Кіріспе

Жоғары мазмұнды скрининг (ЖСС), сонымен қатар жоғары мазмұнды талдау (ЖСА) немесе целломика деп аталады, бұл биологиялық зерттеулерде және дәрі-дәрмектерді табуда ұяшықтың фенотипіне қажетті түрде әсер ететін ұсақ молекулалар, пептидтер немесе РНК-ай сияқты заттарды анықтау үшін қолданылатын әдіс. Сондықтан жоғары контентті скрининг - бұл бірнеше параметрлерді бір уақытта оқу арқылы бүтін жасушаларды немесе жасушалардың компоненттерін талдауды қамтитын жасушаларда жүргізілетін фенотиптік скрининг түрі. HCS жоғары өнімділік скринингпен (HTS) байланысты, онда мыңдаған қосылыстар бір немесе бірнеше биологиялық сынақтарда олардың белсенділігі үшін қатарда сыналады, бірақ шығыстар ретінде күрделі клеткалық фенотиптердің сынақтарын қамтиды. Фенотиптік өзгерістерге жасушалық өнімдер өндірісінің, мысалы, ақуыздар өндірісінің артуы немесе азаюы және/немесе жасушаның морфологиясының (көрнекі көрінісінің) өзгеруі жатады. Сондықтан HCA әдетте автоматтандырылған микроскопия мен суретті талдауды қамтиды.

Жалпы қағидалар

Жасушалық жүйелерде жоғары мазмұнды скрининг (ЖСС) тірі жасушаларды биологиялық зерттеуде құрал ретінде пайдаланады. HCS сонымен қатар жаңа дәрілік препараттарды табу және оңтайландыру үшін қолданылады. Жоғары мазмұндағы скрининг - бұл қазіргі заманғы жасуша биологиясының, оның барлық молекулалық құралдарының, автоматтандырылған жоғары ажырату микроскопиясы мен роботпен жұмыс істеудің комбинациясы. Жасушалар алдымен химиялық заттарға немесе РНҚ-ның реактивтеріне ұшырайды. Жасушалық морфологиядағы өзгерістер суретті талдау арқылы анықталады. Жасушалар синтездейтін ақуыздардың мөлшеріндегі өзгерістер жасыл флуоресцентті ақуыздар эндогенді ақуыздарға қосылған немесе флуоресцентті антиденелер сияқты әр түрлі әдістерді қолдана отырып өлшенеді. Технологияны әлеуетті дәрі-дәрмектің ауруды өзгертетінін анықтау үшін қолдануға болады. Мысалы, адамдарда G протеинді жұптасқан рецепторлар (GPCR) - бұл 880-ге жуық жасуша бетіндегі белоктардың үлкен отбасы, олар қоршаған ортадағы клеткалық өзгерістерді клеткалық жауапқа айналдырады, мысалы, қан ағынына реттеуші гормонның шығарылуынан қан қысымының өсуін тудырады. Бұл GPCR-терді белсендіру олардың жасушаларға кіруін қамтиды және оны визуалды түрде көрсеткен кезде, химиялық генетика, жүйелі геномдық кең скрининг немесе физиологиялық манипуляция арқылы рецептор функциясының жүйелі талдауының негізі болуы мүмкін. Ұяшық деңгейінде әртүрлі жасушалық қасиеттер туралы деректерді қатар алу, мысалы, сигнал трандукциясы каскадтарының белсенділігі және цитоскелеттің тұтастығы - бұл әдістің жылдам, бірақ аз егжей-тегжейлі жоғары өнімділік скринингпен салыстырғанда негізгі артықшылығы. HCS жылдамдығы баяу болса да, алынған деректердің мол болуы дәрілік заттардың әсерін терең түсінуге мүмкіндік береді. Автоматтандырылған суретке негізделген скрининг жасушалық фенотиптерді өзгертетін шағын қосылыстарды анықтауға мүмкіндік береді және жасушалық функцияларды өзгерту үшін жаңа дәрілік заттар мен жаңа жасушалық биологиялық құралдарды ашу үшін қызығушылық тудырады. Ұяшықтық фенотипке негізделген молекулаларды таңдау қосылыстар әсер ететін биохимиялық нысаналар туралы алдын ала білімді қажет етпейді. Алайда биологиялық нысананы анықтау клиникаға дейінгі оңтайландыруды және әсер еткен қоспаны клиникалық әзірлеуді жеңілдетеді. Фенотиптік/көрнекі скринингтің клеткалық биологиялық құрал ретінде қолданылуының артуын ескере отырып, егер бұл молекулалар кеңінен қолданылуы тиіс болса, биохимиялық нысананы жүйелі түрде анықтауға мүмкіндік беретін әдістер қажет. Нысананы анықтау химиялық генетика / жоғары мазмұндағы скринингтің жылдамдығын шектейтін қадамы ретінде анықталды.

