高通量筛选-加速药物发现工作

从最初的想法到推出成品，开发一种新药是一个越来越复杂的过程，通常需要12-15年，耗资超过10亿美元。¹面对如此巨大的风险，人们在技术和流程改进方面进行了巨大投资，以降低成本，提高效率，最终更快地将更好的药物推向市场。²自动化高通量筛选(HTS)和最近的超高通量筛选(uHTS)的广泛采用代表了这样一个过程的变化。为研究人员提供了针对不断增加的铅发现目标筛选巨大化学文库的能力。在现代药物发现中，HTS通常被描述为每天测试10,000到100,000个化合物，uHTS定义为每天生成100,000多个数据点的筛选数量。^3.药物发现已迅速依赖于这种筛选能力和使之成为可能的自动化技术，但许多人认为HTS正处于十字路口，让用户在数量和质量之间做出选择。^3.他们应该继续提高吞吐量，还是将HTS开发的重点转移到收集更多相关的生物数据上?

到目前为止，自动化在HTS的发展中发挥了巨大的作用，并且在解决HTS尚未克服的障碍方面可能至关重要。通过减少重复的手工任务的数量，可以减少错误的可能性，并可以节省大量的时间，使科学家能够专注于研究而不是重复。因此，制药公司投资于广泛的自动化仪器，以提高早期药物发现过程中各个领域的产量，从基于目标的研究、组合和分析化学到初级和二级筛选。⁴随着自动化在高温超导药物发现领域的普及，科学家们现在正在研究如何充分利用他们的技术。

小型化用于高通量筛选的分析方法

由于HTS的化合物和分子靶点的数量不断增加，分析方法的小型化已成为一种趋势，以提高分析通量和筛选时间。⁴第一个主要的发展是384孔板，标准体积约为50 μl，大多数测定都可以很容易地适应这种格式。在大多数制药和生物技术公司中，将其作为化合物存储和HTS分析的首选格式。⁵然而，一些人已经进一步推进了小型化，并开始将整个过程调整为1536孔板，进一步节省了珍贵的样品和昂贵的试剂。⁶此外，在将板密度提高到3456孔，检测量降至1 μl方面也取得了一些进展。据信，如果没有重大的技术发展，特别是在支持该分析的自动化低容量分配技术方面，这种增加的微型化不太可能得到广泛采用。^3.

目前的趋势指向384井和1536井的行业标准。随着人们对384孔低容量板的兴趣日益浓厚，该板使用锥形孔以10-20 μl的相对低容量进行生物分析。利用微流体技术的发展，将体积降至0.1 μl，从而实现微板外筛选的其他努力正在进行中。然而，这些超低容量确实提出了一系列新的挑战，因此这些新技术在常规筛查中的适用性和益处仍有待证明。⁷

声波液体处理技术是一种很有前途的无微板高温超导技术。LabCyte的Echo®系统能够精确分配低至2.5 nL的容量，节省宝贵的化合物和试剂，同时还消除了影响检测成功的移液器尖端相关的差异。⁸LabCyte和阿斯利康(AstraZeneca)之间的合作已经开始展示这项技术的价值。阿斯利康样品管理总监Clive Green在接受BusinessWire采访时表示:“声学点胶将使化合物的体积减少10倍，从而彻底改变化合物的管理。声学管代表了另一个重要的进步，通过实现仅使用声学传输即可生成高通量筛选的分析就绪板的工作流程。这将为我们的生物分析产生的筛选数据提供无与伦比的质量水平。”

优化高通量筛选工作

除了能够实现HTS的物理技术之外，还可以通过性能管理和开发来优化铅发现工作。HTS的神奇三角于2009年首次提出，它为改进HTS工作的方式提供了基本的洞察力，三个关键因素是时间、成本和过程质量。^3.

