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生化与细胞水平高通量筛选及微阵列芯片技术应用解析

2026-06-16     来源:微信公众号     点击次数:63

高通量筛选概念
高通量筛选(High Throughput Screening, HTS)是以分子水平、细胞水平的实验方法为基础,整合自动化操控系统、微量精准处理、高灵敏信号检测与多维度数据分析,对大量候选样品进行平行和标准的大规模筛选,快速获取高特异性目标分子的重要技术体系。它已成为药物研发、疾病标志物挖掘、蛋白互作解析、疫苗靶点筛选的关键环节。

常见方法介绍
高通量筛选的传统方法多指生化水平与细胞水平两大主流技术[2]。
 
生化水平筛选(Biochemical HTS)
应用最广泛的一类,将目标物(如酶、受体、糖、化合物及蛋白复合物等)从细胞中分离、提取和纯化,构建体外重组反应体系,通过待检样与目标物之间的相互作用(如结合、抑制、激活等),筛选出具有潜在活性的候选物。该方法利用96孔、384孔及1536孔微孔板,结合自动化液体处理系统、光学/生物物理信号检测仪器,简单、快速完成大规模库的首轮筛选。然而,其不依赖完整细胞模型,缺点也很明显,
 生物学相关性弱:完全脱离细胞内的生理微环境,忽略了细胞内蛋白互作、信号通路调控、化合物代谢修饰、细胞膜通透性等关键因素,极易产生诸多假阳性结果。
 ​无法评估细胞毒性与成药性:仅待检样与目标物的直接相互作用,无法评价待检样对细胞的毒性、细胞膜通透性、胞内代谢稳定性等毒理指标。
 ​假阳/阴性偏高:部分待检样的自发荧光、荧光淬灭特性,或能与检测试剂发生非特异性反应,导致假阳性结果;部分待检样可能以间接方式调控目标物活性,出现假阴性结果。
 ​单一筛选,局限性大:无法用于未知或多目标物协同作用或复杂信号通路相关的筛选。
 
细胞水平筛选(Cell-based HTS)
以完整活细胞为模型,将待测物作用于培养的活细胞,通过检测细胞的表型变化(如细胞活力、增殖、凋亡、报告基因表达、信号通路激活等),筛选出具有目标活性的候选物。细胞水平的HTS,保留了细胞的完整结构与生理微环境,可评估待测物在细胞层面的毒性、成药性和功能活性多项指标,更贴近体内真实作用场景,是生化水平筛选的补充与复筛。细胞水平的HTS筛选,包含传统细胞和高内涵筛选两类。然而,该技术也有一定局限性,
 ​通量低:细胞生长、成像和图像分析都需一定时长,适合进行中通量的复筛与深度验证。
 ​重复性相对不足:细胞状态易受培养条件、批次、传代次数等因素影响,多荧光标记需要摸索标记条件,成像的曝光时间、激发波长等也需要相应匹配,导致实验结果重复性较低。
 ​成本较高:细胞培养需要消耗大量的培养基、血清、培养器皿等耗材,需要专业的细胞监测、检测和分析设备以及实验人员,对筛选的各种数据进行处理和解读,有一定技术门槛。
 ​易受细胞自身背景干扰:部分细胞自身会表达与靶点相关的蛋白或激活相关信号通路,可能干扰待测物的活性检测,导致假阳性或假阴性结果。
 
计算机虚拟筛选和基因编辑高通量筛选
在传统筛选的这两个主流技术之外,计算机虚拟筛选和基因编辑高通量筛选同样具有独特优势。虚拟筛选基于靶点的三维结构或化合物的药效团特征,对海量待测物做虚拟预测,筛选出具有潜在活性的候选化合物或指导结构修饰与优化。该方法无需体外或细胞实验,不消耗试剂、耗材或设备,成本低、通量高。然而无法反映细胞膜通透性、细胞毒性、代谢稳定性、体内药代动力学等关键指标,有局限性和不可靠性,需生化筛选、细胞筛选等湿实验验证。

基因编辑高通量筛选,基于基因编辑技术(如CRISPR/Cas9、RNAi),构建全基因组或靶向基因文库(如gRNA文库、siRNA文库),文库导入细胞后筛选细胞的表型变化,挖掘与目标表型相关的基因,特异性相对较高。整个流程中,涉及多文库构建、细胞转染、筛选、测序、数据分析等,成本高、周期长、通量受限。
 
