Descubrimiento de medicamento

El descubrimiento de fármacos es un campo interdisciplinario centrado en la identificación y las pruebas preclínicas de posibles medicamentos in vitro, ex vivo e in vivo. Esto incluye tanto ensayos primarios de las propiedades farmacológicas del fármaco, así como ensayos secundarios de absorción, distribución, metabolismo, eliminación y toxicología (ADMET) y factores de seguridad relacionados que se evalúan durante el proceso de descubrimiento. La detección/captura de imagen de alto rendimiento ha ocupado una posición central en las pruebas de descubrimiento de fármacos en las últimas dos décadas, proporcionando opciones automatizadas y altamente cuantitativas para la detección de grandes cantidades de compuestos candidatos en busca de candidatos. Además, la captura de imágenes complementa la genómica, la proteómica y otros métodos de tipo -ómica al proporcionar un contexto espacial. En combinación con técnicas avanzadas como el perfilado de fenotipos celulares utilizando inteligencia artificial, la detección/catura de imagen basada en microscopios ópticos parece estar lista para convertirse en un componente aún más importante (y accesible) del proceso de descubrimiento de fármacos.

Productos para el descubrimiento de fármacos

Para aplicaciones de captura de imágenes de alto rendimiento y alto contenido en el descubrimiento de fármacos, Nikon ofrece los sistemas de imágenes de alto contenido BioPipeline LIVE y BioPipeline PLATE. Ambos sistemas se basan en nuestro microscopio invertido motorizado ECLIPSE Ti2-E y cuentan con un brazo robótico para el intercambio automático y la obtención de imágenes de hasta 44 recipientes, incluidas las placas de pocillos. BioPipeline LIVE también incluye una cobertura completa de incubación para ensayos basados en captura de imágenes de células vivas a largo plazo. Ambos sistemas se adaptan a la escala de detección de alto rendimiento en los laboratorios de investigación académica.

Con el uso de sistemas modelo más grandes, como cultivos celulares 3D y organismos modelo, puede ser necesaria una técnica de seccionamiento óptico como la microscopía confocal. Los microscopios confocales Nikon AX/AX R son instrumentos de escaneo de barrido por puntos que proporcionan imágenes con un gran campo de visión de 25 mm con una resolución de hasta 8192 píxeles. El modelo AX R también cuenta con un escáner resonante para imágenes de alta velocidad (30 fotogramas por segundo a una resolución de 2048 x 512 píxeles (2K), resolución de 1024 x 512 píxeles (1K)), proporcionando un alto rendimiento.

Los sistemas confocales de barrido de la serie CSU de Yokogawa también se pueden configurar en instrumentos BioPipeline. El sistema de microscopio multifotónico AX R MP permite obtener imágenes de hasta 1,4 mm de profundidad cuando se combina con una iluminación de 1300 nm.

Un componente importante de un sistema de microscopía Nikon para el descubrimiento de fármacos es nuestro software NIS-Elements, una solución integrada para adquisición, análisis y control de dispositivos. La versión NIS-Elements HC está diseñada específicamente para aplicaciones de captura de imágenes de alto rendimiento y alto contenido. Los mapas de calor, las imágenes de muestra, las máscaras binarias, los resultados de los ensayos y más están centralizados, lo que permite un filtrado rápido y análisis adicionales. Además, nuestros módulos de software basados en aprendizaje profundo NIS.ai se pueden integrar en rutinas de captura de imágenes/análisis para aprovechar el poder de la inteligencia artificial (IA) en diversas tareas de análisis, como la segmentación de imágenes.

●: Incluido, ⚬: Opcional

Técnicas de contraste compatibles	BioPipeline LIVE	BioPipeline PLATE
	BioPipeline LIVE Sistema de imágenes de alto contenido	BioPipeline PLATE Sistema de imágenes de alto contenido
Capacidad máxima de muestra	44	44
Intercambio de muestras automatizado	yes	yes
Tipo(s) de recipiente/portaobjetos previsto(s)	96-placas multi-pocillo 384-placas multi-pocillo	96-placas multi-pocillo 384-placas multi-pocillo
Corrección de enfoque Z	Perfect Focus System 4 (PFS4) Enfoque automático	Perfect Focus System 4 (PFS4) Enfoque automático
Adecuado para captura de imágenes en vivo a largo plazo	yes	no
Campo Claro	yes	yes
Contraste de fase*	yes	yes
Contraste de modulación avanzada de Nikon (NAMC)*	yes	yes
Contraste de volumen	yes	yes
Fluorescencia de campo amplio	yes	yes
Confocal	yes	yes

*Es posible que estas técnicas de contraste no sean adecuadas para todas las aplicaciones y rangos de aumento debido al efecto menisco dentro de los pocillos individuales.

