的新靶點。Cheng等采用基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理的方法,應(yīng)用FDA批準(zhǔn)的12483個藥物(靶向酶、離子通道、GPCR和核受體)和實驗獲得的靶點-藥物結(jié)合,建立了藥物-靶點網(wǎng)絡(luò),并預(yù)測了一些新的藥物-靶點相互作用。對其中40個藥物進行了體外實驗檢測,結(jié)果表明,其中5個老藥具有新作用。如發(fā)現(xiàn)白三烯D4受體拮抗劑孟魯司特具有抑制二肽肽酶-Ⅳ的作用(IC50=9.79mmol·L-1);雙氯芬酸、辛伐他汀、酮康唑和伊曲康唑具有雌激素受體結(jié)合活性(EC50均小于10μmol·L-1)。此外,在檢測藥物對細胞增殖影響的實驗中,發(fā)現(xiàn)辛伐他汀和酮康唑?qū)θ巳橄侔┘毎礛DA-MB-231具有很強的抗增殖活性(IC50分別為8.95和1.49μmol·L-1)。作者將本研究所采用的方法與前述基于藥物作用相似性推理的方法和基于靶點相似性推理的方法進行了比較,認為基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理的方法具有更高的預(yù)測準(zhǔn)確性和檢出率。Chiang等采用“連坐法”進行藥物-疾病相關(guān)性預(yù)測和藥物重定位研究,發(fā)現(xiàn)了近57000種藥物新用途,這些新用途為臨床試驗提供了新線索。進而,作者選擇了抗腫瘤藥物利妥昔單抗和抗動脈粥樣硬化藥阿托伐他汀兩種藥物對預(yù)測獲得的新適應(yīng)癥進行了驗證,結(jié)果表明,其預(yù)測到的新適應(yīng)癥多數(shù)正處于臨床試驗階段或已有報道,但也有一些預(yù)測到的適應(yīng)癥尚未見報道,如利妥昔單抗對白內(nèi)障、胃潰瘍和胃癌可能有效,阿托伐他汀對霍奇金淋巴瘤、乳腺癌和骨肉瘤可能有效。Cheng等認為,在上述三種基于網(wǎng)絡(luò)或表型的藥物重定位方法中,網(wǎng)絡(luò)相似性推理具有簡單、可靠的特點,優(yōu)于基于藥物相似性推理和基于靶點相似性推理的方法,也優(yōu)于其它一些反向?qū)蛹夹g(shù)。此外,基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理的方法還具有可根據(jù)研究者的需要,針對特定的靶點對藥物進行排序的優(yōu)點,也具有可針對給定的藥物,將其作用靶點進行排序的優(yōu)點。然而,基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理的方法也存在缺點,主要表現(xiàn)在該方法由于只使用已知的藥物-靶點相互作用信息,因此,還不能預(yù)測尚無靶點信息的新藥的靶點。如要對靶點不清楚的新藥進行靶點預(yù)測或重定位研究,則需將基于藥物作用相似性推理、基于靶點相似性推理和基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理三種基于網(wǎng)絡(luò)或表型的藥物重定位方法整合使用。2.3.4藥物-基因相互作用綜合運用基于藥物作用相似性推理、基于靶點相似性推理和基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理三種方法進行藥物重定位研究,可望提高預(yù)測的準(zhǔn)確性,但會帶來檢出率低的缺點。如根據(jù)藥物結(jié)構(gòu)相似性(基于藥物相似性推理的方法)、靶點序列相似性(基于靶點相似性推理的方法)和藥物-靶點相互作用網(wǎng)絡(luò)拓撲學(xué)特性(基于網(wǎng)絡(luò)相似性推理的方法),整合化學(xué)和基因組的二分圖學(xué)習(xí)法,對4類藥物-靶點(酶、離子通道、GPCR和核受體)相互作用網(wǎng)絡(luò)進行分析,預(yù)測新的藥物-靶點相互作用,獲得了較好的AUC值(與酶、離子通道、GPCR和核受體作用的AUC分別為0.904、0.851、0.899和0.843),說明其特異性和靈敏度較高,但是r值卻不高(酶、離子通道、GPCR和核受體的r值分別為0.574、0.271、0.234和0.148),說明其檢出率不高,有可能漏掉新的藥物-靶點相互作用信息。使用已知的基因-藥物相互作用關(guān)系、基因-基因相互作用網(wǎng)絡(luò)和藥物-藥物相似性參數(shù),將人類基因組的12460個基因按照與受試藥物的相關(guān)性和基因的功能進行排序,通過已知相互作用關(guān)系建立局部網(wǎng)絡(luò),對與基因產(chǎn)物相互作用的藥物和受試藥物在此局部網(wǎng)絡(luò)中的相似性(通過結(jié)構(gòu)和適應(yīng)癥)