Высокопроизводительный скрининг

Разработчики

А. Персидис, К. Р. Олденбург, А. Дель Рио и др.

Описание технологии

Этапы испытания лекарств в лаборатории и клинических условиях предваряет сложный процесс отбора и подготовки «кандидатов». В ходе этого процесса используются различные методы как на этапе выбора макромолекулы-«мишени», играющей ключевую роль в протекании заболевания, так и на этапе подбора химического соединения (лиганда), которое должно связываться с молекулой-мишенью, подавляя или усиливая ее биологические функции.

Одним из методов, который используется для подбора лигандов для заданной мишени, — это выбор подходящего лиганда из больших баз данных химических соединений (такие базы данных принято называть библиотеками). Для того чтобы ускорить процесс выбора, используется метод высокопроизводительного скрининга (англ. high throughput screening, HTS). Таким образом, высокопроизводительный скрининг является одним из этапов создания лекарственных соединений.
Высокопроизводительный скрининг может быть виртуальным (in silico — на компьютере) и экспериментальным (in vitro — в лаборатории).

В качестве входных данных для виртуального скрининга используются пространственные модели молекул белка и лигандов. В процессе молекулярного докинга подбирается взаимное геометрическое расположение молекул, минимизирующее свободную энергию Гиббса для данной молекулярной системы. Затем вычисляется значение так называемой оценочной функции, выражающее силу связывания при выбранном расположении молекул. Процесс повторяется для заданного множества лигандов; для дальнейший (физических) экспериментов выбираются те лиганды, для которых была предсказана наилучшая сила связывания. Выбранные лиганды становятся соединениями-хитами.

Экспериментальным скринингом называется конвейеризованная процедура, в результате которой большое количество химических соединений проверяется на аффинность или активность по отношению к специальной тестовой системе, имитирующей биологическую. Поскольку для скрининга как для «промышленной» процедуры очень критична эффективность, стоимость и время, потраченное на операцию, экспериментальный скрининг производится на роботизированных установках, способных работать в круглосуточном и круглогодичном режиме. При этом скрининг называется высокопроизводительным в том случае, когда позволяет проверять на определенный тип активности от 100 000 соединений ежедневно.

Принцип экспериментального скрининга довольно прост: в плашки, содержащие тестовую систему (например, иммобилизованная мишень или специальным образом модифицированные целые клетки), робот раскапывает из пипетки исследуемые вещества (или смесь веществ), следуя заданной программе. Причем на одной плашке могут находиться тысячи «лунок» с тестовой системой, и объем такой лунки может быть очень мал, так же, как и объем вносимой пробы. Потом происходит считывание данных с плашки, говорящее о том, в какой лунке обнаружена биологическая активность, а в какой — нет. В зависимости от используемой технологии детектор может считывать радиоактивный сигнал, флуоресценцию, биолюминесценцию, поляризацию излучения и многие другие параметры. Соединения, для которых в процессе этого эксперимента выявлена активность выше заданного значения, становятся хитами.

Соединения-хиты, отобранные в ходе высокопроизводительного скрининга, химически модифицируются с целью улучшения их лекарственных свойств. Этот процесс называется оптимизацией. После этого начинаются доклинические, а затем уже клинические испытания разрабатываемого лекарства.

Практическое применение

Высокопроизводительный скрининг является одним из этапов создания новых лекарственных соединений. Данная технология позволяет отобрать соединения-хиты из огромных библиотек химических соединений. Некоторые из соединений-хитов впоследствии могут стать лекарственными веществами.

Технология уже на рынке.

Лаборатории

• ЗАО «Исследовательский Институт Химического Разнообразия», МО, г. Химки
• High Throughput Screening Core Facility, Centre for Integrative Biology, University of Trento, Trento (Италия)
• Charles River Laboratories, Wilmington, Massachusetts (США)
• Sigma-Aldrich, Munich (Германия)
• Scripps Florida, The Scripps Research Institute (TSRI), La Jolla, California (США)

Ссылки

http://www.abercade.ru/research/analysis/1940.html
https://pharma.bayer.ru/scripts/pages/ru/research_and_development/technologies/research-technologies/high-throughput-screening/
http://nbscience.com/obzor-processa-izobreteniya-novyx-lekarstv/
https://mipt.ru/dbmp/upload/dec/lection01-arphlgoak60.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/High-throughput_screening

Публикации

• Walters, W. Patrick, Matthew T. Stahl, and Mark A. Murcko. «Virtual screening-an overview." Drug Discovery Today 3.4 (1998): 160–178.
• Jorge Moura Barbosa, Armenio, and Alberto Del Rio. «Freely accessible databases of commercial compounds for high-throughput virtual screenings." Current topics in medicinal chemistry 12.8 (2012): 866–877.
• Zhang, Ji-Hu, Thomas DY Chung, and Kevin R. Oldenburg. «A simple statistical parameter for use in evaluation and validation of high throughput screening assays." Journal of biomolecular screening 4.2 (1999): 67–73.
• Gupta, Piyush B., et al. «Identification of selective inhibitors of cancer stem cells by high-throughput screening." cell 138.4 (2009): 645–659.
• de Wildt, Ruud MT, et al. «Antibody arrays for high-throughput screening of antibody-antigen interactions." Nature biotechnology 18.9 (2000): 989–994.