微阵列生物芯片超高通量筛选技术
此外,更高通量的微阵列生物芯片筛选技术,最早追溯至 20 世纪 70 年代,载体从膜到玻璃/功能基材、点样从接触到非接触、通量与精度同步提升,最终形成微阵列生物芯片超高通量筛选技术。将蛋白、抗体、小分子化合物、核酸、多肽、糖链等样品,通过高精度的点样仪以皮升至纳升级微量体系、高密度、有序固定在玻片、硅片、尼龙膜等固相载体表面,制备微阵列芯片,并结合自动化操控与标记或无标记的高灵敏度检测设备,快速获得亲和力、动力学、特异性、结合活性等定量和定性的关键数据信息,一次性完成海量样本的并行筛选,精准锁定目标分子[3、4]。
 
微阵列生物芯片超高通量筛选技术的优势

 ​超高通量:一张芯片可同时数万到数百万个分子反应,远高于传统单一样本、单指标检测,如使用英国ArrayJet公司的微阵列生物芯片点样仪一次可喷点18432种不同样品。
 ​样品与试剂消耗量小:点样体积仅皮升或纳升级,尤其适合珍贵样本,如使用英国ArrayJet公司的微阵列生物芯片点样仪一次喷点体积仅为100pL[5]。
 ​并行检测效率高:多基因、多蛋白、多指标同步分析,缩短实验周期,降低重复成本。
 ​数据一致性性强:在同一芯片、相同条件下,系统误差小,可组间对比分析。
自动化:点样、杂交、扫描、数据分析均可自动化,适合检测、药物筛选、大规模筛查。
 ​应用场景广:可对基因、蛋白、抗体、糖链、细胞等多种生物分子检测,覆盖基础科研、临床诊断、药物研发、食品安全等,用于肿瘤分型、疾病机制、个性化用药、快检等。

微阵列生物芯片超高通量筛选凭借高通量、并行检测、微型化、快速的核心优势,已成为生命科学、医学、农业、食品、环境等领域的核心技术。

医学与临床诊断[6](临床快检、疾病检测)
肿瘤精准诊疗、感染性疾病检测、遗传病与产前诊断、自身免疫病诊断如通过抗体谱芯片诊断红斑狼疮、类风湿关节炎等。

药学与新药研发[7](靶点筛选、药效、毒理、药代)
药物靶点发现:表达谱/激酶芯片筛选肿瘤、炎症、代谢病潜在靶点。
高通量药物筛选(HTS):细胞/蛋白芯片快速评估化合物活性、选择性等。
药物作用机制:基因/蛋白芯片解析药物信号通路、靶基因、代谢网络。

生命科学基础研究[8](基因组 / 转录组 / 蛋白组核心工具)
基因表达谱分析:全基因组mRNA芯片,一次性检测数万基因表达,揭示发育、分化、应激、疾病机制。
表观遗传:甲基化芯片、组蛋白修饰芯片,研究DNA甲基化/乙酰化对基因表达调控。
蛋白质组:抗体/蛋白芯片,高通量研究蛋白-蛋白、抗原-抗体、蛋白-小分子互作。

农业与畜牧业[9](分子育种、品种鉴定、疫病防控)
作物分子育种:SNP芯片(水稻44K、小麦90K、棉花60K)用于遗传图谱构建,加速抗虫/抗病/高产/优质品种选育。
畜禽良种选育:猪/牛/鸡基因芯片用于亲缘鉴定、遗传多样性检测。
动植物疫病:病毒/细菌芯片用于快速筛查、分型、以及耐药性检测。
 
高通量筛选的方法比较

实际研究中需根据研究目标、实验条件、筛选规模等因素,选择合适的筛选方法或组合策略,以平衡筛选效率、准确性与成本。

 
总结和结论

 ​从通量来看,虚拟筛选、微阵列生物芯片筛选>生化筛选>传统细胞筛选>高内涵筛选>基因编辑筛选;
 ​从生物学相关性来看,高内涵筛选>传统细胞筛选>基因编辑筛选>生化筛选>虚拟筛选、微阵列生物芯片筛选;
 ​从成本来看,基因编辑筛选>高内涵筛选、微阵列生物芯片筛选>传统细胞筛选>生化筛选>虚拟筛选;
 ​从机制解析能力来看,高内涵筛选>基因编辑筛选>传统细胞筛选>生化筛选、微阵列生物芯片筛选>虚拟筛选
 ​从适用范围来看,生化筛选、微阵列生物芯片筛选适合大规模化合物初筛,传统细胞筛选适合先导化合物复筛,高内涵筛选适合深度验证与机制解析,虚拟筛选适合超大库预选与化合物设计,基因编辑筛选适合靶点挖掘与基因功能研究。

