高内涵筛选：由成像到制药的华丽一跃
高内涵筛选：由成像到制药的华丽一跃
在药物研发领域，高内涵筛选（HCS）技术正日益展现出其独特价值。它不仅能够通过先进的显微镜技术和成像分析手段提升筛选能力，还能通过捕获表型数据来显示细胞对化合物的反应，从而助力药物研发过程。本文将为您详细解析高内涵筛选技术的核心原理及其在药物研发中的具体应用。
在药物研发领域，您可能接触过高内涵筛选（High-Content Screening，HCS）及其近似术语，如高内涵成像（High-Content Imaging，HCI）和高内涵分析（High-Content Analysis，HCA）。但「高内涵」究竟是何意？这些概念之间有何不同？
这些术语经常与高通量筛选（High-Throughput Screening，HTS）的基本概念一起被提及，HTS 采用了一个庞大的自动化机器人系统网络，能够测试数十万到数百万个化合物，有效地缩小潜在候选药物的范围。在高通量筛选的基础上，高内涵筛选通过引入先进的显微镜技术和成像分析手段，进一步增强了筛选能力。
本文将探讨高内涵筛选（高内涵成像和高内涵分析的总称）如何通过捕获表型数据来显示细胞对化合物的反应，从而助力药物研发过程。
高内涵成像（High-Content Imaging，HCI）
高内涵筛选的核心是高内涵成像（HCI），这是一种基于图像的高通量方法，利用了共聚焦显微镜、活细胞成像和自动多色荧光成像等显微镜技术。这种方法可以详细采集细胞样本，同时分析二维和三维细胞培养物中单个细胞的多种分子特征。从本质上讲，HCI 提高了药物发现中细胞分析的深度和准确性，使科学家能够从细胞对潜在治疗化合物的反应中获得有价值的见解。以下是 HCI 在高内涵筛选中的主要应用：
1）丰富检测手段
通过提供精细化的可视化能力，高内涵成像（HCI）技术助力研究人员设计出稳定可靠的检测策略，用以精确量化特定的生物过程或终点指标，特别是聚焦于疾病相关细胞模型的评估。这些精心设计的检测方法能够精确捕捉并监测表型变化，进而加速早期发现与干预策略的优化进程。以高通量血管生成试验为例，它作为一种体外模型工具，能够以高效、经济且可重复的方式评估血管生成过程，通过量化细胞生成血管的能力来评估不同药物对血管生成的促进或抑制作用。此外，细胞划痕检测同样为分析不同环境条件下细胞迁移行为提供了有力支持，极大地丰富了研究人员的实验手段。
除此之外，HCI 技术还在生成临床前数据方面展现出巨大潜力，这些数据不仅能够预测体内药效，还具备向体内药效转化的能力，尤其是在结合患者来源的三维类器官培养体系时更为显著。这种先进成像技术与三维类器官模型的协同运用，显著增强了临床前评估的科学性与可靠性。
图 1：ibidi µ-Plate 3D 96 孔板（左）与细胞划痕 24 孔板（右）。
µ-Plate 3D 96 孔板专为高通量血管生成研究与3D细胞培养实验设计，其具有出色的细胞可视性，不会形成基质胶凹液面，确保了细胞培养条件的可重复性。除此之外，细胞划痕 24 孔板为专为高通量细胞划痕实验设计的优选工具，集成了预置于 µ-Plate 24 孔板中的硅胶培养插件，插件上精确预设了无细胞间隙，以满足实验对精确度和可重复性的严格要求。
2）大规模转染实验
高内涵成像广泛应用于大规模转染实验，是评估向细胞系统输送基因的效力和效果的重要工具。通过可视化和量化基因表达的能力，高内涵成像使研究人员能够微调转染方案、了解基因功能并探索分子相互作用。
图 2：人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的神经元，以细胞体和近端树突的标记物 MAP2 染色。
3）药物筛选
通过高内涵成像，研究人员可以仔细研究药物对细胞行为各个方面的影响，包括细胞形态、蛋白质表达和亚细胞定位等，所有这些都可以同时进行评估。这种多方面的分析有助于准确定位具有所需特性的药物，从而高效、精确地推进药物研发工作。
