分子细胞生物水平研究
药效动力学研究目前已从细胞和器官水平深入到受体和分子水平，分子生物学研究理论及手段日新月异的发展，也为药物效应研究带来了新思路及新技术。生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从分子水平和基因表达的角度阐释药物作用及其机制，使药效学研究更有针对性，能更科学地研究药物-机体之间的作用。
（一）受体及离子通道
受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域。受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体和细胞表面受体。细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体；细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为离子通道型受体、G蛋白偶联型受体和酶偶联型受体。离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放和关闭调节相应物质进出细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有重要的意义。药物对机体细胞的作用需通过这样的生物大分子来实现。目前此类研究多集中在采用生物物理及生物化学手段，如光镜、电镜、激光共聚焦、膜片钳等，观察药物对其的作用以及引发的一系列生化反应等，从而说明其药理效应。
（二）信号转导及药物靶点
高等生物所处的环境无时无刻不在变化，机体功能上的协调统一要求有一个完善的细胞间相互识别、相互反应和相互作用的机制，这一机制可以称作细胞通信。在这一系统中，细胞或者识别与之相接触的细胞，或者识别周围环境中存在的各种信号（来自于周围或远距离的细胞），并将其转变为细胞内各种分子功能上的变化，从而改变细胞内的某些代谢过程，影响细胞的生长速度，甚至诱导细胞的死亡。这种针对外源性信号所发生的各种分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能的过程称为信号转导，其最终目的是使机体在整体上对外界环境的变化发生最适宜的反应。药物对机体作用后，其作用靶点及作用机制需要从信号转导的途径来解释，从而阐明药物如何对细胞在整个生命过程中的增殖、分化、代谢及死亡等诸方面进行调控，进而理解药物对机体病情病况的调控机理。如抗癌药物研究中，药物对凋亡调控基因caspase家族，Bcl-2家族等级联反应、蛋白表达等作用，直接关系到药物对肿瘤的抑制效果。
（三）基因组学及蛋白质组学
基因组学（Genomics）出现于20世纪80年代是研究生物基因组的组成，组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的学科，同时也是研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，研究基因以及在遗传中的功能，试图解决生物、医学和工业领域的重大问题。1990年随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得了长足的发展。2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。随着人类基因组草图的完成，现在许多学者开始探索基因与蛋白质如何通过相互作用来形成其他蛋白质，从而出现了蛋白质组学（Proteomics）。蛋白质组学是对蛋白质特别是其结构和功能的大规模研究，一个生命体在其整个生命周期中所拥有的蛋白质的全体或者在更小的规模上，特定类型的细胞在经历特定类型刺激时所拥有的蛋白质的全体。分别被称为这个生命体或细胞类型的蛋白质组。蛋白质组学比基因组学要复杂得多——基因组是相当稳定的实体，而蛋白质组通过与基因组的相互作用而不断发生改变。一个生命体在其机体的不同部分以及生命周期的不同阶段，其蛋白表达可能存在巨大的差异。鉴于药物在机体作用前后，基因及蛋白水平会发生一定变化，人们设计了一系列检测方法，尝试解释这种差异，从分子组学的角度说明药物效应。如近几年兴起的核酸探针、微阵列检测及高通量的基因芯片、蛋白芯片等，均从不同角度阐释了药物的作用及机制。
（四）整体动物水平研究
