來源：金融界網站
來源：中金公司
國內目前處於創新藥的黃金髮展期，但新藥研發耗時長、投入大、風險高，其研發過程目前還不為大家所熟知，因此我們對新藥發現的發展歷史進行了回顧，梳理了目前新藥研發經歷的整個過程，以期對投資者了解創新藥的研發過程和創新藥投資提供幫助。
新藥研發的技術變革
新藥研發的歷史也是一部新藥研發技術變革的歷史，新的技術手段的出現不斷帶動著新藥研發行業的發展，新藥研發技術的歷史變革大致可以分為以下幾個階段。
19世紀以前，藥物多來自於自然界的天然產物
在早期，人們主要根據自身經驗利用天然植物、動物、礦物直接用於部分疾病的治療，如毒性、催吐、止瀉、止痛等效應。18世紀後，化學工業得到發展，人們開始分離、提取、純化天然動植物的有效成份作為藥物：1804年左右，Friedrich從罌粟中分離出嗎啡，發現可以用於鎮痛；1820年，Joseph和Pierre從金雞納樹皮中分離得到了奎寧，可用於治療瘧疾；1831年，Heinrich從顛茄類植物中分離出了阿託品，具有散瞳效應；1885年，Nagai從蛇麻黃中分離出麻黃素，當時主要用於擴瞳。
20世紀前20年，合成藥物開始出現
隨著藥理學和有機化學等科學的發現，人們可以在實驗室裡人工合成一些既有的藥物，併合成一些自然界不存在的全新化合物。1859年，Gilm合成了純的乙醯水楊酸（阿司匹林），但當時其藥理作用並未被發現，1897年拜耳在實驗室中合成了乙醯水楊酸，1899年作為解熱鎮痛藥進行推廣；1903年，Hermann和Joseph人工合成了巴比妥，拜耳將其作為鎮靜催眠藥推向市場；1905年，Alfred 合成了普魯卡因，其安全性高於古柯鹼，並且沒有成癮性，很快被推向市場；1906年，Ehrlich帶領團隊合成了大量有機砷化合物，經過篩選之後發現其中砷凡納明（606）可以選擇性殺死梅毒螺旋桿菌。
20世紀30至50年代，大量新藥湧現
早期藥理學主要以動物為研究對象，20世紀初期之後，以人體為研究對象，研究藥物在體內的代謝、作用機制的現代藥理學逐漸發展完善，加快了藥物療效確證和篩選的速度，新藥研發行業也取得了很快的進展。抗生素、維生素、磺胺類藥物、精神病藥物、麻醉鎮痛、疫苗等領域都出現了很多新藥。
抗生素：1928年，Fleming發現了青黴菌分泌的青黴素具有很強的殺菌作用，但當時由於提取的青黴素不純，臨床應用有限，1941年生產工藝和提取方法的改進以及二戰的需求，使得青黴素得到了廣泛應用。此後人們又從成千上萬的土壤樣本中尋找到了鏈黴素、金黴素、土黴素、四環素、氯黴素、頭孢菌素、萬古黴素等抗生素。
維生素：1914年美國公共衛生部門開始研究糙皮病的病因，其發現攝入雞蛋和牛奶後發病會減少，後來在志願者和患者的飲食試驗中都證明了本病與飲食有關，1935年這種物質被提純出來，即維生素B3（煙酸）。人和大鼠缺乏維生素A時，眼球容易乾燥，1914年Elmer和Marguerite通過把黃油皂化得到了脂溶性物質命名為「因子A」，1947年兩位荷蘭化學家合成了維生素A。1907年，為了研究腳氣病的病因，Axel用豚鼠建立了動物模型，豚鼠發生了壞血病的症狀，而引用新鮮蔬菜和水果後症狀會消失，命名為「水溶性因子C」，1930年Norman分析出了這一物質的結構，從而可以合成維生素C。同期其他維生素也陸續被發現和合成。
磺胺類藥物：1932年，拜耳希望以606（砷凡納明）的原理為基礎發現能夠殺死細菌的化合物，其合成了數多種化合物，用從患者身上得到的細菌建立了小白鼠的疾病模型，結果發現百浪多息對鏈球菌感染非常有效，並申報了專利；1956年巴斯德研究所發現百浪多息的作用原理是其能在體內分解出磺胺，而磺胺的結構在1909年就被公開了，於是大家紛紛開發磺胺相關的衍生化合物，眾多磺胺類藥物被迅速開發出來推向市場。
精神病藥物：1947年普朗克實驗室在研究抗組胺藥時發現了異丙嗪具有鎮靜和抗組胺作用，當時被用於手術合併用藥以減少麻醉劑的使用，1952年異丙嗪被探索用於精神分裂症的臨床試驗，對躁狂患者有很好的效果，1954年其被FDA批准上市。1949年，CIBA公司發現了利血平具有降血壓的效果，但同時具有抑鬱的副作用，1952年，Nathan經過臨床試驗發現利血平對緩解精神分裂症患者的症狀非常有效，1954年利血平作為精神分裂藥開始推廣使用。1954年，羅氏開始進行對氯丙嗪的me-too藥物研究，其合成了幾十個化合物，後發現苯氮卓有鎮靜、抗焦慮作用，但催眠作用較弱，1966年上市後迅速成為重磅炸彈品種。
麻醉鎮痛藥物：1937年，Etto合成了哌替啶（杜冷丁），比嗎啡有更強的鎮痛作用。1938年Max和Gustav合成了美沙酮，具有鎮痛和鎮靜作用，且成癮性小。1943年，Nils等合成了利多卡因有很好的麻醉效果，由於其起效迅速、持續時間長，很快獲得了成功。
降糖藥：1929年，Karl通過兔子模型研究縮二胍類化合物的降糖作用，發現二甲雙胍作用最強，但當時很快被胰島素的研究熱潮所淹沒，1957年Sterne開始從事雙胍類化合物降血糖的研究，證實了二甲雙胍具有優異的降血糖效果。1958年苯乙雙胍在臨床試驗中也顯示了較好的降糖效果，但有乳酸中毒的不良反應。臨床實踐中，患者在服用磺胺藥氨磺丁脲後出現血糖降低，1954年這種現象在動物試驗和糖尿病患者中都得到了證實，1955-1966年眾多第一代磺脲類降糖藥被用於臨床。
此外，1954年抗凝血藥華法林上市；1960年第一個口服避孕藥異炔諾酮上市；也都是這個時期的重要成果。
20世紀60-80年代，藥物分子理性設計時期
隨著生理、生化等醫學基礎學科的發展，一些與疾病相關的酶、激素、神經遞質的受體和底物等被發現；物質分析檢測技術如液相色譜、核磁共振譜等得到應用；以及計算機、信息技術的發展應用；開始出現了基於結構的理性分子設計，新藥發現從以前的隨機篩選發展為結構修飾，以及根據受體結構進行QSAR（定量構效關係）設計，新藥研發的效率得到提高（但仍有一些新藥是通過隨機篩選或偶然發現的）。此階段發現了β受體阻斷劑、抗組胺藥、血管緊張素轉換酶抑制劑、抗病毒等領域的新藥。
