Введение
Техника поиска лекарственных средств. Высокопроизводительный скрининг (HTS) – это метод научных исследований, особенно широко используемый в разработке лекарственных препаратов и имеющий отношение к областям биологии, материаловедения и химии. Используя робототехнику, программное обеспечение для обработки и управления данными, оборудование для работы с жидкостями и высокочувствительные детекторы, высокопроизводительный скрининг позволяет исследователям быстро проводить миллионы химических, генетических или фармакологических анализов. Этот процесс позволяет быстро выявлять активные соединения, антитела или гены, модулирующие определенный биомолекулярный путь. Результаты этих экспериментов служат отправной точкой для разработки лекарств и понимания роли или отсутствия взаимодействия конкретного участка.
High throughput screening (HTS) is a method for scientific discovery especially used in drug discovery and relevant to the fields of biology, materials science and chemistry. Using robotics, data processing/control software, liquid handling devices, and sensitive detectors, high throughput screening allows a researcher to quickly conduct millions of chemical, genetic, or pharmacological tests. Through this process one can quickly recognize active compounds, antibodies, or genes that modulate a particular biomolecular pathway. The results of these experiments provide starting points for drug design and for understanding the noninteraction or role of a particular location.
Подготовка пластинки для анализа
Ключевым лабораторным инструментом или сосудом для проведения HTS является микротитровая пластина – небольшой, как правило, одноразовый пластиковый контейнер с сеткой небольших открытых углублений, называемых ячейками. Микропластины для HTS обычно содержат 96, 192, 384, 1536, 3456 или 6144 ячейки. Все эти значения кратны 96 и отражают исходную микропластину с 96 ячейками, расположенными в сетке 8 x 12 с расстоянием между ячейками 9 мм. Большинство ячеек содержат образцы для тестирования, в зависимости от характера эксперимента. Это могут быть различные химические соединения, растворенные, например, в водном растворе диметилсульфоксида (DMSO). В ячейках также могут находиться клетки или ферменты. (Другие ячейки могут быть пустыми или содержать чистый растворитель или необработанные образцы, предназначенные для использования в качестве экспериментальных контролей.) На станции высокопроизводительного скрининга обычно хранится библиотека исходных пластин, содержимое которых тщательно каталогизировано, и каждая из которых могла быть создана лабораторией или приобретена у коммерческого поставщика. Сами исходные пластины не используются непосредственно в экспериментах; вместо этого, по мере необходимости создаются отдельные аналитические пластины. Аналитическая пластина – это просто копия исходной пластины, созданная путем переноса небольшого объема жидкости (часто измеряемого в нанолитрах) из ячеек исходной пластины в соответствующие ячейки полностью пустой пластины.
Наблюдение за реакцией
Чтобы подготовиться к анализу, исследователь заполняет каждую ячейку пластины биологическим объектом, на котором планируется проведение эксперимента, например, белком, клетками или эмбрионом животного. После определенного времени инкубации, необходимого для поглощения, связывания или иной реакции (или отсутствия реакции) биологического материала с соединениями в ячейках, проводятся измерения во всех ячейках пластины – вручную или с помощью прибора. Ручные измерения часто требуются, когда исследователь использует микроскопию для поиска изменений или дефектов в эмбриональном развитии, вызванных соединениями в ячейках, выявляя эффекты, которые компьютер не может легко определить самостоятельно. В противном случае, специализированный автоматизированный анализатор может провести ряд экспериментов на ячейках (например, направить на них поляризованный свет и измерить отражательную способность, что может указывать на связывание белка). В этом случае прибор выдает результат каждого эксперимента в виде сетки числовых значений, где каждое число соответствует значению, полученному из отдельной ячейки. Высокопроизводительный анализатор способен измерить десятки пластин за несколько минут, генерируя тысячи экспериментальных точек данных очень быстро. В зависимости от результатов этого первого анализа, исследователь может провести дополнительные анализы в рамках того же скрининга, "выбирая" жидкость из исходных ячеек, показавших интересные результаты ("попадания"), и перенося ее в новые аналитические пластины, а затем повторно проводя эксперимент для сбора дополнительных данных по этому суженному набору, подтверждая и уточняя наблюдения.
