高內涵篩選的基本原理和應用

高通量藥物篩選( high throughput screening，HTS)是20世紀80年代中期產生的為尋找先導物針對大量樣品進行藥理活性評價分析的一種技術手段，在創新藥物的研究和開發中發揮了重要作用。近年來在藥物發現領域又出現了一個新概念—高內涵藥物篩選( high content screening，HCS) 。本文就高內涵藥物篩選的一些情況作下介紹。

1 HCS概念

HCS是指在保持細胞結構和功能完整性的前提下，同時檢測被篩樣品對細胞形態、生長、分化、遷移、凋亡、代謝途徑及信號轉導各個環節的影響, 在單一實驗中獲取大量與基因、蛋白及其他細胞成分相關的信息, 確定其生物活性和潛在毒性的過程。同時, 也是一種應用高分辨率的熒光數碼影像系統，旨在獲得被篩樣品對細胞產生的多維立體和實時快速的生物效應信息, 在細胞水平上檢測多個指標的多元化、功能性篩選技術平臺。

實際上，高通量藥物篩選結果是單一的,而高內涵篩選的篩選結果是多樣化的,它以多指標多靶點共同作用為主要特點,涉及的靶點包括胞內成分、細胞的膜受體、細胞器等。從篩選載體上看，高內涵藥物篩選與高通量藥物篩選并沒有顯著的區別，也在微孔板上進行，目前使用較多的是96孔微板。其優點是它的檢測體積并未因檢測指標增加而增高，操作步驟同樣簡單可行、自動化。

更重要的是, 獲取信息是以細胞為單位，而不像是以微板孔為單位，這就意味著研究者可以從細胞群體中的各種反應獲取信息，而不是像以前那樣信息僅僅來源于一個微板孔中的所有細胞的平均反應。

2 HCS系統的組成

高內涵藥物篩選實際上是樣品制備、自動化分析設備、數據處理軟件、配套檢測試劑、信息學等多方面技術整和的結果，特別是電子熒光顯微鏡和熒光試劑對高內涵藥物篩選方法的建立起到重要作用。HCS系統主要組成部分是：熒光顯微系統、自動化熒光圖像獲取系統、檢測儀器、圖像處理分析軟件、結果分析和數據管理系統和其它。

第一臺高內涵藥物篩選設備(ArrayScanò and KineticScanTM HCS Reader)是由Cellomics公司生產，該設備擁有全區域發光的白色光源帶、多道濾光片和一個CCD( charge coup led devices)照相機。與熒光顯微鏡相配套在高內涵藥物篩選中的常用試劑為熒光蛋白，對固定細胞或活細胞的動態分析都顯示出高度特異性和敏感性，也正是熒光蛋白生物傳感器的應用才使熒光成像顯微鏡在高內涵藥物篩選中廣泛應用。

目前中國已有多家科研院所引進了HCS系統。

3 HCS的應用

基于細胞的小分子庫高內涵篩選已用于識別新的有治療作用的先導化合物，目前已對十萬余個化合物展開了基于圖像的篩選。目前高內涵藥物篩選主要在影響細胞功能方面應用，例如細胞毒性、G蛋白偶聯受體調節劑、轉錄因子的活化、活性物質釋放等。

分子轉位實驗在高內涵篩選策略中使用最為普遍。Lundholt等用CHO細胞進行了經胰島素刺激的Akt1-EGFP融合蛋白轉移實驗，從45 000個化合物中獲得了兩類Akt1 遷移抑制劑。Cellomics和Xsira的科學家以GPCR為靶點，利用高內涵篩選技術，合作研究了GFP-β阻抑蛋白( arrestin)的遷移或受體內化作用，從640個化合物中，獲得了3個活性化合物。

以細胞周期變化為檢測參數也已用于小分子化合物的高內涵篩選。Perlman等從16 320個化合物中確證了35個活性化合物,其中5個被確定為特異性中心體復制抑制劑。同時，高內涵篩選正在不斷將較復雜的毒性篩選實驗變為一種被認可的簡便方法。通過高內涵篩選技術對243個具有不同程度細胞毒性的藥物進行肝細胞毒性測試發現,其敏感度為93% ,特異性達98%；而用其他方法檢測611個化合物的結果表明,特異性很高( > 90%)，但敏感度卻很低( < 25% ) 。另外，在傳統篩選中,所謂的篩選通量是由研究者依據個人工作速度決定的，而高內涵篩選可以在更短時間內完成對更多化合物的篩選。

4 結語

HCS不僅能闡明被篩樣品與藥物作用靶點的相互關系，而且可同時了解細胞的其他生物學改變，進而研究其對相關代謝途徑的影響，并通過觀察細胞形態來預測化合物的毒性。應用HCS技術能夠加速發現具有潛在開發前景的活性化合物，設定深人評價的優先次序，為構效關系研究和結構優化改造提供有力的支持。因此，HCS代表著創新藥物研究技術發展的必然趨勢。

參考文獻

[1] 孫婉，李敏. 藥物篩選最新進展—高內涵篩選. 中國新藥雜志. 2006, 15(1): 12-16.

[2] 李敏. 基于細胞的小分子庫高內涵篩選. 國外藥學研究雜志. 2006, 25(3): 233-234.

[3] 張莉, 杜冠華. 高內涵藥物篩選方法的研究及應用. 藥學學報. 2005, 40 (6): 486-490.

[4] 趙霞霞,郜瑞,李發榮. 基于細胞模型的高通量藥物篩選. 藥物生物技術. 2008, 15 (3): 227-230.

[5] 郭家彬, 李學軍. 現代生物學對藥物發現的影響. 生理科學進展. 2007, 38(1): 25-31.

[6] 趙金伴, 喻希. 化學技術的前沿—高內涵篩選技術的研究及應用. 化工技術與開發. 2008, 37(8): 1-2.