藥效學（Pharmacodynamics, PD）以量化模型描述藥物濃度與效應之間的關係。其理論根基始於 Clark（1926）的佔有理論（occupation theory），經 Ariens（1954）引入內在活性概念，再由 Stephenson（1956）提出效能（efficacy）概念而完善。現代藥效學已整合受體構象理論、信號轉導動力學和系統藥理學方法。
受體佔有理論與擴展
Clark 的原始佔有理論假設效應與受體佔有率成正比：E/Emax = [D]/([D] + KD)。然而此模型無法解釋部分促效作用和受體保留（receptor reserve）現象。Stephenson（1956）提出刺激（stimulus）概念：S = e × [DR]/[RT]（e 為效能參數），效應為 S 的函數而非受體佔有率的線性函數。Furchgott（1966）以不可逆拮抗劑（phenoxybenzamine）進行受體保留實驗，推導出受體保留的量化方法。
二態受體模型（Two-State Model）
Del Castillo & Katz（1957）的二態模型假設受體在靜息態（R）和活化態（R*）間平衡。促效劑偏好結合 R* 穩定活化態；反向促效劑偏好結合 R 穩定非活化態；中性拮抗劑對兩態無偏好。Leff（1995）的操作模型（operational model）將受體佔有和信號轉導耦合為統一框架：E = Emax × τⁿ × [A]ⁿ / ([A]ⁿ × (τⁿ + 1) + KAⁿ)，其中 τ 為轉導比（transducer ratio），整合了受體密度和偶聯效率。
現代 GPCR 藥理學已超越二態模型——Kenakin（2019）系統闡述了「偏向性信號」（biased signaling）概念：同一受體的不同配體可選擇性活化不同的下游路徑（如 G protein vs β-arrestin pathway）。μ-opioid receptor 的偏向性配體 oliceridine（TRV130）選擇性活化 Gi 路徑（止痛）而減少 β-arrestin 招募（呼吸抑制），於 2020 年獲 FDA 核准——雖然後續臨床數據顯示其治療窗改善有限（Viscusi et al., 2019）。
PK/PD 整合建模
Sheiner et al.（1979）提出的效應室（effect compartment）模型以 ke0 參數描述藥物從血漿到效應部位的滯後。Sigmoid Emax 模型：E = Emax × Ceⁿ / (EC₅₀ⁿ + Ceⁿ)，其中 n 為 Hill 係數反映劑量-效應曲線的陡峭度，Ce 為效應室濃度。
疾病進展模型（disease progression model）和耐受性模型（tolerance model）進一步擴展了 PK/PD 框架。Gabrielsson & Weiner（2016）的綜述分類了多種耐受性機制的數學描述——受體下調可以計數模型（turnover model）描述：dR/dt = ksyn - kdeg × R × f(C)。
系統藥理學（Systems Pharmacology）
定量系統藥理學（QSP）整合組學數據、信號網路和器官生理學建構機制性模型。Sorger et al.（2011）的 NIH 白皮書確立了 QSP 作為藥物開發新範式。實例包括以 QSP 模型預測免疫檢查點抑制劑在不同腫瘤類型的反應率，以及模擬抗凝血治療中的出血-血栓平衡。
臨床轉譯
治療指數的現代定義已從簡單的 TD₅₀/ED₅₀ 演進至 FDA 要求的暴露-效應分析（exposure-response analysis）。ICH E4 指引要求新藥申請包含劑量-暴露-效應的全面分析，以支持最佳劑量選擇和特殊族群的劑量調整建議。
時間藥理學（Chronopharmacology）
藥效學參數並非恆定——Smolensky & Peppas（2007）綜述了生理節律對藥物效應的影響。例如，statins 在晚間給藥效果較佳（因 HMG-CoA 還原酶活性有晝夜節律），短效型降壓藥的給藥時間影響 24 小時血壓控制。將 PD 的時間依賴性整合入 PK/PD 建模是當前的活躍研究方向。