उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग

उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग (एचसीएस), जिसे उच्च-सामग्री विश्लेषण (एचसीए) या सेलोमिक्स के रूप में भी जाना जाता है, ऐसी विधि है जिसका उपयोग जैविक अनुसंधान एवं औषधि शोध में अल्प अणुओं, पेप्टाइड्स या आरएनएआई जैसे पदार्थों की पहचान करने के लिए किया जाता है जो फेनोटाइप को परिवर्तित करते हैं। वांछित प्रविधि से सेल (जीवविज्ञान) है। इसलिए उच्च सामग्री स्क्रीनिंग प्रकार की फेनोटाइपिक स्क्रीन है जो सेल में आयोजित की जाती है जिसमें कई पैरामीटरों के साथ रीडआउट के साथ संपूर्ण सेल या सेलओं के घटकों का विश्लेषण सम्मिलित होता है। एचसीएस उच्च परिणाम स्क्रीनिंग (एचटीएस) से संबंधित है, जिसमें या अधिक जैविक निरीक्षण में उनकी गतिविधि के लिए हजारों यौगिकों का समानांतर में परीक्षण किया जाता है, किन्तु आउटपुट के रूप में अधिक जटिल सेल फेनोटाइप की परख सम्मिलित होती है। फेनोटाइपिक परिवर्तनों में प्रोटीन जैसे सेल उत्पादों के उत्पादन में वृद्धि या कमी या सेल की आकृति विज्ञान (जीव विज्ञान) (दृश्य उपस्थिति) में परिवर्तन सम्मिलित हो सकते हैं। इसलिए एचसीए में सामान्यतः स्वचालित माइक्रोस्कोपी एवं छवि विश्लेषण सम्मिलित होता है।उच्च-सामग्री विश्लेषण के विपरीत, उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग का तात्पर्य थ्रूपुट के स्तर से है, यही कारण है कि स्क्रीनिंग शब्द एचसीएस को एचसीए से भिन्न करता है, जो सामग्री में उच्च किन्तु थ्रूपुट में अर्घ्य हो सकता है।

उच्च सामग्री स्क्रीनिंग में, सेल को पदार्थ के साथ ऊष्मायन अवधि में रखा जाता है एवं समय की अवधि के पश्चात, सेल की संरचनाओं एवं आणविक घटकों का विश्लेषण किया जाता है। सबसे सरल विश्लेषण में फ्लोरोसेंट टैग के साथ प्रोटीन को लेबल करना सम्मिलित है, एवं अंत में स्वचालित छवि विश्लेषण का उपयोग करके सेल फेनोटाइप में परिवर्तन को मापा जाता है। विभिन्न अवशोषण एवं उत्सर्जन मैक्सिमा के साथ फ्लोरोसेंट टैग के उपयोग के माध्यम से, समानांतर में कई भिन्न-भिन्न सेल घटकों को मापना संभव है। इसके अतिरिक्त, इमेजिंग उपकोशिकीय स्तर पर परिवर्तनों की जानकारी प्राप्त करने में सक्षम है (उदाहरण के लिए, सेल द्रव्य के प्रति सेल केंद्रक के प्रति अन्य अंगक)। इसलिए, प्रति सेल बड़ी संख्या में डेटा पॉइंट एकत्र किए जा सकते हैं। फ्लोरोसेंट लेबलिंग के अतिरिक्त, उच्च सामग्री स्क्रीनिंग में विभिन्न लेबल मुक्त परख का उपयोग किया गया है।

सामान्य सिद्धांत

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एचसीएस के अनुप्रयोगों में से नई औषधि आकांक्षी का शोध है।