β受體阻斷劑：1958年ICI開始基於藥效結構研究藥物，其發現如果可以找到可以與腎上腺素競爭結合心臟的受體，那麼就可以緩解心絞痛的症狀，1965年第一個明確的受體拮抗劑普萘洛爾上市，用於心絞痛、高血壓的治療，由於其發現過程應用了藥物受體構效設計的理念，被認為是新藥發現的革命性概念之一。此後阿替洛爾、普拉洛芬、美託洛爾等β受體阻斷劑相繼上市。
抗組胺藥：1964年人們已經認識到組胺可以刺激分泌胃酸，但是傳統的抗組胺藥對胃酸分泌影響不大，這使人們意識到組胺受體可能存在不同的分型，而SK&；F公司的研究證實了2型組胺受體的的存在。基於組胺的結構，SK&；F公司設計合成了數百種2型組胺受體的拮抗劑，而後經過優化，不斷改善活性和安全性得到西咪替丁，西咪替丁於1976年在英國上市，是第一個年銷售額達到10億美元的藥物。西咪替丁的研發過程將藥物發現方法從搜索藥物變為設計藥物，也是新藥研發的重大裡程碑。
抗病毒藥：1950s晚期William合成了一個嘧啶類似物（碘脫氧尿苷），該化合物可以與尿嘧啶競爭參與遺傳物質的合成，從而抑制腫瘤的生長，但結果顯示其抗腫瘤作用並不明顯，而有抗病毒活性，其於1962年上市是第一個抗病毒藥物。1964年Jerome在胸腺嘧啶的結構上進行改進得到齊多夫定，可以與胸腺嘧啶競爭抑制核酸的合成，阻斷病毒複製，成為第一個被批准治療愛滋病的藥物。1979年，Burroughs Wellcome合成了環磷酸腺苷類似物，經過優化後得到阿昔洛韋，對皰疹類病毒有較好的效果。此後利巴韋林等抗病毒藥也逐漸被發現。
血管緊張素轉換酶抑制劑（ACEI）：60年代，腎素-血管緊張素-醛固酮系統的作用逐漸被研究清楚，於是眾多公司開始尋找這一系統中的靶點進行降壓藥的研究，Squibb公司開始尋找ACE的抑制劑，1973年其發現與ACE底物類似的化合物也可以與ACE活性部位結合但不會激活酶，可以取得較好的抑制效果，後經過優化得到了卡託普利，此後又有依那普利等數十個普利類藥物上市。
20世紀80年代後，基於靶點的新藥發現逐漸展開
基因組學、蛋白質組學、生物信息學等現代分子生物學科得到發展，人們對生命和生理、病理的認知得到進一步加深；也出現了生物晶片、組合化學、虛擬設計、高通量高內涵篩選等新技術；以靶點為基礎的新藥研發模式得到應用，其不僅加快了對化學藥物研發的進程，也開發出了單抗、基因治療藥物及基因治療藥物等。
神經氨酸酶抑制劑：神經氨酸酶位於病毒顆粒表面，對病毒從宿主細胞的釋放必不可少。1987年CSIRO確證了流感病毒神經氨酸酶的三維結構，1989年Biota公司通過合理藥物設計開發了神經氨酸酶抑制劑DANA，以此為基礎通過對比神經氨酸酶的結構，進行特定結構修飾，得到了扎那米韋（吸入劑）。1992年Gilead嘗試口服神經氨酸酶抑制劑的開發，經過計算機輔助設計，得到了一個活性很高的化合物，但同樣無法通過胃腸道吸收；後續經過修飾，降低極性，得到新的化合物，其容易通過消化道吸收，而後在體內代謝為前述化合物而發揮作用，此新化合物即為奧司他韋。
伊馬替尼：1960年人們發現慢性粒細胞白血病（CML）患者白細胞有一種短小的染色體（染色體易位造成），稱之為費城染色體，1985年人們又發現費城染色體易位生成的高活性絡氨酸激酶（BCR-ABL）是引起CML的原因，CIBA公司和Oregon健康與科學大學合作通過高通量篩選技術尋找絡氨酸激酶的抑制劑，最終經過修飾改造得到了伊馬替尼。
瑞林類藥物：1971年Andrzej分離了促性腺激素釋放激素（GnRH），以其結構為基礎合成其類似物，也可以與垂體上的受體結合，當以非生理性頻率長期大劑量使用時，垂體敏感性下降GnRH受體表達下降，導致促黃體生成素（FSH）、促卵泡生成素分泌下降，因此可以用於對性激素反應的癌症，如前列腺癌、乳腺癌、子宮內膜異位症瘤以及性早熟等。80年代早期，各製藥公司開始對GnRH進行修飾改造，1985年Takeda與Abbott合作研發的亮丙瑞林在美國上市，此後Sanofi研發出布舍瑞林、阿斯利康研發出戈舍瑞林、Debiopharm研發出曲普瑞林等，以及瑞林類藥物的緩釋製劑逐漸被開發上市。
DPP-4類降糖藥：胰高血糖素（GLP-1）是一種腸促胰島素，可以促進體內胰島素的分泌，但是GLP-1很快會被體內的二肽酶講解，於是研發二肽酶抑制劑是降糖藥的一個研發方向。1967年人們發現抑制二肽酶-4（DPP-4）後可以促進腸促胰素的分泌，於是相應的DPP-4抑制劑在80年代被發現，1995年諾華公司應用虛擬篩選技術得到了維格列汀，MSD通過篩選技術得到了西格列汀，BMS開發出了沙格列汀。
生物藥：此階段生物藥的開發也得到快速發展，1988年諾和諾德推出了重組人胰島素，大約同期重組人幹擾素也得以上市。單抗技術也日臻完善，1998年開發出了以TNF-α為靶點的英夫利昔單抗和依那西普（融合蛋白），同年以HER2為靶點的曲妥珠單抗也得以上市，2004年以EGFR為靶點的西妥昔單抗上市，同年以VEGFR為靶點的貝伐珠單抗上市等。2017年兩款CAR-T藥物被FDA批准用於血液腫瘤的治療，同年FDA批准基因治療藥物Luxturna用於RPE65突變的視網膜疾病的治療。此外RNA藥物和基因編輯等技術也到了快速發展。
新藥研發過程[1]
新藥研發過程是指從實驗室發現活性化合物後不斷優化改進和評價直至發展成為安全有效的藥物的系統工程，其包含了發現和開發兩大階段。發現階段主要包括作用機理的研究、大量化合物合成、活性化合物篩選、化合物優化到候選藥物的過程，發現活性化合物的方法可以是理性設計（rational molecular design）、隨機篩選，也可以是偶然發現。開發階段是對候選藥物進行臨床前評價和臨床試驗評價的過程，需要對候選藥物的藥學、藥理、毒理、安全性、有效性進行系統的評價。
圖表:新藥研發過程
註：上述為現在常用的基於靶點的新藥研發過程，除此外隨機篩選、偶然發現等也是重要的藥物發現途徑
資料來源：Nature Reviews，中金公司研究部
靶點發現
