Under större delen av medicinsk vetenskaps historia har nya läkemedel upptäckts genom en process av försök och misstag eller helt enkelt genom ren tur. I takt med att efterfrågan på nya och mer effektiva läkemedel har ökat har en ny metod för läkemedelsutveckling som kallas rationell läkemedelsdesign börjat ersätta de gamla metoderna. I rationell läkemedelsdesign är biologiskt aktiva föreningar specifikt utformade eller valda för att fungera med ett visst läkemedelsmål. Denna metod involverar ofta användning av mjukvara för molekylär design, som forskare använder för att skapa tredimensionella modeller av läkemedel och deras biologiska mål. Av denna anledning är processen också känd som datorstödd läkemedelsdesign.
Ett läkemedelsmål, eller biologiskt mål, är vanligtvis en av två typer. Den första typen är en molekyl i människokroppen som orsakar sjukdom när den är defekt på något sätt. Den andra är en molekyl från en sjukdomsframkallande mikroorganism. Läkemedelsutveckling innebär att upptäcka eller designa nya kemiska föreningar som interagerar med dessa mål på ett fördelaktigt sätt, till exempel genom att interagera med kolesterol för att avlägsna det från kroppen eller genom att interagera med ett virus för att orsaka dess död.
Äldre metoder för att utveckla nya läkemedel har flera brister som gör läkemedelsupptäckten till en dyr verksamhet. Den enklaste och snabbaste metoden för att utveckla ett nytt läkemedel är helt enkelt att upptäcka, genom ren tur, att en viss förening är biologiskt aktiv mot ett läkemedelsmål av intresse. Den kanske mest kända händelsen var upptäckten av penicillin av Alexander Fleming 1928. Mikrobiologen upptäckte det första antibiotikumet när några bakteriekulturer han arbetade med blev förorenade med en bakteriedödande svamp. Naturligtvis sker den här typen av slumpmässiga upptäckter inte särskilt ofta, och tur är inte något som läkemedelsföretagen förlitar sig på för att utveckla nya mediciner.
Den vanligaste metoden som används för att utveckla nya mediciner är en långdragen, storskalig process som kallas kombinatorisk biblioteksscreening. I denna process skapas ett stort antal kemiska föreningar som sedan screenas för biologisk aktivitet. Om en given substans visar tecken på att interagera med ett biologiskt mål, får den ytterligare uppmärksamhet och kan utvecklas till ett nytt läkemedel. Denna process kan dock ta många år och enorma summor pengar, och även i slutet av utvecklingsperioden kanske läkemedlet inte är tillräckligt effektivt eller tillräckligt säkert för mänskligt bruk.
Rationell läkemedelsdesign är en mer strömlinjeformad process som kräver noggrant övervägande av läkemedlets mål såväl som själva läkemedlet. Denna metod för läkemedelsdesign använder speciell utrustning för att undersöka den tredimensionella strukturen av ett läkemedelsmål och sedan hitta en förening som kan interagera med målet. Denna process kräver därför betydande kunskaper om kemi såväl som biologi, eftersom kemiska interaktioner mellan läkemedel och deras mål är det som avgör om ett läkemedel är biologiskt aktivt.
Föreningar kan lokaliseras för testning på två sätt. Den första involverar användningen av kombinatorisk biblioteksscreening. I det här fallet är dock processen strömlinjeformad eftersom forskare som använder rationella läkemedelsdesignmetoder kommer att screena biblioteket för föreningar med en form som är tillräckligt specifik för att interagera med läkemedelsmålet av intresse. Den andra metoden involverar själva designen av en förening som kan interagera med målet. Detta kräver övervägande av föreningens kemiska sammansättning och kunskap om vilka kemiska grupper föreningen kan kräva för att kunna interagera med läkemedelsmålet.
Det första läkemedlet som utvecklades med hjälp av en process för rationell läkemedelsdesign var ett antiviralt läkemedel som heter Relenza®. Detta läkemedel designades för att interagera med ett influensaprotein som kallas neuraminidas. Utan detta protein kan influensaviruset inte infektera nya celler; därför kan behandling med läkemedlet förkorta sjukdomstiden. Andra rationellt utformade läkemedel inkluderar HIV-läkemedel som ritonavir och indinavir, som båda interagerar med virala proteiner som kallas proteaser.