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化合物库有什么作用?

化合物库是由小分子化合物按照特定特征(如结构或功能等)组成的实体或信息的集合。

被广泛用于靶点确认、高通量筛选、药物重定位/再利用、药物作用机制研究、药物安全性评估等方面:

靶点确认

在靶点确认的过程中,化合物库的使用可以帮助研究人员筛选出与特定疾病相关的活性化合物。这些化合物的活性可以通过其与生物靶点的相互作用来确定。例如,通过基因敲除或敲入实验,研究人员可以针对候选靶点进行功能验证,以确定其在疾病发生和进展中的作用。此外,分子生物学技术和基因组学方法的进展,如RNA干扰技术和CRISPR-Cas9基因编辑技术,也为靶点确认提供了强大的工具。通过将小分子化学基因组学与这些遗传方法相结合,研究人员可以发现新的靶点,并验证其在疾病中的重要性。

高通量筛选、高内涵和体内筛选

化合物库, Compound Libraries, TargetMol
图 1

化合物库在高通量筛选、高内涵筛选和体内筛选中具有广泛的应用。通过筛选化合物库,研究人员可以发现具有潜在药物活性的分子,并进一步研究其作用机制、生物活性和药代动力学特性。

高通量筛选(High-Throughput Screening,HTS)是一种快速评估大量化合物对特定生物靶点的活性的方法。通过使用自动化设备和机器人技术,可以对化合物库进行高效的筛选,以发现与特定疾病相关的候选药物分子。
高内涵筛选(High-Content Screening,HCS)结合了细胞成像和自动化分析技术,可以评估化合物对细胞功能和表型的影响。通过使用化合物库进行高内涵筛选,可以同时评估多个细胞参数,如形态学特征、亚细胞定位、蛋白质表达等,以识别具有期望效应的化合物。
除了体外筛选,化合物库还可以在动物模型中进行体内筛选(In Vivo Screening) 。通过使用化合物库进行体内筛选,研究人员可以评估化合物在整个生物系统中的活性和效果,有助于确定化合物的药理活性、生物可行性和毒副作用。

药物再利用

药物再利用(Drug Repurposing)是将已经通过临床试验并获得批准用于治疗一种疾病的药物,重新应用于治疗其他疾病的过程。化合物库在药物再利用中的应用为研究人员提供了一个经济高效的途径,以发现和开发新的治疗选择。它能够加速药物发现过程,降低开发新药物的风险和成本,更好地发挥已有药物的潜力。

靶点和通路发现:通过对化合物库进行高通量筛选或虚拟筛选,可以发现与新的疾病相关的潜在治疗靶点或通路。这些化合物可以与疾病相关的分子进行相互作用,从而揭示现有药物在治疗新适应症方面的潜力。

药物组合研究:化合物库中的化合物可以与已知药物进行组合库筛选,以寻找新的药物组合治疗方案。通过与已有药物的组合,可以发现具有协同作用的药物组合,以增强治疗效果或克服药物耐药性。这种药物组合的发现可以提供新的治疗选择,尤其是对于那些现有治疗方法效果有限或耐药性高的疾病。

候选药物发现:化合物库中的活性化合物可以作为药物再利用的潜在候选物和起始点。这些化合物已经具有一定的药物性质和安全性数据,可以通过进一步的优化和开发来加快新适应症的治疗药物的发现和开发过程。这种方法可以显著减少新药物开发的时间和成本。

药物作用机制研究

化合物库可以用于探索药物的作用机制。通过比较新药物与化合物库中已知的作用机制相似的化合物,研究人员可以推断出新药物的可能作用靶点、信号通路或生物学机制。这有助于揭示药物的作用方式,深入理解其治疗效果,并为进一步的研究和开发提供指导。

药物安全性评估

化合物库还可以用于药物的安全性评估。研究人员可以将候选药物与化合物库中已知的毒性信息进行比较,以预测和评估药物可能的毒性效应。这有助于提前发现潜在的不良反应,优化药物的安全性和耐受性,从而减少临床试验中的意外发现。

在TargetMol,我们如何建立化合物库?