藥物作用的靶點是指能與藥物結合併產生藥理效應的生物大分子，機體的病理發生過程是由多個環節構成的，當某個環節或靶點被抑制或激活，則可以達到治療疾病的目的。靶點的類型主要有受體、酶、離子通道、核酸等。目前已上市藥物的靶點仍以蛋白類靶點為主，其中受體佔多數，且大多數分布在細胞膜上。
圖表:藥物作用靶點分布
資料來源：Nature reviews， Nature biotechnology，中金公司研究部
80年代以後，隨著基因組學、蛋白質組學、等分子生物學科的完善，以靶點為核心的藥物研發模式逐漸建立。當新的基因或蛋白質的功能被揭示之後，其分子生物學機製得到明確，就可以尋找該生物效應傳導機制上的相關環節作為靶點，如受體常在生理效應中發揮信號轉導的作用，針對其可以研發激動劑或拮抗劑，以激活或抑制相應的生理活動。
基因組學和蛋白質組學研究成為靶點發現的重要途徑。
在基因水平上：通過尋找正常狀態和病理狀態下的基因表達和基因序列差異的分析，可以找到疾病相關的基因；通過疾病相關基因的功能分析，包括基因敲除、過量表達、RNA幹擾、反義mRNA技術等可以對該靶點進行確證。
在蛋白質水平上：通過比較正常狀態和病理狀態下蛋白表達的差異，可以找到相關疾病的靶點，常用的技術包括凝膠電泳、質譜分析、蛋白質晶片、同位素親和標籤等；此外通過蛋白質相互作用也可以為新藥研發提供靶點，常用的方法有酵母雙雜交、噬菌體展示、雙分子螢光互補等。
靶點評價。不是所有的靶點都會被應用，因為部分靶點可能位於細胞內甚至細胞器內導致藥物難以到達，或者其所關聯的疾病已經有了更好的治療靶點，再或者它們對應市場難以激發商業上的開發興趣。對靶點的評價通常從以下幾方面進行：
靶點確證：是否有遺傳和化學證據表明靶點對細胞的生長、存活有重要意義；
可藥性：是否對對靶標體系的機制有較為清晰的理解，相關抑制劑/激活劑的結構是否具有類似藥物的物化特性；
檢測技術：是否已有較為成熟的分析檢測手段；
結構信息：是否已有高解析度的蛋白-配基複合體結構信息。
模型建立
選定靶點之後，需要建立生物學模型以篩選和評價化合物的活性。建立模型可以在不同層次，如體外分子（受體、酶等）水平、組織細胞水平、離體器官、動物模型體內試驗等。
動物模型：1980年以前多數藥物的評價都建立在動物模型之上，這類方法首先在實驗動物上建造一種模型，模擬人體的疾病，並且用臨床有效的藥物證明該模型是有效，進而用來評價化合物的活性。這種評價體系雖然耗費的時間和費用都比較大、且速度較慢，但是整體動物試驗可以評價的內容豐富，除了化合物活性外，對藥效學、藥代動力學、和安全性都有一定程度的評價，因此得到的化合物結構可靠，成功概率高。至今，這種方式仍在應用。
離體靶點分子模型：在以靶點為核心的藥物發現模式中，由於已經證實某些蛋白質與疾病相關聯，因此可以用基因工程的方法克隆、分離和純化得到相應的離體靶點蛋白，在體外評價化合物對該靶點蛋白的作用。伴隨著基因組學、高通量篩選、組合化學等技術的發展，這種方法得到了廣泛應用，因為其具有快速、可以同時對大量化合物進行評價的優點。但實際中也有人認為，用靶點分子來表徵複雜的疾病系統過於簡單化，一些疾病的發生是多因素導致的，由於化合物對離體分子發揮作用從而期待其可以治療相應疾病的過程顯得過於跳躍。
組織細胞模型：該方法是將病理狀態下的組織或細胞與正常組織或細胞相比較，證實該功能的缺陷對疾病的發生具有特異性，然後建立細胞或者組織模型評價化合物對生物功能的影響。近年發展起來的高內涵篩選（high-content screening）、細胞系統生物學等技術是與此類模型相契合的。其並非針對單一靶點的篩選方法，但也並沒有使用整體動物，而是將生物學過程綜合到細胞內，可以在單一試驗中對同時檢測化合物對細胞生長、分化、凋亡、代謝途徑以及信號轉導的影響，從而確定化合物的生物活性和潛在毒性。
苗頭化合物[2]
苗頭化合物是對特定靶點具有初步活性的化合物，苗頭化合物是新藥研發的物質準備的起點。其可以通過多種途徑得到，如化合物庫的隨機篩選、天然活性物質的篩選，以及基於靶點結構的理性藥物分子設計、虛擬篩選等。
隨機篩選：該方法是發現苗頭化合物最常用的方法，是從化合物庫中對所有化合物的作用進行評價以篩選出有活性的化合物。為了保證苗頭化合物的質量和入選率，化合物庫的結構應該多樣化、數量較大、具有良好的類藥性。目前大型製藥企業均建立了自己的化合物庫。
天然活性物質篩選：天然活性物質通常是根據傳統醫藥或民間用藥的經驗有目的的篩選得到的，天然藥物在新藥研發中也佔有非常重要的地位，臨床應用藥物的40％是天然產物或半合成的天然產物。動物、植物、微生物和海洋生物的物種多樣性和生存環境的多樣性決定了其代謝產物具有多樣性，其可以視為天然的化合物庫。
合理藥物設計：合理藥物設計是根據靶點的三維空間構型，並參考內原活性分子和外源活性分子的化學結構設計出針對該靶點的化合物。合理藥物設計具有目的明確、設計出的分子質量更具有合理性、減少所篩選的化合物數量以及縮短研究開發周期等優點。
虛擬篩選：虛擬篩選是藉助計算機和專業軟體的從大量化合物中挑選出一些苗頭化合物，進行活性評價。實體的藥物篩選需要建立大規模的化合物庫，並提取或培養出大量的靶點蛋白或者細胞，因此需要的投入較大。而虛擬篩選是講篩選過程在計算機上模擬，可以節約經費開支，常用的方式有基於分子對接的虛擬篩選、基於藥效團的虛擬篩選、基於定量構效關係的虛擬篩選、基於藥代動力學的虛擬篩選。
基於片段的藥物發現（Fragment-based lead discovery，FBDD）：高通量篩選雖然能夠獲得高活性的化合物，但是其往往忽略分子的成藥性，使得其可能因為藥代性質等缺陷而無法成藥。而化合物與靶點的結合可以看作其分子部分片段與靶點的結合，基於片段的篩選方法是通過對片段化合物庫的篩選發現活性片段，由於片段的分子結構簡單，1）片段化合物庫的數量較小，FBDD可以通過篩選較少數量的片段化合物探索更大的化學空間；2）結構簡單使得片段分子更易與靶點結合，發現苗頭分子的機率更高；3）片段分子通常擁有更高的配體效率（結合自由能與分子中重原子數比值），後續優化設計更加容易。2011年FDA批准了首個FBDD的藥物，Vemurafenib用於晚期黑色素瘤的治療。
