生物信息学与药物设计(生物信息学导论论文)

第1篇：药学生物信息学的研究范畴

1药学信息学的含义

药学信息学是将严密精确的数据分析方法作为处理海量数据的工具，以服务于药物的研发，安全性评价及市场的一门学科。药学信息学借鉴了经济学、统计学、药物流行病学、健康服务研究等的相关知识。药学信息学描述前所未有的数据、学科和技术的交叉。药学信息学的本质己经深深地埋入医师、药师及相关从业人员通过计算机和互联网获取并处理海量数据中。

一种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。目前国内外对于药学信息学的研究只是局限于从技术的角度，以计算机技术进行新药的分子模拟和虚拟筛选，而对于新药从发现到上市各个发展进程中产生海量的数据流和信息流尚无系统的理论研究和实践探讨。

2药学信息学的研究范畴

药学信息学的研究范畴为技术信息学和服务信息学。技术信息学以计算机及其相关技术完成了新药的虚拟筛选。服务信息学以信息学的理论及方法研究着产品研发、商品化、上市及质量控制过程中产生的信息流。

2.1技术信息学

技术信息学包括系统生物技术信息学、基因技术信息学、免疫技术信息学、计算毒理学技术信息学、化学反应技术信息学、代谢组技术信息学和中药信息学。

2.1.1系统生物技术信息学：系统生物技术信息学以生物系统的综合研究作为一个单位，同时利用信息技术研究和诠释生物系统的功能。生物系统可以以任意水平成立——亚细胞、细胞器、细胞、器官、组织或有机体。这一研究需要对生物分析和计算生物学工具无缝整合。生物系统技术信息学的主要任务是超越转录和蛋白质之间的相互作用。生物系统技术信息学改革了新药研发的过程，同时增加了研发药用替代品的成功率。

2.1.2基因技术信息学：基因技术信息学是与生物信息学密切相关的，他以各种方法和算法从快速增长的生物序列海量数据库中分析和提取生物相关信息。这个过程产生了一种新的数据，这种数据导致了新的基因序列的产生。基因技术信息学有助于在新药发现过程中大量的靶向选择最优化、基因表述的简化、在细胞核基因水平上解释变异的发生等等。基因技术信息学的主要成果是开发和应用一种诠释标准，如本体，它提供了领域知识的概念，便于研究人员和计算机之间的交流。

2.1.3免疫技术信息学：免疫系统将抗原作为宿主有机体产生合适的反应，抗原包括病毒、细菌、寄生虫、真菌、肿瘤和移植体。免疫技术信息学是通过信息技术研究免疫过程，通过将免疫成分建模诠释免疫功能。

免疫技术信息学直接影响着新药研发的下述领域：鉴定与免疫学疾病相关的新基因、解释药用抗原表达途径与人类疾病之间的关系、预计药物分子的过敏反应、个性化医药和药用疫苗研发。

2.1.4计算毒理技术信息学：计算毒理技术信息学的任务是应用信息技术和计算机科学预测药物分子的毒性，它需要能预测毒性的计算方法。计算毒理技术信息学的研究为构效关系建模(StructureActivityRelationshipSAR)及其规则。典型的毒性预测系统有TOPKAT、MULTICASE、COMPACT等等。软件DEREK、HazardExpert、OncoLogic等等是计算毒理技术信息系统的规则。计算机辅助毒性预测（ToxicityPredictionbyKomputerAssistedTechnology，TOPKAT)用定量结构一毒性关系（)通过来自于3000个分子片段的像电性质（电荷、电密度、剩余电负性和有效极性）这样的电子拓扑参数、键合参数、形状参数(Kappa形状指数）和结构参数表述了所建立的模型.基于现有知识的风险预测系统是一种知识系统（DeductiveEstimationofRiskfromExistingKnowledge，DEREK)他预测了致突变性、致癌性、耐受性、刺激性、过敏性、免疫毒性和神经毒性。它有一个含有基于QSAR领域文献报道的毒性载体组成的知识库.ONCOLOGIC就是一个基于知识的专家系统，它用于预测化学致癌性。

