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醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2025-08-04 19:29

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

作為深耕藥物研發(fā)一線(xiàn)的獵藥人,我們深知新藥研發(fā)的艱辛:一款成功藥物從發(fā)現(xiàn)到上市平均耗時(shí)10-15年,成本高達(dá)26億美元,且臨床試驗(yàn)階段失敗率超90%[1]。但今天,數(shù)智化技術(shù)正在重構(gòu)這一格局——AlphaFold3.0能在分鐘級(jí)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)與小分子結(jié)合構(gòu)象,AI虛擬篩選可對(duì)數(shù)百萬(wàn)化合物高效對(duì)接,電子實(shí)驗(yàn)記錄本(ELN)讓每一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都成為人類(lèi)和AI可復(fù)用的“數(shù)字資產(chǎn)”。本文將系統(tǒng)解析小分子新藥研發(fā)全流程的數(shù)智化方案,為科研人員提供從工具到戰(zhàn)略的全景指南。

 

一、數(shù)智化:新藥研發(fā)的“生存題”而非“選擇題”

醫(yī)藥研發(fā)數(shù)智化絕非簡(jiǎn)單的“技術(shù)疊加”,而是通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù),對(duì)研發(fā)全鏈條進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的重構(gòu)。其核心目標(biāo)明確:讓藥物研發(fā)更高效(縮短周期)、更經(jīng)濟(jì)(降低成本)、更精準(zhǔn)(提高成功率)。

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

為何數(shù)智化越來(lái)越重要?

1. 技術(shù)代差已迫在眉睫

2018年以前,解析一個(gè)藥物靶點(diǎn)蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)需要幾十人團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)年;而2025年的AlphaFold3.0,能在幾分鐘內(nèi)預(yù)測(cè)DNA/RNA/蛋白質(zhì)/小分子結(jié)合體結(jié)構(gòu),準(zhǔn)確率超90%,直接取代了80%的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作。這種效率躍遷意味著:未轉(zhuǎn)型企業(yè)將面臨“技術(shù)代差級(jí)淘汰”。

在小分子領(lǐng)域,這一變革更具顛覆性。傳統(tǒng)高通量篩選需投入大量人力、物力、財(cái)力篩選數(shù)萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)化合物,而AI生成模型可“從頭設(shè)計(jì)”符合成藥性的分子——未來(lái),候選藥物可能主要來(lái)自計(jì)算而非實(shí)驗(yàn)篩選,數(shù)智化程度將直接決定企業(yè)生存權(quán)。

2. 數(shù)據(jù)成為核心競(jìng)爭(zhēng)力

研發(fā)數(shù)據(jù)的價(jià)值正在獲得更多的重視:實(shí)驗(yàn)記錄、散落在各軟件系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)、臨床報(bào)告……這些“沉睡的數(shù)據(jù)”若能通過(guò)數(shù)智化工具激活,將成為創(chuàng)新的源泉。其中,電子實(shí)驗(yàn)記錄本(ELN)是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的“神經(jīng)中樞”——它不僅能替代紙質(zhì)記錄,更能實(shí)時(shí)整合儀器數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)文獻(xiàn)資料、對(duì)接外部數(shù)據(jù)庫(kù),讓每一次實(shí)驗(yàn)都成為“可追溯、可復(fù)用、可分析”的數(shù)字資產(chǎn),是所有科學(xué)研究的數(shù)據(jù)地圖。

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

3. 全球競(jìng)爭(zhēng)倒逼轉(zhuǎn)型

國(guó)際巨頭已構(gòu)建完整數(shù)智化體系:輝瑞通過(guò)“AI藥物發(fā)現(xiàn)平臺(tái)”將早期研發(fā)周期縮短40%[2],羅氏利用真實(shí)世界數(shù)據(jù)(RWD)平臺(tái)加速臨床試驗(yàn)入組[3]。我國(guó)不少創(chuàng)新型企業(yè)已經(jīng)擁抱數(shù)智化,如和記黃埔、和譽(yù)醫(yī)藥、益方生物;他們明白,若不加速轉(zhuǎn)型,不僅難以搶占國(guó)際市場(chǎng),甚至可能丟失國(guó)內(nèi)份額——這不是“選擇題”,而是“生存題”[4-7]。

