药物研发

药物研发是一门重点关注体外、离体、在体潜在药物鉴定与临床前测试的跨学科领域,包括对药物药理学性质的初步测定以及对吸收、分布、代谢、消除和毒理学(ADMET)和研发过程中的其他相关安全因素的二次测定。过去几十年来,高通量筛选/成像通过为筛选大量候选化合物提供自动、高度量化的选择方案,已占据了药物研发测试的核心位置。此外,成像通过提供空间信息弥补基因组学、蛋白质组学和其他组学型方法。结合人工智能与细胞表型分析等先进技术,基于光学显微镜的成像/筛选似乎已成为药物研发过程中(甚至更重要和更可及)的一环。

药物研发产品

尼康为药物研发中的高通量和高内涵成像应用提供了BioPipeline LIVEBioPipeline PLATE高内涵成像系统。这两个系统均以Ti2-E电动倒置显微镜为基础,提供了支持多达44个器皿(包括孔板)自动交换和成像的机械臂。BioPipeline LIVE还提供长期活细胞成像实验所需的全部孵育条件。以上系统均适用于学术研究实验室中规模性的高通量筛选。

使用较大的模型系统时,如3D细胞培养和模式生物,可能需要用到类似共聚焦显微技术中的光学切片技术。尼康AX / AX R共聚焦显微镜是支持在25 mm大视野上以最高8192像素分辨率成像的点扫描共聚焦设备。AX R型号还具有针对高速成像(2048 x 512像素分辨率下30帧/秒 (2K), 1024 x 512像素分辨率下30帧/秒 (1K))、支持高通量的共振扫描头。

Yokogawa CSU系列转盘式共聚焦系统也可配置在BioPipeline仪器上。AX R MP多光子共聚焦显微镜今后将支持在体和活体成像,结合1300 nm照明使用时,成像深度可达1.4 mm。.

尼康药物研发用显微镜系统的重要成员之一是NIS-Elements软件,它是一个面向采集、分析和设备控制的综合解决方案。NIS-Elements HC版专门针对高通量和高内涵成像应用而设计。集成热图、样本图像、二进制掩膜、检测结果等功能,可实现快速过滤和进一步分析。此外,基于深度学习的NIS.ai软件模块可嵌入成像/分析模块,通过人工智能(AI)助力各种分析任务,如图像分割。

●: 包含, ⚬: 选配

BioPipeline LIVE高内涵成像系统BioPipeline PLATE高内涵成像系统
最大样本容量 44 44
自动样本交换 yes yes
专用器皿/玻片类型 96孔板
384孔板
96孔板384孔板
Z轴对焦校正 Perfect Focus System 4 (PFS4)
自动对焦
Perfect Focus System 4 (PFS4)
自动对焦
适合长期活细胞成像 yes no
兼容多种成像方式 BioPipeline LIVE BioPipeline PLATE
明场 yes yes
相差* yes yes
尼康高级调制相差(NAMC)* yes yes
容积对比 yes yes
宽场荧光 yes yes
共聚焦 yes yes

*鉴于个别孔内的光线弯曲效应,这些成像技术不可能适合所有应用和放大倍率范围。

关于药物研发

DNA(蓝色;DAPI)、黏连蛋白(绿色;杯状细胞产生)和生长激素抑制素(红色;肠内分泌细胞产生)染色的肠道类器官,使用点扫描共聚焦显微镜成像。

选择适合药物研发模型的显微镜系统

药物研发模型系统含有几乎所有可能性,从体外贴壁培养细胞到完整的模式生物乃至其间的一切。复杂3D细胞培养模型,如细胞球、类器官和器官芯片可由多种细胞类型组成,从而更好地重现传统贴壁培养细胞中丢失的各种生理特征,这是高通量筛选的传统标准。此外,为开发精准药物,甚至还可从患者衍生的自体细胞中培养类器官。

宽场荧光成像是一种适合相对扁平样本(如多孔板中培养的贴壁细胞)的技术选择,也是高通量筛选的传统标准。宽场荧光成像速度快、灵敏、性价比高,但不提供纯光学切片——对较厚3D标本中单一平面高效成像的能力。

形态较大的3D模型,如类器官和组织,可能需要具有光学切片能力的成像技术捕捉关注特征而不被焦外模糊过分影响。共聚焦显微技术是此类应用的标准,尼康提供的AX / AX R共聚焦显微镜是可配置在BioPipeline LIVEBioPipeline Plate系统上的点扫描系统,可用于对各种样本中深达数百微米的独立光学切片成像。

虽然是一种适合深度光学切片的技术选择,共聚焦成像也有力不从心的时候。在厚且散射严重的组织面前,体内成像往往必须采用多光子成像技术,如尼康AX R MP多光子共聚焦显微镜,其利用近红外到红外光的多光子激发最大程度减小焦点外的激发和散射。

