高通量筛选技术.ppt

高通量筛选筛选 技术术 High throughput screening 王 陶 2012年2月 高通量筛选 最初是伴随组合化学而产生的一种药物筛选 方式。 1990年末，组合化学的出现改变了人类获 取新化合物的方式， 人们可以通过较 少的步骤、在短时间 内同时合成大量化合物，在这 样的背景下高通量筛选 的技术应 运而生。 高通量筛选 技术可以在短时间 内对大量候选化合物完成筛选 ， 经过 近十年的发展，已经成为比较成熟的技术，不仅仅应 用于对组组 合化学库库的化合物筛选 ，还更多地应用于对现现有化合物库库的筛选 。 目前世界各大药物生产商都建立有自己的化合物库和高通量筛 选机构，对有潜力形成药物的化合物进行篦梳式的筛选 。 我国药物高通量筛选起步较晚，且不规范，仅有十多年的研究历史。 1996年中国医学科学院引进国内第一台Bionek2000型实验自动化工 作站； 1998年又引进全国第一台Topcount微量闪烁计数器，使放射配基实 验、放射免疫实验等技术微量化、自动化。 上海药物研究所、北京军事医学科学院分别成立了药物筛选专门机构 ，开始从事大规模筛选工作。 西安交通大学药学院贺浪冲教授首创的细胞膜色谱（CMC）为化合物 的体外高通量筛选提供了高选择性、高特异性、高效率的筛选手段。CMC 已成功用于钙离子拮抗剂受体配体结合反应的研究，目前正在进行心血管化 学合成药物的高通量筛选和中药有效部位及有效成分的寻找。今年将建立 CMC自动化筛选体系，促进我国药物高通量筛选技术的全面发展 。 概念 l高通量筛选(High throughput screening，HTS)技 术是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础 ，以微板形式作为实验 工具载体，以自动化操作 系统执行试验过 程，以灵敏快速的检测仪 器采集 实验结 果数据，以计算机对实验 数据进行分析处 理，同一时间对 数以千万样品检测，并以相应的 数据库支持整体运转的技术体系。 l高通量细胞筛选技术(high-throughput cell-based screening technology) 是以高通量方式研究基因功 能最有效的方法之一。通常,基因功能的初步筛选 在96 孔或384 孔板上进行,通过基因转染将候选基 因导入细胞,或直接将基因表达产物加入细胞培养 液中。 是20世纪80年代后期发展起来的一种筛选新技术。它集计 算机控制、自动化操作、高灵敏度检测、数据结果自动采集和 处理于一体，实现了筛选的快速、微量、灵敏和大规律，日筛 选量达到数万甚至数十万样品次，是筛选技术和方法的一大进 步。 l筛选测 定方法基于要研究的生物学或医学问题,例 如,要研究抗血管生成活性,选用内皮细胞进行细胞 生长、分化、迁移和粘附等分析测定;研究免疫调 节活性,可选择淋巴细胞或造血细胞进行细胞生长 和分化的分析测定;研究神经营养因子活性,可选用 神经细胞进行细胞存活、突起生长测定。除上述 与细胞表型或形态学相关的检测指标外,细胞信号 转导通路、糖代谢、能量产生和代谢产物分析 (metabolic control analysis) 等代谢通路也是基因 功能重要的研究内容。 l结合抗体芯片技术、多路测定技术 (multiplexing) 等新的检测 方法,高通量细胞 筛选 的应用更为广泛。另外,随着荧光成像 读板仪(fluorescence image plate reader ,FLIPR) 、定量PCR、高通量荧光激活细胞 分类器(HT-FACS) 等检测 方法和技术的不 断发展和应用,灵敏度和重现性这两个高通 量细胞筛选 的关键问题 也逐步得以解决。 一、高通量筛选常用仪器设备 Whatman过滤型做孔板是种多孔形状物体，便于快速和 批量处理样品。板上刻有号码适合于各种微孔板配用仪 器和白动控制装置。 Boekel 微孔板振荡器的特点 独立设定温度，振荡速度和混合时间； 混匀器可以编程设定运行一定时间或者瞬时混合3秒； 内置的盖可以减少污染，样品挥发或者噪音的危险。 多通道移液器 连续 移液器 一次性吸取 大量液体， 然后每次按 动按钮， 仅仅释 放 小量等体积 的液体。大 量液体进行 等体积分装 215全自动移液工作站 1.大容量，可自动处 理12个96孔反应板或480个试管的样品。 2.特别适合于HPLC或LC/MS的样品处理。 3.