2.1.5化学反应技术信息学：除了化学信息学处理分子的信息外，化学反应信息学在药学信息学中也起了一个举足轻重的作用。化学反应信息学便于药物化学家探讨药物合成反应路线，快速设计和记录全部试验。目前14亿~2亿个反应广泛的被收集于各种各样的化学反应数据库（CASReact、ChemReact、CrossFirePlus等）中.化学反应信息学数据库含有下述信息：反应物和产物、原子谱、与反应中心相关的信息、使用的催化剂、反应环境、使用的溶剂、产率、光学纯度及参考文献。化学反应信息学将有助于药物化学家获取反应信息、从化学反应中创造新知识、预测化学反应的过程和结果和设计合成路线。化学反应信息学的分析工具可以完成如下任务：存储和检索化学反应信息、比较和分析反应集合、定义反应类型的范围和限制、建立化学反应性模型、预测化学反应过程、分析反应网络、开发药物合成设计方法。

2.1.6代谢组技术信息学：代谢组学是一个类似于基因组学、转录组学、蛋白质组学等等的多“组学”新兴学科。该领域的成长与信息技术密切相关。药物发现代谢组技术信息学对靶向识别、作用机制和药物毒性途径作出了贡献。信息技术进行着代谢物靶向分析、代谢物描述、代谢物指纹建立等等。药物发现代谢组技术信息学包括药物代谢信息学和代谢途径信息学。代谢数据库常常包括与氨基酸、维生素、抗氧化剂等等相关的生物流体、细胞和特异性组织的信息。目前还没有完全的代谢组数据库，但是，不同的机构正在以此为目标而努力。

2.1.7中药信息学：中药信息学是以计算机为主要工具，首先对蕴藏着大量中药学、化学、药理学和生物医学信息的文献资料进行分析、归类和整编。这包括将中药的原植物、化学成分、药理作用和传统中医药经验理论中的药材性味、方剂配伍、适应证和药效等信息进行数字化处理，再整合大量随机的生物实验和色谱、光谱数据，然后根据研究课题的需要采用适当的数据挖掘方法分析这些数据，从而迅速提取隐含的有价值信息并挖掘出有逻辑性和规律性的知识。这是新的历史条件下中药信息学(TraditionalChineseMedicineinformaticsTCMinformatics)的主要研究内容，也是现代中医药研究的重要组成部分涉及到中药化学及药效物质基础研究、中药质量控制研究、中药药效检验与评价研究领域和现代中药优化设计与研发研究。

2.2服务信息学

从新药产品立项到最终患者使用流程中各环节间的信息流，服务信息学的研究对象就是这样的信息流。所以服务信息学包括药疗信息学、药研信息学和药品信息学。

2.2.1药疗信息学：药疗信息学是应用计算机技术存储、检索和分析药品及处方信息。药疗信息工作者通过药学信息管理系统开展工作，帮助药剂师做出关于患者用药方面的决策，主要处理医疗保险记录，药物不良反应和处方及患者信息。

药疗信息学作为药学信息学的分支学科，它的定义众多。

InformationManagementSystemsSociety(HIMSS)的定义是目前比较通用的一种定义：药疗信息学是通过咨询、存储、分析、利用和传送最佳的患者服务结果，处理医药品相关的健康服务系统中的数据和知识的学科。

越来越多的药疗信息学的应用显示了一个合作共享的趋势：同一部门中的不同系统可以共享信息资源；不同部门，不同机构之间可以共享信息资源。在药疗信息学的环境下，过程被整合；人员效率被提高；成本被降低；信息被准确无误的传达到需求的人手中；药学服务被改善。药疗信息学的飞速发展使得药学从业人员从传统的工作状态中解放出来，使其最有价值人力资源财富及技术资源财富最大程度地用于健康服务中。药疗信息学的未来目标将是人工智能和电子药学顾问。