整体动物实验一般应用小鼠、大鼠、兔、狗、猴、猪等，根据实验目的及要求，在实验控制条件下，在动物身上制造出类似人体的毒理、药理、清理、生理过程，构建最大限度模拟病理过程及现象的模型，与正常动物及给药动物组比照，观察药物对动物生理及行为活动的影响，亦即药理效应、机制和规律。动物选择是否得当，直接关系实验的成功和质量高低。一般应选择某一功能高度发达或敏感性较强的动物，如鸽、狗、猫的呕吐反应敏感，常用来评价引起催吐和镇吐的药物的作用，而鼠类和兔模型则反应不明显；家兔对冷损伤易发生，狗则不能发生损伤；豚鼠对铜离子及汞离子的急性毒性很敏感，而大鼠、小鼠则较耐受。因此有人说，在评价动物选择是否得当时，主要看是否用“专家”式动物。一般来说，小动物模型多用于筛选实验，大动物模型多用于实验治疗和中毒机理的研究。
1.小动物模型
新药研发中，常采用小鼠、大鼠、豚鼠、兔、猫、鸡等小型动物，进行动物水平筛选测试。抗肿瘤药物研究中，采用动物移植肿瘤，如Lewis肺癌小鼠、乳腺癌骨转移小鼠等用于评价研究抗肿瘤药，是目前肿瘤药物研发使用最广泛的途径。研究抗精神病药常用去水吗啡造成大白鼠舔、嗅、咬等定向行为，从而观测新药的安定作用。研究镇痛药物常用热刺激法，如小白鼠热板法、电刺激小白鼠尾部法以及化学刺激法，用酒石酸锑钾腹腔注射造成扭体反应，从而观测镇痛药的作用。在抗炎药物研究中，用定量的致炎剂如鸡蛋清、右旋糖酐、弗氏佐剂等注入大白鼠踝部皮下，造成关节肿胀，测定用药前后的肿胀程度，从而观测抗炎药物的作用。研究抗心律失常药物，用氯仿、肾上腺素、乌头碱等诱发小白鼠或大白鼠心律失常，或将电析直接连在心房或心室诱发房颤或室颤，是评价抗心律失常药的常用新方法。对抗溃疡药物的研究和评价，常采用大白鼠或豚鼠制备实验性溃疡模型，常用应激性刺激法（如将大白鼠浸于20℃水中）、组织胺法、幽门结扎法等诱发溃疡，其中以应激法较优，成功率达100%，更为常用。
2.大动物模型
大型动物研究成本较高，多用于实验治疗及中毒机理的研究。如1934年，Goldblatt等采用线结扎狗肾动脉，造成肾性高血压，开创了实验性高血压研究的新时代。也是研究抗高血压药物的经典模型。利用铜圈置入健康Beagle犬心脏中，制备急性心肌缺血动物模型，其机理可能在于铜圈作为异物被置入冠脉内，会诱发冠脉内血栓形成，堵塞冠脉而发生急性心肌缺血，是研究心肌缺血药物的模型。镇咳药研究中，猫静脉注射致咳物二甲苯基哌嗪，引起咳嗽；咳嗽次数在一定范围内与致咳物剂量呈线性关系，是研究评价镇咳药的好方法。研究抗糖尿病药，给狗、猫、猴、羊静脉注射四氧嘧啶，选择性地损伤胰腺口细胞。引起实验动物糖尿病，是经典的研究抗糖尿病的方法。目前，采用与人类最接近的恒河猴制造了多种模型，对许多疾病及药物的研发做出了重大贡献。
3.转基因动物及基因敲除动物
近年来，随着人类对生命认识的深入，利用分子生物学技术使传统药理研究发展到分子甚至更微观的水平，可采用基因敲除、转基因技术等制作更符合疾病病理病情的动物模型。转基因动物就是用实验室方法将人们需要的目的基因导入其基因组，使外源基因与动物本身的基因整合在一起，并随细胞的分裂而增殖，在动物体内得到表达，并能稳定地遗传给后代的动物。整合到动物基因组上的外来结构基因称为转基因，由转基因编码的蛋白质称为转基因产品，通过转基因产品影响动物性状。如果转基因能够遗传给子代，就会形成转基因动物系或群体。转基因哺乳动物自20世纪80年代诞生以来，一直是生命科学研究和讨论的热点。随着研究的不断深入和实验技术的不断完善，转基因技术得到了更广泛的应用，如目前用于研究老年痴呆症，又称阿尔茨海默症（Alzhimer's disease）的APP/PS1/PS2多重转基因小鼠，能较好地表现神经纤维缠结及斑块沉积的重要病理特征，同时一定程度体现了发病机制，被公认为模拟老年痴呆的最佳模型。基因敲除动物模型是通过运用基因工程技术的方法，将动物体内的某些特定基因在染色体水平剔除或使之失活，使得与该基因相关的蛋白质表达减少或不表达。从而使动物体内与该蛋白相关的功能丧失。这一技术为探讨基因在体内的功能和疾病的发病机制提供了一种很好的研究工具，这与早期生理学研究中常用的“切除部分观察整体推测功能”的三部曲思想相似。目前国内研究中，已有研究机构制作出肝脏葡萄糖激酶基因条件敲除的2型糖尿病小鼠模型，可作为2型糖尿病的动物模型，正式进入产业化应用阶段。这将有助于推动2型糖尿病的发病与治疗的研究，诠释筛选抗糖尿病药物的作用机制，并推进抗糖尿病药物的研发。