Descoberta de Fármacos

A descoberta de fármacos é um campo interdisciplinar focado na identificação e realização de testes pré-clínicos – in vitro, ex vivo e in vivo – de possíveis fármacos. Isso inclui ensaios primários das propriedades farmacológicas do fármaco, bem como ensaios secundários de absorção, distribuição, metabolismo, excreção e toxicidade (ADMET) e fatores de segurança relacionados, que são avaliados no processo de descoberta. A triagem/aquisição de imagem de alto rendimento ocupou uma posição central nos testes de descoberta de fármacos nas últimas duas décadas – fornecendo opções automatizadas e altamente quantitativas para a triagem de um grande número de substâncias candidatas. Além disso, a aquisição de imagem complementa a genômica, a proteômica e outros métodos do tipo -ômica, fornecendo um contexto espacial. Combinada com técnicas avançadas, como perfil fenotípico celular utilizando inteligência artificial, a aquisição de imagem/triagem baseada em microscópio de luz parece prestes a se tornar um componente ainda mais importante (e acessível) do processo de descoberta de fármacos.

Produtos para Descoberta de Fármacos

Para aplicações de aquisição de imagem de alto rendimento na descoberta de fármacos, a Nikon oferece os sistemas de aquisição de imagem de alto conteúdo BioPipeline LIVE e BioPipeline PLATE. Ambos os sistemas são baseados em nosso microscópio invertido motorizado ECLIPSE Ti2-E e apresentam um braço robótico para troca automática e aquisição de imagens de até 44 recipientes de amostra, incluindo placas de poços. Além disso, o BioPipeline LIVE inclui cobertura total de incubação para ensaios de longa duração baseados em aquisição de imagens de células vivas. Ambos os sistemas são adequados para triagem de alto rendimento em laboratórios de pesquisa acadêmica.

Com o uso de sistemas-modelo maiores, como culturas de células 3D e organismos-modelo, uma técnica de seccionamento óptico, como a microscopia confocal, pode ser necessária. Os microscópios confocais Nikon AX / AX R são instrumentos de varredura pontual que suportam aquisição de imagem em um amplo campo de visão de 25 mm, com resolução de até 8192 pixels. Além disso, o modelo AX R possui um scanner ressonante para aquisição de imagem em alta velocidade (30 frames por segundo com resolução de 2048 x 512 pixels (2K) ou resolução de 1024 x 512 pixels (1K)), suportando alta taxa de transferência.

Os sistemas confocais de disco giratório da série Yokogawa CSU também podem ser configurados em instrumentos BioPipeline. A aquisição de imagem in vivo é suportada pelo sistema de microscópio multifóton AX R MP, que permite aquisição de imagem de até 1,4 mm de profundidade, quando combinado com iluminação de 1300 nm.

Um componente importante de um sistema de microscópio da Nikon para descoberta de fármacos é nosso software NIS-Elements, uma solução integrada para aquisição, análise e controle de dispositivos. A versão NIS-Elements HC foi projetada especificamente para aplicações de aquisição de imagem de alto rendimento e alto conteúdo. Mapas de calor, imagens de amostras, máscaras binárias, resultados de ensaios e outros recursos estão centralizados, permitindo uma filtragem rápida e análises adicionais. Além disso, nossos módulos de software baseados em aprendizagem profunda NIS.ai podem ser integrados em pipelines de aquisição de imagem/análise para trazer o poder da inteligência artificial (AI) para várias tarefas de análise, como segmentação de imagem.

●: Incluído, ⚬: Opcional

Técnicas de contraste compatíveis	BioPipeline LIVE	BioPipeline PLATE
	BioPipeline LIVE Sistema de aquisição de imagem de alto conteúdo	BioPipeline PLATE Sistema de aquisição de imagem de alto conteúdo
Capacidade máxima de amostra	44	44
Troca automatizada de amostras	yes	yes
Tipo(s) de recipientes de amostras/lâminas	Placas de 96 poços Placas de 384 poços	Placas de 96 poços Placas de 384 poços
Correção de foco Z	Perfect Focus System 4 (PFS4) Autofoco	Perfect Focus System 4 (PFS4) Autofoco
Adequado para aquisição de imagem em tempo real a longo prazo	yes	no
Campo claro	yes	yes
Contraste de fase*	yes	yes
Contraste de modulação avançado da Nikon (NAMC)*	yes	yes
Contraste de volume	yes	yes
Fluorescência de campo amplo	yes	yes
Confocal	yes	yes

* Essas técnicas de contraste podem não ser adequadas para todas as aplicações e faixas de magnificação devido ao efeito de menisco em poços individuais.

Discussão de Descoberta de Fármacos

Organoide intestinal com marcação para DNA (em azul; DAPI), mucina (em verde; produzida por células caliciformes) e somatostatina (em vermelho; produzida por células enteroendócrinas). Imagem adquirida utilizando microscopia confocal de varredura pontual.