目前，如核磁共振、X射線衍射、質譜等等都已應用到FBDD當中。核磁共振可以測定片段分子與靶標蛋白的結合強度以及結合位點，通過結合強度歸納片段分子的構效關係，通過結合位點分析能夠指導片段分子進行進一步的設計與優化。在設計片段化合物庫的時候，Congreve在Lipinski的「5原則」基礎上提出了片段分子的「3原則」：1）片段分子的相對分子質量小於300；2）脂水分配係數小於3；3）氫鍵的給體和受體數量均小於3。
圖表:基於片段的藥物發現的原理
資料來源：Springer，中金公司研究部
苗頭化合物評價標準。以上方法篩選出的化合物並不一定都適合作為苗頭化合物，苗頭化合物應基本滿足如下的標準：1）與靶標的結合強度不低於10μmol/L；2）有一定水溶性，溶解度不低於10μg/mL；3）可穿越細胞膜；4）細胞水平顯示生物活性；5）無細胞毒作用；6）具有化學穩定性；7）可以製備獲得；8）具有智慧財產權的保護[3]。此外Lipinski也根據大量臨床口服藥物的化學結構，歸納出一些經驗性特徵成為遴選苗頭化合物、先導化合物和構建化合物庫的重要參考標準，即口服藥物的類藥5原則：1）相對分子質量低於500；2）氫鍵給體低於5；3）氫鍵接受體低於10；4）clogP（脂水分配係數）低於5。
先導化合物
苗頭化合物是對特定靶點具有初步活性的化合物，與先導物還有一定差距。先導化合物是具有特定生物活性的化學結構，其或許存在活性不強、選擇性較低、吸收性較差、毒性較大等缺陷，但通過對其進行修飾改造，可能得到具有良好藥理作用的候選藥物。
苗頭化合物向先導化合物過渡。苗頭化合物向先導化合物演化沒有固定的程式，主要取決於苗頭化合物的質量和對靶點信息的認知。如果已知靶點的三維結構，以及與配體形成複合物的結構，則可基於靶點結構進行分子模擬，從微觀結構上優化苗頭化合物。如果沒有靶點和配體的結構信息，可用苗頭化合物的拓撲結構進行分析，例如將線性化合物逐段進行變化，將環狀化合物分區進行變換，以探索不同結構變換對活性的影響。常用的方法有骨架的優勢結構變換、骨架遷越、建立構效關係進行藥效團的探索、簡化結構或者調整極性等。
發現先導化合物的途徑。先導化合物與苗頭化合物並沒有絕對的界限，以上用來發現苗頭化合物的方法也都可以用來發現先導化合物，除以上方式外，先導化合物的發現還有以下途徑：
組合化學與高通量篩選：傳統化學合成的方式是一次合成一個化合物進行評價，而組合化學則可以在短時間內合成大量的化合物形成化合物庫，其具體做法為將一系列結構、反應性能接近的化合物構成一個模塊（假設其中含有n種化合物），與另一構建模塊的m種化合物進行反應即可得到n×m種化合物，再將之與另一構建模塊的p種化合物反應即可得到n×m×p種化合物，隨著反應步數的增加，化合物數量將以幾何級數增加。因此組合化學方法可以同時製備含大量分子的化合物庫，而將之與高通量篩選技術結合，可極大的加快先導化合物發現和優化的速度。
圖表:組合化學原理
資料來源：University of Zurich，中金公司研究部
DNA編碼化合物庫（DNA-Encoded Compound Libraries，DEL）：DEL技術的建庫原理也是基於組合化學技術，但在建庫的過程中每個分子結構都對應一段DNA序列，最終合成的每個化合物都有一段獨特的DNA序列與之相連結， 化合物的合成完成後將所有化合物與靶點蛋白進行相互作用，去除與靶點不結合或結合力較弱的化合物，將結合力強的化合物所帶的DNA序列進行PCR擴增和測序即可知道相應化合物的結構，從而篩選出先導化合物。與高通量篩選相比，DEL在化合物數量、篩選周期及成本方面擁有較大的優勢，DEL技術下幾十億化合物庫已經司空見慣，最新的DEL庫化合物數量可達40萬億。
圖表:DNA編碼化合物庫的構建過程
資料來源：成都先導招股書，中金公司研究部
圖表:DNA編碼化合物庫的篩選過程
資料來源：成都先導招股書，中金公司研究部
計算機輔助設計：計算機輔助設計是在靶點功能、靶點空間結構、內源性配基的化學結構、靶點受點與配基的結合性質等信息的基礎上，藉助計算機自動構造出結構和性質與受點互補的配基分子的三維結構，通常按照空間互補和靜電互補作用相互關係等來設計分子。其可以在既有的三維結構資料庫中，逐一的尋找符合特定性質的結構；也可以設計全新的藥物分子，根據受點的形狀和性質，利用電腦程式直接設計新的配基分子三維結構。[4]
基於配體或底物的分子設計：在靶點三維結構未知的情況下，也可以通過分析對同一靶點具有活性的生物活性分子的結構，得到三維構效關係模型，通過計算機推測靶點的空間構型，以此虛擬靶點的三維結構進行藥物設計。稱之為基於配體/底物結構的藥物設計，具體方法包括3D-QSAR、藥效團模型法等。[5]
基於代謝作用：藥物進入體內後，會在肝臟內經過I相、II相代謝反應，轉化成有利於排出體外的水溶性代謝產物，藥物經過代謝之後一般會失去或降低活性，但也有部分藥物經過代謝之後活性反而提高，這類代謝物也可以作為先導化合物。如解熱鎮痛藥非那西丁在體內經過代謝後會轉化為對乙醯氨基酚，對乙醯氨基酚的解熱陣痛強度強於非那西丁，現在已經作為常用的解熱陣痛藥物。
基於藥物的副作用：理想的藥物是只對特定靶點發揮作用，這是藥物的特異性，但是人體內存在大量的具有多種生理功能的生物大分子，如受體和酶，藥物很難只對唯一的靶點發揮作用（藥物的雜泛性），因此藥物會在臨床上產生不良反應。但有時觀察臨床副作用，研究其作用機制，也是發現新藥的線索，通過將副作用發展成主要作用，摒棄原有的主要藥理作用，也是發現先導化合物的重要途徑，即為「老藥新用」，如黃醯脲類的降血糖作用被開發為降糖藥、西地那非在心血管疾病的臨床試驗中副作用被開發為治療ED的藥物。
偶然發現：以上討論的方法多數是有目的的合成和篩選，但生物體是非常複雜的體系，而自然界物質的多樣性有時候為發現藥物提供了偶然的機會，如青黴素的發現、苯二氮？類抗焦慮藥等。