सेल-आधारित प्रणालियों में उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग (एचसीएस) सामान्य एवं रोगग्रस्त सेल के कार्यो को स्पष्ट करने के लिए जैविक अनुसंधान में उपकरण के रूप में जीवित सेल (जीव विज्ञान) का उपयोग करती है। एचसीएस का उपयोग नई औषधि, आकांक्षी का शोध एवं अनुकूलन के लिए भी किया जाता है। उच्च सामग्री स्क्रीनिंग आधुनिक सेल जीव विज्ञान का संयोजन है, जिसमें इसके सभी आणविक उपकरण, स्वचालित उच्च संकल्प माइक्रोस्कोपी एवं रोबोटिक हैंडलिंग सम्मिलित हैं। सेल सबसे पूर्व रसायनों या आरएनएआई अभिकर्मकों के संपर्क में आती हैं। तत्पश्चात छवि विश्लेषण का उपयोग करके सेल आकृति विज्ञान में परिवर्तन की जानकारी ज्ञात की जाती है। सेल द्वारा संश्लेषित प्रोटीन की मात्रा में परिवर्तन को विभिन्न प्रौद्योगिकी का उपयोग करके मापा जाता है जैसे कि हरी फ्लोरोसेंट प्रोटीन अंतर्जात प्रोटीन से या इम्यूनोफ्लोरेसेंस द्वारा जुड़े होते हैं।

प्रौद्योगिकी का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि कोई संभावित औषधि रोग को संशोधित करने वाली है या नहीं। उदाहरण के लिए, मनुष्यों में जी-प्रोटीन युग्मित रिसेप्टर (जीपीसीआर) लगभग 880 सेल सतह प्रोटीन का विस्तृत समूह है जो पर्यावरण में सेल प्रतिक्रिया में अतिरिक्त-सेलएं परिवर्तनों को स्थानांतरित करता है, जैसे कि रिलीज के कारण रक्तचाप में वृद्धि को ट्रिगर करना, रक्त प्रवाह में नियामक हार्मोन इन जीपीसीआर के सक्रियण में सेल में उनका प्रवेश सम्मिलित हो सकता है एवं जब इसकी कल्पना की जा सकती है तो यह रसायनविज्ञान, व्यवस्थित जीनोम वाइड स्क्रीनिंग या शारीरिक परिवर्तन के माध्यम से रिसेप्टर फ़ंक्शन के व्यवस्थित विश्लेषण का आधार हो सकता है।

सेल स्तर पर, विभिन्न सेल गुणों पर डेटा का समानांतर अधिग्रहण, उदाहरण के लिए संकेत पारगमन कैस्केड एवं साइटोस्केलेटन अखंडता की गतिविधि, तीव्र किन्तु अर्घ्य विस्तृत उच्च परिणाम स्क्रीनिंग की तुलना में इस पद्धति का मुख्य लाभ है, जबकि एचसीएस मंद होता है, अधिग्रहीत डेटा की प्रचुरता औषधि के प्रभावों की अधिक गहन विचार की अनुमति देती है।

स्वचालित छवि आधारित स्क्रीनिंग सेल समलक्षणियों को परिवर्तित करने वाले अल्प यौगिकों की पहचान की अनुमति देती है एवं सेल कार्य को संशोधित करने के लिए नई औषधियों एवं नए सेल जैविक उपकरणों की शोध के लिए रुचि रखती है। सेल फेनोटाइप के आधार पर अणुओं के चयन के लिए यौगिकों से प्रभावित होने वाले जैव रासायनिक लक्ष्यों के पूर्व ज्ञान की आवश्यकता नहीं होती है। चूंकि जैविक लक्ष्य की पहचान पश्चात के प्रीक्लिनिकल अनुकूलन एवं यौगिक हिट के नैदानिक ​​विकास को अत्यधिक सरल बना देगी। सेल जैविक उपकरण के रूप में फेनोटाइपिक दृश्य स्क्रीनिंग के उपयोग में वृद्धि को देखते हुए, ऐसी प्रविधियो की आवश्यकता होती है, जो व्यवस्थित जैव रासायनिक लक्ष्य पहचान की अनुमति देते हैं यदि इन अणुओं का व्यापक उपयोग हो। लक्ष्य पहचान को रासायनिक आनुवंशिकी उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग में दर सीमित करने वाले कदम के रूप में परिभाषित किया गया है।