图1。“高温超导的神奇三角”展示了通过高温超导发现现代铅的关键成功因素，即时间、成本和质量。这3个因素紧密相连，其中任何一个因素的变化都会影响其他所有因素的设置。来源:Lorenz M. Mayr和Peter Fuerst，《高通量筛选的未来》。DOI:https://doi.org/10.1177/1087057108319644．

就其性质而言，高温超导涉及许多样品，因此测量一口井所花费的时间是提高效率的重要因素。然而，这可能是一个狭隘的观点，HTS项目应该作为一个整体来考虑。通过观察从最初指定目标到交付最终结果所花费的时间，科学家们有了更广泛的机会来优化他们的过程。事实上，在大多数现代HTS设施中，对目标进行实际筛选所花费的时间只占项目的一小部分。最耗时的步骤是开发和调整检测方法、分析和解释数据、验证检测结果，然后进行后续筛查。

通过将HTS项目作为一个整体来看待，也更容易看出哪些因素对筛选活动的成本影响最大。必须考虑高资本技术投资，如自动化板处理和读出系统，但重要的是要认识到试剂和消耗品在整个项目中通常代表着同样高的成本。特别是试剂的成本可能是抑制因素，因为它们有时高度敏感、昂贵或难以生产。如前所述，微型化可以在这里有所帮助，但是，研究表明，生物分析体积的减少与样品材料和试剂需求的减少并不直接相关。事实上，在某些情况下，384井的低容量和1536井的板可能需要更多的资源来提供足够的信号强度和数据质量。^3.

还必须考虑过程质量，特别是在具有大数据集的程序中，因为适当的数据分析需要具有高统计质量的结果。数据质量可以使用几种工具来衡量，如假阴性和阳性的数量，信号/噪声和Z '因子等。⁹然而，在优化质量时，也应考虑对参比化合物的检测灵敏度。从本质上讲，分析方法应该开发以最大限度地提高统计质量，同时也试图实现对弱抑制剂的敏感检测，以最大限度地发现目标活性的调控因子。¹⁰通过考虑时间、成本和流程，可以评估每一项找铅工作和技术，以优化筛选工作。

高通量筛选的新工具

在其相对较短的生命周期内，HTS为早期药物发现做出了巨大贡献，并通过快速投资已经发展成为先导发现的主要内容。在自动化、小型化和必要的读出技术方面的集中努力使HTS得以发展，使我们能够比几年前预测的更快速有效地筛选化合物。现在，我们必须将重点放在扩展我们的读出技术，以筛选新的药物靶点，如离子通道、转运体和蛋白质-蛋白质相互作用。^3.

随着科学家们继续推进所谓的“第三代高温超导”，我们可能会看到用于新铅发现的过程更加灵活，并更加专注于为拟议的目标选择适当的策略。^3.考虑到未来，这些趋势可能会继续推动HTS的成功应用，扩大可以解决的潜在目标，同时减少将药物推向市场所需的时间和金钱，并一直增加我们对自动化科学的依赖。

参考文献

1.休斯，J. P.，里斯，S.，卡林吉安，S. B.，菲尔波特，K. L.(2011)。早期药物发现原则。英国药理学杂志，162(6)，1239-1249。

2.白晓华，Böhm，张晓华，Müller，张晓华。(2003)。目标和潜在客户的产生:超越高通量筛选。Nature review Drug discovery, 2(5)， 369-378。

3.迈尔，L. M. &富尔斯特，P.(2008)。高通量筛查的未来。生物分子筛选，13(6)，443-448。

4.马卡龙，R.，班克斯，M. N.，波亚尼奇，D.，伯恩斯，D. J.，西罗维奇，D. A.，加里扬蒂斯，T.……& Schopfer, U.(2011)。高通量筛选在生物医学研究中的影响。Nature review Drug discovery, 10(3)， 188-195。

5.(2006)。药物发现的高通量筛选历史:总结1998-2005年六项综合行业研究的特别报告。高科技商业决策，莫拉加，加州，美国。

6.Klumpp, M.， Boettcher, A.， Becker, D.， Meder, G.， Blank, J.， Leder, L.，…迈尔，L. M.(2006)。用于高度小型化激酶分析的读出技术，适用于1536孔格式的高通量筛选。生物分子筛选，11(6)，617-633。

7.郭，M. T.， Rotem, A.，海曼，J. A.， &韦茨，D.(2012)。用于高通量生物分析的液滴微流体。芯片实验室，12(12)，2146-2155。

8.用于384孔格式的小型化定量PCR检测组件，使用Echo®液体处理器。可在http://www.labcyte.com/media/pdf/APP-Labcyte-G102-Echo-555-384w-qPCR.pdf(2017年5月19日访问)。

9.Malo, N.， Hanley, J. A.， Cerquozzi, S.， Pelletier, J.， & Nadon, R.(2006)。高通量筛选数据分析的统计实践。生物技术学报，24(2)，167-175。

10.迈尔，L. M. &博亚尼奇，D.(2009)。高通量筛选的新趋势。药理学最新观点，9(5)，580-588。