高内涵分析在新药筛选和细胞毒性分析上的应用

目前高内涵筛选技术的应用已经从功能鉴定逐渐拓展到靶点发现、靶点验证、活性初筛、代谢及毒理等研究领域，显示了巨大的发展潜力。主要的检测范围包括：靶点激活、细胞凋亡、分裂指数、蛋白转位、细胞活力、细胞迁移、受体内化、细胞毒性、细胞周期和信号转导等，细分下来可以检测上百种细胞参数指标，其应用几乎涵盖细胞分析的所有方面。

由于分子生物学在基因组、蛋白组和功能研究上的突飞猛进，使得越来越的潜在药物靶点被发现，同时能够筛选的化合物数目也在显著增多。这些进展为药物筛选提出了更大规模和更快速度的要求，同时也要求筛选模型能够全面反映样品的性能特点。在这样的要求和技术的发展下，高内涵细胞水平的筛选就应运而生了。

什么是高内涵细胞筛选

所谓高内涵筛选（high content screening，HCS; 或high content analysis，HCA)是指在保持细胞结构和功能完整性的前提下，同时检测样品对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导各个环节的影响，确定其生物活性和潜在毒性。在活细胞自然条件下研究蛋白质功能可以比较准确地了解其生物学特性（如在细胞内的分布转运、表达调控和信号转导等），而新近发展的光学显微技术（尤其是显微荧光定量方法）和与之配套的计算机图像处理及数据分析软件已成为这类研究的基本手段。高内涵筛选分析正是基于上述科学技术进步而产生的一种全新的新药研究手段。与分子水平筛选相比，细胞水平的筛选免去了对靶标蛋白的纯化，使靶标蛋白的构象及所处的环境更接近天然的生理状态，同时那些具有细胞毒性和／或不能透过细胞膜的化合物将被排除。

高内涵筛选的原理

高内涵筛选的仪器一般由白色连续光源、多通道滤光片（适于常用的荧光染料）、显微镜模块和高速高分辨率的CCD照相机进行图像的获取，同时还可以配备细胞培养和自动加样模块进行长时间全自动的实验分析。基于激光的硬件聚焦系统使得自动对焦在200ms之内，再结合软件聚焦，完善了对拍摄对象的快速定位和图像获取。除了图像获取部分外，图像采集、图像分析和数据储存也是高内涵药物筛选设备的主要组成部分。其中用于图像分析的应用软件大致可以分为两种：一种是针对某类特定生物学反应而设计的专用分析模块，研究人员能够在一定程度上通过修改参数来适应检测精度的需要，另一种为使用者可以根据实验和检测要求自己来设计软件(客户自定义软件),如GE 公司的Developer Toolbox, 是目前全球唯一一个可以允许用户根据自己细胞系的特点自行创建分析方法，并对细胞图像进行更深层次的区域划分和定义，获得真正量身定做的分析结果的软件，并在2006 年获得美国《Scientific Computing》杂志授予的“年度最佳生物图像分析软件奖”。 实施高内涵分析在单位时间里会产生和采集数以万计的图像，必须及时处理和妥善保存。一个完整的高内涵筛选技术系统应该包括具有一定开放性的数据存储库，对不同来源的实验数据进行统一的分析和管理，同时允许研究人员调取信息，分析研究。

运用高内涵技术进行药物筛选和毒性评估

目前高内涵筛选技术的应用已经从功能鉴定逐渐拓展到靶点发现、靶点验证、活性初筛、代谢及毒理等研究领域，显示了巨大的发展潜力。主要的检测范围包括：靶点激活、细胞凋亡、分裂指数、蛋白转位、细胞活力、细胞迁移、受体内化、核质或者质膜转位、细胞毒性、细胞周期和信号转导等，细分下来可以检测上百种细胞参数指标，其应用几乎涵盖细胞分析的所有方面。下面通过实例来说明高内涵筛选技术在新药开发和药物毒性评估中的强大应用。