Discusión sobre el descubrimiento de fármacos

Organoide intestinal teñido para ADN (azul; DAPI), mucina (verde; producida por células caliciformes) y somatostatina (roja; producida por células enteroendocrinas), imagen mediante microscopía confocal de barrido puntual.

Selección de un sistema de microscopía para su modelo de descubrimiento de fármacos

Los sistemas modelo para el descubrimiento de fármacos abarcan casi toda la gama de posibilidades, desde cultivos de células adherentes in vitro hasta organismos modelo completos y casi todo lo demás. Los modelos complejos de cultivo de células en 3D, como esferoides, organoides y órganos en chips, pueden estar compuestos por varios tipos de células para recapitular mejor varias características fisiológicas perdidas en los cultivos de células adherentes tradicionales, que son el estándar tradicional para el screening de alto rendimiento. Además, los organoides pueden incluso cultivarse a partir de células autólogas (derivadas de pacientes) para desarrollar medicamentos de precisión.

La captura de imágenes de fluorescencia de campo amplio es una opción adecuada para muestras relativamente planas, como células adherentes cultivadas en placas de múltiples pocillos, el estándar tradicional para la detección de alto rendimiento. Es rápido, sensible y rentable, pero no proporciona un corte óptico intrínseco, es decir, la capacidad de generar imágenes de un solo plano en una muestra 3D gruesa.

Los modelos 3D físicamente más grandes, como los organoides y los tejidos, pueden requerir una técnica de imagen con capacidades de corte óptico para capturar las características de interés sin verse demasiado comprometidas por el desenfoque fuera de foco. La microscopía confocal es el estándar para dichas aplicaciones. Nikon ofrece los microscopios confocales AX/AX R, sistemas de barrido por puntos que se pueden configurar en los sistemas BioPipeline LIVE y BioPipeline PLATE para obtener imágenes de secciones discretas de hasta varios cientos de micrómetros de profundidad en varias muestras.

Si bien la imagen confocal es una opción adecuada para el corte óptico en profundidad, a veces es insuficiente. La captura de imágenes in vivo en presencia de tejidos gruesos y dispersos a menudo requiere el uso de imágenes multifotónicas, como el sistema de microscopio multifotónico Nikon AX R MP, que utiliza excitación multifotónica con luz infrarroja cercana a infrarroja para minimizar la excitación fuera de foco y dispersión.

Imágenes de contraste de fase cuantitativas para análisis celular

El microscopio invertido ECLIPSE Ti2-E de Nikon, que forma la base de los sistemas BioPipeline LIVE y BioPipeline PLATE, es capaz de obtener imágenes de contraste de fase cuantitativas a través de la técnica Nikon Volume Contrast, que solo requiere una pequeña pila Z de imágenes de campo claro (tan solo tres imágenes por pila) para crear la imagen de distribución de fase. La imagen de distribución de fase resultante es más brillante donde la diferencia de camino óptico es mayor: en el medio de la célula cuando se obtienen imágenes de un cultivo. Esto es beneficioso para la segmentación celular a través de umbrales y otros métodos.

A diferencia de otras técnicas de captura de imagen de luz transmitida (diascópica), como el contraste de fase, el contraste de volumen no se ve afectado por el efecto menisco, que puede ser significativo en las placas de pocillos debido al pequeño diámetro de los pocillos individuales. En la imagen de la derecha se compara el rendimiento del contraste de fase y el contraste de volumen en presencia de un menisco.

Para obtener más información, consulte nuestra nota de aplicación reciente que detalla el uso de Volume Contrast como parte de un ensayo de proliferación celular sin etiqueta, un ensayo comúnmente realizado en la investigación de descubrimiento de fármacos.

Las neuritas en contraste de fase no fueron posibles de definir con precisión mediante la umbralización tradicional. Segment.ai fue entrenado en neuritas rastreadas a mano (reconocidas por humanos) y aprendió a rastrear neuritas en imágenes posteriores.

Mejora de la investigación sobre el descubrimiento de fármacos mediante inteligencia artificial

Una de las grandes ventajas de los ensayos basados en imágenes es su rico contenido de información. Sin embargo, hasta hace poco tiempo, relativamente poca de esta información podía aprovecharse de manera práctica. Sin embargo, las nuevas propuestas basadas en la inteligencia artificial (IA) y, en particular, los métodos de aprendizaje profundo (DL) que utilizan redes neuronales artificiales (ANN), permiten inferir correlaciones más profundas entre las características de la imagen y aplicarlas para caracterizar la morfología y el fenotipo. Dichos enfoques analíticos se han denominado “perfilado de células” o “perfilado basado en imágenes”; y representan un área de desarrollo muy activa.

Además de la creación de perfiles, DL se puede utilizar para ayudar a acelerar y fortalecer los análisis de imágenes de otras maneras. Nikon está comprometida con el diseño de herramientas confiables de análisis de imágenes basadas en DL bajo el paraguas de NIS.ai, una serie de módulos de software disponibles para el software NIS-Elements. Por ejemplo, el módulo Segment.ai se puede entrenar para segmentar automáticamente características de imagen difíciles que son difíciles de aislar utilizando enfoques clásicos.

