在药物研发领域，您可能听说过高内涵筛选 (HCS) 以及与之相近的术语：高内涵成像 (HCI) 和高内涵分析 (HCA)。但“高内涵”到底是什么意思？这些概念之间有何不同？

这些术语经常与高通量筛选 (HTS) 的基本概念一起提及，高通量筛选采用庞大的自动化机器人系统网络，能够测试数十万到数百万种化合物，从而有效缩小潜在候选药物的范围。在 HTS 的基础上，高内涵筛选 (HCS) 进一步发挥了这些功能，通过结合先进的显微镜和成像技术，您可以测量许多不同的终点或过程，而不仅仅是一个终点。

本文章探讨了高内涵筛选（一个涵盖高内涵成像和高内涵分析的总称）如何通过捕获显示细胞对化合物反应的表型数据来增强药物发现过程。

通过提供详细的可视化，HCI 可帮助研究人员设计可靠的检测方法，以准确测量特定的生物过程或终点，例如与疾病相关的细胞检测。这些检测方法可提供精确的测量并监测表型变化，从而有助于优化早期发现工作。例如，高通量管形成检测可作为一种体外工具，以简单、经济高效且可重复的方式评估血管生成，从而利用细胞的管形成能力来分析各种药物的促血管生成或抗血管生成潜力。同样，伤口愈合和迁移检测有助于分析不同条件下的细胞迁移，使其成为研究人员工具包中的宝贵补充。

除此之外，HCI 还使研究人员能够生成既可预测又可转化为体内效应的临床前数据，尤其是与患者相关的 3D 类器官培养物相结合时。这种先进成像技术与 3D 类器官模型之间的协同作用提高了临床前评估的可靠性。

ibidi凭借µ-Plate 96 Well 3D为高通量管形成和 3D 细胞培养分析提供了解决方案。它提供了出色的细胞可视化效果，无需形成凝胶半月板，从而确保了可重复的细胞培养条件。即用型Culture-Insert 2 Well 24非常适合可重复的高通量伤口愈合和迁移分析。它由已插入µ-Plate 24 Well 的具有明确无细胞间隙的硅胶 Culture-Insert 组成。

HCI 广泛应用于大规模转染试验，是评估基因转染到细胞系统的有效性和效果的重要工具。HCI 能够可视化和量化基因表达，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。

人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 衍生的神经元用 MAP2 染色，MAP2 是细胞体和近端树突的标记。神经元通过神经原素 2 诱导分化，并与小鼠神经胶质细胞共培养 30 天。每个方格都从 ibidi µ-Plate 96 孔方格的单独孔中记录。图像记录在具有 10 倍物镜的高内涵共聚焦成像系统上。图片由美国马萨诸塞州剑桥 Q-State Biosciences, Inc. 的 Chris Hempel 提供。
 

通过 HCI，研究人员可以仔细研究化合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精确定位具有所需特性的化合物，从而高效、准确地推进药物研发工作。

例如， Schuth 等人进行的研究强调了个性化 PDAC 共培养模型在全面分析药物反应和阐明导致肿瘤基质介导化学耐药性的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复杂的相互作用，为 PDAC 病理生物学和治疗策略提供宝贵见解。

PDAC-PDO 单一培养和 PDAC-PDO/CAF 共培养的已建立药物测试工作流程的示意图概述。

HCI 已成为毒性研究的基石，可用于评估潜在药物化合物或环境因素的安全性。它有助于监测细胞活力、细胞凋亡、氧化应激和其他毒理学终点，从而能够识别可能对细胞或组织造成风险的化合物或条件。

对于高内涵成像 (HCI) 来说，至关重要的是，板的底部必须既薄又平，以促进成像所需的光传输。在使用板进行 HCI 之前，研究人员需要验证它是否符合成像质量标准。

标准96孔板底部由聚苯乙烯制成，厚度为 1 毫米，不适合高分辨率或荧光显微镜。ibidi96孔板带有平坦的ibidi 聚合物盖玻片 #1.5 底部（180 µm，+10/-5 µm），非常适合高分辨率或荧光显微镜。

ibidi 提供专门设计的微量滴定板，以满足这些应用的严格要求。我们的板具有黑色方形或圆形孔，底部平坦透明，可确保最佳成像质量。它们配有 #1.5 ibidi 聚合物盖玻片（µ-Plate 96 孔方形和µ-Plate 96 孔圆形）或 #1.5H玻璃盖玻片底部（µ-Plate 96 孔方形玻璃底、µ-Plate 96 孔圆形玻璃底和µ-Plate 384 孔玻璃底）

HCI 非常适合活细胞分析，可以实时监测动态细胞过程。它有助于研究细胞行为，例如细胞迁移、细胞间相互作用和细胞内信号传导事件。HCI 允许研究人员捕捉延时图像并跟踪细胞表型在较长时间内的变化，从而为了解细胞动力学和对刺激的反应提供有价值的见解。

ibidi 提供Stage Top 孵化系统，使用具有 ANSI/SLAS (SBS) 标准格式的微孔板进行高通量活细胞成像。该系统可在每个倒置显微镜上轻松进行活细胞成像，精确控制温度、湿度以及 CO 2和 O 2。

高内涵分析是指使用自动化图像分析软件来分析高内涵筛选产生的大量数据。HCA 可以分析图像中每个细胞的多个参数，每次实验处理数千个细胞。这包括量化一系列波长范围内细胞形状、体积、纹理和荧光强度的变化。HCA 已发展到涵盖多细胞配置，如 3D 球体和共培养，以及多路复用能力，从而能够同时监测每个孔中单个微环境中的各种特征。

高内涵筛选的工作流程

近期 HCS 发展的一个主要趋势是机器学习和人工智能 (AI) 的整合。这些技术增强了 HCS 系统的分析能力，使它们能够识别细胞图像中对于传统分析方法来说可能过于微妙或复杂的模式和特征。例如，机器学习算法正被用于提高图像分析的准确性和速度，包括自动分类细胞类型、量化表型变化和预测细胞对不同治疗的反应的能力。

另一个重要趋势是成像技术本身的进步。人们一直在努力开发更高分辨率和更快的成像系统，以便实时捕捉详细的细胞动态。超分辨率显微镜技术现在更频繁地与 HCS 平台配对，为细胞的分子机制提供了前所未有的洞察。此外，多光谱成像技术允许同时检测多个荧光标记，从而促进对细胞相互作用和功能的复杂研究。

HCS 的应用范围也在不断扩大，它能够处理的生物复杂性也越来越大。最近的创新推动了能够分析多细胞结构的系统的发展，例如类器官和 3D 细胞培养物。这些 3D 培养物可以更好地模拟人体细胞的自然环境，为筛选药物和了解与临床结果更相关的疾病机制提供了新方法。

参考文献：

Schuth, S., Le Blanc, S., Krieger, T.G. et al. Patient-specific modeling of stroma-mediated chemoresistance of pancreatic cancer using a three-dimensional organoid-fibroblast co-culture system. J Exp Clin Cancer Res 41, 312 (2022).

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