Введение
Высококонтентный скрининг (HCS), также известный как анализ высокого содержания (HCA) или целломика, является методом, который используется в биологических исследованиях и открытии лекарств для идентификации таких веществ, как малые молекулы, пептиды или РНКи, которые изменяют фенотип клетки желаемым образом. Таким образом, скрининг с высоким содержанием является типом фенотипического скрининга, проводимого в клетках, включая анализ целых клеток или компонентов клеток с одновременным считыванием нескольких параметров. HCS связан с высокопроизводительным скринингом (HTS), в котором тысячи соединений тестируются параллельно на их активность в одном или нескольких биологических анализах, но включают в себя анализы более сложных клеточных фенотипов в качестве результатов. Фенотипические изменения могут включать увеличение или уменьшение производства клеточных продуктов, таких как белки и/или изменения морфологии (визуального вида) клетки. Поэтому HCA обычно включает в себя автоматизированную микроскопию и анализ изображений.
Общие принципы
Высококонтентный скрининг (ВКС) в клеточных системах использует живые клетки в качестве инструментов в биологических исследованиях для выяснения работы нормальных и больных клеток. HCS также используется для обнаружения и оптимизации новых лекарственных препаратов. Высококонтентный скрининг - это сочетание современной клеточной биологии со всеми ее молекулярными инструментами, автоматизированной микроскопией высокого разрешения и роботизированной обработкой. Клетки сначала подвергаются воздействию химических веществ или РНК-реагентов. Затем изменения в морфологии клеток обнаруживаются с помощью анализа изображений. Изменения в количестве синтезируемых клетками белков измеряются с помощью различных методов, таких как зеленые флуоресцентные белки, слитые с эндогенными белками, или флуоресцентными антителами. Технология может быть использована для определения того, изменяет ли потенциальный препарат болезнь. Например, у человека рецепторы G-протеина (GPCR) - это большое семейство из около 880 белков поверхности клетки, которые преобразуют внеклеточные изменения в окружающей среде в клеточный ответ, например, вызывают повышение артериального давления из-за выделения регуляторного гормона в кровоток. Активация этих GPCR может включать их вход в клетки, и когда это можно визуализировать, это может быть основой для систематического анализа функции рецептора с помощью химической генетики, систематического скрининга в масштабах генома или физиологических манипуляций. На клеточном уровне параллельное получение данных о различных клеточных свойствах, например, активность каскадов передачи сигнала и целостность цитоскелета, является основным преимуществом этого метода по сравнению с более быстрым, но менее подробным высокопроизводительным скринингом. Хотя HCS работает медленнее, накопленные данные позволяют глубже понять воздействие лекарств. Автоматизированный скрининг на основе изображений позволяет идентифицировать небольшие соединения, изменяющие клеточные фенотипы, и представляет интерес для открытия новых лекарственных препаратов и новых клеточных биологических инструментов для модификации функции клетки. Выбор молекул на основе клеточного фенотипа не требует предварительного знания биохимических целей, на которые влияют соединения. Однако определение биологической мишени значительно облегчит последующую доклиническую оптимизацию и клиническую разработку пораженного соединения. Учитывая увеличение использования фенотипического/визуального скрининга в качестве клеточного биологического инструмента, требуются методы, позволяющие систематически идентифицировать биохимические мишени, если эти молекулы должны быть широко использованы. Определение цели определено как ограничивающий скорость шаг в скрининге химической генетики/высокого содержания.
Инструментовка
Технология скрининга высокого содержания в основном основана на автоматизированной цифровой микроскопии и поточной цитометрии в сочетании с информационными системами для анализа и хранения данных. Технология "высокого содержания" или визуальной биологии имеет две цели: первая - получение пространственно или временно разрешенной информации о событии, вторая - автоматическая ее количественная оценка. Приборы с пространственным разрешением обычно являются автоматическими микроскопами, а временное разрешение в большинстве случаев все еще требует некоторой формы измерения флуоресценции. Это означает, что многие инструменты HCS являются (флуоресцентными) микроскопами, которые подключены к какой-то форме пакета анализа изображений. Они обеспечивают все этапы получения флуоресцентных изображений клеток и обеспечивают быструю, автоматизированную и беспристрастную оценку экспериментов. Инструменты HCS, имеющиеся на рынке сегодня, можно разделить на основе целого ряда спецификаций, которые существенно влияют на универсальность инструментов и общую стоимость. К ним относятся скорость, камера живых клеток, которая включает температуру и контроль (некоторые также имеют контроль влажности для долгосрочного изображения живых клеток), встроенный пипетор или инжектор для быстрых кинетических анализов и дополнительные режимы изображения, такие как конфокальное, яркое поле, фазовый контраст и FRET. Одно из самых резких различий заключается в том, являются ли приборы оптическими конфокальными или нет. Конфокальная микроскопия обобщает как визуализация / разрешение тонкого разреза через объект и отбрасывание из фокуса света, который исходит из-за пределов этого разреза. Конфокальная визуализация позволяет получить более высокий уровень сигнального и шумового соотношения и более высокое разрешение, чем более широко применяемая эпифлуоресцентная микроскопия. В зависимости от прибора конфокальность достигается с помощью лазерного сканирования, одного вращающегося диска с отверстиями или щелями, двойного вращающегося диска или виртуального щели. Существуют компромиссы в отношении чувствительности, разрешения, скорости, фототоксичности, фотобеливания, сложности прибора и цены между этими различными конфокальными методами. Все приборы обладают способностью автоматически принимать, хранить и интерпретировать изображения и интегрироваться в большие роботизированные ячейки/платформы обработки средних размеров.