Selecionando um sistema de microscópio para seu modelo de descoberta de fármacos

Os sistemas-modelo para a descoberta de fármacos abrangem uma ampla gama de possibilidades, desde culturas in vitro de células aderentes até organismos-modelo inteiros – e quase tudo entre eles. Modelos complexos de cultura de células 3D, como esferoides, organoides e órgãos-em-chip, podem ser compostos de vários tipos celulares para melhor recapitular várias características fisiológicas perdidas nas tradicionais culturas de células aderentes, que são o padrão tradicional para triagem de alto rendimento. Além disso, os organoides podem até ser cultivados a partir de células autólogas (derivadas do paciente) para o desenvolvimento de fármacos com precisão.

A aquisição de imagem de fluorescência de campo amplo é uma escolha apropriada para amostras relativamente planas, como células aderentes cultivadas em placas de múltiplos poços, o padrão tradicional para triagem de alto rendimento. Ela é rápida, sensível e econômica, mas não fornece seccionamento óptico intrínseco – a capacidade de efetivamente criar imagens de um único plano em um espécime 3D espesso.

Modelos 3D fisicamente maiores, como organoides e tecidos, podem exigir uma técnica de aquisição de imagem com capacidade de seccionamento óptico, visando capturar os recursos de interesse sem comprometimento excessivo por desfoque fora de foco. A microscopia confocal é o padrão para tais aplicações e a Nikon oferece os microscópios confocais AX / AX R – sistemas de varredura pontual que podem ser configurados nos sistemas BioPipeline LIVE e BioPipeline PLATE para aquisição de imagem de secções discretas de até várias centenas de micrômetros de profundidade, em várias amostras.

Embora a aquisição de imagem confocal seja uma escolha adequada para seccionamento óptico em profundidade, ela é, às vezes, insuficiente. A aquisição de imagem in vivo na presença de tecidos espessos e dispersos geralmente requer o uso de aquisição de imagem multifóton – como o sistema de microscópio multifóton Nikon AX R MP, que utiliza excitação multifóton com luz do infravermelho-próximo ao infravermelho para minimizar a excitação fora de foco e dispersão.

Aquisição de imagem de fase quantitativa para análise celular

O microscópio invertido ECLIPSE Ti2-E da Nikon, que forma a base dos sistemas BioPipeline LIVE e BioPipeline PLATE, é capaz de gerar imagem de fase quantitativa por meio da técnica de contraste de volume da Nikon, que requer apenas poucas imagens de campo claro em série Z (apenas três imagens por série) para criar a imagem de distribuição de fase. A imagem de distribuição de fase resultante é mais brilhante nos locais onde a diferença do caminho óptico é maior – no meio das células, ao adquirir imagens de uma cultura. Isso é benéfico para a segmentação de células por meio de thresholding e outros métodos.

Ao contrário de outras técnicas de aquisição de imagem de luz transmitida (diascópica), como contraste de fase, o contraste de volume não é afetado pelo efeito do menisco, que pode ser significativo em placas de poços devido ao pequeno diâmetro de poços individuais. O desempenho do contraste de fase e do contraste de volume na presença de um menisco estão comparados na imagem à direita.

Para obter mais informações, consulte nossa recente nota de aplicação detalhando o uso do contraste de volume como parte de um ensaio de proliferação celular sem utilização de marcações, um ensaio comumente realizado nas pesquisas de descoberta de fármacos.

Por meio de contraste de fase, não foi possível definir os processos neuronais com precisão pelo limiar tradicional. O Segment.ai foi treinado em processos neuronais identificados à mão (reconhecidos por humanos), aprendendo a rastreá-los em imagens subsequentes.

Aprimorando a pesquisa de descoberta de fármacos utilizando inteligência artificial

Uma das grandes vantagens dos ensaios baseados em imagem é o rico conteúdo de informações. Até recentemente, no entanto, relativamente poucas dessas informações podiam ser aproveitadas de maneira prática. Contudo, novas abordagens baseadas em inteligência artificial (AI) e, particularmente, métodos de aprendizagem profunda (DL, Deep Learning) utilizando redes neurais artificiais (ANNs) permitem que correlações mais profundas entre recursos de imagem sejam inferidas e aplicadas para caracterizar a morfologia e o fenótipo. Essas abordagens analíticas têm sido chamadas de “perfil celular” ou “perfil baseado em imagem” e representam uma área de desenvolvimento muito ativa.

Além da criação do perfil, a aprendizagem profunda pode ser utilizada para ajudar a acelerar e fortalecer as análises de imagem de outras maneiras. A Nikon está comprometida com o desenvolvimento de ferramentas confiáveis de análise de imagem baseadas em DL por meio do NIS.ai – uma série de módulos de software disponíveis para o software NIS-Elements. O módulo Segment.ai, por exemplo, pode ser treinado para segmentar automaticamente características de imagem complexas, que são difíceis de separar utilizando abordagens clássicas.