活性不是苗頭、先導化合物的唯一評價標準。篩選苗頭化合物、先導化合物不能僅以活性強度作為單一指標而忽視其他因素。但相對分子質量、親脂性、水溶解性等是影響藥物藥代的重要因素，忽視這些因素易導致後續開發遇到難題，例如在苗頭化合物的後續優化中人們往往加入基團或者片段，以增加與靶點結合的機會，提高活性強度，但相對分子質量過大會導致藥物不易吸收、過膜性差、部分基團容易被代謝等。Wenlock對不同研發階段藥物的相對分子質量進行了統計，上市藥物的相對分子質量要明顯低於在研藥物，氫鍵接受體也有類似的現象。
圖表:不同研發階段藥物相對分子質量
資料來源：American Chemical Society，中金公司研究部
圖表:不同研發階段藥物氫鍵接受體數量
資料來源：American Chemical Society，中金公司研究部
先導化合物的評價標準。先導化合物的質量直接影響新藥研發的速度和成敗。先導化合物也沒有統一的評判標準，且不同類別的藥物評判標準不盡相同。但從經驗來看其在藥效、藥代動力學、理化性質方面應達到一定要求，而且能夠獲得專利以保護研發藥物的智慧財產權。
圖表:先導化合物的參數標準
資料來源：藥物設計策略，中金公司研究部
候選藥物[6]
先導化合物往往存在一定的缺陷，如活性強度不夠、選擇性不高、藥代動力學不合理、理化性質不適宜等，因此不能直接作為藥物，需要對其結構進行變換和修飾，進一步優化後才能成為候選藥物。優化先導化合物的方法通常有剖裂和剪切、拼合、局部修飾、生物電子等排、立體異構及外消旋轉換等。
剖裂和剪切（Dissection &； Shearing）：剖裂和剪切是對比較複雜的先導化合物進行結構簡化的操作，一般將先導化合物剖析成兩個或數個片段，再將簡化的片段進行活性評價和構效關係分析，提取出決定活性的基本結構和特徵。例如對嗎啡進行剖裂和剪切得到了右丙氧芬和美沙酮等副作用更低的阿片受體激動劑。
拼合（Association）：與剖裂相反，拼合是將兩個藥物或其藥效團經共價鍵結合成單一分子的操作，品和得到的藥物成為欒藥，拼合的目的是提高藥物的作用強度，或同時作用於與疾病相關的兩個不同靶點而提高療效。
局部修飾（Local manipulation）：局部修飾是先導化合物優化更常用的方法，局部修飾遵循了優化中「結構改變最小原則」，以漸進的方式避免活性的突然消失。局部修飾的內容包括：增加或減少飽和碳原子的同系化合物、鏈狀化合物閉環或環狀化合物開環、引入雙鍵或手性中心、引入或除去或取代有空間障礙的大體積基團、改變基團的電性等。
生物電子等排（isosterism）：電子等排是指具有相同數目的原子數和電子，且電子排列狀況也相同的分子、原子、或基團具有相似的性質；生物電子等排是指分子或基團的外層電子相似、或電子密度有相似的分布、且分子形狀和大小相似的結構可以產生大致相似或相關或相反的生物活性。通過生物電子等排基團的置換可實現對先導化合物的優化。
骨架結構變換（scaffold modification）：骨架結構變換是基於藥效團理論，其認為藥物於靶標發揮作用並非整個分子都直接參與複合物的結合，而是少數原子或基團起主要作用，這些與靶點結合部分發生互補性結合的關鍵性原子和基團被稱為藥效團。藥效團的特徵可以分為正電中心、負電中心、氫鍵給予體、氫鍵接受體、疏水中心和芳環質心，不同藥效團特徵的組合和距離形成特定的藥效團。而藥效團是附著在化學骨架之上，通過化學骨架的變換可以保持藥效團特徵不變，但可以改善藥物的藥代性質。常用的方法有上述的電子等排，也有優勢結構（優勢結構是指可以衍生出對多種受體具有高親和作用的分子骨架，是已有藥物中常見的分子結構片段），以及骨架遷越等。
前藥修飾（prodrug）：部分通過體外篩選得到的化合物其生物利用度可能較低，或者由於其官能團的極性使之吸收性較差或者在體內分布不當，或者其存在首過效應導致在體內被過早代謝，需要對其進行修飾以改善其藥代動力學性質。前藥是一類在體外活性較小而在體內經酶或非酶作用後釋放出生物活性物質，從而發揮藥理作用。利用前藥設計原理可以改善藥物在體內的吸收、分布、轉運和代謝等藥代動力學性質。例如依那普利拉立體活性較強但消化道吸收較差，而製成的前藥依那普利在人體胃腸道吸收較好，吸收後在肝臟被酯酶水解以原藥形式發揮作用。
旋光異構體及外消旋轉換（stereomeric drug）：若先導化合物中含有一個以上的手性中心，則其會存在對映異構體；而由於體內靶點結合或代謝的選擇性，有時一種對映體具有藥理活性而另一種藥理活性較弱、或沒有藥理活性、甚至有毒性。例如左旋氨氯地平具有較好的降壓效果，而右旋氨氯地平幾乎沒有降壓效果；沙利度胺左旋和右旋異構體都有鎮靜作用，但是左旋異構體會干擾孕婦的胎兒發育，導致了著名的「反應停」事件。
圖表: 丙氨酸的旋光異構體
資料來源：chemguide，中金公司研究部
候選藥物的確定。候選藥物的確定標誌著分子設計、化學合成、生物評價循環反饋的完成，達到了新藥開發的標準。候選藥物的確定也沒有統一的標準，每個項目選擇的候選藥物數量也不盡相同，總的趨勢是要求候選藥物具有較好的成藥性，為了降低研發失敗的概率、縮短開發時間，候選藥物的選定一般要遵循以下原則。
圖表: 候選藥物的確定遵循的一般原則
資料來源：藥物化學總論，中金公司研究部
新的藥物研發路線。除以上經典的藥物研發技術路線之外，近期也出現一些更加創新性的新藥研發路線，如PROTAC、RNA藥物、基因編輯等。
臨床前開發[7]
確定了候選藥物之後，即可開展新藥開發研究，對候選藥物進行規範、系統的評價，評價過程必須符合GLP、GCP、GMP的規範。新藥開發可分為臨床前和臨床研究兩個階段，臨床前開發主要對候選藥物進行人體外或動物體內安全、有效性評價以及工藝質量研究，從而為臨床研究提供臨床候選藥物，是藥物進入臨床試驗階段不可或缺的一步。
圖表: 新藥臨床開發過程
資料來源：CNKI，中金公司研究部
藥學評價
