Les molécules prometteuses peuvent être identifiées par une méthode de sélection massive (" criblage ou screening ") de centaines ou de milliers de molécules en fonction de leur activité biologique. Dans d'autres cas, la connaissance de la physiopathologie moléculaire spécifique de diverses maladies permet la conception rationnelle de médicaments via la modélisation informatique ou la modification de substances pharmaceutiques existantes.
Au cours des phases précoces du développement, les molécules potentiellement intéressantes sont étudiées chez les animaux afin d'en évaluer les effets recherchés et leur toxicité. Les molécules qui semblent efficaces et bien tolérées sont candidates à des essais cliniques chez l'homme. Le protocole décrivant l'essai clinique doit être approuvé par un Comité d'éthique de la recherche approprié (Institutional Review Board, IRB) et l'US Food and Drug Administration aux États-Unis, qui ensuite autorise l'essai clinique du nouveau médicament (médicament expérimental ou investigational new drug, IND en anglais). À ce stade débute la période de brevet de la molécule qui procure habituellement au propriétaire des droits exclusifs sur les 20 années suivantes; cependant, le médicament ne peut être vendu tans qu'il n'est pas approuvé par la FDA.
La phase 1 évalue la tolérance et la toxicité de la molécule dans l'espèce humaine. Des doses croissantes de la molécule sont administrées à un petit nombre (20 à 80) de patients sains, jeunes, habituellement volontaires pour déterminer la posologie à laquelle apparaissent les premiers signes de toxicité.
La phase 2 évalue l'activité de la molécule dans la pathologie ciblée. Le composé est administré pour le traitement ou la prévention du trouble cible. Un autre objectif est d'établir la relation dose-effet et la gamme de doses optimales.
La phase 3 évalue l'effet du médicament dans une population plus large et hétérogène (des centaines, voire des milliers de patients) afin de reproduire les conditions réelles d'emploi du médicament dans son indication clinique. Cette phase compare également le médicament aux traitements existants et/ou à un placebo. Les études impliquent souvent un grand nombre de médecins et de multiples sites de recherche. L'objectif est de vérifier l'efficacité et de détecter les effets, favorables ou indésirables, qui ont pu ne pas être observés pendant les phases 1 et 2.
Lorsque suffisamment de données ont été recueillies pour justifier l'approbation du nouveau médicament, un dossier d'autorisation de mise sur le marché est déposé auprès de la FDA. Le processus, entre le début du développement jusqu'à l'autorisation de mise sur le marché du médicament peut parfois prendre jusqu'à 10 ans.
La phase 4 (surveillance post-commercialisation, pharmacovigilance) vient après que le médicament aura été approuvé et commercialisé et peut comprendre des études formelles ainsi que des rapports d'effets indésirables. La phase 4 implique généralement des populations plus importantes et des temps plus longs que les phases 1 à 3, ce qui permet de détecter des effets indésirables rares ou qui se développent lentement et qui sont peu susceptibles d'être reconnus dans les délais plus courts et dans de petites études. Aussi, l'utilisation pratique des médicaments ne se limite pas aux patients répondant aux critères d'éligibilité stricts utilisés dans les essais cliniques; les médicaments ont tendance à être utilisés chez les patients à risque plus élevé d'effets indésirables. Des sous-populations spécifiques (p. ex., femmes enceintes, enfants ou personnes âgées) sont souvent étudiées. Certains médicaments approuvés par une autorité compétente comme la FDA après la phase 3, ont été retirés du marché du fait de la survenue d'effets indésirables graves apparus au cours de la phase 4.