建立化合物库通常包括以下几个步骤:

  1. 确定目标:确定化合物库的构建目标和应用领域,例如选择一种特定的疾病靶点、药物类别或化学结构类型等。
  2. 数据收集:收集与目标相关的化合物数据。一般需要通过文献研究、公开数据库、专利数据库等多种途径进行。收集的数据包括化合物的结构、生物活性数据、药理学信息等。
  3. 数据筛选与过滤:对收集的化合物数据进行筛选和过滤,以排除不合适的化合物或数据,如生物活性阈值、毒性筛选、物理化学性质等。
  4. 化合物采购或合成:确定需要采购或合成的化合物,并进行采购或合成。这可能需要与化合物供应商合作,或在实验室内进行合成化学工作。
  5. 化合物注册与管理:建立化合物库的注册与管理系统,帮助记录化合物的信息、存储位置、供应商信息等。
  6. 数据注释:为每个化合物添加注释信息,如结构描述、生物活性数据、物化性质、毒性信息等。这些注释信息可以帮助后续的化学分析和筛选过程。
  7. 库的更新与维护:定期更新化合物库,添加新的化合物数据,并对现有的化合物进行评估和维护。这可以确保库中的化合物信息保持最新和可靠。

筛查仪器注意事项

自动化液体处理工作站

自动化液体处理工作站是专为自动完成液体样品采样、混合和组合而设计的工具。工作站能够测量样品、添加试剂,并以统一的方式将液体添加到生物检测实验中。它们可以节省宝贵的时间,并减少大规模筛选任务中复杂、重复处理可能导致的错误。从单任务工作站到多任务集成系统,机器人液体处理的自动化规模和范围存在巨大差异。在购买时,液体处理自动化工作站可以处理的样品量是需要考虑的一个要素。其他要考虑的因素包括工作站所占用的空间大小以及其软件界面的易用性。

多道移液器

对于中小型筛选实验室而言,多道移液器(手动或电子)是一种有价值的工具,适用于使用微孔板进行实验。在经济有限的情况下,它是自动化液体处理工作站的经济实惠替代品。

关于移液器的建议:

  1. 寻找符合人体工学的舒适贴合方式:选择适合手型并能够提供良好人体工程学支持的移液器,以确保移液技术的准确性和精确度,并减少使用时的不适感。
  2. 寻找一起设计的移液器和吸头:某些移液器和吸头是为彼此设计的,配套使用能够提供更好的性能和兼容性。确保选择相互兼容的移液器和吸头,以获得优质的液体传递效果。
  3. 不要吝啬消耗品:移液器吸头的一致性非常重要,它可以降低误差并提高整体性能。选择质量稳定、一致性好的吸头,确保使用时能够提供可靠和准确的液体移液。

总之,多道移液器是在经济有限情况下进行中小型筛选实验的经济实惠选择。选择合适的移液器并关注移液技术的准确性和一致性,将有助于提高实验结果的可靠性和精确性。

多模式酶标仪

高通量筛选(HTS)的主要目标是通过对化合物库的筛选,确认候选化合物是否以所需方式影响目标靶点,从而获得所谓的“苗头化合物”或“先导化合物”。这通常通过使用液体处理设备、机器人、作为检测器的读板机以及用于仪器控制和数据处理的专用软件来实现。因此,高通量筛选应被视为对生物过程的快速扫描,可以快速排除效果不佳或无效的化合物,从而减少进一步分析的工作量。专用仪器如多模式酶标仪可灵活进行不同的检测。HTS专用读板机能够在一天内测量数百个板,产生大量数据点。

以下功能是HTS专用多模式酶标仪的黄金标准:

  1. 市场上对荧光强度和偏振的灵敏度高。
  2. 以96、384、1536和3456孔板格式进行测试。
  3. 支持同步双发射检测,用于快速、可靠地检测荧光偏振、BRET、FRET和TR-FRET以及AlphaScreen®等技术。
  4. 配备专用的AlphaScreen®/AlphaLISA®激发激光器。
  5. 高频TRF激光能够在运行过程中高效测量1536孔板(one flash),同时仍然提供高Z'值(> 0.8)。

以上这些功能使得HTS专用多模式酶标仪成为行业中的黄金标准,能够快速、准确地进行高通量筛选实验,并生成大量高质量的数据。

自动化成像和分析平台

高内涵筛选(HCS)或高内涵分析(HCA)需要一种仪器,能够以稳妥且可重现的方式从样品中提取大量信息,并具备高通量分析的速度。基于HCS的自动化显微镜系统是一种强大的自动化成像和分析平台,具备出色的成像和分析功能。这些平台广泛应用于基础研究、分析开发和筛选等领域。它们能够生成高质量的图像,以更短的时间推动您的研究进展,能够同时研究复杂生物系统中的多个特征。

