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研究部门
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肿瘤研究中心
肿瘤研究中心重点围绕恶性肿瘤发生发展、耐药复发的重大科学问题，开展应用基础研究，旨在为肿瘤药物治疗提供新理论、新策略，推动药物创新。前期围绕蛋白激酶等抗肿瘤重点领域，建立了符合国际规范的抗肿瘤药物筛选和药效学评价体系。
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代谢性疾病研究中心
代谢性疾病研究中心面向严重威胁人民生命健康的重大代谢性疾病，包括糖、脂、蛋白质、核酸代谢紊乱引起的肥胖、糖尿病、脂肪性肝炎、痛风、心脑血管疾病等众多慢性复杂性疾病，开展代谢调控生理病理机制研究、新靶向概念提出、新靶标发现与确证、新药发现、药物作用机制研究。
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神经精神疾病研究中心
上海药物所在神经精神疾病的机制、药理学及药物发现方面底蕴深厚，在世界上首次证明吗啡镇痛部位，发现强效镇痛剂羟甲芬太尼和抗阿尔兹海默病天然药物石杉碱甲等，涌现出中国科学院院士2名、中国工程院院士2名。面向未来，神经精神疾病研究中心将以新药发现为导向，开展疾病机制、新靶点发现及药理学研究，致力为严重威胁人类健康的神经系统疾病提供创新治疗和干预方案。
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免疫性疾病研究中心
免疫性疾病研究中心针对难治性自身免疫性疾病及炎症免疫性疾病，开展具有临床治疗前景的天然产物来源活性化合物、小分子及大分子药物的发现研究。以临床科学问题为导向，发现自身免疫疾病及炎症免疫性疾病治疗药物的新靶点、新调控机制和干预新策略，致力于具有自主知识产权的新药研发，促进研究成果的临床转化应用。
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感染性疾病研究中心
上海药物研究所在历史上曾经有非常辉煌的抗生素研究室，后来因为人才凋零，方向疑惑，感染性疾病研究日渐式微。以新型冠状病毒肺炎抗疫攻关为起点，新建感染性疾病研究中心，面向严重威胁人民生命健康的病毒、细菌引起的重大感染性疾病，开展新靶向概念提出、新靶标发现与确证、新药发现相关基础研究、应用基础研究和技术突破。