Высокопроизводительная биология

Высокопроизводительная биология (или высокопроизводительная клеточная биология ) — это использование оборудования автоматизации с классическими методами клеточной биологии для решения биологических вопросов, которые иначе невозможно решить с помощью традиционных методов. Он может включать в себя методы оптики , химии , биологии или анализа изображений , чтобы обеспечить быстрое и параллельное исследование того, как клетки функционируют, взаимодействуют друг с другом и как патогены используют их при заболеваниях. ^{[ 1 ]}

Высокопроизводительная клеточная биология имеет множество определений, но чаще всего ее определяют как поиск активных соединений в природных материалах, таких как лекарственные растения. Это также известно как высокопроизводительный скрининг (HTS), и именно с его помощью сегодня совершается большинство открытий лекарств. Многие лекарства от рака, антибиотики или вирусные антагонисты были обнаружены с использованием HTS. ^{[ 2 ]} В процессе HTS также проверяются вещества на наличие потенциально вредных химических веществ, которые могут представлять потенциальную угрозу для здоровья человека. ^{[ 3 ]} HTS обычно включает в себя сотни образцов клеток с модельным заболеванием и сотни тестируемых различных соединений из конкретного источника. Чаще всего компьютер используется для определения того, оказывает ли интересующее соединение 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-клеточный рак (ПКР, рак почек), гепатоцеллюлярный рак (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 компанией Bayer Pharmaceuticals в 2001 году. С помощью биохимического анализа киназы RAF было проверено 200 000 соединений из синтеза, направленного на медицинскую химию, или комбинаторных библиотек для идентификации активных молекул против активной киназы RAF. После трех испытаний было обнаружено, что он оказывает антиангиогенное воздействие на рак, что останавливает процесс создания новых кровеносных сосудов в организме. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Еще одно открытие, сделанное с помощью HTS, — Маравирок . Он является ингибитором проникновения ВИЧ, замедляет этот процесс и предотвращает проникновение ВИЧ в клетки человека. ^{[ 6 ]} Он также используется для лечения различных видов рака, уменьшая или блокируя метастазирование раковых клеток, то есть 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 группой исследований и разработок Pfizer.

Высокопроизводительная биология служит одним из аспектов того, что также называют « омическими исследованиями» — интерфейсом между крупномасштабной биологией ( геном , протеом , транскриптом ), технологиями и исследователями. Высокопроизводительная клеточная биология уделяет особое внимание клетке и методам доступа к клетке, таким как визуализация, микрочипы экспрессии генов или полногеномный скрининг . Основная идея состоит в том, чтобы взять методы, которые обычно выполняются самостоятельно, и выполнить очень большое их количество, не влияя на их качество. ^{[ 7 ]}

Высокопроизводительные исследования можно определить как автоматизацию экспериментов, при которой становится возможным крупномасштабное повторение. Это важно, потому что многие вопросы, с которыми сталкиваются исследователи в области медико-биологических наук, теперь требуют большого числа вопросов. Например, геном человека содержит не менее 21 000 генов. ^{[ 8 ]} все это потенциально может способствовать функционированию клеток или заболеванию. Чтобы получить представление о том, как эти гены взаимодействуют друг с другом, какие гены участвуют и где они находятся, представляют интерес методы, охватывающие путь от клетки до генома.

Использование робототехники

Классическая робототехника для высокопроизводительного скрининга теперь все больше связана с клеточной биологией, в основном с использованием таких технологий, как скрининг с высоким содержанием контента . Высокопроизводительная клеточная биология диктует методы, которые могут вывести рутинную клеточную биологию из мелкомасштабных исследований на скорость и масштаб, необходимые для исследования сложных систем, достижения большого размера выборки или эффективного скрининга коллекции.