2.2.2药研信息学：一个药品生产中的任务环节众多.在理想的状态下，每一阶段的操作都是相对独立的。并且产生了预期信息。这些信息在合适的时间传至下一个阶段。但是实际上，由于在每一个阶段会产生较多的信息使得大量的步骤会重新开始。在此过程中的不同阶段的信息流是海量的，同时对下一步的技术及商业数据将产生高度的不确定性。此外，用于支撑生产的技术说明书和信息基础的面广量大，因而必须实施有规律的监控。目前，现代制药工业还有许多信息孤岛存在，这些孤岛与外界没有全面的交流，从而使得从业人员在计算机辅助的查询、管理、分析和诠释复杂产品和产生的信息方面受到限制。因此导致了无效性、不确定性、成本花费、时间拖延及其在产品研发过程中的所有质量控制缺陷均发生。为了能够有效地面对这一挑战，一个基于网络的信息构建用于支撑全部生产过程的关键决策，包括产品文件选择、生产分配、过程控制和质量控制、生产计划、生产安全性分析和供应链管理。全过程中的数据/信息/知识流被建模。我们将此构建称之为药研信息学。

药研信息学包括制药工业过程信息学和药物质量控制及药物检验信息学。

信息和控制在自动化的工业过程是密不可分的。因此，制药工业过程的信息采集及处理至关重要。从信息管理的角度看，人员、设备、物料、反应条件等信息的有效管理，关系到药物制造质量及效率。有关制药工业过程信息学正在成为药研信息学最为活跃的领域之一。

同时，药物质量控制和药物商品检验正在成为一个独立的药研信息领域，此领域涉及进入医院药房和商业药店药品的质量控制，药品的所有物理学及化学、药剂学、药理学及毒理学参数要符合药典的要求。分析方法要符合有关国家标准。药物质量控制和药物商品检验是独立于药物制造和商业经营机构的机构，需要政府及专业学会机构的授权认证才可以行使其职能。

2.2.3药品信息学：药品信息学主要是研究保证公民用药安全、有效、经济、合理、方便、及时、不断提高国民的健康水平，不断提高药事组织的经济、社会效益水平的相关信息的整序、处理及利用。药品信息学主要研究药品商业信息、药房及药店管理信息、药品产业投资信息、政府药品管理信息。

(1)药品商业信息：物流及药物市场需求，医院及药店药品库存状况信息无论对患者治疗还是对制药企业都非常重要，因此，制药企业、药物销售和医院药房及药店一体化的实时商业信息系统会及时反映药物需求，并据此作出企业及市场策略。一体化的信息系统还可以及时全面废黜和终止己确认停止使用和制造的药物，同时有助于节约资源。另外一个商业信息领域是药物的电子商务，包括客户关系管理、实时支付系统。

(2)药房及药店管理信息：药房及药店管理正在走向信息化，RFID—射频识别标签技术可以及时反映药品库存信息，自动售药系统可以识别医师处方以及药师所开的非处方药，甚至可以自动审查医师处方中是否存在用药安全问题。

(3)药品产业投资信息：制药业的投资及资金在实验研究、药物制造及商业流通中的分布无论对于政府宏观调控、确定科技产业政策，还是金融界决定投资方向都很重要，同时参考市场需求信息，制药行业将处于平衡发展的局面。

(4)政府药品管理信息：由于药物研究、安全用药问题、药物质量控制和价格监督问题关乎人民健康及生命安全，政府对于药物行业的严格控制非常重要，政府的信息获得、根据法规的控制以及政策发布是通过政府的信息系统获得的，政府信息采集的方法学研究正在受到关注，有统计学问题，有技术问题，还有获得和发布信息的法律、社会学和伦理学问题。

药学信息学是一门年轻的学科，还有一些方面需要进一步研究。首先，需要构建处理海量数据的标准化整合平台，平台上的软件以统一的接口整合前体化合物的评价参数、ADME数据和体外实验数据；其次，非结构化数据，像文本、图像等的处理和检索[||]；第三，用于毒性簇、生物电子等排体和分子指纹图谱以及数据纠错的模式识别技术的研究和改进；第四，数据集合的准确获取和智能甄别。

