Während des größten Teils der Geschichte der Medizin wurden neue Medikamente durch Versuch und Irrtum oder einfach durch pures Glück entdeckt. Da die Nachfrage nach neuen und wirksameren Arzneimitteln gestiegen ist, hat eine neue Methode der Arzneimittelentwicklung namens rationales Arzneimitteldesign begonnen, die alten Methoden zu ersetzen. Beim rationalen Wirkstoffdesign werden biologisch aktive Verbindungen speziell entwickelt oder ausgewählt, um mit einem bestimmten Wirkstoffziel zu arbeiten. Bei dieser Methode wird häufig molekulare Designsoftware verwendet, mit der Forscher dreidimensionale Modelle von Medikamenten und ihren biologischen Zielen erstellen. Aus diesem Grund wird das Verfahren auch als computergestütztes Arzneimitteldesign bezeichnet.
Ein Wirkstoffziel oder biologisches Ziel ist normalerweise einer von zwei Typen. Der erste Typ ist ein Molekül im menschlichen Körper, das Krankheiten verursacht, wenn es in irgendeiner Weise defekt ist. Das zweite ist ein Molekül eines krankheitserregenden Mikroorganismus. Die Entwicklung von Medikamenten beinhaltet die Entdeckung oder Entwicklung neuer chemischer Verbindungen, die mit diesen Zielen auf vorteilhafte Weise interagieren, beispielsweise durch Interaktion mit Cholesterin, um es aus dem Körper zu entfernen, oder durch Interaktion mit einem Virus, um seinen Tod zu verursachen.
Ältere Methoden zur Entwicklung neuer Medikamente weisen mehrere Mängel auf, die die Arzneimittelforschung zu einem teuren Geschäft machen. Die einfachste und schnellste Methode zur Entwicklung eines neuen Medikaments besteht darin, einfach durch pures Glück zu entdecken, dass eine bestimmte Verbindung gegen ein interessierendes Wirkstoffziel biologisch aktiv ist. Der vielleicht berühmteste Vorfall dieser Art war die Entdeckung von Penicillin durch Alexander Fleming im Jahr 1928. Der Mikrobiologe entdeckte das erste Antibiotikum, als einige Bakterienkulturen, mit denen er arbeitete, mit einem bakteriziden Pilz kontaminiert wurden. Natürlich passiert diese Art von Zufallsentdeckung nicht sehr oft, und Glück ist nichts, auf das sich Pharmaunternehmen bei der Entwicklung neuer Medikamente verlassen.
Die gebräuchlichste Methode zur Entwicklung neuer Medikamente ist ein langwieriger, groß angelegter Prozess, der als kombinatorisches Bibliotheksscreening bezeichnet wird. Dabei entstehen viele chemische Verbindungen, die dann auf biologische Aktivität untersucht werden. Wenn eine bestimmte Verbindung Anzeichen einer Wechselwirkung mit einem biologischen Ziel zeigt, erhält sie weitere Aufmerksamkeit und könnte zu einem neuen Medikament entwickelt werden. Dieser Prozess kann jedoch viele Jahre und enorme Geldsummen in Anspruch nehmen, und selbst am Ende der Entwicklungsphase ist das Medikament möglicherweise nicht wirksam genug oder sicher genug für den menschlichen Gebrauch.
Rationales Arzneimitteldesign ist ein schlankerer Prozess, der eine sorgfältige Abwägung des Ziels des Arzneimittels sowie des Arzneimittels selbst erfordert. Diese Methode des Wirkstoffdesigns verwendet spezielle Geräte, um die dreidimensionale Struktur eines Wirkstoff-Targets zu untersuchen und dann eine Verbindung zu finden, die mit dem Target interagieren kann. Dieser Prozess erfordert daher erhebliche Kenntnisse sowohl in Chemie als auch in Biologie, da chemische Wechselwirkungen zwischen Wirkstoffen und ihren Zielmolekülen bestimmen, ob ein Wirkstoff biologisch aktiv ist.
Verbindungen können auf zwei Arten zum Testen lokalisiert werden. Die erste beinhaltet die Verwendung eines kombinatorischen Bibliotheksscreenings. In diesem Fall wird der Prozess jedoch rationalisiert, da Forscher, die rationale Wirkstoffdesignmethoden anwenden, die Bibliothek auf Verbindungen mit einer Form durchsuchen, die spezifisch genug ist, um mit dem interessierenden Wirkstoffziel zu interagieren. Die zweite Methode beinhaltet das tatsächliche Design einer Verbindung, die mit dem Ziel interagieren kann. Dies erfordert die Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung der Verbindung und das Wissen darüber, welche chemischen Gruppen die Verbindung möglicherweise benötigt, um mit dem Wirkstoffziel in Wechselwirkung treten zu können.
Das erste Medikament, das mit einem Verfahren des rationalen Medikamentendesigns entwickelt wurde, war ein antivirales Medikament namens Relenza®. Dieses Medikament wurde entwickelt, um mit einem Influenza-Protein namens Neuraminidase zu interagieren. Ohne dieses Protein kann das Influenzavirus keine neuen Zellen infizieren; daher kann die Behandlung mit dem Medikament die Dauer der Krankheit verkürzen. Andere rational konzipierte Medikamente umfassen HIV-Medikamente wie Ritonavir und Indinavir, die beide mit viralen Proteinen, den sogenannten Proteasen, interagieren.