 

二、小分子新藥研發(fā)全流程數(shù)智化方案

小分子新藥研發(fā)是一場(chǎng)“精密的接力賽”,從靶點(diǎn)識(shí)別到上市后監(jiān)測(cè),每個(gè)環(huán)節(jié)都需要數(shù)智化工具精準(zhǔn)賦能。以下結(jié)合實(shí)際研發(fā)場(chǎng)景,解析各階段的核心數(shù)智化技術(shù)與落地路徑。

(一)靶點(diǎn)識(shí)別:從“大海撈針”到“精準(zhǔn)鎖定”

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

傳統(tǒng)選擇靶點(diǎn)依賴(lài)人工查文獻(xiàn)和濕實(shí)驗(yàn),耗時(shí)12-36個(gè)月。數(shù)智化技術(shù)通過(guò)“多維度數(shù)據(jù)融合”實(shí)現(xiàn)突破:

•技術(shù)核心:利用自然語(yǔ)言處理(NLP)解析數(shù)百萬(wàn)篇文獻(xiàn)構(gòu)建知識(shí)圖譜,結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)(基因組、蛋白組)和AI預(yù)測(cè)模型,鎖定與疾病強(qiáng)關(guān)聯(lián)的潛在靶點(diǎn)。例如,通過(guò)AlphaFold預(yù)測(cè)靶點(diǎn)蛋白的“活性口袋”,提前判斷小分子結(jié)合可能性。

•數(shù)據(jù)支撐:內(nèi)部數(shù)據(jù)以ELN為核心,記錄基因敲除實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物模型藥效數(shù)據(jù);外部整合UniProt(蛋白序列)、OMIM(疾病基因)、KEGG(代謝通路)等數(shù)據(jù)庫(kù),形成“靶點(diǎn)-疾病-通路”關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

•效率提升:將靶點(diǎn)驗(yàn)證周期壓縮至6-12個(gè)月。英矽智能利用該方案研究特發(fā)性肺纖維化靶點(diǎn),僅用3個(gè)月就確認(rèn)TNIK為關(guān)鍵靶點(diǎn),較傳統(tǒng)方法縮短數(shù)年[8]。

(二)Hit苗頭化合物獲?。喝N路徑的數(shù)智化升級(jí)

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

獲取具有潛在活性的Hit化合物是研發(fā)的起點(diǎn),數(shù)智化讓三種傳統(tǒng)路徑效率倍增:

1. 專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)(Patent Busting)

通過(guò)AI專(zhuān)利分析相關(guān)工具(如InPaper、Schrödinger)解析現(xiàn)有專(zhuān)利化合物的核心結(jié)構(gòu),自動(dòng)生成SAR(構(gòu)效關(guān)系),可用于規(guī)避化合物的專(zhuān)利保護(hù)范圍(如改變?nèi)〈恢谩⒄{(diào)整環(huán)結(jié)構(gòu)),并通過(guò)虛擬篩選驗(yàn)證活性。

2. 計(jì)算機(jī)虛擬篩選

基于分子對(duì)接、藥效團(tuán)模型等技術(shù),對(duì)ZINC、PubChem等數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)百萬(wàn)化合物進(jìn)行“預(yù)篩選”。例如,利用AutoDock Vina結(jié)合GPU加速,1天內(nèi)可完成10萬(wàn)化合物對(duì)接;通過(guò)商用的碳硅智慧Inno-ADMET或免費(fèi)的SwissADME、admetSAR等計(jì)算工具預(yù)測(cè)成藥性,排除90%不符合理化性質(zhì)的分子[9, 10]。

3. 高通量篩選(HTS)

傳統(tǒng)HTS需手動(dòng)操作微孔板,數(shù)據(jù)記錄易出錯(cuò)。數(shù)智化方案通過(guò)“黑燈實(shí)驗(yàn)室”實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化:機(jī)器人完成移液、孵育、檢測(cè),數(shù)據(jù)直接傳入ELN并關(guān)聯(lián)儀器原始文件(如HPLC圖譜),貝葉斯優(yōu)化算法實(shí)時(shí)分析結(jié)果,動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)篩選條件。某案例中,該方案將篩選效率提升5倍,耗材成本降低40%[11, 12]。

