Σε όλο το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας της ιατρικής επιστήμης, νέα φάρμακα έχουν ανακαλυφθεί μέσω μιας διαδικασίας δοκιμής και λάθους ή απλώς μέσω καθαρής τύχης. Καθώς η ζήτηση για νέα και πιο αποτελεσματικά φάρμακα έχει αυξηθεί, μια νέα μέθοδος ανάπτυξης φαρμάκων που ονομάζεται ορθολογικός σχεδιασμός φαρμάκων έχει αρχίσει να αντικαθιστά τις παλιές μεθόδους. Στον ορθολογικό σχεδιασμό φαρμάκων, οι βιολογικά δραστικές ενώσεις σχεδιάζονται ή επιλέγονται ειδικά για να λειτουργούν με έναν συγκεκριμένο στόχο φαρμάκου. Αυτή η μέθοδος συχνά περιλαμβάνει τη χρήση λογισμικού μοριακού σχεδιασμού, το οποίο χρησιμοποιούν οι ερευνητές για να δημιουργήσουν τρισδιάστατα μοντέλα φαρμάκων και τους βιολογικούς τους στόχους. Για το λόγο αυτό, η διαδικασία είναι επίσης γνωστή ως σχεδιασμός φαρμάκων με τη βοήθεια υπολογιστή.
Ένας στόχος φαρμάκου, ή βιολογικός στόχος, είναι συνήθως ένας από τους δύο τύπους. Ο πρώτος τύπος είναι ένα μόριο στο ανθρώπινο σώμα που προκαλεί ασθένεια όταν είναι ελαττωματικό κατά κάποιο τρόπο. Το δεύτερο είναι ένα μόριο από έναν μικροοργανισμό που προκαλεί ασθένεια. Η ανάπτυξη φαρμάκων περιλαμβάνει την ανακάλυψη ή το σχεδιασμό νέων χημικών ενώσεων που αλληλεπιδρούν με αυτούς τους στόχους με ευεργετικό τρόπο, όπως αλληλεπιδρώντας με τη χοληστερόλη για την απομάκρυνσή της από το σώμα ή αλληλεπιδρώντας με έναν ιό για να προκαλέσουν το θάνατό της.
Οι παλαιότερες μέθοδοι ανάπτυξης νέων φαρμάκων έχουν πολλά ελαττώματα που κάνουν την ανακάλυψη φαρμάκων μια δαπανηρή επιχείρηση. Η ευκολότερη και ταχύτερη μέθοδος ανάπτυξης ενός νέου φαρμάκου είναι απλώς να ανακαλύψετε, από καθαρή τύχη, ότι μια συγκεκριμένη ένωση είναι βιολογικά ενεργή έναντι ενός στόχου φαρμάκου που σας ενδιαφέρει. Ίσως το πιο διάσημο τέτοιο περιστατικό ήταν η ανακάλυψη της πενικιλίνης από τον Alexander Fleming το 1928. Ο μικροβιολόγος ανακάλυψε το πρώτο αντιβιοτικό όταν ορισμένες βακτηριακές καλλιέργειες με τις οποίες δούλευε μολύνθηκαν με βακτηριοκτόνο μύκητα. Φυσικά, αυτό το είδος τυχαίας ανακάλυψης δεν συμβαίνει πολύ συχνά και η τύχη δεν είναι κάτι στο οποίο βασίζονται οι φαρμακευτικές εταιρείες για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων.
Η πιο κοινή μέθοδος που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων είναι μια μακρά, μεγάλης κλίμακας διαδικασία που ονομάζεται συνδυαστική εξέταση βιβλιοθήκης. Σε αυτή τη διαδικασία, δημιουργούνται μεγάλοι αριθμοί χημικών ενώσεων και στη συνέχεια εξετάζονται για βιολογική δραστηριότητα. Εάν μια δεδομένη ένωση παρουσιάζει σημάδια αλληλεπίδρασης με έναν βιολογικό στόχο, τυγχάνει περαιτέρω προσοχής και μπορεί να αναπτυχθεί σε νέο φάρμακο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει πολλά χρόνια και τεράστια χρηματικά ποσά, ωστόσο, ακόμη και στο τέλος της περιόδου ανάπτυξης, το φάρμακο μπορεί να μην είναι αρκετά αποτελεσματικό ή αρκετά ασφαλές για ανθρώπινη χρήση.
Ο ορθολογικός σχεδιασμός του φαρμάκου είναι μια πιο βελτιωμένη διαδικασία που απαιτεί προσεκτική εξέταση του στόχου του φαρμάκου καθώς και του ίδιου του φαρμάκου. Αυτή η μέθοδος σχεδιασμού φαρμάκων χρησιμοποιεί ειδικό εξοπλισμό για να εξετάσει την τρισδιάστατη δομή ενός στόχου φαρμάκου και στη συνέχεια να βρει μια ένωση που μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον στόχο. Αυτή η διαδικασία επομένως απαιτεί σημαντική γνώση της χημείας καθώς και της βιολογίας, επειδή οι χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φαρμάκων και των στόχων τους είναι αυτές που καθορίζουν εάν ένα φάρμακο είναι βιολογικά ενεργό.
Οι ενώσεις μπορούν να εντοπιστούν για δοκιμή με δύο τρόπους. Το πρώτο περιλαμβάνει τη χρήση συνδυαστικού ελέγχου βιβλιοθηκών. Σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσο, η διαδικασία απλοποιείται επειδή οι ερευνητές που χρησιμοποιούν ορθολογικές μεθόδους σχεδιασμού φαρμάκων θα εξετάσουν τη βιβλιοθήκη για ενώσεις με σχήμα που είναι αρκετά συγκεκριμένο ώστε να αλληλεπιδρά με τον στόχο φαρμάκου που ενδιαφέρει. Η δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει τον πραγματικό σχεδιασμό μιας ένωσης που μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον στόχο. Αυτό απαιτεί εξέταση της χημικής σύνθεσης της ένωσης και γνώση του ποιες χημικές ομάδες μπορεί να απαιτεί η ένωση προκειμένου να είναι σε θέση να αλληλεπιδράσει με τον στόχο του φαρμάκου.
Το πρώτο φάρμακο που αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας μια διαδικασία ορθολογικού σχεδιασμού φαρμάκων ήταν ένα αντιικό φάρμακο που ονομάζεται Relenza®. Αυτό το φάρμακο σχεδιάστηκε για να αλληλεπιδρά με μια πρωτεΐνη της γρίπης που ονομάζεται νευραμινιδάση. Χωρίς αυτή την πρωτεΐνη, ο ιός της γρίπης δεν μπορεί να μολύνει νέα κύτταρα. Συνεπώς, η θεραπεία με το φάρμακο μπορεί να συντομεύσει τη διάρκεια της νόσου. Άλλα λογικά σχεδιασμένα φάρμακα περιλαμβάνουν φάρμακα για τον HIV, όπως η ριτοναβίρη και η ινδιναβίρη, τα οποία αλληλεπιδρούν με τις πρωτεΐνες του ιού που ονομάζονται πρωτεάσες.