Аспаптар

Жоғары мазмұнды скрининг технологиясы негізінен автоматтандырылған цифрлық микроскопия мен ағын цитометрияға негізделеді, сонымен қатар деректерді талдау мен сақтау үшін IT жүйелерімен біріктіріледі. "Жоғары мазмұнды" немесе визуалды биология технологиясының екі мақсаты бар, біріншісі - оқиға туралы кеңістікте немесе уақытында шешілген ақпаратты алу, ал екіншісі - оны автоматты түрде өлшеу. Ғарыштық түрде ажыратылған аспаптар әдетте автоматтандырылған микроскоптар болып табылады, ал уақытша ажырату көп жағдайда флуоресценция өлшеуінің қандай да бір түрін талап етеді. Бұл дегеніміз, HCS аспаптарының көпшілігі (флуоресценттік) микроскоптар, олар қандай да бір кескінді талдау пакетіне қосылған. Олар жасушалардың флуоресценттік суреттерін түсірудің барлық кезеңдерін қадағалайды және эксперименттерді жылдам, автоматтандырылған және бейтарап бағалайды. Қазіргі таңда нарықтағы HCS аспаптарын аспаптардың әртүрлілігі мен жалпы құнына айтарлықтай әсер ететін ерекшеліктер негізінде бөлуге болады. Бұларға жылдамдық, температура мен бақылауды қамтитын тірі жасушалар камерасы (кейбіреулерінде тірі жасушаларды ұзақ мерзімді бейнелеу үшін ылғалдылықты бақылау бар), жылдам кинетикалық талдаулар үшін пипетор немесе инжектор құрастырылған және конфокалды, жарық өріс, фазалық контраст және FRET сияқты қосымша бейнелеу режимдері кіреді. Ең маңызды айырмашылықтардың бірі - аспаптардың оптикалық конфокальды болуы немесе болмауы. Конфокалды микроскопияны обьект арқылы жұқа кесінділерді бейнелеу / шешу және осы кесіндіден тыс келген фокустан тыс жарықты қабылдамау деп түйіндейді. Конфокалды бейнелеу көбірек қолданылатын эпифлюоресценттік микроскопияға қарағанда дыбыс пен жоғары резолюция бойынша жоғары бейне сигналын қамтамасыз етеді. Құралға байланысты конфокальдық лазерлік сканерлеу арқылы, тесіктер немесе ойықтар бар бір айналу дискісі, қос айналу дискісі немесе виртуалды ойық арқылы жүзеге асырылады. Осы әр түрлі конфокальдық техникалар арасында сезімталдығы, ажырату қабілеті, жылдамдығы, фототоксикалық, фотоағарту, аспаптың күрделілігі және бағасы бойынша сауда-саттық бар. Барлық құралдардың ортақ ерекшелігі - суреттерді автоматты түрде түсіріп, сақтап, түсіндіру және ірі робот клеткалары мен орта өңдеу платформаларына біріктіру мүмкіндігі.

Бағдарламалық жасақтама

Көптеген экрандар аспаппен бірге келетін бейнелерді талдау бағдарламалық жасақтамасы арқылы талданады, бұл шешуді қолмен жасайды. Үшінші тараптың бағдарламалық жасақтамалары жиі ерекше қиын экрандар үшін немесе зертханада немесе мекемеде бірнеше аспаптар бар және бір талдау платформасына стандарттастыруды қалайтын жағдайда қолданылады. Кейбір аспаптық бағдарламалық қамтамасыз ету бейнелер мен деректерді ірі көлемде импорттау мен экспорттауды қамтамасыз етеді, бірақ үшінші тарап бағдарламалық қамтамасыз етуін қолданбай, бірыңғай талдау платформасында осындай стандарттауды жасағысы келетін пайдаланушылар үшін.