藥學評價是新藥評價的基礎，與新藥的臨床療效和安全性密切相關，且貫穿了新藥評價的全過程。主要評價內容有藥物名稱、結構、理化性質、合成路線和工藝、製劑處方和製備工藝、定性鑑別、含量測定、穩定性試驗、質量標準的研究以及為臨床前評價和臨床試驗提供所需的藥品等。按評價對象可以分為對原料藥的藥學評價、對製劑的藥學評價、及質量標準的研究和制定等。
原料藥的藥學研究：原料藥的藥學研究包括製備工藝研究、結構確證、命名、理化性質研究等。
製備工藝研究：包括試製路線、反應條件、合成工藝、原料來源和質量、中間體來源和質量、產品精製過程和工藝條件等。首先對擬合成的化合物進行文獻調研，了解該化合物國內外研究情況、智慧財產權狀況等，設計幾條合理的合成路線，其中應該考慮起始原料獲得的難易程度、合成步驟的長短、收率的高低、反應條件是否符合工業生產、環保要求等。起始原料藥的選擇應該質量穩定、可控，對起始原料引入的雜質應有一定的了解，必要時根據合成工藝的要求建立內控標準。在合成過程中對每一步工藝操作都應該有詳細的描述，對工藝條件如反應裝置、溫度、壓力、時間、溶劑、pH、光照等均應嚴格控制。
工藝優化與中試放大：原料藥的製備工藝研究是在藥物研發過程中不斷優化的過程，通過反覆的試驗，結合原材料獲得的難易程度、工藝路線的反應條件、環保和安全、產品的純化等對生產工藝進行優化，以獲得可行、穩定、收率較高、成本合理且是和工業化生產的工藝。在工藝優化過程中，應對重要的變化，如起始原料、試劑的種類或規格、重要的反應條件、產品的精製方法等發生改變前後對產品質量的影響，以及可能引入新的雜質情況進行研究。臨床研究中應對中試或工業化生產規模的多批樣品進行質量研究工作。
結構確證：原料藥的結構確證是藥物研發的基礎，主要任務是確認所製備的原料藥的結構是否正確，證明評價的新藥是所預測的結構。同時需要對原料藥的純度也要進行一定的控制，供試樣品的純度應該大於99.0％。
命名：藥品命名按照國家藥典委員會的《中國藥品通用名稱命名原則》進行確定和申報，原料藥的英文名應儘量採用WHO的International Nonproprietary Names for Pharmaceutical Substances（INN），中文通用名儘量與英文名相對應，一般以音譯為主，也可以採取意譯或意合譯。藥品製劑的命名，一般原料藥名稱列前，劑型名列後。
理化性質：對原料藥的性狀（外觀、色澤、嗅、味、結晶形狀、粒度、吸溼性、揮發性）通過觀察和相應的方法測定，對其物理常數（溶解度、熔點、凝點、餾程、相對密度）按照藥典規定的方法測定，對其油水分配係數、解離度（pKa）、晶型、立體異構現象也都要進行研究。
製劑的藥學研究：藥物必須製成適宜的劑型才能用於臨床，藥物劑型和製劑的設計需要遵循最大限度地發揮藥效和降低不良反應的基本原則。製劑研究的目的是保證劑型選擇的依據充分、處方合理、工藝穩定、生產過程能得到有效控制、適合工業化生產等。
劑型選擇：結合臨床用藥目的和藥物的理化性質確定藥物適合的劑型，用於出血、休克等急救治療的藥物應選擇注射劑型，用於呼吸道疾病急性發作應選擇吸入劑；在胃液中不穩定的藥物不宜開發為胃溶製劑，存在明顯首過效應的藥物一般考慮非口服給藥途徑的劑型。
處方研究：輔料的理化性質（性狀、粒度、黏度、水分、pH值等）的變化會影響製劑的質量，處方研究應根據藥物的理化性質、穩定性試驗、藥物吸收情況，結合所選劑型的特點選擇適宜的輔料（輔料的選擇應不與主要發生不良相互作用，不影響製劑的含量測定等）初步制定幾種處方，再根據製劑基本性能評價（如溶出度、含量均勻度、pH值等）和穩定性評價篩選出初步確定的處方，但製劑處方的合理性最終還需要根據臨床研究的結果進行判定，而在研究過程中發現對製劑質量、穩定性有影響的因素需要進行控制。
製劑工藝研究：根據劑型特點、藥物理化性質等，設計幾種基本合理的製劑工藝；分析並確定生產工藝過程中影響製劑質量的關鍵工藝、輔料和工藝參數，確立能夠保證製劑產品質量的關鍵輔料用量和工藝參數範圍。工藝過程需保證可重複，一般需要至少連續生產三批合格製劑產品。工藝放大是實驗室製備技術向工業化生產轉移的必要階段，需要根據二者生產條件的差異，進一步優化工藝條件，確定適合工業化生產的設備和生產方法。
質量標準的制定：質量標準的制定應先確定質量研究的內容，然後進行方法學研究，最後確定質量標準的項目及限度。質量研究的內容應儘可能全面，根據原料藥和製劑的特性、所採用的製備工藝、結合穩定性研究結果等制定，需要包含藥品的結構、含量、理化性質、鑑別、純度、雜質檢查及限度控制、是否有多晶性、是否有旋光異構體，以及製劑的含量均勻度、溶出度、釋放度、脆碎度、pH值等。
藥理學評價
臨床前藥理學評價包括藥效學、藥代動力學和作用機制研究等。對該藥物是否有效、量效關係、時效關係以及在生物體內的代謝變化規律進行研究，一方面為臨床用藥方案提供參考，也為新藥申報臨床提供依據。
藥效學研究：臨床前藥效學應在理解疾病的發病機理和治療措施的基礎上，選擇合適的體外和體內動物模型，合理的設計試驗方案，以反映出藥物是否有效、量效關係等。
試驗對象：新藥的主要藥效作用應在用體內和體外兩種以上試驗方法進行證明，其中至少一種是整體的正常動物或模型動物。動物的選擇應儘可能與人在生物學上接近、相應功能發達或敏感性高的動物。
試驗設計：試驗應設置空白對照和標準陽性物質對照，分組應隨機進行。
觀測指標：藥物的療效應靠客觀的指標反映，能反映藥效學的作用，如生理生化的化驗指標、病理切片、X射線檢查等，能半定量或定量。
劑量選擇：應反映出量效關係，儘量求出半數有有效量（ED50）或有效劑量範圍。
藥代動力學研究：臨床前藥代動力學研究是通過人體外或動物體內試驗獲得藥物的藥代動力學參數，了解其在體內的動態變化規律，闡明ADME過程的動態變化規律和特點，從而為藥效、毒理、臨床研究提供參考資料。
試驗對象：一般選取健康和成年的動物，常用的動物有小鼠、大鼠、兔、豚鼠、犬、小型豬和猴等，首選與藥效學和毒理學研究一致的動物。對於創新性藥物應選取至少兩種動物，其中一種為嚙齒類動物，另一種為非嚙齒類動物；其它藥物可選用一種動物，首選非嚙齒類動物。