建立针对高尔基复合体的药筛模型

高尔基复合体作为细胞内的分泌途径参与到了相应外界刺激中，并且可能根据刺激信号的不同程度来激活修复或者相反的凋亡机制，目前已经被认为是可能的癌症研究和治疗的药物靶点。目前已经有一些化合物被证明能够引起高尔基复合体的形态变化，因此开发一种能够展示高尔基复合体在不同环境下的多参数形态和组分变化的方法，将对针对其的药物开发提供巨大的帮助。运用高内涵分析结合多种高尔基组分特异荧光标记能够快速得到极高分辨率的展示高尔基特性的图片。

在下图的方法中，特异compartment标记用来区分cis-Golgi和trans-Golgi network (TGN)，并且利用软件获得定量的定位（比如分布和数目）和形态（比如大小）等结果从而检测化合物的活性。在这种方法里，图像的质量和精度必须达到一定的程度才能细致的区分不同结构。除了使用高NA值的高倍镜头外，利用软件进行图像复原也可以达到提高细节分辨率的效果。下图中使用了2D去卷积模式，大大提高了图像尤其是标记物的边界的对比度和精度，从而保证正确的划分和分析。利用高质量和高通量的图像分析高尔基复合体在不同化合物作用下的结构以及细胞活性从而使得用于筛选促进和拮抗药物的高通量药筛模型得以实现。。

Nocodazole处理后的cis-Golgi和trans-Golgi network (TGN)的共定位分析

图片使用GE Healthcare的IN CELL 2000高内涵成像仪在40×/0.6 NA 物镜下使用2D去卷积模式拍摄。HeLa细胞使用1.85 μM nocodazole处理4小时后染色拍摄。细胞核（蓝色）；cis-Golgi（绿色）；TGN（红色）；共定位信号为黄色。

细胞毒性分析

药物研发过程中，如果在晚期才发现药物的毒副作用会显著增加项目成本，推迟上市时间，甚至上市后才发现比如心脏毒性造成健康威胁将会面临撤市，造成巨大的经济损失和社会危害。当前已经实现高通量化的细胞毒性检测技术主要分为两类：a)基于线粒体活性的方法，如MTT法、Alamar Blue法和ATP生物发光法等；b)基于细胞膜通透性的荧光染色法，如Propidium iodide等。随着对细胞凋亡通路的不断认识，通过不同荧光标记技术判断和区分细胞死亡和凋亡与坏死细胞毒性检测方法已越来越普遍。

虽然荧光显微镜或流式细胞仪配合上述适当的荧光染料是区分凋亡或坏死最常用的手段。高内涵筛选方法使实现荧光染色检测细胞凋亡高通量化成为可能。高内涵分析是全自动活细胞分析系统, 其全自动位移,全自动聚焦, 高速图像获取和全自动软件图像分析是共聚焦显微镜无法比拟的，尤其是利用应用软件, 可以通过对不同检测指标展开组合来分析细胞毒性。2011年GE healthcare又推出了基于共聚焦系统的高内涵分析系统IN CELL 6000搭载独有的可变的共聚焦光阑，大大提高了图像质量。流式细胞仪是对DNA 进行荧光探针标记，在高速细胞液流从喷嘴喷出时对荧光信号进行检测并计算细胞相关参数，并不需要成像。高内涵分析系统采用的是96 或384 孔板多样品平行数据采集和分析，在样品多时有着明显优势，分析时间要比需要单个样品逐个处理的流式细胞仪快数百倍。同时基于图像的分析可以对最终结果进行原始图像的追述，大大提高结果的可靠性。

目前，国外许多制药企业对高内涵筛选表现出浓厚的兴趣，全球有数百家新药研究机构启动了这一领域的研究项目。国外业界人士认为，高内涵筛选不仅能阐明被筛样品与药靶的相互作用关系，而且可同时了解细胞的其他生物学改变，进而研究其对相关代谢途径的影响，并通过观察细胞形态来预测化合物的毒性。上述高内涵实验技术经过短短数年的发展已经逐步整合到高通量药物筛选的实践中，并且在仪器制造、图像处理和运转速效等方面都有了进一步的提高。标记分子、常用试剂的开发也逐渐超越GFP和现有的荧光染料，以便开展更多的活细胞实时检测。高内涵筛选分析软件更是在数据分析和结果判定方面举足轻重, 在药物筛选中起到越来越大的作用。细胞水平高内涵药物筛选和药物毒性筛选越来越成为新药创制过程中不可或缺的技术选择。

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