例如，Schuth 等人的研究强调了个性化 PDAC 协同培养模型在全面分析药物反应和阐明肿瘤基质介导的化疗耐药性分子机制方面的潜力。利用高内涵成像技术有助于揭示共培养环境中这些错综复杂的相互作用，为 PDAC 病理生物学和治疗策略提供宝贵的见解。
图 3：针对 PDAC-PDO 单培养基和 PDAC-PDO/CAF 协同培养基的既定药物测试工作流程示意图。
4）毒理学研究与安全评估
高内涵成像（HCI）技术作为毒性研究的基石，被广泛应用于评估潜在药物化合物或环境因素的安全性。该技术通过监测细胞活力、细胞凋亡过程、氧化应激反应等关键毒理学指标，能够精确识别出可能对细胞或组织造成潜在风险的化合物或条件，从而为安全性评估提供科学依据。
在利用高内涵成像技术进行高通量分析时，确保平板底部的薄度与平整度至关重要，这一特性直接关系到成像过程中光线的穿透能力，进而影响成像质量与数据准确性。因此，在将平板应用于高内涵成像实验之前，研究人员必须严格验证其是否符合既定的成像质量标准。
5）活细胞分析
高内涵成像技术极为适用于活细胞分析领域，它能够实现动态细胞过程的实时监测，为研究细胞迁移、细胞间相互作用以及细胞内信号传导等关键细胞行为提供强有力的支持。借助该技术，结合人机交互的先进手段，研究人员能够高效捕获延时图像序列，并长时间连续追踪细胞表型的变化情况，从而为深入理解细胞动态特性及其对外部刺激的响应机制积累了宝贵的实验数据与资料。
图 4：ibidi 载物台培养系统。
ibidi 研发了一款载物台培养系统，专为配合采用 ANSI/SLAS (SBS) 标准规格的微孔板进行高通量活细胞成像而设计。该系统能够无缝集成于各类倒置显微镜上，极大地方便了活细胞成像实验的开展。同时，该系统具备对温度、湿度、二氧化碳浓度及氧气水平的精确调控能力，确保了实验条件的严格控制和细胞培养环境的稳定性。
高内涵分析（High-Content Analysis，HCA）
高内涵分析（HCA）是一种科学方法，它依赖于先进的自动图像分析软件，以解析高内涵筛选过程中产生的海量数据。该技术能够详尽地分析图像中每一个细胞的多个生物学参数，单次实验即可高效处理数千个细胞样本。具体而言，HCA 能够量化细胞的形态学特征，如形状、体积及质地，并精确测量不同波长下荧光强度的变化，从而揭示细胞活动的复杂模式。
图 5：高内涵筛选流程。
随着技术的不断发展，HCA 的应用范围已扩展至包括三维球形细胞培养、共培养在内的多种细胞配置，以及具备多路复用能力的系统，后者能够同时监测每个微孔内单一微环境中细胞的多种生物学特性，极大地提升了实验的效率与精确度。
高内涵筛选技术的进展
高通量筛选技术的近期显著发展之一，在于机器学习与人工智能（AI）的深度整合。这一融合极大地增强了高内涵筛选（HCS）系统的分析能力，使其能够精准识别细胞图像中那些对于传统分析手段而言可能过于精细或复杂的模式与特征。具体而言，机器学习算法正被广泛应用于提升图像分析的精确度和效率，涵盖自动细胞类型分类、表型变化的量化评估，以及细胞对不同治疗策略反应的精准预测。
同时，成像技术的持续进步构成了另一重要趋势。现代成像系统不仅在分辨率上实现了显著提升，还加快了数据获取速度，实现了细胞动态的实时捕捉与详细记录。尤为值得一提的是，超分辨率显微镜技术正日益融入HCS平台，为探索细胞分子机制提供了全新的清晰视野与深入洞察。此外，多光谱成像技术的引入，使得同时监测多种荧光标记成为可能，极大地促进了细胞间相互作用及其复杂功能机制的深入研究。
高通量筛选技术的应用领域正持续拓展，其所能处理的生物系统复杂性亦随之增长。近期的技术创新推动了能够解析多细胞结构系统的发展，这些系统涵盖了从简单有机体到复杂三维细胞培养物的广泛范围。此类三维细胞培养模型能够更精确地模拟人体细胞的自然生长环境，为药物筛选及疾病机制研究提供了创新途径，从而显著增强了与临床结果的关联性和预测能力。