Программное обеспечение
Многие экраны анализируются с помощью программного обеспечения для анализа изображений, которое сопровождает прибор, обеспечивая решение по ключу. Альтернативные сторонние программные средства часто используются для особенно сложных экранов или в тех случаях, когда лаборатория или учреждение имеет несколько инструментов и желает стандартизировать их на единую аналитическую платформу. Некоторые инструментальные программы обеспечивают массовый импорт и экспорт изображений и данных, однако для пользователей, которые хотят сделать такую стандартизацию на единой платформе анализа без использования стороннего программного обеспечения.
Приложения
Эта технология позволяет проводить (очень) большое количество экспериментов, позволяя проводить исследовательский скрининг. Системы, основанные на клетках, в основном используются в химической генетике, где большие, разнообразные коллекции малых молекул систематически тестируются на их влияние на клеточные модели. Новые лекарства можно найти, используя экраны из десятков тысяч молекул, и это обещает будущее в разработке лекарств. Помимо открытия лекарств, химическая генетика направлена на функционализацию генома путем идентификации малых молекул, которые действуют на большинство из 21 000 генных продуктов в клетке. Технология высокого содержания будет частью этих усилий, которые могут обеспечить полезные инструменты для изучения, где и когда белки действуют, выбивая их химически. Это было бы наиболее полезно для генов, где выбивать мышей (потерявших один или несколько генов) нельзя, потому что белок необходим для развития, роста или в противном случае смертелен, когда его нет. Химический нокаут может помочь понять, как и где работают эти гены. Кроме того, технология используется в сочетании с РНКи для идентификации наборов генов, участвующих в конкретных механизмах, например, делении клеток. Здесь библиотеки РНК, охватывающие целый набор предсказанных генов внутри генома целевого организма, могут быть использованы для идентификации соответствующих подмножеств, облегчая аннотацию генов, для которых ранее не была установлена четкая роль. Большие наборы данных, полученные автоматизированной клеточной биологией, содержат пространственно разрешенные количественные данные, которые могут быть использованы для построения моделей системного уровня и моделирования того, как функционируют клетки и организмы. Системобиологические модели клеточной функции позволили бы предсказать, почему, где и как клетка реагирует на внешние изменения, рост и болезни.
История
Технология скрининга высокого содержания позволяет оценивать множество биохимических и морфологических параметров в нетронутых биологических системах. Для подходов на основе клеток полезность автоматизированной клеточной биологии требует изучения того, как автоматизация и объективное измерение могут улучшить эксперименты и понимание болезней. Во-первых, это устраняет влияние исследователя в большинстве, но не во всех аспектах исследований клеточной биологии, а во-вторых, это делает возможным совершенно новые подходы. В обзоре классическая клеточная биология 20-го века использовала клеточные линии, выращенные в культуре, где эксперименты измерялись с использованием очень похожих на описанные здесь, но там исследователь делал выбор в отношении того, что измерялось и как. В начале 1990-х годов разработка камер CCD (камеры устройств с соединенным зарядом) для исследований создала возможность измерять особенности на изображениях клеток, такие как количество белка в ядре, сколько снаружи. Вскоре последовали сложные измерения с использованием новых флуоресцентных молекул, которые используются для измерения клеточных свойств, таких как концентрация второго мессенджера или рН внутренних клеточных отсеков. Широкое использование зеленого флуоресцентного белка, естественной флуоресцентной молекулы белка из медузы, ускорило тенденцию к клеточной визуализации как основной технологии в клеточной биологии. Несмотря на эти достижения, исследователь все еще выбирал, какую клетку изобразить, какие данные представить и как их анализировать. По аналогии, если представить себе футбольное поле и обеденные тарелки, расположенные по всему, вместо того, чтобы смотреть на все из них, следователь выберет горсть рядом с линией отсчета и должен оставить остальные. В этой аналогии поле - это блюдо для выращивания тканей, а пластины - это клетки, растущие на нем. Хотя это был разумный и прагматичный подход автоматизация всего процесса и анализ позволяет анализ всей популяции живых клеток, так что весь футбольное поле может быть измерено.