Использование микроскопии и цитометрии

Технология скрининга высокого содержания в основном основана на автоматизированной цифровой микроскопии и проточной цитометрии в сочетании с IT-системами для анализа и хранения данных. Технология «высокого содержания», или визуальной биологии, преследует две цели: во-первых, для получения информации о событии с пространственным или временным разрешением, а во-вторых, для автоматической ее количественной оценки. Инструменты с пространственным разрешением обычно представляют собой автоматизированные микроскопы , а временное разрешение в большинстве случаев по-прежнему требует той или иной формы измерения флуоресценции. Это означает, что многие инструменты HCS представляют собой ( флуоресцентные ) микроскопы, подключенные к тому или иному пакету анализа изображений. Они берут на себя все этапы получения флуоресцентных изображений клеток и обеспечивают быструю, автоматизированную и объективную оценку экспериментов.

Развитие технологий

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 стало революционной технологией , когда оно стало практичным, и — даже если первые устройства имели недостатки — оно позволило реализовать проекты секвенирования в масштабе генома и создало область биоинформатики. Трудно предсказать влияние столь же революционной и мощной технологии на молекулярно-клеточную биологию и трансляционные исследования, но ясно то, что она вызовет глубокие изменения в методах исследований клеточных биологов и открытия лекарств.

См. также

Ссылки

^ Сяо, А., и Куо, доктор медицины (2009). Высокопроизводительная биология в постгеномную эпоху. Журнал сосудистой и интервенционной радиологии, 20 (7), S488–S496. https://doi.org/10.1016/j.jvir.2009.04.040
^ Калинина М.А., Скворцов Д.А., Рубцова М.П., Комарова Е.С., Донцова О.А. Тест на цитотоксичность на основе клеток человека, меченных флуоресцентными белками: флуориметрия, фотография и сканирование для высокопроизводительного анализа. Молекулярная визуализация и биология. 2018;20(3):368-377. doi:10.1007/s11307-017-1152-0
^ Мезенцев Роман; Субраманиам, Рави (октябрь 2019 г.). «Использование данных высокопроизводительного скрининга и транскриптомных данных в оценке риска для здоровья человека» . Токсикология и прикладная фармакология . 380 : 114706. doi : 10.1016/j.taap.2019.114706 . ПМЦ 9624462 . ПМИД 31400414 .
^ Отье Г. Поиск иголки в стоге сена: открытие и проектирование материалов с помощью вычислительного ab initio высокопроизводительного скрининга. Вычислительное материаловедение. 2019;163:108-116. doi:10.1016/j.commatsci.2019.02.040
^ Яо, Яо; Ван, Тяньци; Лю, Юнджун; Чжан, На (4 декабря 2019 г.). «Совместная доставка сорафениба и VEGF-siRNA через pH-чувствительные липосомы для синергического лечения гепатоцеллюлярной карциномы» . Искусственные клетки, наномедицина и биотехнология . 47 (1): 1374–1383. дои : 10.1080/21691401.2019.1596943 . ПМИД 30977418 .
^ Маравирок. Информация о лекарствах для потребителей AHFS. Сентябрь 2019:1.
^ Тали, Валери, Бернард Т. Келли и Эндрю Д. Гриффитс. «Капли как микрореакторы для высокопроизводительной биологии». ChemBioChem 8.3 (2007): 263-272.
^ «Сколько существует генов?» . Информация о проекте «Геном человека» . Управление науки Министерства энергетики США. 19 сентября 2008 г.