Системы автоматизации
Автоматизация — важнейший элемент, определяющий эффективность HTS. Как правило, интегрированная роботизированная система, состоящая из одного или нескольких роботов, перемещает планшеты для анализа от станции к станции для добавления образцов и реагентов, смешивания, инкубации и, в конечном итоге, считывания или детекции. Система HTS обычно может одновременно подготавливать, инкубировать и анализировать множество планшетов, что дополнительно ускоряет процесс сбора данных. В настоящее время существуют HTS-роботы, способные тестировать до 100 000 соединений в день. Автоматические колониеподборщики отбирают тысячи микробных колоний для высокопроизводительного генетического скрининга. Термин uHTS, или ультравысокопроизводительный скрининг, обозначает (примерно в 2008 году) скрининг, охватывающий более 100 000 соединений в день.
Контроль качества
Высококачественные HTS-анализы критически важны при проведении HTS-экспериментов. Разработка высококачественных HTS-анализов требует интеграции экспериментальных и вычислительных подходов для контроля качества (QC). Три важных аспекта QC включают в себя: (i) грамотное планирование расположения образцов в планшете, (ii) выбор эффективных положительных и отрицательных химических/биологических контролей, и (iii) разработку эффективных метрик QC для оценки степени различимости, позволяющих выявлять анализы с ненадлежащим качеством данных. Грамотное планирование расположения образцов в планшете помогает выявлять систематические ошибки (особенно связанные с позицией скважины) и определять, какую нормализацию следует использовать для устранения или уменьшения влияния систематических ошибок на QC и отбор перспективных соединений. Строго стандартизированная средняя разница (SSMD) была недавно предложена для оценки качества данных в HTS-анализах.
Методы повышения пропускной способности и эффективности
Уникальные схемы распределения соединений по одной или нескольким пластинкам могут использоваться для увеличения числа анализов на пластинку, снижения разброса результатов анализов или достижения обеих этих целей. Основное упрощающее допущение в этом подходе заключается в том, что любые N соединений в одной скважине, как правило, не будут взаимодействовать друг с другом или с мишенью анализа таким образом, чтобы существенно повлиять на способность анализа выявлять истинные активные соединения. Например, представьте пластинку, в которой соединение А находится в скважинах 1, 2, 3, соединение В – в скважинах 2, 3, 4, а соединение С – в скважинах 3, 4, 5. При анализе этой пластинки на конкретную мишень, положительный результат в скважинах 2, 3 и 4 будет указывать на то, что соединение В является наиболее вероятным кандидатом, а также предоставит три измерения эффективности соединения В в отношении данной мишени. Коммерческие реализации этого подхода используют комбинации, в которых никакие два соединения не присутствуют более чем в одной скважине, чтобы уменьшить вероятность (второго порядка) интерференции между парами соединений, подвергаемых скринингу.
Последние достижения
Ученые из Центра химической геномики NIH (NCGC) использовали автоматизацию и малообъемные форматы анализа для разработки количественного высокопроизводительного скрининга (qHTS) – подхода к фармакологическому профилированию больших химических библиотек путем получения полных кривых «концентрация-реакция» для каждого соединения. В сочетании с программным обеспечением для аппроксимации кривых и хемоинформатики, данные qHTS позволяют определить полумаксимальную эффективную концентрацию (EC50), максимальный эффект и коэффициент Хилла (nH) для всей библиотеки, что дает возможность оценивать формирующиеся зависимости структура-активность (SAR). В марте 2010 года была опубликована работа, демонстрирующая процесс HTS, обеспечивающий скрининг в 1000 раз быстрее (100 миллионов реакций за 10 часов) и в 1 миллион раз дешевле (при использовании в 10−7 раз меньшего объема реагентов), чем традиционные методы с использованием микрофлюидики на основе капель. Этот процесс способен анализировать 200 000 капель в секунду. В 2013 году исследователи представили подход с использованием малых молекул, выделенных из растений. В целом, на ранних этапах разработки лекарственных средств крайне важно предоставлять высококачественные подтверждения концепции. Особый интерес представляют технологии, позволяющие идентифицировать мощные, селективные и биодоступные химические зонды, даже если полученные соединения требуют дальнейшей оптимизации для разработки фармацевтического продукта. Ядерный рецептор RORα, белок, который более десяти лет является мишенью для поиска мощных и биодоступных агонистов, был использован в качестве примера сложной мишени для разработки лекарств. Попадания подтверждаются на этапе скрининга благодаря форме кривой, напоминающей колокол. Этот метод очень похож на количественный метод HTS (скрининг и подтверждение попаданий происходят одновременно), за исключением того, что данный подход значительно уменьшает количество точек данных и позволяет легко скринировать более 100 000 биологически релевантных соединений. В то время как традиционный HTS для поиска лекарств использует очищенные белки или целые клетки, недавние разработки связаны с использованием целых живых организмов, таких как нематода Caenorhabditis elegans и рыба-зебра (Danio rerio). В 2016–2018 годах производители планшетов начали выпускать специализированные покрытия, обеспечивающие массовое производство ультранизкоадгезионных поверхностей, отталкивающих клетки, что способствовало быстрой разработке анализов, пригодных для HTS, для поиска противораковых препаратов в 3D-тканях, таких как органоиды и сфероиды – более физиологически релевантном формате.