उपकरण

स्वचालित कन्फोकल छवि रीडर

उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग प्रविधि मुख्य रूप से डेटा के विश्लेषण एवं भंडारण के लिए आईटी-प्रणाली के संयोजन में स्वचालित डिजिटल माइक्रोस्कोपी एवं फ़्लो साइटॉमेट्री पर आधारित है।

"उच्च-सामग्री" या दृश्य जीवविज्ञान प्रौद्योगिकी के दो उद्देश्य हैं, प्रथम किसी घटना पर स्थानिक या अस्थायी रूप से समाधान की गई जानकारी प्राप्त करना एवं दूसरा स्वचालित रूप से इसकी मात्रा निर्धारित करना। स्थानिक रूप से समाधान किए गए उपकरण सामान्यतः स्वचालित सूक्ष्मदर्शी होते हैं, एवं अस्थायी समाधान के लिए अभी भी अधिकतम विषयो में कुछ प्रकार के प्रतिदीप्ति माप की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ यह है कि अत्यधिक एचसीएस उपकरण (प्रतिदीप्ति) माइक्रोस्कोप हैं, जो किसी न किसी रूप में छवि विश्लेषण पैकेज से जुड़े होते हैं। ये सेल की प्रकाश छवियां लेने के सभी चरणों का ध्यान रखते हैं एवं प्रयोगों का त्वरित, स्वचालित एवं निष्पक्ष मूल्यांकन प्रदान करते हैं।

आज मार्केट में एचसीएस उपकरणों को विशिष्टताओं की श्रृंखला के आधार पर भिन्न किया जा सकता है जो उपकरणों की बहुमुखी प्रतिभा एवं समग्र वित्त को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। इनमें गति, जीवित सेल कक्ष जिसमें तापमान एवं CO₂ नियंत्रण सम्मिलित है (कुछ में लंबे समय तक लाइव सेल इमेजिंग के लिए आर्द्रता नियंत्रण भी होता है), तीव्र गतिज परख के लिए अंतर्निहित पिपेटर या इंजेक्टर, एवं अतिरिक्त इमेजिंग मोड जैसे कोंफोकल, उज्ज्वल क्षेत्र, चरण कंट्रास्ट एवं एफआरईटी होते है। सबसे गंभीर अंतरों में से यह है कि उपकरण ऑप्टिकल कन्फोकल हैं या नहीं हैं। संनाभि माइक्रोस्कोपी का सारांश किसी वस्तु के माध्यम से पतली स्लाइस की इमेजिंग/समाधान करना एवं इस स्लाइस के बाहर से आने वाले फोकस प्रकाश को अस्वीकार करना है। कन्फ़ोकल इमेजिंग अधिक सामान्य रूप से प्रयुक्त प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी की तुलना में शोर एवं उच्च रिज़ॉल्यूशन के लिए उच्च छवि संकेत सक्षम करती है। उपकरण के आधार पर कन्फोकैलिटी लेजर स्कैनिंग, पिनहोल या स्लिट के साथ एकल नितांत डिस्क, दोहरी नितांत डिस्क, या वर्चुअल स्लिट के माध्यम से प्राप्त की जाती है। इन विभिन्न कन्फोकल प्रौद्योगिकी के मध्य संवेदनशीलता, रिज़ॉल्यूशन, गति, फोटो-टॉक्सिसिटी, फोटो-ब्लीचिंग, उपकरण जटिलता एवं मूल्य का व्यापार होता है।

सभी उपकरण छवियों को स्वचालित रूप से लेने, संग्रहीत करने एवं व्याख्या करने एवं बड़े रोबोटिक सेल/मध्यम हैंडलिंग प्लेटफार्मों में एकीकृत करने की क्षमता विचारित करते हैं।