Дальнейшее чтение

Авраам В.К., Тейлор Д.Л., Хаскинс-младший (январь 2004 г.). «Скрининг высокого содержания применительно к крупномасштабной клеточной биологии». Тенденции Биотехнологии . 22 (1): 15–22. дои : 10.1016/j.tibtech.2003.10.012 . ПМИД 14690618 .
Блейхер К.Х., Бём Х.Дж., Мюллер К., Аланин А.И. (май 2003 г.). «Генерация обращений и потенциальных клиентов: помимо высокопроизводительного скрининга». Nat Rev Drug Discov . 2 (5): 369–78. дои : 10.1038/nrd1086 . ПМИД 12750740 . S2CID 4859609 .
Бурдин Л., Кодадек Т. (май 2004 г.). «Идентификация целей в химической генетике: (часто) недостающее звено» . хим. Биол . 11 (5): 593–7. doi : 10.1016/j.chembiol.2004.05.001 . ПМИД 15157870 .
Карпентер А.Э., Сабатини Д.М. (январь 2004 г.). «Систематические полногеномные проверки функции генов». Нат. Преподобный Жене . 5 (1): 11–22. дои : 10.1038/nrg1248 . ПМИД 14708012 . S2CID 637682 .
Эдвардс Б.С., Опрея Т., Просниц Э.Р., Склар Л.А. (август 2004 г.). «Проточная цитометрия для высокопроизводительного скрининга высокого содержания». Curr Opin Chem Biol . 8 (4): 392–8. дои : 10.1016/j.cbpa.2004.06.007 . ПМИД 15288249 .
Эггерт США, Митчисон Т.Дж. (июнь 2006 г.). «Скрининг малых молекул с помощью визуализации». Curr Opin Chem Biol . 10 (3): 232–7. дои : 10.1016/j.cbpa.2006.04.010 . ПМИД 16682248 .
Джулиано К.А., Хаскинс-младший, Тейлор Д.Л. (август 2003 г.). «Достижения в области тщательного скрининга на предмет открытия лекарств». Технология разработки лекарств для анализа . 1 (4): 565–77. дои : 10.1089/154065803322302826 . ПМИД 15090253 .
Миллиган Дж. (июль 2003 г.). «Анализ высокого содержания лигандной регуляции рецепторов, связанных с G-белком». Препарат Дисков. Сегодня . 8 (13): 579–85. дои : 10.1016/S1359-6446(03)02738-7 . ПМИД 12850333 .

Внешние ссылки

[1] Сяо, А., и Куо, доктор медицины (2009). Высокопроизводительная биология в постгеномную эпоху. Журнал сосудистой и интервенционной радиологии, 20 (7), S488–S496. https://doi.org/10.1016/j.jvir.2009.04.040

[:0-2] Калинина М.А., Скворцов Д.А., Рубцова М.П., Комарова Е.С., Донцова О.А. Тест на цитотоксичность на основе клеток человека, меченных флуоресцентными белками: флуориметрия, фотография и сканирование для высокопроизводительного анализа. Молекулярная визуализация и биология. 2018;20(3):368-377. doi:10.1007/s11307-017-1152-0

[:3-3] Мезенцев Роман; Субраманиам, Рави (октябрь 2019 г.). «Использование данных высокопроизводительного скрининга и транскриптомных данных в оценке риска для здоровья человека» . Токсикология и прикладная фармакология . 380 : 114706. doi : 10.1016/j.taap.2019.114706 . ПМЦ 9624462 . ПМИД 31400414 .

[:1-4] Отье Г. Поиск иголки в стоге сена: открытие и проектирование материалов с помощью вычислительного ab initio высокопроизводительного скрининга. Вычислительное материаловедение. 2019;163:108-116. doi:10.1016/j.commatsci.2019.02.040

[:4-5] Яо, Яо; Ван, Тяньци; Лю, Юнджун; Чжан, На (4 декабря 2019 г.). «Совместная доставка сорафениба и VEGF-siRNA через pH-чувствительные липосомы для синергического лечения гепатоцеллюлярной карциномы» . Искусственные клетки, наномедицина и биотехнология . 47 (1): 1374–1383. дои : 10.1080/21691401.2019.1596943 . ПМИД 30977418 .

[:2-6] Маравирок. Информация о лекарствах для потребителей AHFS. Сентябрь 2019:1.

[7] Тали, Валери, Бернард Т. Келли и Эндрю Д. Гриффитс. «Капли как микрореакторы для высокопроизводительной биологии». ChemBioChem 8.3 (2007): 263-272.

[urlHow_Many_Genes_Are_There?-8] «Сколько существует генов?» . Информация о проекте «Геном человека» . Управление науки Министерства энергетики США. 19 сентября 2008 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]