ハイスループット生物学

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）は、自動化装置と古典的な細胞生物学技術を使用して、従来の方法では達成できない生物学的な疑問に取り組みます。光学、化学、生物学、画像分析の技術を組み込むことで、細胞がどのように機能し、相互作用し、病原体が病気で細胞をどのように利用するかについて、迅速かつ高度に並行した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に含まれる活性化合物の探索と定義されています。これはハイスループットスクリーニング（HTS）とも呼ばれ、今日のほとんどの新薬発見はこの方法で行われ、多くの抗がん剤、抗生物質、またはウイルス拮抗薬がHTSを使用して発見されています。^[2] HTSのプロセスでは、人間の健康に潜在的なリスクとなる可能性のある潜在的に有害な化学物質についても物質をテストします。^[3] HTSでは通常、モデル疾患を持つ細胞のサンプルが数百個あり、特定のソースからテストされる化合物が数百個あります。ほとんどの場合、コンピューターを使用して、対象の化合物が細胞サンプルに望ましい効果または興味深い効果をもたらすかどうかを判断します。

この方法の使用は、ソラフェニブ（ネクサバール）という薬の発見に貢献しました。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。存在する異常なタンパク質をブロックすることで、癌細胞の増殖を阻止します。1994年に、この特定の薬のハイスループットスクリーニングが完了しました。これは、2001年にバイエル製薬によって最初に発見されました。RAFキナーゼ生化学アッセイを使用して、医薬化学誘導合成またはコンビナトリアルライブラリから200,000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、癌に対する抗血管新生作用があり、体内で新しい血管を作るプロセスを停止することがわかりました。^[4]^[5]

HTSを使用して行われたもう一つの発見は、マラビロクです。これはHIV侵入阻害剤であり、プロセスを遅らせ、HIVが人間の細胞に侵入するのを防ぎます。^[6]また、さまざまな癌の治療にも使用され、癌細胞の転移を減らしたり阻止したりします。転移とは、癌細胞が元の場所とはまったく異なる身体の部分に広がることです。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完了しました。

ハイスループット生物学は、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ある「オミックス研究」とも呼ばれる研究の一側面です。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、通常は単独で実行される方法を、品質に影響を与えることなく非常に大量に実行することです^[7]

ハイスループット研究とは、大規模な繰り返し実験が実行可能となるように実験を自動化することと定義できます。これは、生命科学研究者が直面している多くの問題が現在、膨大な数に関係しているため重要です。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]そのすべてが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、どこにあるのかを把握するには、細胞からゲノムまでを網羅する手法が重要です。

ロボットの利用

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使用して、細胞生物学と密接に結びついています。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、複雑なシステムの調査、大規模なサンプルの達成、またはコレクションの効率的なスクリーニングに必要な速度と規模にまで引き上げる方法を決定します。

顕微鏡検査と細胞計測法の使用

ハイコンテンツスクリーニング技術は、主に自動化されたデジタル顕微鏡とフローサイトメトリーをベースとし、データの分析と保存のための IT システムと組み合わせます。「ハイコンテンツ」または視覚生物学技術には 2 つの目的があり、1 つ目はイベント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、自動化された顕微鏡であり、時間的分解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、何らかの画像分析パッケージに接続された (蛍光) 顕微鏡です。これらは、細胞の蛍光画像を撮影するすべての手順を処理し、実験の迅速で自動化された偏りのない評価を提供します。

技術の発展

この技術は、1990 年代初頭の最初の自動DNA シーケンサーと同じ開発段階にあると定義できます。自動DNA シーケンシングは実用化されたときには破壊的な技術であり、初期のデバイスには欠点があったとしても、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の分野を生み出しました。同様に破壊的で強力な技術が分子細胞生物学とトランスレーショナルリサーチに与える影響は予測が難しいですが、細胞生物学者の研究方法と医薬品の発見方法に大きな変化をもたらすことは明らかです。

参照

参考文献

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^ Taly, Valerie、Bernard T. Kelly、Andrew D. Griffiths。「ハイスループット生物学のためのマイクロリアクターとしての液滴」ChemBioChem 8.3 (2007): 263-272。
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さらに読む

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外部リンク

イェール大学ハイスループット細胞生物学センター
高度な細胞分類器プロジェクト (ETH チューリッヒ)

[1] Hsiao, A., & Kuo, MD (2009). ポストゲノム時代のハイスループット生物学。血管および介入放射線学ジャーナル、20(7)、S488–S496。https://doi.org/10.1016/j.jvir.2009.04.040

[:0-2] Kalinina MA、Skvortsov DA、Rubtsova MP、Komarova ES、Dontsova OA。蛍光タンパク質で標識したヒト細胞に基づく細胞毒性試験：蛍光測定、写真撮影、およびスキャンによるハイスループットアッセイ。分子イメージング＆生物学。2018;20(3):368-377。doi:10.1007/s11307-017-1152-0

[:3-3] Mezencev, Roman; Subramaniam, Ravi (2019年10月). 「ハイスループットスクリーニングとトランスクリプトミクスデータからの証拠のヒトの健康リスク評価への利用」.毒性学および応用薬理学. 380 :114706. doi : 10.1016/j.taap.2019.114706. PMC 9624462. PMID 31400414.

[:1-4] Hautier G. 干し草の山から針を見つける: 計算による第一原理ハイスループットスクリーニングによる材料の発見と設計。計算材料科学。2019;163:108-116。doi:10.1016/j.commatsci.2019.02.040

[:4-5] Yao, Yao; Wang, Tianqi; Liu, Yongjun; Zhang, Na (2019年12月4日). 「pH感受性リポソームを介したソラフェニブとVEGF-siRNAの同時送達による肝細胞癌の相乗的治療」.人工細胞、ナノ医療、バイオテクノロジー. 47 (1): 1374–1383. doi : 10.1080/21691401.2019.1596943 . PMID 30977418.

[:2-6] マラビロック。AHFS消費者向け医薬品情報。2019年9月：1。

[7] Taly, Valerie、Bernard T. Kelly、Andrew D. Griffiths。「ハイスループット生物学のためのマイクロリアクターとしての液滴」ChemBioChem 8.3 (2007): 263-272。

[urlHow_Many_Genes_Are_There?-8] 「遺伝子はいくつあるか？」ヒトゲノムプロジェクト情報米国エネルギー省科学局 2008-09-19。