(三)Hit-to-Lead:從“苗頭分子”到“成藥潛力股”

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Hit化合物需通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(SAR研究),從而發(fā)現(xiàn)Lead先導(dǎo)化合物,傳統(tǒng)依賴(lài)“試錯(cuò)法”,耗時(shí)12-24個(gè)月。數(shù)智化通過(guò)“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化”實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)迭代,節(jié)省50%-80%研發(fā)時(shí)間:

•核心工具:深度生成模型(如ChemBERTa)基于現(xiàn)有Hit結(jié)構(gòu)“生成”衍生分子,強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法自動(dòng)評(píng)估分子的活性、選擇性、代謝穩(wěn)定性;PyMOL、Discovery Studio可視化分子與靶點(diǎn)結(jié)合模式,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)修飾。

•數(shù)據(jù)整合:ELN和CMS(化合物注冊(cè)管理系統(tǒng))成為SAR研究的“數(shù)據(jù)樞紐”——記錄每輪化合物的合成路線(xiàn)、IC50值、毒性數(shù)據(jù),同時(shí)通過(guò)API接口調(diào)取ChEMBL(已知活性數(shù)據(jù))、BindingDB(結(jié)合親和力)等外部數(shù)據(jù),構(gòu)建“結(jié)構(gòu)-活性”預(yù)測(cè)模型。某團(tuán)隊(duì)利用該方案,將Lead優(yōu)化周期壓縮至6-12個(gè)月,成藥性預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)75%[13]。

(四)Lead to PCC:向臨床前候選化合物的“跨越”

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Lead化合物需通過(guò)二次驗(yàn)證、體內(nèi)外活性測(cè)試,一般在合成幾百到幾千個(gè)分子后,最終確定1-2個(gè)臨床前候選化合物(PCC)。數(shù)智化技術(shù)在此階段降低“實(shí)驗(yàn)室-臨床產(chǎn)品”轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn):

1. 二次驗(yàn)證與多參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)類(lèi)器官芯片(替代部分動(dòng)物實(shí)驗(yàn))測(cè)試Lead化合物的組織特異性,結(jié)合AI模型預(yù)測(cè)脫靶效應(yīng)(如激酶選擇性)。ELN記錄每次驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果(如細(xì)胞濃度、孵育時(shí)間、增殖速度),與CMS(化合物注冊(cè)管理系統(tǒng))繼續(xù)聯(lián)動(dòng)構(gòu)效關(guān)系,確保先導(dǎo)化合物優(yōu)化基于科學(xué)數(shù)據(jù),有數(shù)據(jù)可依。

2. 體內(nèi)外活性與PD/PK研究

利用數(shù)字動(dòng)物模型(如Simulations Plus的GastroPlus和ADMET Predictor)預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄(ADME),減少30-80%的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)量[14];自動(dòng)化藥代分析系統(tǒng)(如Sciex LC-MS)生成的數(shù)據(jù)直接傳入ELN,與體外活性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),快速鎖定“藥效-藥代”平衡的PCC。某項(xiàng)目通過(guò)該方案,將這一階段耗時(shí)從12個(gè)月縮短至8個(gè)月[15, 16]。

(五)CMC階段:從實(shí)驗(yàn)室合成到工業(yè)化生產(chǎn)的“無(wú)縫銜接”

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

CMC(化學(xué)、制造和控制)是藥物從實(shí)驗(yàn)室走向臨床的關(guān)鍵,數(shù)智化在此階段聚焦“工藝穩(wěn)定性”與“成本可控”:

1. 原料藥(API)工藝開(kāi)發(fā)

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化合成路線(xiàn):輸入ELN記錄的小試數(shù)據(jù)(如反應(yīng)溫度、催化劑用量、收率),算法自動(dòng)推薦最優(yōu)工藝參數(shù)(如連續(xù)流反應(yīng)條件),將API合成收率從30%提升至70%,雜質(zhì)控制精度達(dá)0.01%以下。諾華的連續(xù)制造技術(shù)正是通過(guò)該模式,將API生產(chǎn)周期縮短50%。

