Uuden lääkeainekandidaatin non-kliininen tutkimus on pitkä prosessi, jossa tutkittavien molekyylien ominaisuuksia parannetaan systemaattisesti. Uusia molekyylejä voidaan periaatteessa syntetisoida rajaton määrä - se mitä oikeasti tehdään, perustuu huolelliseen valintaan ja rakennesuunnitteluun.

Uuden projektin alkuvaiheessa etsitään yhdisteitä, jotka sopivat lähtökohdiksi vaadittavien ominaisuuksien parantamiseen rakenteiden optimoinnilla. Näiden ns. hitti-yhdisteiden etsinnässä tietokoneavusteiset seulontamenetelmät (ns. virtuaaliseulonta) ovat arvokkaita. Tiedon lisääntyessä voidaan luoda rakenne-aktiivisuus suhteita (SAR), jotka ohjaavat uusien rakenteiden suunnittelua.

Johtolankamolekyylillä monet ominaisuudet ovat jo kohdallaan, mutta eivät parhaita mahdollisia. Biologisen aktiivisuuden lisäksi täytyy ottaa huomioon muut lääkeaineelta vaadittavat ominaisuudet, kuten imeytyminen, jakautuminen, hajoaminen eli metabolia, erittyminen ja turvallisuus. Jatko-optimoinnilla laboratorio - ja eläinkokein varmistetaan, että uuden molekyylin teho, kinetiikka ja turvallisuus täyttävät lääkeainekandidaatille asetetut vaatimukset.

Optimoinnin lopputuloksena on usein vain yksi lääkeainekandidaatti, joka valitaan vietäväksi kliinisiin tutkimuksiin, joissa lopullisesti todetaan lääkkeen käyttökelpoisuus.

Non-kliinisen vaiheen tutkimuksissa hyödynnetään uusia molekyylibiologian menetelmiä lääkevaikutusmekanismia kuvaavien biologisten merkkiaineiden (biomarkkeri) tunnistamiseksi ja hyödyntämiseksi tehon ja turvallisuuden arvioinnissa.

Non-kliininen tutkimus jatkuu koko lääkkeen kehitysvaiheen ajan. Tutkimuksin selvitetään mm. kliiinisissä tutkimuksissa saatujen - välillä yllättävien - tulosten taustoja.