सॉफ़्टवेयर

उपकरण के साथ लगे छवि विश्लेषण सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके कई स्क्रीनों का विश्लेषण किया जाता है, जो टर्नकी समाधान प्रदान करता है। तृतीय-पक्ष सॉफ़्टवेयर विकल्पों का उपयोग प्रायः विशेष रूप से उद्देश्य पूर्ण स्क्रीन के लिए किया जाता है या जहां प्रयोगशाला या सुविधा में कई उपकरण होते हैं एवं एकल विश्लेषण प्लेटफ़ॉर्म पर मानकीकरण करना चाहते हैं। चूंकि, कुछ उपकरण सॉफ़्टवेयर छवियों एवं डेटा का थोक आयात एवं निर्यात प्रदान करते हैं, उन उपयोगकर्ताओं के लिए जो तृतीय-पक्ष सॉफ़्टवेयर के उपयोग के बिना एकल विश्लेषण प्लेटफ़ॉर्म पर ऐसा मानकीकरण करना चाहते हैं।

अनुप्रयोग

यह प्रविधि (अधिक) बड़ी संख्या में प्रयोग करने की अनुमति देती है, जिससे शोधपूर्ण स्क्रीनिंग की अनुमति मिलती है। सेल-आधारित प्रणाली का उपयोग मुख्य रूप से रासायनिक जीमस में किया जाता है जहां बड़े, विविध अल्प अणु संग्रह को सेलएं मॉडल प्रणाली पर उनके प्रभाव के लिए व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया जाता है। हजारों अणुओं की स्क्रीन का उपयोग करके नवीन औषधि पाई जा सकती हैं, एवं इनमें औषधि विकास के भविष्य की संभावनाएं होती हैं। औषधि का शोध से भिन्न, रासायनिक जीमस का उद्देश्य अल्प अणुओं की पहचान करके जीनोम को क्रियाशील बनाना है, जो सेल में 21,000 जीन उत्पादों में से अधिकांश पर कार्य करता है। उच्च-सामग्री प्रौद्योगिकी इस प्रयत्न का भाग होगी जो यह सीखने के लिए उपयोगी उपकरण प्रदान कर सकती है कि प्रोटीन कहाँ एवं कब रासायनिक रूप से नष्ट करके कार्य करते हैं। यह जीन के लिए सबसे उपयोगी होगा जहां नॉक आउट रैट ( या कई जीन गायब) का निर्माण नहीं किया जा सकता है क्योंकि विकास, विकास या अन्यथा घातक होने के लिए प्रोटीन की आवश्यकता होती है। केमिकल नॉक आउट यह जानकारी ज्ञात कर सकता है कि ये जीन कैसे एवं कहाँ कार्य करते हैं। इसके अतिरिक्त प्रौद्योगिकी का उपयोग आरएनएआई के साथ संयोजन में विशिष्ट प्रणालियों में सम्मिलित जीन के समूह की पहचान करने के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए सेल विभाजन होती हैं। यहां, लक्ष्य जीव के जीनोम के अंदर पूर्वानुमानित जीनों के पूर्ण समूह को कवर करने वाले आरएनएआई के पुस्तकालयों का उपयोग प्रासंगिक उपसमूहों की पहचान करने के लिए किया जा सकता है, जिससे जीन की एनोटेशन की सुविधा मिलती है जिसके लिए पूर्व से कोई स्पष्ट भूमिका स्थापित नहीं की गई है। स्वचालित सेल जीव विज्ञान द्वारा उत्पादित बड़े डेटासमूह में स्थानिक रूप से समाधान किया गया, मात्रात्मक डेटा होता है जिसका उपयोग प्रणाली स्तर के मॉडल एवं सेलओं एवं जीवों के कार्य करने के सिमुलेशन के निर्माण के लिए किया जा सकता है। सेल कार्य के प्रणाली बायोलॉजी मॉडल यह भविष्यवाणी करने की अनुमति देंगे कि सेल बाहरी परिवर्तनों, विकास एवं बीमारी पर क्यों, कहां एवं कैसे प्रतिक्रिया करता है।