劑量選擇：應至少設置3個劑量組，劑量的選擇可參考藥效學和毒理學研究所使用的劑量，最高劑量最好接近最小中毒劑量，中、小劑量根據動物有效劑量的上下限範圍選取。
樣品分析方法：常用的樣品分析方法有色譜（氣相色譜、高效液相色譜、色譜質譜聯用等）、放射免疫分析、酶免疫分析、放射性核素標記法等。
藥-時曲線：1）動物數量的確定：以繪製藥-時曲線時每個時間點不少於5個數據為限計算所需的動物數量，儘量同一動物多次取樣，一般雌雄各半。2）採樣點：給藥前需要採血作為空白對照，採樣點的設計應兼顧藥物的吸收相、平衡相、和消除相，以得到完整的藥-時曲線，一般吸收相需要至少2-3個採樣點，平衡相需要至少3個採樣點，消除相需要至少4-6個採樣點。整個採樣時間應至少持續到3-5個半衰期或持續到血藥峰濃度的1/20-1/10。為保證最佳採樣點，可以在正試驗之前進行預試驗。3）根據測得的血藥濃度隨時間變化的數據（包括單次給藥和多次給藥）繪製藥-時曲線，採用房室模型或非房室模型故斷藥代動力學參數，對於靜脈給藥應取得消除半衰期t1/2、表觀分布容積Vd、血藥濃度-時間曲線下面積（AUC）、清除率（CL）等；對於血管外給藥，除上述參數外，還應取得峰濃度（Cmax）、達峰時間（Tmax）等。
藥物吸收：對於經口給藥，應儘可能同時進行血管內給藥，提供絕對生物利用度。
藥物分布：一般採用小鼠和大鼠，選擇一個劑量（一般為有效劑量）給藥後，以藥-時曲線為參考，至少選擇3個時間點（分別於吸收相、平衡相、消除相，每個點至少應有5個動物數據）測定藥物在心、肝、脾、肺、腎、胃、腸道、生殖腺、腦、體脂、骨骼肌等組織的濃度。
代謝：藥物在體內的代謝研究一般選用至少兩種動物，一種嚙齒類（一般選大鼠），一種非嚙齒類（一般選犬）。在給藥後分別採集血樣、尿樣和糞便，採用色譜方法分析其中可能存在的代謝產物，並確定代謝物的結構，研究藥物在體內的轉化類型、主要轉化途徑和可能設計的代謝酶等。
排洩：一般採用小鼠或大鼠，給藥後按照一定的時間間隔分段收集尿、糞和膽汁的全部樣品，每個時間點應至少有5個動物的數據，直至收集的樣品測不到藥物為止。測定收集樣品中藥物的濃度，記錄藥物排出的速度和排出量。
毒理學評價
臨床前毒理學評價是通過各項毒理試驗發現藥物的毒性及其性質、中毒時間、靶器官、危害程度、解救措施等，同時推算臨床試驗的安全參考計量和安全範圍的條件（中毒劑量、安全劑量範圍），從而決定藥物能否進入臨床或確定臨床中安全使用的條件等。主要包括急性毒性、長期毒性、特殊毒性等。
急性毒性試驗：急性毒性試驗是指動物單次或24h內多次給藥後，一定時間內所產生的毒性反應。以了解新藥急性毒性的強度，為長期毒性試驗、特殊毒性試驗、I期臨床試驗的劑量選擇提供依據，同時也可以為臨床毒副反應的監護提供參考。
試驗設計：需符合一般動物試驗的基本原則：隨機、對照、重複。
試驗對象：一般選用一種嚙齒類動物和一種非嚙齒類動物，需選擇健康成年的動物，一般雌雄各半，動物數量根據動物種屬和試驗目的確定。
給藥途徑：一般至少包括臨床擬用途徑和一種能使藥物較完全的進入循環的途徑（如靜脈注射）。
給藥劑量：急性毒性試驗重點在於觀察動物出現的毒性反應，給藥劑量應包括未見毒性反應到出現嚴重毒性反應的劑量，同時設置空白或溶劑（輔料）對照組。
觀察時間和指標：給藥後幾小時內應嚴密觀察，之後連續觀察至少14天，觀察的間隔和頻率應適當以便觀察毒性反應的出現時間、恢復時間和死亡時間等。觀察指標包括動物外觀、行為、分泌物、排洩物、死亡情況、體重變化等。
結果分析：分析不同劑量下藥物產生的毒性、發生率、嚴重程度，判斷每種反應的劑量-反應、時間-反應關係，可能涉及的組織、器官等。確定藥物的無毒性反應劑量、嚴重毒性反應劑量，採用試驗方法測定最大無毒性反應劑量（NOAEL）、最大耐受量（MTD）、最小致死劑量（MLD）等。也可以測定藥物的半數致死劑量（LD50）。
長期毒性試驗：長期毒性試驗是反覆多次給藥與動物，觀察藥物產生的毒性反應。一般需連續給藥14d以上，長期毒性試驗可預測藥物引起的不良反應的性質、程度、劑量-反應關係、時間-反應關係、可逆性、毒性靶器官等，其目的也是為臨床試驗給藥劑量提供依據，降低臨床試驗受試者和上市後使用人群的用藥風險。
試驗對象：要求同急性毒性試驗，通常選用大鼠和Beagle犬或猴，大鼠一般雌雄各10-30隻，Beagle犬或猴為雌雄各3-6隻。
給藥方案：一般至少設置低、中、高三個劑量組和溶劑（輔料）對照組，其中高劑量組應使動物產生明顯的毒性反應甚至出現個別動物死亡，低劑量應高於藥效學試驗的等效劑量並不使動物出現毒性反應。給藥途徑應與臨床用藥途徑一致。一般應每天給藥。
觀察指標：長期毒性試驗必須檢測的指標有血液學指標（紅細胞計數、血紅蛋白等）、血液生化學指標（天冬氨酸氨基轉換酶、丙氨酸氨基轉換酶等）、尿液分析指標（外觀、密度、pH值等）、臟器組織的病理學檢查，此外也要根據藥物的特點有針對性的增加相應的檢測指標。
除上述毒性試驗外，毒理評價還要考慮生殖毒性試驗、遺傳毒性試驗、致癌試驗等。
臨床研究
由於人和動物的種屬差異，候選藥物在人體外或動物體內的療效和毒性不能等同於在人體內的效應，甚至可能會因為體內過程差別而迥異；因此在臨床前評價的基礎上，還需要對候選藥物在人體內的安全性和有效性做出評價，臨床研究過程需要符合GCP的規範，確保研究結果準確可靠。根據其內容和目的可以分為I-IV期臨床、生物等效性臨床、橋接臨床等。
生物等效性試驗：是指用生物利用度研究的方法，一般以藥代動力學參數為指標，比較同一種藥物的相同或者不同劑型的製劑，在相同的試驗條件下，其活性成份吸收程度和速度有無統計學差異的人體試驗。
橋接試驗：研究是指為原地域上市的藥品能在新地域上市所開展的一系列研究，以評價該藥物的種族敏感性，其可能是一項PK/PD試驗，也可能是一項有效性試驗，其目的在於利用已有的外部臨床試驗數據，外推該藥品在新地域的相應適應症的有效性和安全性，縮短開發周期，降低開發成本，加速新藥在新地域獲準上市。