使用709软件，有易用的图示管架编辑 器。 4.无论开口试管或密封试管都有很高精确度。5.Micro215进样 量可低至0.5ul。 6.多通道215自动样 品处理系统可同时处 理8个样品。 多功能酶标仪 （多功能微孔板检测仪 ） 微孔板检测设备 之一，集成4大功能模 块，可进行放射性/非放射性检测。 流式细胞仪 C6 流式细胞仪系统是一种全功能、双激光、六探测 器的流式细胞仪分析系统， C6流式细胞仪系统的探 测器不但可灵敏的捕获前散射光和旁散射光，还有四 个可调光学滤光片的荧光探测器。CFlow操作软件使 搜集数据和分析变的简单快速。高集成度、高度自动 化的主机，以及优良人机界面、操作简便的CFlow软 件系统 高通量平行合成仪 高通量平行合成仪 液相芯片检测仪 微孔过滤板 12通道药物筛选仪 国家新药筛选中心 条形码技术 条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条和空白， 按照一定的编码规则 排列，用以表达一组信息的图形标 识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称 条）和白条（简称空）排成的平行线图案。条形码可以 标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、 图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息， 因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许 多领域都得到了广泛的应用。 数据分析系统 lSAS（Statistical Analysis System，统计分析系 统）是当今国际最著名的数据分析软件系统。 lSAS：数据的输入输出和整理、描述性统计、假 设检验 、图形的制作、回归分析、多元统计分析 、方差分析、协方差分析和时间序列分析等 。 l数据访问，数据管理，数据呈现，数据分析 lSPSS lEXCEL 二、高通量筛选 技术常用方法 l微孔板的使用和光学检测 法 l工程菌株的裂解 l报告基因 l流式细胞技术 l蛋白质芯片 微孔板的使用和光学检测 法 l化学发光指化学反应过程中发射出来的光，又称 冷光； l生物发光是化学发光的一种，专指由酶催化的化 学反应过程中发射出的光。 l化学和生物发光经常被用于测定样品中未知成分 的量，并且在过去的十年里在基因表达和基因调 控的研究中发挥着非常重要的作用。 l通过发射光的比率可以推出未知成分的浓度，因 此测定化学反应过程中的发射光是非常有用的。 反应过程中产生的光与发射光的量产率是直接相 关的，相应的，与发光物质的浓度成比例。 l因此，反应过程中的光可以相对反映出目标样品 中发光物质的量。 化学发光仪使用范围 lATP（三磷酸腺甙）检验、荧光素酶检验 l免疫及proteomics l核酸，DNA及基因组 l病毒研究（比如：SARS、禽流感病毒研究） l临床诊断研究 l染色体分析 l毒性试验 l细胞活力试验 l餐馆卫生检测 l环境检测 l工业、农林业、畜牧业、养殖业等其它用途 l最广泛的用途是对利用报告基因检测目标基因的表达以及 检测细 胞内 ATP 水平。 报报告基因实验实验 l分子生物学家和细胞生物学家利用报告基因研究 基因的表达和调控。 l将报告基因引入细胞 DNA 使之与某一特定分子事 件相关，可以为这一分子事件带来可测性。通常 检测的分子事件是基因功能，具有可测性的是发 光。 l目前，市场上有许多发光报告基因出售。包括： 萤火虫荧光素酶（ firefly luciferase ），半乳 糖苷酶（ B -galactosidase ），葡萄糖苷酸酶 （B -glucuronidase ， GUS ），碱性磷酸酶（ alkaline phosphatase ），和人生长激素（ human growth hormone ， hGH ）。 l高灵敏度，低成本，快速以及使用简单使得发光 检测仪 成为理想的基因表达研究工具。 ATP 水平测测定 l所有活细胞都含有 ATP 。 ATP 可以从细胞中提取 出来，用萤火虫荧光素酶检测。在这个发光反应中 ，ATP 是限制性反应物。 l因此，到达发光检测仪 光电倍增管的光与样品中 ATP 的含量成比例，相应的与提取 ATP 所用的细胞 数成比例。ATP发光检测方法已经使用了几十年。 