Outros módulos NIS.ai que podem ser potencialmente aplicados para o trabalho de descoberta de fármacos incluem o Convert.ai, que pode ser treinado para prever características de imagem de um canal de fluorescência utilizando, como referência, apenas um campo claro ou outro canal de luz transmitida, o que pode ajudar a reduzir a citotoxicidade (do marcador fluorescente) e fototoxicidade (da luz de alta intensidade utilizada em imagens de fluorescência). Da mesma forma, o módulo Enhance.ai pode ser treinado para prever uma imagem de melhor relação sinal/ruído a partir de uma imagem de baixo sinal. Isso permite uma redução na intensidade de iluminação e, portanto, na fototoxicidade.

A aquisição de imagem de fluorescência de campo amplo de alto rendimento para sistemas-modelo maiores, como organoides, pode se beneficiar do nosso módulo Clariify.ai, que é pré-treinado para remover automaticamente o sinal de fluorescência fora de foco em imagens de microscopia de fluorescência de campo amplo. Isso permite que os usuários se beneficiem da velocidade da aquisição de imagem de fluorescência de campo amplo, mas com seccionamento óptico aprimorado e sem a necessidade de um sistema confocal.

A Nikon oferece serviços de pesquisa imediatos.

A Nikon oferece serviços de aquisição de imagem para pesquisa pré-clínica de descoberta de fármacos

Os Laboratórios de Bioimagem da Nikon fornecem serviços contratados de pesquisa para suas comunidades locais de biotecnologia e pesquisa, bem como serviços remotos* para clientes localizados em outros lugares. Com locais em Cambridge (MA, EUA), Leiden (Holanda) e Shonan (Japão), os laboratórios têm experiência significativa em trabalhar com clientes no ambiente de pesquisa biofarmacêutica e em realizar microscopia confocal de organoides e outros sistemas de cultura de células 3D utilizados nos estudos de descoberta de fármacos, incluindo vários modelos de órgãos-em-chip produzidos comercialmente.

Os Laboratórios de Bioimagem da Nikon não são apenas capazes de aquisição de dados, mas seus serviços completos também incluem planejamento, desenvolvimento e validação de ensaios, cultura de células, preparação de amostras e análise de dados. Se você quiser saber mais e descobrir se os serviços de um dos Laboratórios de Bioimagem da Nikon são adequados para você, não hesite em nos contactar para marcar uma consulta gratuita.

* O serviço pode variar dependendo da unidade. Entre em contato com o Laboratório de Bioimagem da Nikon perto de sua localização para obter detalhes.

Glossário

Adequado para aquisição de imagem em tempo real a longo prazo: Sistemas adequados permitem o controle ambiental das áreas de armazenamento das amostras e de aquisição de imagem. Os parâmetros padrões de incubação incluem temperatura, umidade e porcentagem de CO₂.
Capacidade máxima de amostra: Esse é o número máximo de recipientes de amostra – placas de poços ou lâminas de microscópio (conforme apropriado) – que podem ser acomodados na incubadora para uso em experimentos automatizados. Consulte “Tipo(s) de recipientes de amostras/lâminas” para referência.
Correção de foco Z: Ser capaz de contar com o foco correto no plano Z é especialmente importante para alcançar alto rendimento, pois os erros podem passar despercebidos durante as aquisições automatizadas. O Perfect Focus System da Nikon é uma solução de hardware líder para manter em foco um plano selecionado pelo usuário ou pelo software. O foco automático é uma procedimento de rotina baseado em software que, por meio da digitalização em Z para encontrar o plano com o maior contraste/nitidez, identifica o plano focal correto.
Tipo(s) de recipientes de amostras/lâminas: Os sistemas BioPipeline LIVE e PLATE são baseados em microscópios invertidos, o que os tornam mais adequados para aquisição de imagem de recipientes de cultura, como placas de múltiplos poços, em comparação a microscópios verticais. Nesse caso, o fundo do recipiente deve ser feito de um material de qualidade óptica. O BioPipeline SLIDE é baseado em um microscópio vertical – a escolha usual para aquisição de imagem das tradicionais lâminas de vidro de microscópio.
Troca automatizada de amostras: Isso se refere à troca automatizada de recipientes de amostra ou lâminas de microscópio entre a platina do microscópio e a incubadora.
Técnicas de contraste compatíveis: Normalmente, os sistemas de microscopia de aquisição de imagem de alto rendimento apresentam uma técnica de luz transmitida, como contraste de fase, bem como uma modalidade de aquisição de imagem de fluorescência, como campo amplo ou confocal.