容积对比
相差

面向细胞分析的定量相位成像

作为搭建BioPipeline LIVE和BioPipeline PLATE系统的基础平台,尼康Ti2-E倒置显微镜可通过尼康容积对比技术实现定量相位成像,只需较小的明场Z stack成像(小到每个stack仅三张图像)即可创建相位分布图像。在得到的相位分布图像上光程差最大的部位(即细胞中间)对细胞培养进行成像时,亮度最高。这非常有利于用阈值法和其他方法进行细胞分割。

和其他透射照明成像技术(如相差)不同,容积对比不受光线弯曲效应影响(因单个孔直径较小,该效应在孔板中可能十分明显)。右图比较了相差技术和容积对比技术面对光线弯曲效应时的表现。

更多信息请参见详细描述无标记细胞增殖实验中应用容积对比技术的最新 应用笔记 ,这是药物研发中常见的一种分析实验。

Segment.ai
原始图像

传统的强度阈值方法无法识别相差图像的神经突起结构。Segment.ai利用人工追踪神经突起训练后,可以在后续的图像内实现自动追踪。

人工智能助力药物研发

基于图像的实验的最大优势之一是信息含量丰富。但直至不久前,能够实际利用的此类信息依旧寥寥无几。不过,基于人工智能(AI)的新方法,特别是利用人工神经网络(ANN)的深度学习(DL)方法能够推断图像特征之间的深层关联性并用于表征细胞形态和表型。这种分析手段被称为“细胞表型分析”或“基于图像的表型分析”,其所代表的领域发展可谓十分活跃。

除了表型分析之外,还可运用深度学习以其他方式加快并强化图像分析。尼康致力于在NIS.ai的加持下设计可靠的基于深度学习的图像分析工具, 即一系列可供NIS-Elements软件使用的软件模块。例如,Segment.ai模块经过训练后,可自动分割传统方法难以分离的棘手图像特征。

Convert.ai是另一个在药物研发工作方面有潜在应用价值的NIS.ai模块,该模块经过训练后,能仅以一个明场通道或一个透射照明通道作为参考,预测另一个荧光通道的图像特征,从而减小细胞毒性(来自荧光标记)和光毒性(来自荧光成像使用的高强度光线)。同样,Enhance.ai模块经过训练后,可预测更高信噪比的图像数据,从而降低照明强度,进而减小光毒性。

较大模型系统(如类器官)的高通量宽场荧光成像可从尼康的Clarify.ai模块中受益,经过预训练后,该模块能自动消除宽场荧光显微图像中的模糊数据。用户无需共聚焦系统即可受益于宽场荧光成像的速度,实现增强的光学切片效果。

尼康合同研究业务一瞥。

面向临床前药物研发的尼康合同成像业务

尼康生物成像实验室为当地生物科技和研究团体提供合同研究服务,也可为不在当地的客户提供远程服务。设在美国马萨诸塞州剑桥、荷兰莱顿和日本藤泽的尼康生物成像实验室具有丰富的经验,他们与生物制药研究领域的客户密切协作,对目前用于药物研发的类器官和其他3D细胞培养系统(包括各种商业器官芯片)进行共聚焦显微成像。

尼康生物成像实验室不仅能够完成数据采集,其业务范围还拓展到实验设计、实验开发、实验验证、细胞培养、样本制备和数据分析。如欲了解尼康生物成像实验室更多的服务内容,请随时联系我们以获得免费咨询。

词汇表

Z轴对焦校正
由于错误可能会在自动图像采集过程中被忽略,所以确保正确的Z平面处在焦点上对于高通量成像格外重要。尼康的完美对焦系统是维持用户或软件可选择的平面处于焦点上的领先硬件解决方案。自动对焦是基于软件的常规功能,它通过Z轴扫描识别正确的焦平面,找到对比度/锐度最高的平面。
专用器皿/玻片类型
基于倒置显微镜的BioPipeline LIVE和PLATE系统比正置显微镜更适合像多孔板这样的隔间式培养容器的成像。这种情况下,器皿底部应采用优质光学材料制作。BioPipeline SLIDE基于正置显微镜成像,是传统载玻片成像的常见选择。
兼容多种成像方式
一般来说,高通量成像显微镜系统具备透射照明技术(如相差)以及荧光成像模式(如宽场或共聚焦)的功能。
最大样本容量
是指玻片装载机械臂/样品仓中能容纳的自动化实验使用的器皿、孔板或显微镜玻片(如适用)的最大数量。参见“专用器皿/玻片类型”。
自动样本交换
是指样本器皿或显微镜玻片在显微镜载物台与培养舱或玻片装载机械臂/样品仓之间的自动交换。
适合长期活细胞成像
合适的系统需要集成对成像和器皿储存区域的环境控制的功能。标准孵育参数有温度、湿度和CO2浓度(%)。