इतिहास

उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग प्रविधि अक्षुण्ण जैविक प्रणालियों में कई जैव रासायनिक एवं रूपात्मक पैरामीटरों के मूल्यांकन की अनुमति देती है।

सेल-आधारित दृष्टिकोणों के लिए स्वचालित सेल जीव विज्ञान की उपयोगिता के लिए इस कथन कथन के परिक्षण की आवश्यकता होती है कि स्वचालन एवं वस्तुनिष्ठ माप कैसे प्रयोग एवं रोग के विचार को उत्तम बना सकते हैं। सबसे प्रथम, यह सेल जीव विज्ञान अनुसंधान के अधिकांश, किन्तु सभी नहीं, पसमाधानुओं में अन्वेषक के प्रभाव को विस्थापित कर देता है एवं दूसरा, यह पूर्ण रूप से नए दृष्टिकोण को संभव बनाता है।

समीक्षा में, शास्त्रीय 20वे दशक की सेल जीव विज्ञान ने संस्कृति में विकसित सेल रेखाओं का उपयोग किया, जहां प्रयोगों को यहां वर्णित के समान ही मापा गया था, किन्तु वहां अन्वेषक ने इस पर चयन किया कि, क्या मापा जाए एवं कैसे मापा जाए। 1990 के दशक की प्रारम्भ में, अनुसंधान के लिए चार्ज-युग्मित डिवाइस कैमरे (चार्ज युग्मित डिवाइस कैमरे) के विकास ने सेलओं के चित्रों में विशेषताओं को मापने का अवसर उत्पन्न किया, जैसे कि नाभिक में कितना प्रोटीन है, कितना बाहर है। शीघ्र ही नए फ्लोरोसेंट अणुओं का उपयोग करके परिष्कृत माप किए गए, जिनका उपयोग दूसरा संदेशवाहक सांद्रता या आंतरिक सेल डिब्बों के पीएच जैसे सेल गुणों को मापने के लिए किया जाता है। हरे फ्लोरोसेंट प्रोटीन, जेलीफ़िश के प्राकृतिक फ्लोरोसेंट प्रोटीन अणु के व्यापक उपयोग ने सेल जीव विज्ञान में मुख्यधारा की प्रविधि के रूप में सेल इमेजिंग की ओर प्रवृत्ति को तीव्र कर दिया। इन प्रगतियों के पश्चात, किस सेल की छवि बनानी है एवं कौन सा डेटा प्रस्तुत करना है एवं इसका विश्लेषण कैसे करना है, इसका चयन अभी भी अन्वेषक द्वारा किया गया था।

सादृश्य से, यदि कोई फुटबॉल क्षेत्र एवं उसके पार रखी खाने की प्लेटों की कल्पना करता है, तो उन सभी को देखने के अतिरिक्त, अन्वेषक स्कोर रेखा के पास मुष्टि भर प्लेटो का चयन कर लेगा एवं बाकी को त्यागना होगा। इस सादृश्य में क्षेत्र टिशू कल्चर डिश है, जिस पर प्लेटें सेलएं बढ़ती हैं। जबकि यह उचित एवं व्यावहारिक दृष्टिकोण था, पूर्ण प्रक्रिया का स्वचालन एवं विश्लेषण जीवित सेल की पूर्ण आबादी का विश्लेषण संभव बनाता है, इसलिए पूर्ण फुटबॉल क्षेत्र को मापा जा सकता है।

यह भी देखें

• औषधिओं का शोध
• उच्च परिणाम स्क्रीनिंग
• औषधि के शोध ने नेतृत्व को प्रभावित किया
• माइक्रोस्कोपी
• फ़्लो साइटॉमेट्री
• लाइव एकल-सेल इमेजिंग

अग्रिम पठन

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बाहरी संबंध

• Guidelines for Image-Based High Content Screening - NCBI
• The Society of Biomolecular Imaging and Informatics