術(shù)語解析和區(qū)別：高內(nèi)涵成像、高內(nèi)涵篩選和高內(nèi)涵分析

2022.10.03

本文淺析了高內(nèi)涵成像（HCI）、高內(nèi)涵篩選（HCS）、高內(nèi)涵分析（HCA）等術(shù)語間的區(qū)別，將這些基于圖像的自動化高通量技術(shù)逐漸用于生成數(shù)據(jù)，可對臨床前研究和下游Go/No-go決策提供支持。

引言

顯微鏡技術(shù)在過去幾十年所取得的驚人進步，使得HCI（高內(nèi)涵成像，High content imaging）才成為可能。具體來說，顯微鏡現(xiàn)在能夠通過自動化程序獲取大量圖像。簡而言之，HCI是一種基于圖像的高通量細胞篩選方法，它將自動多色熒光成像與量化數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，以同時評估2D和3D細胞培養(yǎng)中單個細胞的多種分子特征，以及其他生物樣本類型。HCI正逐漸被研究人員采用，因為它能夠在使用數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬種新化合物治療后，對許多細胞的單細胞活性進行無偏倚的多參數(shù)可視化和量化。

例如，雖然傳統(tǒng)的低通量顯微鏡檢查實驗可能在相對較少的細胞中捕獲生物效應(yīng)（如細胞死亡），但HCI使得研究人員能夠捕獲數(shù)百乃至數(shù)千張具有所需生物終點的細胞圖像。顯然，后一種方法生成的數(shù)據(jù)集更加可靠，因為它需要捕獲數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬張圖像，這最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)點的數(shù)量得以最大化，使得統(tǒng)計結(jié)果更加可靠。

“高內(nèi)涵”這一術(shù)語通常指單個細胞的多個分子參數(shù)/特征（使用熒光染料測量）可以同時被評估，例如細胞周期狀態(tài)、細胞和核形態(tài)、細胞活性、受體內(nèi)化、蛋白質(zhì)聚集等。因此，基于HCI的強大技術(shù)正在臨床前研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，從識別和驗證新靶點到預(yù)測體內(nèi)脫靶效應(yīng)等等，這并不奇怪。

雖然“高內(nèi)涵成像”、“高內(nèi)涵篩選”和“高內(nèi)涵分析”等術(shù)語經(jīng)常交替使用，但仍存在一些區(qū)別，所述詳情見下文以及總結(jié)見表1。

HCI、HCS和HCA之間的差異

高內(nèi)涵成像（HCI）High-Content Imaging
如上所述，“HCI”這一術(shù)語用于指代基于圖像的主要基礎(chǔ)自動化高通量技術(shù)。HCI方法用于測量和監(jiān)測表型變化，以優(yōu)化發(fā)現(xiàn)和開發(fā)研究，以及早期的發(fā)現(xiàn)和高通量篩選（HTS），從而實現(xiàn)命中先導(dǎo)物和先導(dǎo)物的優(yōu)化。最終目標(biāo)是得出一系列可靠數(shù)據(jù)，通過更為直觀地理解化合物與靶點在細胞水平上的相互作用，為后期做出是否繼續(xù)的決定提供支持。

圖1：正常和癌癥類器官單獨和免疫細胞共培養(yǎng)的代表性多參數(shù)HCI圖像：?正常結(jié)腸類器官（左上）、結(jié)直腸癌類器官（右上）、類腫瘤加髓細胞（左下）和類器官加免疫細胞（右下）。

高內(nèi)涵篩選（HCS）High Content Screening
HCS的目的類似于其他傳統(tǒng)HTS（高通量篩選）方法，目標(biāo)是篩選數(shù)百萬種到數(shù)億種化合物，確定新的藥物靶點和命中率，或在復(fù)雜的細胞系統(tǒng)（包括球體和類器官等3D培養(yǎng)物）中進行靶點和先導(dǎo)物優(yōu)化。與基于讀板儀（酶標(biāo)儀）的傳統(tǒng)HTS相比，HCS被認(rèn)為更具可預(yù)測性，因為高內(nèi)涵成像（HCI）篩選法可顯示細胞對化合物反應(yīng)的表型數(shù)據(jù)，而其可能同一個實驗中的在靶效應(yīng)和/或脫靶效應(yīng)有關(guān)。盡管在實驗的規(guī)劃階段必須考慮可能出現(xiàn)的實驗噪聲、工作流挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)存儲容量，但通過使用多路復(fù)用技術(shù)，可以監(jiān)控多個終點。