微生物污染检测 lATP的发光检测 方法可以检测样 品中的所 有微生物，因而被用于检测 水中的大肠杆菌 含量，包括饮用水和用于oil field injection ， cooling system 以及纸加工过程的工业 用水。ATP的发光检测 方法还可以用于药 品，化妆品，牛奶以及其它食品的微生物控 制。 三、高通量筛选筛选 的技术过术过 程 l1、样品库 l2、初筛和复筛 l3、活性化合物 l4、深入筛选 l5、获得少量先导化合物 l6、确证筛选药 物药理学研究 l7、侯选药物 l8、临床前研究 HTS筛选 的基本步骤 第一步是选择分子靶。选择的依据是来源于国际医 学生物学的新成果。目前国际常用的分子靶有以 下几类：A、细胞膜受体；B、离子通道蛋白；C 、酶蛋白；D、细胞核受体；E、转运蛋白。 第二步是建立稳定表达分子靶的生物体系。 靶是蛋白-克隆相对应的蛋白，在大肠杆菌 中表达和提纯； 靶是细胞受体-克隆出的基因转化到载体 细胞中，建立稳定的细 胞株。 第三步建立简便快速的大规模的生物检测方法。 根据靶的不同分为两类： 1、以蛋白等分子为基础； 2、以 细胞为基础 酶蛋白-测定酶活性的变化； 细胞膜受体-测定配体-受体的结合； 细胞核受体-测定蛋白的表达。 在建立大规模生物检测方法的同时，要用组 合化合物的方法合成大量不同结构的化合物库相 配套。 HTS药物筛选 靶点与检测 方法 （1）、分子靶点筛选模型-细细胞信号通路筛选系统 外界信号从细胞表面传递到细胞内，或者直接 穿过细胞膜进入到细胞质和细胞核，最终影响某 些基因的转录。在这个传递过 程中，某些特殊的 细胞或一些病理状况下，可能是其中的一条或几条 通路起作用，药物可以根据需要对这对这 些通路进进行阻 断。 使用信号通路筛选系统，可直接对药物作用的 分子机制有所了解。 （2）、细细胞膜表面受体筛选筛选 模型 a.G蛋白耦联联受体：受体与GTP结合的调节蛋白的耦 联，在细胞内产生cAMP，从而将外界信号跨膜传递到细 胞内。如趋化因子受体、-受体阻断剂等。 b.催化受体：为单跨膜受体，分为胞外区，跨膜区和 胞内区。当细胞因子与胞外区结合后，引起多个受体单 体的聚合，每个聚合体的受体单体可以是同一类型，也可 以不同。如EPO、G-CSF、GH受体2个同样的单体；IL-1 ，GM-CSF，IL-6受体是2个不同的单体；TNF-是3个同 样的单体；IL-2是3个不同的受体。 c.离子通道耦联联受体 ：细胞表面一些神经递质 的受 体，自身是一些离子通道，或者与离子通道相耦联。当与 配体结合时，受体构象改变，通道开放，离子进出细胞 ，引起电兴奋 。 作业 l第四章 微生物杂交育种 1、放线菌杂交方法有哪些？简述每种方法的具 体过程？ l第五章 基因工程育种 1、简述基因体外定位诱变的方法。 l 第六章 高通量筛选技术 1、简述表面展示技术的方法。 2、什么是报告基因？作为报告基因，在遗传选 择和筛选检测 方面应具备哪些条件？常见报告基 因有哪些？ 本课程考核方式 l写一篇与微生物遗传 育种相关的综述。字数 不低于4000字。 l期末成绩=平时20%+实验 20%+论文60% 评分办法 课课程论论文占60%，其评评分标标准如下： l1）选题选题 新颖颖（热热点问题问题 的研究、空白问题问题 的探索、老问问 题题的新视视野）（10分） l2）结结构合理、行文流畅畅、逻辑严谨逻辑严谨 、学术语术语 言规规范（20 分） l3）观观点鲜鲜明、资资料翔实实、立论论深刻、有所创创新（30分） l4）注释释与参考文献（文献数量、种类类、外文文献）（10 分） l5）规规范程度：题题目、内容提要、关键词键词 、正文、注释释、 参考文献（20分） l6）总结总结 全文的主要论论点和发发展方向，指出目前研究中尚 需解决的问题问题 及研究成果的意义义和价值值。（10分） l7）字数不少于4000字，每少100字扣1分。 论文格式要求 l1、题题名（黑体，小三，居中） l2、姓名、班级级、学号（仿宋、小四、居中） l3、摘要：对对全文进进行概括，提出研究目的与意义义 ，论论文主要内容，150字左右（五号，楷体，首行 缩进缩进 2字符，行距固定值值20磅。“摘要”二字加粗） l4、关键词键词 ：38个（五号，楷体，首行缩进缩进 2字符 ，各关键词键词 之间间加分号；最后一词词之后不加标标点 符号。 “关键词键词 ”三字加粗） l5、正文五号宋体（全文所有西文字