Қолданбалар

Бұл технология эксперименттердің (өте) көп санын жүргізуге мүмкіндік береді, бұл зерттеулік скринингке мүмкіндік береді. Ұяшықтарға негізделген жүйелер негізінен химиялық генетикада қолданылады, онда ұяшық модельдік жүйелеріне әсері үшін ірі, әртүрлі шағын молекулалар жинақтары жүйелі түрде сыналады. Он мыңдаған молекулаларды қолдану арқылы жаңа дәрілерді табуға болады, және олар дәрі-дәрмектерді әзірлеудің болашағына үміт береді. Дәрі-дәрмектерді ашудан басқа, химиялық генетика жасушадағы 21000 ген өнімдерінің көпшілігіне әсер ететін кішкентай молекулаларды анықтау арқылы геномды функционалды етуге бағытталған. Бұл жұмыстың бір бөлігі жоғары технология болып табылады, ол ақуыздардың қай жерде және қашан химиялық жолмен әсер ететінін білу үшін пайдалы құралдар болуы мүмкін. Бұл генді нокаут етпейтін (бір немесе бірнеше генді жоғалтқан) тышқандар үшін өте пайдалы, өйткені белок даму, өсу үшін қажет немесе ол жоқ кезде өлімге әкеледі. Химиялық нокаут бұл гендердің қалай және қайда жұмыс істейтінін анықтауы мүмкін. Бұдан басқа, технология РНК-мен бірге белгілі бір механизмдерге қатысы бар гендер жиынтығын анықтау үшін қолданылады, мысалы, жасушаның бөлінуіне. Мұнда, РНК кітапханалары, нысана организмнің геноміндегі болжамды гендердің бүкіл жиынтығын қамтиды, тиісті кіші топтарды анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл бұрын нақты рөлі белгіленбеген гендерді аннотациялауға мүмкіндік береді. Автоматтандырылған жасушалық биологияда өндірілген үлкен деректер жиынтығында кеңістікте шешілген, сандық деректер бар, оларды жүйелер деңгейіндегі модельдер мен жасушалар мен организмдердің қалай жұмыс істейтінін симуляциялау үшін пайдалануға болады. Жасушалардың жүйелік биологиялық модельдері олардың сыртқы өзгерістерге, өсуге және ауруларға қалай, қайда және неге жауап беретінін болжауға мүмкіндік береді.

Тарих

Жоғары контентті скрининг технологиясы биологиялық жүйелерде биохимиялық және морфологиялық параметрлерді бағалауға мүмкіндік береді. Ұяшыққа негізделген тәсілдер үшін автоматтандырылған жасушалық биологияның тиімділігі автоматтандыру мен объективті өлшеудің экспериментті және ауруды түсінуді қалай жақсартуға болатындығын зерттеуді талап етеді. Біріншіден, бұл зерттеушінің әсерін жояды, бірақ жасушалық биология зерттеуінің барлық аспектілері емес, екіншісі, бұл мүлдем жаңа тәсілдерді мүмкін етеді. 20-ғасырдағы классикалық жасушалық биологияда тәжірибелер осы жерде сипатталғанға ұқсас әдістермен өлшенген, бірақ зерттеуші не өлшенетінін және қалай өлшенетінін өзі таңдаған. 1990 жылдардың басында зерттеулер үшін CCD камераларын (зарядты құрылғы камераларын) әзірлеу жасушалардың суреттеріндегі ерекшеліктерді өлшеу мүмкіндігін жасады, мысалы, ядрода қанша ақуыз бар, сыртта қанша бар. Көп ұзамай жаңа флуоресцентті молекулаларды қолдану арқылы күрделі өлшеулер жүргізілді, олар екінші хабаршы концентрациясы немесе ішкі жасушалар бөлмелерінің рН-і сияқты жасуша қасиеттерін өлшеу үшін қолданылады. Жасыл флуоресцентті ақуызды кеңінен қолдану, медузадан алынған табиғи флуоресцентті ақуыз молекуласы, жасушалық биологияда негізгі технология ретінде жасушалық бейнелеуге деген үрдісті жеделдетті. Осы жетістіктерге қарамастан, зерттеуші қандай жасушаны суретке түсіруді және қандай деректерді ұсынуды және оны қалай талдауды таңдады. Мысалы, егер футбол алаңы мен оның үстінде тамақ тақталары орналастырылған болса, тергеуші олардың барлығына қарап отырудың орнына, ұпай сызығының жанында біршама таңдап, қалғандарын қалдырады. Бұл аналогияда өріс - бұл тіндерді өсіретін ыдыс, ал тақталар - бұл оның үстінде өсіп жатқан жасушалар. Бұл әдіс тиімді әрі прагматикалық болғанмен, бүкіл процесті автоматтандыру және талдау тірі жасушалардың бүкіл популяциясын талдауды мүмкін етеді, сондықтан бүкіл футбол алаңы өлшенуі мүмкін.