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ハイスループット生物学（またはハイスループット細胞生物学）とは、従来の方法では達成できない生物学的疑問に取り組むために、自動化装置と古典的な細胞生物学技術を組み合わせることです。光学、化学、生物学、画像解析などの技術を取り入れることで、細胞がどのように機能し、互いにどのように相互作用し、病原体が病気においてどのように細胞を利用するかについて、迅速かつ高度に並列的な研究が可能になります。[ 1 ]
ハイスループット細胞生物学には多くの定義がありますが、最も一般的には薬用植物などの天然素材から活性化合物を探すことで定義されます。これはハイスループットスクリーニング（HTS）としても知られており、今日ではほとんどの創薬はこの方法で行われています。多くの抗がん剤、抗生物質、または抗ウイルス剤はHTSを使用して発見されています。[ 2 ] HTSのプロセスでは、潜在的に有害な化学物質、つまり人間の健康に潜在的なリスクをもたらす可能性のある物質もテストします。[ 3 ] HTSでは一般的に、モデル疾患を持つ数百の細胞サンプルと、特定の供給源からテストされる数百の異なる化合物が含まれます。多くの場合、コンピューターを使用して、目的の化合物が細胞サンプルに対して望ましいまたは興味深い効果をもたらすかどうかを判断します。
この方法を用いることで、ソラフェニブ（ネクサバール）という薬剤の発見につながりました。ソラフェニブは、腎細胞癌（RCC、腎臓の癌）、肝細胞癌（肝臓の癌）、甲状腺癌など、複数の種類の癌の治療薬として使用されています。異常なタンパク質を阻害することで、癌細胞の増殖を阻止します。1994年に、この特定の薬剤のハイスループットスクリーニングが完了しました。最初に発見したのは、2001年にバイエル薬品です。RAFキナーゼ生化学アッセイを用いて、医薬品化学指向合成またはコンビナトリアルライブラリーから20万の化合物をスクリーニングし、活性RAFキナーゼに対する活性分子を特定しました。3回の試験の後、癌に対して抗血管新生効果があり、体内で新しい血管を作るプロセスが停止することがわかりました。[ 4 ] [ 5 ]
HTSを用いて発見されたもう一つの薬剤はマラビロクです。これはHIV侵入阻害剤であり、HIVがヒト細胞に侵入するのを遅らせ、阻止します。[ 6 ]また、様々な癌の治療にも使用され、癌細胞の転移（癌細胞が最初に発生した場所とは全く異なる体の部位に広がること）を抑制または阻止します。マラビロクのハイスループットスクリーニングは1997年に完了し、2005年にファイザーのグローバル研究開発チームによって最終決定されました。
ハイスループット生物学は、「オミクス研究」とも呼ばれるものの一側面であり、大規模生物学（ゲノム、プロテオーム、トランスクリプトーム）、技術、研究者の間のインターフェースです。ハイスループット細胞生物学は、細胞と、イメージング、遺伝子発現マイクロアレイ、ゲノムワイドスクリーニングなどの細胞にアクセスする方法に明確に焦点を当てています。基本的な考え方は、通常は個別に実行される方法を取り上げ、品質を損なうことなく非常に多くの数を実行することです[ 7 ]。
ハイスループット研究とは、大規模な反復実験が可能になるような実験の自動化と定義できます。これは、生命科学研究者が現在直面している多くの問題が膨大な数に及ぶため重要です。たとえば、ヒトゲノムには少なくとも21,000個の遺伝子が含まれており、[ 8 ]それらはすべて細胞機能や疾患に寄与する可能性があります。これらの遺伝子が互いにどのように相互作用するか、どの遺伝子が関与しているか、そしてそれらがどこにあるかを把握するためには、細胞からゲノムまでを網羅する手法が関心を集めています。
従来のハイスループットスクリーニングロボットは、現在、主にハイコンテンツスクリーニングなどの技術を用いて、細胞生物学との結びつきを強めている。ハイスループット細胞生物学は、日常的な細胞生物学を小規模な研究から、複雑なシステムを調査したり、大規模なサンプルサイズを実現したり、コレクションを効率的にスクリーニングしたりするために必要な速度と規模へと引き上げる方法を要求する。
ハイコンテンツスクリーニング技術は、主に自動デジタル顕微鏡とフローサイトメトリーを基盤とし、データの分析と保存のためのITシステムと組み合わせています。「ハイコンテンツ」またはビジュアルバイオロジー技術には2つの目的があります。1つ目は、事象に関する空間的または時間的に分解された情報を取得すること、2つ目は、それを自動的に定量化することです。空間的に分解された機器は通常、自動顕微鏡であり、時間的に分解するには、ほとんどの場合、何らかの蛍光測定が必要です。つまり、多くのHCS機器は、何らかの画像解析パッケージに接続された（蛍光）顕微鏡です。これらは、細胞の蛍光画像を取得するすべてのステップを処理し、実験の迅速、自動的、かつ偏りのない評価を提供します。
この技術は、1990年代初頭に登場した最初の自動DNAシーケンサーと同等の開発段階にあると言えるでしょう。自動DNAシーケンシングは、実用化された当時、革新的な技術でした。初期の装置には欠点があったものの、ゲノム規模のシーケンシングプロジェクトを可能にし、バイオインフォマティクスという分野を創出しました。同様に革新的で強力な技術が分子細胞生物学やトランスレーショナルリサーチにどのような影響を与えるかは予測困難ですが、細胞生物学者の研究方法や医薬品の発見方法に大きな変化をもたらすことは間違いありません。