与传统的高通量筛选(HTS)仅能测量单一活性读数相比,高内涵筛选(HCS)能够让科学家同时测量单个细胞或生物体的多个性质或特征。HCS具备同时研究多个特征和多路复用的能力,这是其强大功能和复杂性挑战的原因之一。它可以实现靶向和表型分析,测量细胞内或细胞间的运动,并能够分析多品种混合物中的特定细胞亚群。这是其他技术难以或甚至无法实现的。

HCS在潜在先导化合物的初步筛选中具有显著的应用,这些化合物可以进一步优化成候选药物分子。HCS可以应用于那些无法通过单一设备轻松测量的细胞活动,例如空间定位蛋白质或细胞形态的测量。此外,HCS通过将靶点分析测量与视觉测量相结合,增加了实验的能力和对结果的信心。

Molecular Devises LLC、Thermo Fisher Scientific、GE Healthcare Life Sciences、IntelliCyt Corporation和Perkin Elmer提供了多种此类仪器选项供您选择。

板类型的选择

选择适合的检测板类型对于实验的成功非常重要,而选择的标准主要取决于所使用的检测方法。检测板的表面光反射特性会直接影响最终信号强度、背景噪声水平和孔间串扰。

以下是一些建议:

  1. 荧光读取技术:对于荧光信号的检测,建议使用黑色、实心底、不透明壁的检测板。这种类型的板能够减少背景信号和孔间串扰,提供较低的噪声水平,从而增强信号的检测灵敏度。
  2. 发光信号检测:白色板适用于发光信号的检测,因为白色板能够增强光输出并提高信号的强度。这种板的表面反射光线,使得发光信号更容易被检测到。
  3. 比色测定和细胞实验:透明底板适用于比色测定和需要在整个实验过程中通过显微镜观察细胞的实验。透明底板能够提供良好的透视度,使得显微镜观察和细胞分析更加方便。

尽管有这些选择指南,但在选择合适的检测板类型时,仍需根据整体项目目标进行仔细考虑。例如,在具有低信号窗口和相对高较的测定体积/孔的发光试验中,需要注意对于“苗头”化合物的定义,即与阴性对照相比导致信号强度下降的测试样品。在这种情况下,使用白色板可能会对“苗头”化合物的检测结果产生影响。这种影响是由于含有低信号活性化合物的孔周围被几个具有高信号强度的非活性孔所包围,导致来自周围孔的串扰改变了活性孔中原始信号的幅度,进而增加了假阴性率的风险。在这样的发光试验中,科学家的目标是检测信号的减弱,因此黑色板更适合用于实验。

在使用高含量成像仪进行高含量测定时,为了获得优质的扫描性能,通常需要使用专门设计的微量滴定板。这些板的设计旨在具有光学透明、非常薄且均匀的孔底,以确保获得高质量的图像。这样的板能够提供清晰的视野和更小的光学干扰,从而支持高分辨率的成像。此外,某些实验需要进行细胞固定、染色和多个洗涤步骤,这就需要使用增强细胞截留的板。为此,一些板上可能涂有聚-D-赖氨酸、聚-L-赖氨酸或胶原蛋白等涂层,这些涂层有助于促进细胞的粘附和生长。

随着不同测定方法的需求,出现了更多类型的板来满足不同实验的要求。例如,在细胞试验中使用细胞悬浮法时,常需要低附着性的板,而在蛋白质结合实验中则需要具有非特异性结合表面的板。 此外,在选择适合多重分析的板类型时,可能需要额外的测试过程,特别是当需要在同一平板上测量发光和荧光信号时。选择正确的板类型对于所关注的分析非常重要,这可能需要进行详细的搜索以了解可用的板选项。最终将使科学家免于重复开发和验证分析方法,节省时间和资源。

