药理学专业科研难题的突破路径探究

摘  要：生物医药产业的源头创新依赖于创新型人才的培养，研究生教育是培养高层次创新人才的主要途径。然而，科技创新和探索未知困难重重，研究生开展新课题研究经常遇到科研难题的困扰和挑战。该文依据药理学实验研究的实践经验和基础科研的典型案例，初步探讨如何帮助药学类研究生创造性地解决科研难题，培养创新性思维的方法和途径。

关键词：创新；研究生；药理学；科研难题；突破路径

中图分类号：G304      文献标志码：A        文章编号：2096-000X（2024）28-00５９-0４

Abstract： The original innovation of biomedical industry largely depends on the cultivation of innovative talents， and postgraduate education is the main way to cultivate high-level innovative talents. However， scientific and technological innovation and exploration of the unknown are very difficult; graduate students carrying out research on new topics often encounter the troubles and challenges of scientific research problems. Based on the practical experience in pharmacology research and typical cases of basic scientific studies， this paper initially discusses the methods and approaches to help graduate students in pharmacology creatively solve scientific research problems and cultivate innovative thinking.

Keywords： innovation; graduate students; pharmacology; research challenges; a breakthrough path

生物医药产业是维护人民健康、保卫国家安全的战略性新兴产业，我国的生物医药研发正在经历从仿制药到真正做源头创新药的转变。药物和药理学基础研究是新药研发的源头和关键，国家政策和医药研发企业都非常重视基础研究领域的科技创新和人才培养[1-2]。研究生教育是培养高层次创新人才的主要途径[3]，近年来，随着研究生教育规模的持续扩大，社会各界对药学类研究生的创新能力提出了新的挑战和要求[4]。研究生开展课题研究不能重复已有的科学发现，然而，创新和探索未知犹如开垦陌生土地，必然要面对重重困难。如何帮助药学类研究生创造性地解决科研难题，是教育管理者和研究生导师需要思考的问题。笔者作为药理学专业的研究生指导教师，长期指导学术型研究生从事基础神经药理学方向的实验研究工作。从多年的科研和教育工作实践中发现，研究生在科研工作中遇到难题和挑战，研究进度停滞不前的时候，恰恰是挖掘和培育创新性思维的良好机会。为此，本文初步探讨了如何化困难为机遇，帮助学生积极寻求突破科研难题的创新路径，供药理学专业的研究生参考、补正和再总结。

一  改进实验方法，打破原有框架

新进入实验室的研究生首先要学习实验技术方法、动手能力、实验室常识，只有掌握了正确的实验方法才能做出符合预期、可重复的实验结果。熟练的实验技能是从事科学研究的最基本要求[5]。学习和掌握实验技术的途径有两个，一是向实验室的师兄、师姐和熟练的技术人员请教；二是重复已知的实验现象，检验自己的实验技能是否过关。

熟练掌握了实验技术方法以后，仅仅只证明了自己可以重复前人的实验结果，若要熟能生巧，做出创新性、有价值的新成果，还需要发挥自己的主观能动性，创造性地修正和改进现有的实验方法。这是为什么呢？科学研究最突出的特点是不断创新，创新性是一项新研究课题的首要属性，也是科研工作的困难所在。创新意味着打破原有的框架，采用与前人不同的实验标本和研究对象，从中发现未知的规律和变化机制。科学研究的无数史实表明，完全照搬成熟陈旧的实验方法有时还会妨碍新发现。以神经药理学中阿片受体 （Opioid receptors）的发现为例，吗啡类制剂的强大镇痛作用提示脑内存在这些物质的接受体（Receptor），但是直到1971年仍然无人证实该受体的存在。1972年，约翰斯·霍普金斯大学的一名女研究生珀特在导师斯奈德的授意下，用放射性配体受体结合实验寻找鼠脑中的阿片受体[6]，实验要先用放射性元素标记配体（受体的激动剂或拮抗剂），再将配体与脑组织样品一起孵育，使预想中的阿片受体与配体结合，然后用过滤或离心方法除去未结合的标记物，余下的应该是配体与受体相结合的复合物。珀特起初参照了寻找胰岛素受体的样品处理方法，尝试了多种阿片受体激动剂，但是得到的特异性结合始终是零，阿片受体研究一度无法突破。此时面临两个选择：一是确信现有的实验方法和步骤没有问题，否定阿片受体和停止研究；二是仍然相信这个假说，改变实验方法继续摸索。珀特选择了后者，她坚信有阿片受体，继续试用不同的放射性配体，改变样品孵育的温度和时间，改进过滤和冲洗技术以防止结合物被滤掉，这些细小的改动逐渐累积，直到最后采用了一个阿片受体拮抗剂——纳洛酮，实验成功了。相比改进后的实验方法，旧实验方法中激动剂与受体的结合率较低，在过滤和离心过程中还被冲洗掉了，所以得不到结合物。珀特通过修正和改进旧的实验方法找到了阿片受体，1973年3月9日在《科学》杂志发表论文《阿片受体：在神经组织中的证明》，从此打开了阿片受体的大门。