傘式研究vs籃式研究：傘式研究和籃式研究都是現代化臨床設計的應用，二者均屬於採用主方案的臨床試驗設計，以加速腫瘤藥物和生物製品開發。籃式設計是指在同一個試驗中，對不同的腫瘤病人採用同一種藥物或藥物組合進行治療。傘式設計指在同一個試驗中，對於同一種腫瘤的不同基因型採用不同的藥物進行治療。
非劣效vs優效臨床試驗：非劣和優效臨床試驗常用於陽性對照試驗，評估試驗藥相對陽性對照藥物的效果；一項臨床試驗在設計時即需明確是非劣/優效臨床試驗，並確定評價的界值和需要的樣本量。在非劣效的臨床設計中，得到非劣結果後，可以繼續進行優效性檢驗，即非劣轉優；但是優效性設計的試驗沒有得出優效性結論後不能接著進行非劣效檢驗。同理也有等效性試驗。
I-IV期臨床試驗：對於創新藥，要按照循序漸進的原則，從I期到IV期臨床對其在人體內的安全性、有效性和藥代動力學等進行系統的評價，這是新藥研發過程最常見的臨床試驗。
圖表:常見臨床試驗類型總結
資料來源：藥品註冊管理辦法，中金公司研究部
目標人群和患者選擇：臨床試驗的主要目的之一是對藥物用於患有特定疾病的人群中的療效和安全性進行準確的評價，而臨床試驗的結果分析和推斷都是在通過目標人群中選擇一個代表性的樣本進行的，因此患者的選擇對該臨床試驗是否能達到試驗的目的起著重要作用。目標患者人群通常是多樣化的，因此需要設立一定的標準以降低其他因素（年齡、性別、機體功能狀態、疾病嚴重程度等）對試驗結果的影響，通常需要設立入選標準和排除標準，入選標準用來概括納入研究的合適的目標患者人群，排除標準用來去除預期可對結果產生混雜影響的因素。
試驗設計：在評價藥物的安全性和有效性的臨床試驗中，平行分組設計是最常見的臨床試驗設計，該設計中每個受試者入組時隨機接受一種治療，直至臨床試驗結束。而在生物等效性試驗中，常採用交叉設計，交叉設計是指每個受試者在不同階段接受不同的治療，每組患者按照不同的順序接受不同的治療，常見的有2×2交叉設計。在臨床I期試驗中，為了解藥物的安全性和耐受性，通常採用劑量遞增設計。
對照：臨床試驗中，多種因素會對試驗產生偏移和變異，因此需要有良好的對照以為藥物提供一個無偏、有效的安全性和有效性評價。對照組和試驗組在人口學、臨床等基線特徵，以及治療的評價、試驗中變異可能產生的影響等方面都應該相似；基於此，才能認為試驗組和對照組之間的臨床結果差異是由於患者接收了不同的治療這一單一因素產生的。按對照組接受的治療可分為安慰劑、陽性（標準治療）藥物，也有不同劑量藥物作為對照等。
隨機化：在比較性臨床試驗中，通常使用隨機化的方法將患者分配至各組，使每一個受試者都有同等的機會被分配到不同的組中，其目的不僅僅是確保不同組間具有可比性（除處理因素外其他基線特徵一致），也是為臨床試驗結果的評估提供可靠的統計學檢驗方法。出於倫理學考慮，為了減少分入安慰劑組的患者比例，可以將不同數量的患者分配到治療組和安慰劑組，如2:1等。有時為避免不同組的受試者的基線特徵存在不均衡，也會採用分層隨機的辦法，先把樣本按照某些影響結局的因素（年齡、性別、地理位置等）分層，在每一層中再進行隨機化分配。為避免不同組之間受試者分配數量不均衡，也可以採用區組隨機化方法。
設盲：在臨床試驗中，若受試者知道自己是在試驗組或對照組，可能會刻意改變自己的行為或者尋求其他治療。同樣試驗的研究人員如果知曉受試者的分組，可能也無法對試驗組和對照組的研究對象做到「一視同仁」；為避免這些主觀因素給試驗結果帶來偏倚，臨床實踐中通常採取設盲，單受試者不知道自己的分組情況為單盲，受試者和研究人員均不知道分組情況為雙盲，受試者、研究人員、資料分析人員均不知道分組情況為三盲。
樣本量：樣本量的計算首先應考慮試驗設計，包括對照的選擇（安慰劑對照、陽性對照）、試驗類型（優效性試驗、非劣性試驗、等效性試驗等）、設計類型（平行設計、交叉設計等）、主要評價指標（定性、定量、生存時間等），其次明確統計分析方法做出效應量假定，然後根據試驗要求的檢驗水準（α）、檢驗效能（1-β）、單雙側和試驗組對照組分配比例；再根據相應的樣本量估計方法計算所需樣本量，最後根據試驗脫落率、剔除率、依從性等做適當調整。
以常見的平行分組、安慰劑對照、有效性臨床試驗為例，假定評價指標是定量的，做均值t檢驗，標準差為σ，試驗組和對照組的指標均值差異要達到Δ，試驗組和對照組按照1:1分配，則每組所需樣本量如下：
結果分析：臨床過程中常常會發生預期之外的事情，如受試者可能因為各種原因在臨床試驗結束前退出試驗，有的受試者甚至在隨機化後沒有任何資料，也有受試者中途轉為其他的治療方案等。因此哪些受試者納入分析會對結果產生影響。ICH的指導原則中ITT原則（Intention to treat，意向治療原則）是指根據受試者的意向治療（即計劃的治療方案）可以比根據實際接受的治療方案更好地評價療效，即隨機化後即納入分析；但在實際中往往難以達到，因此常採用FAS（Full analysis set，全分析集），FAS是指由所有隨機化的受試者中以最小的和合理的方法剔除受試者得出，未完成的數據觀測值以最後一次觀測值轉接到最後的觀測值（LOCF）。
評價指標的選擇：臨床試驗評價指標要結合臨床試驗目的，根據指標是否容易量化、是否客觀、是否可重複性等來做選擇，通常包括主要臨床終點和次要臨床終點。在II/III期臨床試驗中通常用有效性指標作為主要臨床終點，有效性指標通常應選取能夠直接反映臨床獲益的指標，如腫瘤臨床試驗中通常選取總生存期作為主要臨床終點。但有時反映臨床獲益的直接評價指標並不可行，如降壓、降脂、降糖藥物的臨床獲益通常是降低或延遲心腦血管事件的發生，但是其需要很長時間的觀察，因此有時採用替代指標來評價藥物的有效性，如血壓降低值、血脂、血脂達標水平等；在腫瘤臨床試驗中，為了縮短觀察時間，現也常用基於腫瘤評價的指標（如PFS、ORR等）作為主要臨床終點。各個指標的含義在此不再贅述。
在生物等效性試驗中，評價指標通常選取AUC和Cmax，一般要求AUC和Cmax的幾何均值比的範圍均在80-125％之間。
風險
新藥研發失敗，放量不及預期。