化合物库的制备

HTS中使用的关键平台或样品载体是微孔板。典型形式包括96、384、1536或3456孔板。样品和检测试验的性质可能会影响微孔板形式及其颜色的选择。

筛选设备通常将其化合物库保存在所谓的“储存板”中。储存板并不直接用于实验。相反,当需要时,来自储存板的化合物通过移液站“复制”到分析板。在高通量筛选(HTS)的历史实践中,使用单一化合物浓度进行初级筛选与高比例的假阳性联系在一起。为了最大限度地减少假阳性的数量,不同于单浓度数据点,最好在浓度-效应曲线在每个库化合物的初筛级别生成时就引入定量HTS(qHTS)。要启用qHTS,必须准备一系列稀释浓度的化合物库。通常使用“垂直”或板间方法将给定化合物的所有浓度放置在不同的板上。第一个板包含最高浓度的一组化合物或子库,而随后的板在相同的孔位置包含相同的化合物,但浓度连续较低。以这种方式,可以产生一系列稀释的板,其中相同库的多个拷贝就制备好了,每个拷贝仅在库成员的浓度方面不同,并且其中拷贝的数量由稀释所需的滴定点数决定。在垂直开发的多浓度化合物集合中,用户可以自由选择筛选所有浓度还是以随机访问方式选择稀释板(单浓度筛选)。 

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图 2

我们建议引入化合物库的处理同时涉及物理和虚拟两部分(图2)。在对化合物进行任何物理操作之前,应仔细计划化合物库的制备过程(实验图纸),并且应在化合物管理系统中登记其结构。登记完成后,有关化合物的其他信息(例如数据分析信息)将添加到数据库中。以下用于创建细胞试验中的七个浓度稀释系列的操作说明基于4个96储存管化合物,每个储存管代表384孔板的一个象限,或这些储存管的总数对应于一个384孔板(图3)。注意:虽然qHTS可以对384或1,536孔板中的化合物进行,但384孔格式似乎更适合没有自动液体分配处理系统的实验室。您可以轻松地将其扩展到1,536孔板格式。(图2)

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图 3

化合物回收和初始处理

化合物以固态或溶液形式回收在96孔2D-barcoded Matrix (#3791)储存管中(图2和3)。对于粉末(以1mg为例),一般情况下,将整个样品用DMSO溶解(根据M.W.为400计算约250μL)至溶液浓度为10 mM。重新盖上管盖,倒置并涡旋以减少可能粘附在管盖或管侧的任何粉末,以1,000 rpm(或145×g,Eppendorf 5810R)离心1分钟。虽然大多数粉末样品在短暂涡旋后溶解,但仍需对试管进行目视检查,以确认和分离含有未溶解材料的混合物。对含有此类混合物的试管进行长达10分钟的超声处理可以完成溶解过程。

样品压缩到384孔板中

使用自动液体分配处理器或多道移液器通过交错象限转移法将96储存管中的化合物压缩到384孔Greiner Bio-One或Matrix聚丙烯板中。对于每个96储存管,第1列留空以放置对照,因此最终384孔板的第1列和第2列空白。传输顺序是从管1到Q1-2(第1、3、5、…、23列),从管2到Q1-2(第2、4、6、…24列),从管3到Q3-4(第1、3、5、...、23列)和384孔板的管4至Q3-4(第2、4、6、...、24列)。从96储存管压缩到384孔板的过程包括以下步骤(图3)。首先,将4个96储存管以1,000rpm的速度离心1分钟。通过用12道移液器吸取和分配溶液,将第一个储存管中的样品混合3次。随后将30μL转移到384孔板的第1象限(Q1-2:第1、3、5、...、23列)。下一个储存管使用一组新的吸头(Q1-2:第2、4、6、...、24列),重复所有步骤,直到完成所有剩余的储存管。根据管中溶液的体积,可以制备并储存这些高浓度384孔板的多个副本(作为母板)。然后可以将这些384孔最高浓度板之一用于后续稀释。

板间滴定系列制备

上述制备的高浓度384孔板中,选择一块10mM储备溶液(溶与DMSO)用作为qHTS制备库的最高浓度点。通常细胞试验中最终的最高化合物浓度应接近或超过100μM(生物学问题),DMSO的最终浓度应控制在不大于1%(将对细胞生长的影响降至最低).我们选择的稀释系列涵盖超过四个对数,包括由五倍稀释步骤分隔成七个浓度,涵盖了从最高浓度100μM到最低浓度6.4nM的有意义范围,适用于广泛的试验检测格式和目标类型。创建5×工作板(0.5mM化合物最高浓度)是此步骤的核心。

