Высокопроизводительная биология (или высокопроизводительная клеточная биология ) — это использование автоматизированного оборудования с классическими методами клеточной биологии для решения биологических вопросов, которые в противном случае недостижимы с использованием обычных методов. Она может включать методы из оптики , химии , биологии или анализа изображений , чтобы обеспечить быстрое, высокопараллельное исследование того, как клетки функционируют, взаимодействуют друг с другом и как патогены используют их при болезнях. [1]
Высокопроизводительная клеточная биология имеет много определений, но чаще всего определяется поиском активных соединений в природных материалах, таких как лекарственные растения. Это также известно как высокопроизводительный скрининг (HTS), и именно так сегодня делается большинство открытий лекарств; многие противораковые препараты, антибиотики или антагонисты вирусов были обнаружены с помощью HTS. [2] Процесс HTS также проверяет вещества на наличие потенциально вредных химических веществ, которые могут представлять потенциальный риск для здоровья человека. [3] HTS обычно включает сотни образцов клеток с модельным заболеванием и сотни различных соединений, тестируемых из определенного источника. Чаще всего компьютер используется для определения того, когда интересующее соединение оказывает желаемый или интересный эффект на образцы клеток.
Использование этого метода способствовало открытию препарата Сорафениб (Нексавар). Сорафениб используется в качестве лекарства для лечения нескольких типов рака, включая почечно-клеточную карциному (ПКР, рак почек), гепатоцеллюлярную карциному (рак печени) и рак щитовидной железы. Он помогает остановить размножение раковых клеток, блокируя присутствующие аномальные белки. В 1994 году был завершен высокопроизводительный скрининг этого конкретного препарата. Первоначально он был обнаружен Bayer Pharmaceuticals в 2001 году. С помощью биохимического анализа киназы RAF было проверено 200 000 соединений из направленного синтеза медицинской химии или комбинаторных библиотек для выявления активных молекул против активной киназы RAF. После трех испытаний было обнаружено, что он оказывает антиангиогенное действие на раковые клетки, что останавливает процесс создания новых кровеносных сосудов в организме. [4] [5]
Другое открытие, сделанное с использованием HTS, — это Маравирок . Это ингибитор проникновения ВИЧ, который замедляет процесс и не дает ВИЧ проникать в клетки человека. [6] Он также используется для лечения различных видов рака, уменьшая или блокируя метастазы раковых клеток, когда раковые клетки распространяются в совершенно другую часть тела, чем та, где они возникли. Высокопроизводительный скрининг Маравирока был завершен в 1997 году и завершен в 2005 году глобальной научно-исследовательской и опытно-конструкторской группой Pfizer.
Высокопроизводительная биология служит одним из аспектов того, что также называют « омик- исследованием» — интерфейсом между крупномасштабной биологией ( геном , протеом , транскриптом ), технологией и исследователями. Высокопроизводительная клеточная биология имеет определенный фокус на клетке и методах доступа к клетке, таких как визуализация, микрочипы экспрессии генов или скрининг по всему геному . Основная идея заключается в том, чтобы взять методы, которые обычно выполняются сами по себе, и выполнить очень большое их количество, не влияя на их качество [7]
Высокопроизводительное исследование можно определить как автоматизацию экспериментов, благодаря которой становится возможным крупномасштабное повторение. Это важно, поскольку многие вопросы, с которыми сталкиваются исследователи в области естественных наук, теперь связаны с большими числами. Например, геном человека содержит не менее 21 000 генов, [8] каждый из которых может потенциально способствовать функционированию клеток или заболеванию. Чтобы иметь возможность получить представление о том, как эти гены взаимодействуют друг с другом, какие гены задействованы и где они находятся, представляют интерес методы, охватывающие все от клетки до генома.
Классическая высокопроизводительная робототехника скрининга теперь все теснее связана с клеточной биологией, в основном с использованием таких технологий, как высококонтентный скрининг . Высокопроизводительная клеточная биология диктует методы, которые могут перевести рутинную клеточную биологию из низкомасштабного исследования в скорость и масштаб, необходимые для исследования сложных систем, достижения большого размера выборки или эффективного скрининга коллекции.
Технология скрининга с высоким содержанием в основном основана на автоматизированной цифровой микроскопии и проточной цитометрии в сочетании с ИТ-системами для анализа и хранения данных. Технология «высокого содержания» или визуальной биологии имеет две цели: во-первых, получить пространственно или временно разрешенную информацию о событии, а во-вторых, автоматически количественно ее оценить. Инструменты с пространственным разрешением обычно представляют собой автоматизированные микроскопы , а временное разрешение в большинстве случаев по-прежнему требует некоторой формы измерения флуоресценции. Это означает, что многие инструменты HCS представляют собой ( флуоресцентные ) микроскопы, подключенные к некоторому пакету анализа изображений. Они выполняют все этапы получения флуоресцентных изображений клеток и обеспечивают быструю, автоматизированную и беспристрастную оценку экспериментов.
Эту технологию можно определить как находящуюся на той же стадии развития, что и первые автоматизированные секвенаторы ДНК в начале 1990-х годов. Автоматизированное секвенирование ДНК было прорывной технологией , когда стало практичным, и — даже если ранние устройства имели недостатки — оно позволило реализовать проекты по секвенированию геномного масштаба и создало область биоинформатики. Влияние столь же прорывной и мощной технологии на молекулярную биологию клеток и трансляционные исследования трудно предсказать, но ясно одно: она вызовет глубокие изменения в способах исследования биологов клеток и открытия лекарств.