Otros módulos NIS.ai de posible aplicación para el trabajo de descubrimiento de fármacos incluyen Convert.ai, que puede entrenarse para predecir las características de la imagen a partir de un canal de fluorescencia utilizando solo un campo claro u otro canal de luz transmitida como referencia, lo que puede ayudar a reducir la citotoxicidad (de la etiqueta fluorescente) y fototoxicidad (de la luz de alta intensidad utilizada para la formación de imágenes de fluorescencia). De manera relacionada, el módulo Enhance.ai se puede entrenar para predecir una versión más alta de señal a ruido de datos de imágenes ruidosas. Esto permite una reducción de la intensidad de la iluminación y, por lo tanto, de la fototoxicidad.

Las imágenes de fluorescencia de campo amplio de alto rendimiento de sistemas modelo más grandes, como los organoides, pueden beneficiarse de nuestro módulo Clarify.ai, que está preentrenado para proporcionar la eliminación automática de desenfoque de las imágenes de microscopía de fluorescencia de campo amplio. Esto permite que los usuarios se beneficien de la velocidad de las imágenes de fluorescencia de campo amplio, pero con cortes ópticos mejorados y sin necesidad de un sistema confocal.

Servicios de investigación por contrato de Nikon de un vistazo.

Servicios de adquisición de imágenes por contrato de Nikon para la investigación preclínica de descubrimiento de fármacos

Los laboratorios de bioimágenes de Nikon brindan servicios de investigación por contrato a sus comunidades locales de investigación y biotecnología, así como servicios remotos* para clientes ubicados en otros lugares. Con ubicaciones en Cambridge, MA, EE. UU., Leiden, Países Bajos y Shonan, Japón, Nikon BioImaging Labs tiene una gran experiencia trabajando con clientes en el espacio de investigación biofarmacéutica y realizando microscopía confocal de organoides y otros sistemas de cultivo celular 3D que ahora se utilizan para la elaboración de fármacos, estudios de descubrimiento, incluidos varios modelos de órganos en chips producidos comercialmente.

Los laboratorios de bioimágenes de Nikon no solo son capaces de adquirir datos, sino que sus capacidades de servicio completo también se extienden al diseño de ensayos, el desarrollo de ensayos, la validación de ensayos, el cultivo celular, la preparación de muestras y el análisis de datos. Si desea obtener más información y ver si los servicios de uno de los laboratorios de bioimágenes de Nikon son adecuados para usted, no dude en comunicarse con nosotros para programar una consulta gratuita.

* El servicio puede variar dependiendo de la instalación. Comuníquese con el laboratorio de bioimágenes de Nikon cerca de su ubicación para obtener más detalles.

Glosario

Adecuado para captura de imágenes en vivo a largo plazo: Los sistemas adecuados integran el control ambiental en las áreas de imágenes y almacenamiento de recipientes. Los parámetros de incubación estándar incluyen temperatura, humedad y porcentaje de CO₂.
Capacidad máxima de muestra: Este es el número máximo de recipientes, placas de pocillos o portaobjetos de microscopio (según corresponda) que se pueden acomodar en el cargador/hotel para su uso en experimentos automatizados. Consulte “Tipos previstos de recipiente/portaobjetos” como referencia.
Corrección de enfoque Z: Poder confiar en tener el plano Z correcto enfocado es especialmente importante para un alto rendimiento, ya que los errores pueden pasar desapercibidos durante las adquisiciones automatizadas. Perfect Focus System de Nikon es una solución de hardware líder para mantener enfocado un plano seleccionable por el usuario o por software. El enfoque automático es una rutina basada en software que identifica el plano focal correcto escaneando en Z para encontrar el plano con el mayor contraste/nitidez.
Intercambio de muestras automatizado: Esto se refiere al intercambio automatizado de recipientes de muestra o portaobjetos de microscopio entre la platina del microscopio y la incubadora o el cargador/hotel.
Tipo(s) de recipiente/portaobjetos previsto(s): Los sistemas BioPipeline LIVE y PLATE se basan en microscopios invertidos, lo que los hace más adecuados para obtener imágenes de recipientes de cultivo con cámara, como placas de pocillos múltiples, que los microscopios verticales. En este caso, el fondo del recipiente debe ser de un material de calidad óptica. El BioPipeline SLIDE se basa en un microscopio vertical, la opción habitual para obtener imágenes de portaobjetos de microscopio de vidrio tradicionales.
Técnicas de contraste compatibles: Por lo general, los sistemas de microscopía de imágenes de alto rendimiento son capaces de una técnica de luz transmitida, como el contraste de fase, así como una modalidad de captura de imágenes de fluorescencia, como campo amplio o confocal.