综上所述，药学信息学是一门既不同于传统意义上信息学范畴，又不同于传统意义上药学学科范畴的十分有发展前景的边缘交叉学科，药学信息学既是药学学科的一个分支科学，也是信息学中的一个分支科学，它处理的是药学领域中的信息流，包括分子模拟的技术信息流和药学服务中的服务信息流。药学信息学属于领域信息学，涉及到药学领域研究的各个阶段。

作者：顾东蕾①王润海①朱正唯②（①中国药科大学图书馆江苏南京210009；②南京中医药大学第一临床医学院江苏南京210046）

第2篇：探讨生物信息学在药学专业设置的必要性

随着人们生活水平逐步提高，健康问题越来越受到重视，早期的药物由于存在很多缺陷已经很难满足人们的需要，新药物的研发已迫在眉睫。自从人类基因组计划开展以来，基因的信息呈几何级速度增长，通过各种基因信息筛选新药已成为研究的重中之重。

生物信息学是分子生物学、计算机信息科学及统计学等的交叉学科，是从事对基因组研究相关的生物信息的获取、加工、储存、分析和解释，是当今科学学科领域中最具发展前景的学科之一。随着生物信息学的广泛应用，其在新药设计研究中也崭露头角，并且发挥着越来越重要的作用。

但是，目前只有少部分学校在药学专业中设置了生物信息学课程，如清华大学、北京大学等，这些学校药学专业学生的就业相比较其他未设置生物信息学课程的学校要好很多。其中原因很多，但最重要的一点就是生物信息学已经越来越多地融入医药的应用当中，尤其是分子生物学技术的快速发展及后基因组时代的到来，药物资源的研究也面临着海量数据的挑战，将生物信息学的云计算手段运用到药物资源研究中已经是必然的趋势。本文就生物信息学的重要性以及在药学专业设置的必要性进行初步的探讨，希望能为药学专业学生课程设置及将来就业提供一定的帮助。

1生物信息学

生物信息学的起源于20世纪80年代末，随着1991年美国、英国等国家开始实施的人类基因组计划的启动而诞生的一门包括分子生物学及计算信息学、统计学的交叉学科。基因是生物的基本遗传单位，基因组学是对基因及基因组的研究，最早出现始于1986年，主要是指从基因组水平研究遗传物质及相关信息的学科。目前，生物信息学的研究主要分为3个方向，主要有基因组学、蛋白质组学和药物靶点筛选。

2生物信息学在药学专业设置的必要性

目前，生物信息学在药学中已经开始应用，并且取得一定成效，尤其在中药材鉴别、药物功能基因筛选、药物设计中深受好评。

2.1生物信息学在中药材鉴别中的应用我们在中药材的鉴定中一直沿用四种鉴别方式，即来历鉴定、特色鉴定、理化鉴定、显微鉴定。随着后基因组的到来，生物信息学也被用于中药材的鉴定当中。

2.1.1生物芯片技术它们在中药鉴定研究中都有所应用，如在对中药贝母DNA序列分析的基础上运用生物芯片技术鉴定中药贝母取得了良好的效果。川贝母由于镇咳祛痰的效果显着、副作用小、价格昂贵，所以伪品屡见不鲜。阅读文献发现已经有人对四种主要贝母品种，如川贝母、浙贝母、皖贝母和湖北贝母进行了序列分析，研究结果发现，川贝母有一种特殊的5srRNA，通过这些序列制作探针，制成芯片，把将要检测的样品的DNA扩增后标记荧光，再与芯片上探针进行分子杂交，人工通过电脑荧光检测即可准确分辨川贝母。

2.1.2DNA条形码在判定中药材时常用的数据库是NCBI的Nucleotide数据库、欧洲生物信息学研究所（EBI)的EMBL-DNA数据库和日本DNA数据库（DDBJ)，其中NCBI最为常用H。使用ITS2条形码鉴别方法具备通透性好、可重复性、易于推行和标准化等优势，它已经成功地用于中药材混淆品种玫瑰及月季的甄别。

2.1.3系统发育树随着后基因组时代的到来，关于核酸序列的数据大量增长，系统发育树的应用愈来愈广泛。在中药材鉴别中，可以找到不同种群间的系统发育关系，也可以找到相同种群的不同药材的系统发育关系。因此，它对中药材易混品种的鉴别极其有效，人们已经开始进行这方面的研究。