Расширение использования HTS в научных кругах для биомедицинских исследований
HTS – относительно недавнее новшество, ставшее возможным благодаря современным достижениям в области робототехники и высокоскоростных компьютерных технологий. Для проведения HTS-анализа по-прежнему требуется высокоспециализированная и дорогая лаборатория, поэтому во многих случаях небольшие и средние исследовательские учреждения предпочитают пользоваться услугами существующих HTS-центров, а не создавать собственные. В академической среде наблюдается тенденция к тому, что университеты самостоятельно занимаются разработкой лекарственных препаратов. Эти мощности, которые обычно встречаются только в промышленности, все чаще появляются и в университетах. Например, в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA) функционирует лаборатория HTS с открытым доступом Molecular Screening Shared Resources (MSSR, UCLA), способная проводить скрининг более 100 000 соединений в день в обычном режиме. Политика открытого доступа гарантирует, что исследователи со всего мира могут воспользоваться этой возможностью без длительных переговоров об интеллектуальной собственности. Обладая библиотекой соединений, насчитывающей более 200 000 малых молекул, MSSR располагает одной из крупнейших коллекций соединений среди университетов западного побережья. Кроме того, MSSR обладает полным спектром возможностей функциональной геномики (широкомасштабные siRNA, shRNA, cDNA и CRISPR), дополняющих исследования малых молекул: функциональная геномика использует возможности HTS для проведения широкомасштабных геномных скринингов, изучающих функцию каждого гена в интересующем контексте путем инактивации или сверхэкспрессии гена. Параллельный доступ к высокопроизводительному скринингу малых молекул и широкомасштабному геномному скринингу позволяет исследователям проводить идентификацию и валидацию мишеней для конкретного заболевания или определять механизм действия малых молекул. Наиболее точные результаты достигаются при использовании "матричных" библиотек функциональной геномики, то есть каждая библиотека содержит одну конструкцию, например, одну siRNA или cDNA. Функциональная геномика обычно сочетается со скринингом высокого содержания, например, с использованием эпифлуоресцентной микроскопии или лазерной сканирующей цитометрии. Центры HTS также имеются в Университете Иллинойса и Университете Миннесоты. В Институте наук о жизни Мичиганского университета находится HTS-центр в Центре химической геномики. В Колумбийском университете есть общий ресурс HTS, располагающий примерно 300 000 разнообразных малых молекул и около 10 000 известных биоактивных соединений, доступных для биохимического, клеточного и NGS-скрининга. Университет Рокфеллера располагает открытым ресурсным центром HTS (The Rockefeller University, HTSRC), предлагающим библиотеку, насчитывающую более 380 000 соединений. Лаборатория высокопроизводительного анализа Северо-Западного университета поддерживает идентификацию и валидацию мишеней, разработку анализов и скрининг соединений. Некоммерческий институт медицинских исследований Санфорд Бернхэм Пребис также имеет давний HTS-центр в Центре химической геномики Конрада Пребиса, который входил в состав MLPCN. Некоммерческий Молекулярный скрининговый центр Скриппса (SRMSC) продолжает обслуживать академические институты после эпохи MLPCN. uHTS-центр SRMSC поддерживает одну из крупнейших библиотечных коллекций в академических кругах, в настоящее время насчитывающую более 665 000 малых молекул, и регулярно проводит скрининг всей коллекции или подколлекций в поддержку многокомпонентных грантовых инициатив. В Соединенных Штатах Национальный институт здоровья (NIH) создал общенациональный консорциум центров скрининга малых молекул для разработки инновационных химических инструментов для использования в биологических исследованиях. Сеть центров производства молекулярных библиотек (MLPCN) проводит HTS-анализ на основе анализов, предоставляемых научным сообществом, по отношению к большой библиотеке малых молекул, хранящейся в центральном репозитории молекул.