遭遇失败是科学实验的常态，拿不到预期结果的时候，通常会思考问题出在哪里，是科学假说有问题，还是实验技术的问题。从以上实例可以看出技术因素对发现新事物的重大影响，当下的药理学研究采用的技术手段更加复杂多样，有基因操纵、分子生物学、组织形态学、电生理学、动物行为学、生物信息学和人工智能等技术方法，实验技术层面的问题和影响因素会更多。所以，面对导师交给的课题思路和科学假说，如果长时间得不到求证，先不要急于否定假说和改变研究方向，要大胆打破原有技术框架，改进实验方法和操作步骤，多做尝试和留心细节，反复检验改进后的效果，直到实验取得成功。

二  老药新用，化腐朽为神奇

药物研发和药理学研究的历史表明，发现全新的药物靶点是一项极其困难的工作。苏格兰药理学家詹姆斯·布莱克在1988年获得诺贝尔生理学或医学奖之后说：“发现新药的最优选择是从老药入手。”当下，由于新药研发的临床试验不断遭遇高失败率，加之创新药物靶点的稀缺，医药界越来越重视如何根据临床需求挖掘老药的新用途，“老药新用”的策略和路径正在为医药创新提供重大机遇。老药新用是指对已经上市或正在临床使用的药物，拓展它们的新用途和新适应症，发掘老药的新用途可以免除已知的毒理学和药代动力学评价，极大缩短药物开发的时间和投入成本，成为许多制药公司和研究机构布局的重要战略方向。

药物研发历史上老药新用的案例很多，例如金刚烷胺起初是用于抑制流感病毒的抗病毒药，1966年批准其作为流行性感冒的预防用药，1972年意外发现金刚烷胺能缓解帕金森病患者的震颤麻痹症状，现在已经是治疗帕金森病的常用药物。西地那非（Sildenafil） 是辉瑞公司（Pfizer Inc.）研发的一款磷酸二酯酶5型（PDE5）抑制剂，初衷是用西地那非治疗高血压和心绞痛，由于临床试验发现其疗效明显弱于心绞痛一线药物硝酸甘油，1993年宣告失败；然而，后来发现西地那非能扩张肺血管并间接降低肺血管的重构，2005年获食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗肺动脉高压。再比如瑞德西韦（Remdesivir）最早是用来对抗埃博拉病毒的，2020年初被发现可用于治疗新型冠状病毒感染。

沙利度胺（Thalidomide）是“老药新用”、化腐朽为神奇的典型案例[7]。1957年，沙利度胺作为一种妊娠反应止吐药物，取名“反应停”上市和广泛使用，其后不久发现大量因服用沙利度胺所致的婴儿畸形——海豹肢症，如唇裂、耳廓缺失、短肢畸形等，很快被许多国家强制撤回。沙利度胺一度饱受非议，其致畸作用机理和副作用一直备受关注，后来发现沙利度胺竟然对皮肤病和多种癌症有治疗作用，1998年被批准用于治疗麻风结节性红斑，2006年批准与地塞米松联用治疗多发性骨髓瘤。深入研究沙利度胺的药理学作用，发现它有多个作用机制和靶点：免疫调节、抗新生血管生成、影响骨髓微环境和促进肿瘤细胞凋亡等。

