Wraz z rozwojem medycyny, a także postępującym starzeniem się społeczeństwa rośnie zapotrzebowanie na nowe terapie i substancje lecznicze. Wprowadzanie nowatorskich rozwiązań w medycynie to złożony, kosztowny, obarczony sporym ryzykiem i czasochłonny proces. Niewątpliwym wsparciem okazują się np. chemia obliczeniowa, komputerowe wspomaganie odkrywania leków, ale również wysokoprzepustowe badania przesiewowe. 

Przesiewanie wysokoprzepustowe (z ang. High-Throughput Screening, HTS) polega na szybkim testowaniu od tysięcy do nawet miliona próbek biologicznych i chemicznych. Szczególne znaczenie zyskało w procesach odkrywania nowych leków, w celu wyselekcjonowania substancji o potencjale terapeutycznym. Dzięki temu procesowi można szybko rozpoznać związki aktywne, przeciwciała lub geny, które modulują określoną ścieżkę molekularną i przyczynią się do stworzenia nowego leku. Złożoność przebiegających w HTS procesów, ich walidacja oraz optymalizacja pod kątem specyficznych rezultatów nie są jednak zagadnieniami łatwymi i szybkimi.

Instrumentalizacja w laboratoriach HTS

Badania przesiewowe wymagają integracji szeregu czynności i urządzeń. Podstawowe wyposażenie obejmuje: wirówki, inkubatory, dozowniki cieczy, mikropłytki wraz z czytnikami, urządzenia do przechwytywania i analizowania obrazów, a także układy kontroli jakości czy przetwarzania danych eksperymentalnych. Podstawową platformą oraz nośnikiem próbek jest płytka wielodołkowa. Wybór właściwej zależy od charakteru materiału badawczego oraz testów molekularnych, którym ma być poddany. Dobór i adaptacja odpowiedniego testu molekularnego są kluczowe – muszą zapewnić skuteczną identyfikację potencjalnych związków aktywnych, gwarantując wysoką czułość, powtarzalność wyników oraz adekwatność do wybranego celu badawczego. Ważnym elementem wysokoprzepustowych badań przesiewowych są odpowiednio skatalogowane biblioteki związków chemicznych. Sposób ich skomponowania ma kluczowy wpływ na efektywność przeczesywania oraz identyfikacji tzw. trafień. Biblioteki próbek są zwykle przechowywane na płytkach magazynowych. Naukowcy mogą generować je z próbek utworzonych w swoich laboratoriach lub poprzez zakup dostępnych w handlu związków.

Pierwszym i podstawowym krokiem w kierunku rozwoju wysokoprzepustowych badań przesiewowych jest zautomatyzowanie całego procesu – szczególnie w kontekście badań na szeroką skalę. Jest to także znaczna oszczędność czasu, dzięki przyspieszeniu pracy, możliwość wyeliminowania błędów oraz sposób na pozyskanie powtarzalnych wyników. Znacznie bardziej zaawansowaną formą automatyzacji jest robotyzacja. Platformy robotyczne w punkcie centralnym stanowiska HTS mają umieszczone jedno lub więcej ramion robota. Zakres pracy obejmuje: autonomiczne zarządzanie wieloma płytkami jednocześnie, obsługę stacji dozowania cieczy, stacji pipetowania, czytników płytek i wielu innych – w zależności od potrzeb danego laboratorium. Zastosowanie robotów w HTS pociąga za sobą wdrożenie elementów sztucznej inteligencji, np. do sterowania logistyką procesów. Warto zwrócić uwagę, że automatyzacja stanowisk w wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych często prowadzona jest równolegle z ich miniaturyzacją. Praca z urządzeniami o coraz mniejszej skali – a co za tym idzie z niewielkimi ilościami próbek i odczynników – znacząco przekłada się na obniżenie kosztów całego procesu.

Poszukiwanie związków o działaniu terapeutycznym

Tworzenie nowego leku jest czasochłonne, złożone i obarczone dużym ryzykiem. Wysokoprzepustowe badania przesiewowe to jedna ze strategii ułatwiających wytypowanie związków wyjściowych do projektowania leków. Poza wyznaczeniem populacji potencjalnych związków biologicznie czynnych HTS wspomaga naukowców także w poszukiwaniu substancji regulujących określone szlaki molekularne – mechanizmy działania wielu leków nadal nie są w pełni zbadane. 

Proces poszukiwania związków o działaniu terapeutycznym z wykorzystaniem HTS przebiega w kilku etapach. Po wstępnym przesiewie (z ang. primary screening) zidentyfikowane trafienia są potwierdzane (z ang. hit confirmation), a następnie przeprowadzana jest walidacja stwierdzonych trafień oraz ich przetestowanie w szerokim zakresie stężeń. Ponieważ żadna metoda wykrywania nie jest wolna od zastrzeżeń, należy również przeprowadzić testy kontrolujące przy użyciu innej zasady wykrywania, aby zweryfikować pierwotne trafienia. Skuteczna kontrola jakości jest jednym z ważniejszych etapów. Im wyraźniejsze rozróżnienie między kontrolami ujemnymi i dodatnimi, tym większa możliwość uzyskania wysokiej jakości danych, przy pomijalnej liczbie wyników fałszywie ujemnych, a zwłaszcza fałszywie dodatnich. Wyniki testów HTS stanowią punkt wyjścia do dalszych kroków w procesie odkrywania leków, takich jak projektowanie czy zrozumienie interakcji lub roli konkretnego procesu biochemicznego. Wysokoprzepustowe badania przesiewowe nierzadko są stosowane równolegle z innymi strategiami, jak np. technikami obliczeniowymi czy projektowaniem w oparciu o fragmenty struktury.

Warto również wspomnieć, że w ciągu ostatnich lata znacząco rozwinęło się wykorzystanie komórek 3D w HTS, pomimo wyzwań związanych z ich wdrożeniem oraz pracochłonnością procesu. Komórki generowane za pomocą dwuwymiarowych technik hodowli są szeroko stosowane w procesach przesiewania związków i wyborze kandydatów do dalszych badań. Wprowadzenie hodowli 3D w wielu organizacjach zajmujących się odkrywaniem leków wskazuje, że technologie te mają zalety, szczególnie w onkologii, ale coraz częściej także w neuronauce oraz regeneracyjnej terapii komórkowej. Hodowla komórek 3D pozwolila na uzyskanie sferoidów tkankowych lub miniaturowych organów z linii komórkowych, komórek pierwotnych lub komórek macierzystych, co dodatkowo usprawnia badania przesiewowe leków, lepiej odzwierciedlając ludzkie środowisko fizjologiczne, w porównaniu z liniami komórkowymi 2D lub modelami zwierzęcymi. Zaawansowane technologie hodowli 3D, w połączeniu z ulepszonymi metodami wykrywania, umożliwiają przesiew leków w protokołach, które nie są wykonalne w przypadku hodowli 2D.