1. 制作符合上述标准的5×工作板,先制作10份高浓度384孔板,每份含2.5μL溶液。
注意: 因此,每孔含有2.5μL溶液的10个板的制备需消耗25μL,在孔中留下大约5μL。该步骤有三个目的:首先,它确保吸入的25μL不包含由于液体界面微小变化而产生的气泡所需的量。其次,该样品可用于回顾性QC分析,以调查化合物稳定性并解决库铺板或登记问题。第三,它代表了一个存档量,如果重新供应化合物变得困难,可以访问该存档量以执行后续有限的测试。

2. 然后将这些高浓度板中的溶液与47.5μL培养基混合(此时DMSO的浓度变为5%,稀释20倍后化合物的最高浓度为0.5mM)。将40μL含有5%DMSO的培养基添加在60个板中,用于创建10个相同副本的7个浓度稀释系列(将包含较低浓度)。从高浓度板中吸出10μL溶液,分配到下一个含有5%DMSO的40μL培养基的浓度板中,实现5倍稀释。然后重复这些步骤,直到准备好所有七个384孔板。对于每个七板稀释组,吸头更换仅发生一次(在分配到第四浓度板之后),以最大限度地减少最高浓度溶液向最低浓度板的携带。结束后将384孔板以1000 rpm离心1分钟,9组使用热封或铝封胶带封口,-80℃长期保存,其余组盖上盖子,可立即用于筛选(图4)。
注意: 如果您没有在短时间内完成所有的qHTS,您可以只使用一个顶部浓缩板并创建一组七个浓度稀释系列,并保留剩余的9个顶部浓缩板-80°C以备将来使用。

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图 4

孔板登记

在初始重新格式化时,可以为每组板分配一个用于登记和跟踪qHTS板间浓度的唯一标识符。qHTS通常包含10个板间滴定副本,每个板具有相同的化合物布局。

所有板,从最初的96孔和384孔板开始,一直到单独的384孔化合物滴定装置,都可以使用您的处理工具进行登记。96储存管的象限映射到各自的384孔板中,有关板之间关系的信息、孔化合物及其浓度图纸,需要保存并存储在您的内部数据库中。

为获得最佳数据库性能,在板、行、列、样品批次标识符、模板合物标识符和供应商数据上创建索引。其次,更新一个单独的表格,以插入新的孔浓度和孔板信息。在筛选数据的处理过程中,这两个表联合用于创建qHTS浓度图纸,将板孔驱动的数据转换为以单个样品为中心的滴定-效应曲线。

试验开发过程中的注意事项

试验药理学相关性

如果可行,应使用已知的在研究对象上具有活性的配体进行研究,以确定试验药理学能够预测疾病状态,并表明试验能够确认具有预期效力和作用机制的化合物。

试验的重现性

在化合物筛选环境中,要求试验在整个试验板、筛选时间和可能持续数年的项目中,在整个药物发现项目的持续时间内,都是可重复的。

试验费用

化合物筛选试验通常在微量滴定板上进行。 在学术界或相对数量较少的化合物中,测定方法通常采用96孔或384孔微滴板,而在工业或高温高温技术应用中,测定方法采用384孔或1536孔微滴板,测定体积小至几微升。 在每种情况下,检测试剂和检测量的选择都是为了使检测成本最小化。

试验验证和质量控制

一个典型的试验验证过程包括多个主要组成部分,如在适当的实验对照下重复试验数日, 在课题中使用高通量仪器验证最佳的分析条件,并使用各种统计指标和可视化工具探索总体试验质量。

化合物管理

由于化学合成涉及的费用和精力投入,正确储存化学品以防止早期降解变得至关重要。每种化学品都有特定的保质期和储存要求。在大型化合物库中,需要制定时间表,定期处理和更换库存中的化学品。为了管理化合物库,大多数机构采用信息技术,如条形码和关系数据库、化合物登记系统、孔板登记和跟踪系统、高通量筛选(HTS)数据质控系统以及报告生成系统等。

由于化合物库的单个条目数量可能高达数百万种化合物,即使是中等规模的化合物库管理也可能需要全职工作。化合物管理涉及对小分子化合物和生物制剂的库存控制,尤其在高通量筛选中更为重要。

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