2. 制劑與晶型研究

AI晶型預(yù)測(cè)工具(如晶泰科技Xtalgazer和BIOVIA MaterialsStudio)篩選穩(wěn)定性最優(yōu)的晶型,減少60%的實(shí)驗(yàn)量;制劑開(kāi)發(fā)中,利用貝葉斯優(yōu)化(Bayesian Optimization)、DoE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))軟件結(jié)合ELN的處方篩選數(shù)據(jù),快速確定片劑、膠囊的最佳輔料比例。

3. 穩(wěn)定性研究

通過(guò)加速穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型(基于QbD框架),結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)(如濕度、溫度),記錄不同條件下的藥物降解速率,提前6-12個(gè)月預(yù)測(cè)有效期,避免傳統(tǒng)“長(zhǎng)期等待”的時(shí)間浪費(fèi)[17]。

(六)臨床前毒理學(xué)研究:用“智能模型”替代部分動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

傳統(tǒng)毒理研究依賴(lài)大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn),耗時(shí)6-12個(gè)月。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的摸索和總結(jié),2022年美國(guó)通過(guò)了《FDA現(xiàn)代化2號(hào)法案(FDA Modernization Act 2.0)》,F(xiàn)DA在當(dāng)年再次重申“減少、替代、優(yōu)化”臨床前動(dòng)物試驗(yàn),2023年FDA提出鼓勵(lì)各種新方法學(xué)(new approach methodologies,NAMs),2025年提出逐步取消對(duì)單克隆抗體和其他藥物研發(fā)中動(dòng)物試驗(yàn)的要求,還發(fā)布了減少臨床前安全性研究中動(dòng)物試驗(yàn)的路線(xiàn)圖[18-22]。數(shù)智化方案通過(guò)“替代模型+AI預(yù)測(cè)”,符合FDA趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)新方法突破:

•3D器官芯片(如肝芯片、腎芯片)模擬藥物對(duì)人體器官的毒性,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入ELN并關(guān)聯(lián)病理切片圖像;

•利用Derek Nexus、ToxPrint/ToxGPS等工具,基于化合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)遺傳毒性、心臟毒性、皮膚-光學(xué)毒性等,準(zhǔn)確率達(dá)70%以上[23];

•ELN整合毒理數(shù)據(jù)與前期PD/PK結(jié)果,生成“安全性-有效性”綜合評(píng)估報(bào)告,為IND申報(bào)提供支撐。

(七)臨床試驗(yàn):從“盲人摸象”到“精準(zhǔn)調(diào)控”

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

臨床試驗(yàn)是研發(fā)周期最長(zhǎng)(3-8年)、成本最高的環(huán)節(jié),數(shù)智化技術(shù)從“患者招募”到“數(shù)據(jù)管理”全流程優(yōu)化:

•患者招募:利用AI工具分析電子病歷(EMR)和真實(shí)世界數(shù)據(jù),快速匹配符合入組標(biāo)準(zhǔn)的患者,將篩選時(shí)間縮短20-90%[24-26]或增加24-50%的可入組患者[27];

•數(shù)據(jù)采集:電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(EDC)替代紙質(zhì)CRF,與CTMS(臨床項(xiàng)目管理系統(tǒng))、檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的ELN(電子實(shí)驗(yàn)記錄本)、eTMF(文檔管理)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)“臨床數(shù)據(jù)- 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”實(shí)時(shí)比對(duì);

•風(fēng)險(xiǎn)控制:中央隨機(jī)系統(tǒng)(IWRS)動(dòng)態(tài)分配受試者,臨床藥物警戒系統(tǒng)(CT-PV)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不良事件,AI算法提前預(yù)警高風(fēng)險(xiǎn)人群(如肝腎功能異常患者)。

國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)臨床試驗(yàn)通過(guò)數(shù)智化方案,顯著縮短了入組時(shí)間,并提高了數(shù)據(jù)核查效率[28-31]。

(八)上市后Ⅳ期研究:真實(shí)世界數(shù)據(jù)的“持續(xù)挖掘”

醫(yī)藥研發(fā)會(huì)用到哪些軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)?