近年来，我国医药学领域的科研人员不断探索老药的新用途，取得了一系列有价值的研究发现。例如，上海交通大学医学院附属仁济医院首次将治疗贫血的老药叶酸用于胃癌防治，发现叶酸可以治疗慢性萎缩性胃炎，从而可有效预防胃癌的发生；目前，叶酸疗法已写入《中国慢性胃炎共识意见》，这是国际上首次将叶酸用于防治这类疾病[8]。复旦大学肝癌研究所发现免疫调节老药干扰素可显著提升肝癌患者术后生存率[9]，干扰素作为肝细胞癌的辅助治疗已经纳入我国《原发性肝癌诊疗指南（2022年版）》。再如，上海交通大学医学院附属仁济医院联合中国科学院上海免疫与感染研究所研究发现，治疗器官移植抗排斥反应的老药——雷帕霉素对系统性红斑狼疮有潜在治疗作用[10]。

从以上“老药新用”的成功案例看，该方法途径是基于一个药物有多个作用靶标，对目标药物的主要作用和副作用再做深入研究，可能发现治疗其他疾病的新靶标。开展老药的新靶点和新适应症研究，早期的策略和方法主要是基于疾病动物模型的药物筛选、基因表达数据的使用、基因活性定位技术、化学信息配对技术和生物信息学高通量筛选。关于老药新用的研究进展、面临的挑战和方法建议，可以参考Pushpakom等[11]撰写的综述文章，其中概括了基于数据驱动和实验途径的老药新用研究方法，例如基因相关性分析、信号通路映射、分子对接技术、临床数据分析和挖掘、靶点相互作用分析和表型筛选等。

三  歪打正着，把握偶然性背后的必然性

研究生做药理学实验和探索新药物靶点，常常会遇到三种实验结果：阴性结果、阳性结果、意料之外的结果。分析结果背后的促成因素才能得出结论。然而，科研创新是罕见的和困难的，所以阴性结果常见，阳性结果不常见，有些新药还是歪打正着的意外发现。

在药物研发的历史长河中，意外发现的例子屡见不鲜，例如辉瑞公司意外发现西地那非的抗肺动脉高压作用；先灵葆雅在准备丢弃的副产物中发现降胆固醇药物“益适纯”；亚历山大·弗莱明由于实验失误发现青霉素；密歇根大学的巴内特·罗森伯格教授意外发现抗癌药物“顺铂（Cisplatin）”。罗森伯格团队的研究初衷是用铂金电极观察电场对大肠杆菌细胞分裂的影响，选取铂金作电极，是因为相信铂的化学惰性可以排除化学反应的影响[12]。他们在经铂金电极施加电场的氯化铵缓冲液里，观察到大肠杆菌的细胞分裂受到显著抑制，经过反复测试、寻找线索、分析原因后，得出的结论出人意料：铂金电极并不是百分百的惰性金属，在氯化铵缓冲液里发生了些许电解反应；大肠杆菌的分裂抑制不是电场变化引起的，而是微量铂盐与氯化铵形成的新化合物造成的，其中最有效的成分是顺铂。既然顺铂能抑制大肠杆菌的细胞分裂，有没有可能抑制癌细胞分裂？带着这个问题，罗森伯格团队迅速转向肿瘤研究，在细胞和动物活体水平首次证明顺铂具备抗肿瘤作用。罗森伯格团队的意外发现成就了顺铂，它是第一个上市的铂类抗肿瘤药物，对睾丸癌的治愈率超过90%，对肺癌、头颈癌、骨癌和早期卵巢癌也有疗效，可以说是一款广谱抗癌药，被誉为“抗癌药里的青霉素”。