2.2生物信息学对药物功能基因筛选的应用药物功能基因的筛选有助于更进一步了解疾病的产生过程和作用机制，以及为疾病的预防、治疗和诊断奠定基础。近些年，通过药物功能基因的筛选来确定基因能否成为药物的靶点或直接作为药物应用逐年流行起来。

2.2.1SAGE技术SAGE(systemanalysisofgenesexpress，基因表达系统分析技术）可以用于检测DNA芯片不能检测的基因，无需思考检查基因是已知还是未知。可以用来分析一个细胞或者一个微生物的转录组内容，也可以用于基因的定性和定量分析。SAGE技术在医学、药学、生物学方面都有广泛的应用，但是在中药功能基因的筛选方面的应用还比较少。

2.2.2EST技术通过EST(expressedsequencetag，表达序列标签）技术建立基因数据库的中药药用植物的有人参、薄荷和甘草等。因此，利用EST技术建立中药药用植物基因数据库对中药药用植物功能基因的筛选和利用创造了有利的条件。

从以上论述可以看出，生物信息学对于未来的研究型医学人才开展高水平研究参与国际竞争必不可少。无怪乎医学界老前辈吴民院士早就指出：发展基因组学和生物信息学刻不容缓。

2.3药物设计近年来随着分子生物学以及其他生物学的迅速发展，相当数目的蛋白质结构获得准确的测定，通过生物大分子结构进行药物靶点设计成为目前研究的重点。生物信息学的研究不仅预测蛋白质的空间结构，还可提供蛋白质等大分子的空间结构及相关信息，还能提供电子布局的信息（如能量级别、表面电荷分布、分子轨道相互作用等）以及动力学行为信息(如生物化学反应中的能级变化、电荷变化、空间结构变化等）。理论模拟还可研究包含蛋白质等大分子及其周围环境的复杂体系和生物分子的量子效应，给精确高效的药物设计提供保证。

3生物信息学课程的设置

北京大学从2000年开始招收生物信息学本科生，有关高等院校和研究机构的研究生培养也在曰益加强，还有些单位在非专业学生中开设了生物信息学选修课，但更多学校对这一领域和学科的关注仍显不够。

除了上述学生把生物信息学作为研究方向，大多数生物医学工作者只是将生物信息学作为研究工具来使用，因此生物医学高等院校的生物信息学教学也应紧密围绕应用来开展。这要求在课程的设置上充分考虑学生不同阶段的学习需求，对本科和研究生阶段的教学设置作出弹性安排，以选修课为宜，课时安排尽量紧凑，讲求效率，上机实习占有一定的教学比重。内容上以各种核酸和蛋白序列数据库资源及分析软件的应用为主，以原理和算法为辅；在本科和研究生阶段既有一定联系又不至于过多重复，便于学生根据自己的发展计划和需求作出合理选择。课程主要由生物学与生物信息学、DNA测序技术、生物序列的比对、motif搜索、蛋白质折叠方法、生物序列的重复模式、DNA编码区检测、基因进化、生物信息学平台等构成，大约30-36学时。课程的组织实施需要量力而行。如果不具备单独组建教研室的条件，可抽调计算机应用和生化、分子生物学专业的老师共同组建教学组，给以一定的经费、设备和政策支持，使其能较好地开展生物信息学教学和实习工作。

4展望

生物信息学是一门以计算机技术及分子生物学知识为基础的课程，药学专业的学生刚一接触肯定难以适应。在讲授基本理论的同时，需要适当增加一些实例数据的处理，或者讲授一些根据生物信息学而设计药物的实例，以激发药学专业学生学习的兴趣。一旦药学专业学生能够学懂且能运用生物信息学的知识，对于他们将来就业以及我们国家新的医药产业的发展，都是巨大的帮助。

作者：徐广宇，杜培革，侯志东，韩笑，安丽萍"（北华大学药学院微生物与生化药学教研室，吉林132013）