圖2：多個特征的HCS數(shù)據(jù)輸出的代表性熱圖示例。（左）對細胞核和肌動蛋白的快速分析，（右）全z疊加分析在一次檢測中產(chǎn)生300多種形態(tài)特征

雖然HCI硬件的發(fā)展速度非?？欤治鲕浖陌l(fā)展速度卻沒跟上。這意味著HCS實驗往往沒有發(fā)揮其潛力。例如，一項分析報告稱，盡管自2000年以來HCS的使用不斷增加，但使用HCS評估的終點數(shù)量相對較少。作者發(fā)現(xiàn)，60-80%的已發(fā)表論文只使用了1個或2個終點，僅5-10%使用了6個以上終點。這種使用低于預(yù)期（當(dāng)時）的現(xiàn)象，是因為缺乏功能強大且用戶友好型的高內(nèi)涵分析（HCA）軟件，而HCS實驗需要這種軟件。差不多8年之后，復(fù)雜的HCA程序已可獲得，并且被證明對于分析多參數(shù)HCS數(shù)據(jù)非常寶貴。

高內(nèi)涵分析（HCA）
HCA將多參數(shù)算法應(yīng)用于HCS數(shù)據(jù)。通過在復(fù)雜細胞系統(tǒng)（包括來自球體、類器官和共培養(yǎng)物以及微環(huán)境的多細胞結(jié)構(gòu)）的背景下開發(fā)詳細的細胞生理學(xué)特征，實現(xiàn)對來自HCS的命中率進行優(yōu)化這一目標(biāo)。換言之，精密的HCA算法現(xiàn)在能夠在HCS實驗中對細胞系進行非常復(fù)雜的分析，最終提供具備高度可預(yù)測性和高度可轉(zhuǎn)化性的臨床前數(shù)據(jù)來預(yù)測體內(nèi)效應(yīng)。

圖3：用于生成復(fù)雜細胞系統(tǒng)詳細特征的類器官的HCA圖像示例

高內(nèi)涵應(yīng)用定義

篩選（HCS）、成像（HCI）與分析（HCA）

表1：高內(nèi)涵應(yīng)用定義的比較

將高內(nèi)涵篩選和分析與類器官相結(jié)合

如前所述，HCS可與類器官結(jié)合使用，類器官被認(rèn)為是體內(nèi)臨床反應(yīng)方面最具可預(yù)測性的體外模型。其顯著的臨床可預(yù)測性與在原始組織中觀察到的關(guān)鍵表型（如結(jié)構(gòu)和細胞異質(zhì)性）和遺傳特征的重現(xiàn)有關(guān)。在腫瘤學(xué)項目的背景下，腫瘤類器官具有高度的臨床相關(guān)性，是發(fā)現(xiàn)藥物和生物標(biāo)志物的良好平臺。

結(jié)論

基于圖像的高通量技術(shù)能夠開發(fā)具備高度可預(yù)測性和高度可轉(zhuǎn)化性的臨床前數(shù)據(jù)，以預(yù)測體內(nèi)效應(yīng)，尤其是與高度患者相關(guān)的3D類器官培養(yǎng)相結(jié)合時。雖然在開始HCS實驗之前必須考慮到一些挑戰(zhàn)，但咨詢熟悉HCS儀器和工作流的專家可以為實驗的成功提供最佳機會。

最初發(fā)表于 2021年12月16?Marianne Baillargeon

高通量篩選高內(nèi)涵 HCA hci hcs hca

Marianne Baillargeon

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