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术语解析和区别:高内涵成像、高内涵筛选和高内涵分析

2022.10.03
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本文浅析了高内涵成像(HCI)、高内涵筛选(HCS)、高内涵分析(HCA)等术语间的区别,将这些基于图像的自动化高通量技术逐渐用于生成数据,可对临床前研究和下游Go/No-go决策提供支持。

引言

显微镜技术在过去几十年所取得的惊人进步,使得HCI(高内涵成像,High content imaging)才成为可能。具体来说,显微镜现在能够通过自动化程序获取大量图像。简而言之,HCI是一种基于图像的高通量细胞筛选方法,它将自动多色荧光成像与量化数据分析相结合,以同时评估2D和3D细胞培养中单个细胞的多种分子特征,以及其他生物样本类型。HCI正逐渐被研究人员采用,因为它能够在使用数百、数千甚至数百万种新化合物治疗后,对许多细胞的单细胞活性进行无偏倚的多参数可视化和量化。

例如,虽然传统的低通量显微镜检查实验可能在相对较少的细胞中捕获生物效应(如细胞死亡),但HCI使得研究人员能够捕获数百乃至数千张具有所需生物终点的细胞图像。显然,后一种方法生成的数据集更加可靠,因为它需要捕获数百、数千甚至数百万张图像,这最终导致数据点的数量得以最大化,使得统计结果更加可靠。

“高内涵”这一术语通常指单个细胞的多个分子参数/特征(使用荧光染料测量)可以同时被评估,例如细胞周期状态、细胞和核形态、细胞活性、受体内化、蛋白质聚集等。因此,基于HCI的强大技术正在临床前研究等领域广泛应用,从识别和验证新靶点到预测体内脱靶效应等等,这并不奇怪。

虽然“高内涵成像”、“高内涵筛选”和“高内涵分析”等术语经常交替使用,但仍存在一些区别,所述详情见下文以及总结见表1。

HCI、HCS和HCA之间的差异

高内涵成像(HCI)High-Content Imaging
如上所述,“HCI”这一术语用于指代基于图像的主要基础自动化高通量技术。HCI方法用于测量和监测表型变化,以优化发现和开发研究,以及早期的发现和高通量筛选(HTS),从而实现命中先导物和先导物的优化。最终目标是得出一系列可靠数据,通过更为直观地理解化合物与靶点在细胞水平上的相互作用,为后期做出是否继续的决定提供支持。

图1:正常和癌症类器官单独和免疫细胞共培养的代表性多参数HCI图像: 正常结肠类器官(左上)、结直肠癌类器官(右上)、类肿瘤加髓细胞(左下)和类器官加免疫细胞(右下)。

高内涵筛选(HCS)High Content Screening
HCS的目的类似于其他传统HTS(高通量筛选)方法,目标是筛选数百万种到数亿种化合物,确定新的药物靶点和命中率,或在复杂的细胞系统(包括球体和类器官等3D培养物)中进行靶点和先导物优化。与基于读板仪(酶标仪)的传统HTS相比,HCS被认为更具可预测性,因为高内涵成像(HCI)筛选法可显示细胞对化合物反应的表型数据,而其可能同一个实验中的在靶效应和/或脱靶效应有关。尽管在实验的规划阶段必须考虑可能出现的实验噪声、工作流挑战和数据存储容量,但通过使用多路复用技术,可以监控多个终点。

图2:多个特征的HCS数据输出的代表性热图示例。(左)对细胞核和肌动蛋白的快速分析,(右)全z叠加分析在一次检测中产生300多种形态特征

虽然HCI硬件的发展速度非常快,但分析软件的发展速度却没跟上。这意味着HCS实验往往没有发挥其潜力。例如,一项分析报告称,尽管自2000年以来HCS的使用不断增加,但使用HCS评估的终点数量相对较少。作者发现,60-80%的已发表论文只使用了1个或2个终点,仅5-10%使用了6个以上终点。这种使用低于预期(当时)的现象,是因为缺乏功能强大且用户友好型的高内涵分析(HCA)软件,而HCS实验需要这种软件。差不多8年之后,复杂的HCA程序已可获得,并且被证明对于分析多参数HCS数据非常宝贵。

高内涵分析(HCA)
HCA将多参数算法应用于HCS数据。通过在复杂细胞系统(包括来自球体、类器官和共培养物以及微环境的多细胞结构)的背景下开发详细的细胞生理学特征,实现对来自HCS的命中率进行优化这一目标。换言之,精密的HCA算法现在能够在HCS实验中对细胞系进行非常复杂的分析,最终提供具备高度可预测性和高度可转化性的临床前数据来预测体内效应。

图3:用于生成复杂细胞系统详细特征的类器官的HCA图像示例

高内涵应用定义

筛选(HCS)、成像(HCI)与分析(HCA)

表1:高内涵应用定义的比较

将高内涵筛选和分析与类器官相结合

如前所述,HCS可与类器官结合使用,类器官被认为是体内临床反应方面最具可预测性的体外模型。其显著的临床可预测性与在原始组织中观察到的关键表型(如结构和细胞异质性)和遗传特征的重现有关。在肿瘤学项目的背景下,肿瘤类器官具有高度的临床相关性,是发现药物和生物标志物的良好平台。

结论

基于图像的高通量技术能够开发具备高度可预测性和高度可转化性的临床前数据,以预测体内效应,尤其是与高度患者相关的3D类器官培养相结合时。虽然在开始HCS实验之前必须考虑到一些挑战,但咨询熟悉HCS仪器和工作流的专家可以为实验的成功提供最佳机会。

最初发表于 2021年12月16 Marianne Baillargeon

Marianne Baillargeon
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