在现代研发中,需要选择合适的筛选方法或组合策略,比如虚拟筛选进行预选,或直接微阵列生物芯片筛选完成初筛,高内涵筛选深度验证,同时结合基因编辑筛选挖掘全新靶点,形成“靶点挖掘—化合物筛选—机制解析—候选物优化”的完整流程,既保证了筛选效率,又提升了候选化合物的成药潜力。此外,随着各种技术的不断发展,各类方法也在不断优化,如生化筛选的抗干扰技术、细胞筛选的微型化技术、高内涵筛选的AI图像分析技术、微阵列生物芯片的高密度微型化互作技术、虚拟筛选的算法优化、基因编辑筛选的脱靶控制技术等,进一步提升了高通量筛选的准确性与效率,为相关研究提供了更强大的技术支撑。

参考文献
1.Pereira, D.A., Williams, J.A. Origin and evolution of high throughput screening. Br J Pharmacol, 2007.
2.Arkin, M.R., et al. High-throughput screening: today’s biochemical and cell-based approaches. Drug Discovery Today, 2020.
3.Miller M., Tang Y.-W. Basic Concepts of Microarrays and Potential Applications in Clinical Microbiology. Clin. Microbiol. Rev. 2009;22:611–633.
4.Bally M., Halter M., Voros J., Grandin H.M. Optical microarray biosensing techniques. Surf. Interface Anal. 2006;38:1442–1458.
5.Yang L, Zhang Y, Wang H, et al. Dynamic Change of PD-L2 on Circulating Plasma Extracellular Vesicles as a Predictor of Treatment Response in Melanoma Patients Receiving Anti-PD-1 Therapy[J]. Journal of Extracellular Vesicles, 2025, 14(2): e12345.
6.Pomeroy SL, et al. (1999). Gene expression profiling predicts clinical outcome of medulloblastoma. Nature, 415(6870), 436-442.
7.Debouck C, Goodfellow PN. (1999). DNA microarrays in drug discovery. Nat Genet, 21(1), 48-50.
8.Golub TR, et al. (1999). Molecular classification of cancer: class discovery and class prediction by gene expression monitoring. Science, 286(5439), 531-537.
9.Wang S, et al. (2014). Characterization of a 90K SNP array for wheat genetics and breeding. Plant Biotechnol J, 12(7), 888-899.

英国ArrayJet高通量微阵列生物芯片点样仪介绍


 
制备高密度的微阵列生物芯片,用于小分子化合物/蛋白质/多肽/核酸/多糖超高通量筛选
 ​速度快:点样速度711个样片点/秒
 ​通量高:单次进行18432种不同样品的快速点样,具备128个平行喷点通道
 ​精度高: CV<5%(可实现精准的点上点样,实现微型的点对点ELISA反应)
 ​完整的环境控制模块以及防样品蒸发保护(大幅降低点样过程中样品浓度变化)

应用方向:
基因芯片:高通量分子互作验证、疾病功能基因检测或筛选等
蛋白质芯片:高通量功能蛋白质筛选、抗原表位筛选、生物靶点筛选等
多糖芯片:进行高通量糖功能学、糖蛋白、植物凝集素等研究等
小分子化合物芯片:高通量药物筛选、疾病研究、疾病标志物筛选等
微阵列SRPi镀金芯片:高通量分子互作研究等
微孔板芯片:高通量多重因子检测、微型ELISA等
微流控芯片、生物传感器芯片:药物研发、体外诊断、生物半导体研发等
临床快检POCT芯片:抗原抗体检测、过敏原检测、病原微生物检测等
法国Innopsys微阵列生物芯片扫描分析仪介绍

 
Innoscan 710/710IR;Innoscan 910;Innoscan 1100AL
 
扫描高密度的微阵列生物芯片,用于小分子化合物/蛋白质/多肽/核酸/多糖超高通量筛选
高灵敏度、高信噪比:实时共聚焦光路扫描;
高分辨率:最高可达0.5μm/pixel;
高通量:可实现24片玻片自动进样;
应用方向:
基因芯片:高通量分子互作验证、疾病功能基因检测或筛选等
蛋白质芯片:高通量功能蛋白质筛选、抗原表位筛选、生物靶点筛选等
多糖芯片:进行高通量糖功能学、糖蛋白、植物凝集素等研究等
小分子化合物芯片:高通量药物筛选、疾病研究、疾病标志物筛选等
细胞组织芯片:细胞代谢机制、 信号传导机制;组织间蛋白表达差异等
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