藥物上市后需通過(guò)Ⅳ期研究監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期安全性與有效性,數(shù)智化在此階段構(gòu)建“全生命周期管理”閉環(huán):

•整合醫(yī)院HIS系統(tǒng)、醫(yī)保數(shù)據(jù)庫(kù)等真實(shí)世界數(shù)據(jù)(RWD),利用TriNetX等平臺(tái)分析藥物在大人群中的療效差異;

•EDC系統(tǒng)臨床數(shù)據(jù),為說(shuō)明書(shū)修訂提供依據(jù);

•新型信號(hào)檢測(cè)工具(如ARISg+ 社交媒體 + NLP),從廣泛覆蓋的多種信息來(lái)源,提前識(shí)別不良反應(yīng),及時(shí)發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[32, 33]。

 

三、數(shù)智化的“看得見(jiàn)的價(jià)值”:效率、成本與成功率的三重突破

經(jīng)過(guò)多團(tuán)隊(duì)實(shí)踐驗(yàn)證,數(shù)智化技術(shù)對(duì)小分子新藥研發(fā)的改進(jìn)已實(shí)現(xiàn)量化:

•周期縮短:從靶點(diǎn)到上市的全流程周期從10-15年可以壓縮至5-10年,其中靶點(diǎn)識(shí)別、化合物篩選等早期階段效率提升50%-80%;

•成本降低:AI虛擬篩選減少70%的實(shí)體化合物合成量,臨床試驗(yàn)患者招募成本降低30%,全流程研發(fā)成本降至5-10億美元;

•成功率提升:臨床前候選化合物進(jìn)入Ⅱ期臨床的成功率從傳統(tǒng)的30%提升至50%以上,核心得益于數(shù)智化對(duì)“成藥性”的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

四、未來(lái)展望:從“工具賦能”到“智能創(chuàng)造”

數(shù)智化的終極目標(biāo),是讓新藥研發(fā)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”變?yōu)?ldquo;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”,甚至“智能創(chuàng)造”:

•超級(jí)科學(xué)家數(shù)字員工:融合多學(xué)科知識(shí)的AI大模型,基于大量外部文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和內(nèi)部ELN\EDC數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析數(shù)據(jù)并提出創(chuàng)新假設(shè)[34,35];

•全鏈條數(shù)據(jù)聯(lián)邦:通過(guò)聯(lián)邦隱私計(jì)算技術(shù),實(shí)現(xiàn)跨機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)共享(如醫(yī)院、企業(yè)、高校),打破“數(shù)據(jù)孤島”,讓研發(fā)不再受限于單一團(tuán)隊(duì)的資源[36, 37];

•動(dòng)態(tài)優(yōu)化的研發(fā)網(wǎng)絡(luò):從靶點(diǎn)到生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)都可通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整,例如臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的不良反應(yīng)可即時(shí)反饋給Lead優(yōu)化團(tuán)隊(duì),用于發(fā)現(xiàn)第二代新藥分子[38-40]。

 

結(jié)語(yǔ):數(shù)據(jù)是根,數(shù)智是翼

回望藥物研發(fā)史,從青霉素的偶然發(fā)現(xiàn)到mRNA疫苗的快速上市,每一次突破都源于技術(shù)革新。今天,數(shù)智化的浪潮已至——電子實(shí)驗(yàn)記錄本(ELN)和臨床電子數(shù)據(jù)采集(EDC),作為藥物研發(fā)實(shí)驗(yàn)室階段和臨床階段的數(shù)據(jù)之“根”,承載著研發(fā)的每一份積累;AI、大數(shù)據(jù)作為“翼”,讓創(chuàng)新突破時(shí)空限制。

對(duì)于醫(yī)藥科研人員而言,數(shù)智化不是遙不可及的概念,而是觸手可及的工具:從明天的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始,用ELN、EDC規(guī)范記錄每一個(gè)數(shù)據(jù),用AI工具優(yōu)化每一次篩選,我們終將讓新藥研發(fā)不再“九死一生”,讓更多患者早日用上安全有效的好藥。

 

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