उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग

उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग (एचसीएस), जिसे उच्च-सामग्री विश्लेषण (एचसीए) या कोशिकाोमिक्स 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 कोशिका (जीवविज्ञान)। इसलिए उच्च सामग्री स्क्रीनिंग प्रकार की फेनोटाइपिक स्क्रीन है जो कोशिकाओं में आयोजित की जाती है जिसमें कई पैरामीटरों के साथ रीडआउट के साथ संपूर्ण कोशिकाओं या कोशिकाओं के घटकों का विश्लेषण सम्मिलित होता है। एचसीएस उच्च परिणाम स्क्रीनिंग (एचटीएस) से संबंधित है, जिसमें या अधिक जैविक परख में उनकी गतिविधि के लिए हजारों यौगिकों का समानांतर में परीक्षण किया जाता है, किन्तु आउटपुट के रूप में अधिक जटिल कोशिकाएं फेनोटाइप की परख सम्मिलित होती है। फेनोटाइपिक परिवर्तनों में प्रोटीन जैसे कोशिकाएं उत्पादों के उत्पादन में वृद्धि या कमी या कोशिका 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, कोशिकाओं को पदार्थ के साथ ऊष्मायन अवधि में रखा जाता है एवं समय की अवधि के पश्चात, कोशिकाओं 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 कोशिका 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 कोशिका घटकों को मापना संभव है। इसके अतिरिक्त, इमेजिंग उपकोशिकीय स्तर पर परिवर्तनों की जानकारी प्राप्त करने में सक्षम है (उदाहरण के लिए, कोशिका द्रव्य के प्रति कोशिका केंद्रक के प्रति अन्य अंगक)। इसलिए, प्रति कोशिका 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 उम्मीऔषधिरों की शोध है

कोशिका-आधारित प्रणालियों में उच्च-सामग्री स्क्रीनिंग (एचसीएस) सामान्य एवं रोगग्रस्त कोशिकाओं के कार्यो को स्पष्ट करने के लिए जैविक अनुसंधान में उपकरण के रूप में जीवित कोशिका (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 कोशिका जीव विज्ञान का संयोजन है, जिसमें इसके सभी आणविक उपकरण, स्वचालित उच्च संकल्प माइक्रोस्कोपी एवं रोबोटिक हैंडलिंग सम्मिलित हैं। कोशिकाएं सबसे पूर्व रसायनों या आरएनएआई अभिकर्मकों के संपर्क में आती हैं। तत्पश्चात छवि विश्लेषण का उपयोग करके कोशिका आकृति विज्ञान में परिवर्तन की जानकारी ज्ञात की जाती है। कोशिकाओं 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 कोशिका सतह प्रोटीन का विस्तृत समूह है जो पर्यावरण में कोशिका प्रतिक्रिया में अतिरिक्त-कोशिकाएं 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 कोशिकाओं 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।

कोशिकाएं स्तर पर, विभिन्न कोशिका 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 कोशिकाएं समलक्षणियों को परिवर्तित करने वाले अल्प यौगिकों की पहचान की अनुमति देती है एवं कोशिका कार्य को संशोधित करने के लिए नई औषधिइयों एवं नए कोशिका जैविक उपकरणों की शोध के लिए रुचि रखती है। कोशिकाएं 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। कोशिका 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।

इंस्ट्रुमेंटेशन

स्वचालित कन्फोकल छवि रीडर

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

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

आज बाजार में एचसीएस उपकरणों को विशिष्टताओं की श्रृंखला के आधार पर भिन्न किया जा सकता है जो उपकरणों की बहुमुखी प्रतिभा एवं समग्र लागत को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। इनमें गति, जीवित कोशिका कक्ष जिसमें तापमान एवं सम्मिलित है CO₂ नियंत्रण (कुछ में लंबे समय तक लाइव कोशिका 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। सबसे गंभीर अंतरों में से यह है कि उपकरण ऑप्टिकल कन्फोकल हैं या नहीं। 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 लागू 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 ल कताई डिस्क, दोहरी कताई डिस्क, या वर्चुअल स्लिट के माध्यम से प्राप्त की जाती है। इन विभिन्न कन्फोकल तकनीकों के बीच संवेदनशीलता, रिज़ॉल्यूशन, गति, फोटो-टॉक्सिसिटी, फोटो-ब्लीचिंग, उपकरण जटिलता एवं कीमत का व्यापार होता है।

सभी उपकरण छवियों को स्वचालित रूप से लेने, संग्रहीत करने एवं व्याख्या करने एवं बड़े रोबोटिक कोशिका/मध्यम हैंडलिंग प्लेटफार्मों में ीकृत करने की क्षमता साझा 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 अक्सर विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण स्क्रीन के लिए किया जाता है या जहां प्रयोगशाला या सुविधा में कई उपकरण होते हैं एवं ल 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 ल विश्लेषण प्लेटफ़ॉर्म पर ऐसा मानकीकरण करना चाहते हैं।

अनुप्रयोग

यह तकनीक (बहुत) बड़ी संख्या में प्रयोग करने की अनुमति देती है, जिससे शोधपूर्ण स्क्रीनिंग की अनुमति मिलती है। कोशिका-आधारित सिस्टम का उपयोग मुख्य रूप से रासायनिक आनुवंशिकी में किया जाता है जहां बड़े, विविध अल्प अणु संग्रह को कोशिकाएं मॉडल सिस्टम पर उनके प्रभाव के लिए व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया जाता है। हजारों अणुओं की स्क्रीन का उपयोग करके नवीन औषधिएं पाई जा सकती हैं, एवं इनमें औषधि विकास के भविष्य की संभावनाएं हैं। औषधि की शोध से परे, रासायनिक आनुवंशिकी का उद्देश्य अल्प अणुओं की पहचान करके जीनोम को क्रियाशील बनाना है जो कोशिका में 21,000 जीन उत्पादों में से अधिकांश पर कार्य करता है। उच्च-सामग्री प्रौद्योगिकी इस प्रयास का हिस्सा 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 चूहों ( 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 पता लगा सकता है कि ये जीन कैसे एवं कहाँ काम करते हैं। इसके अतिरिक्त प्रौद्योगिकी का उपयोग आरएनएआई के साथ संयोजन में विशिष्ट तंत्रों में सम्मिलित जीन के सेट की पहचान करने के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए कोशिका विभाजन। यहां, लक्ष्य जीव के जीनोम के अंदर पूर्वानुमानित जीनों के पूरे सेट 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 पहले से कोई स्पष्ट भूमिका स्थापित नहीं की गई है। स्वचालित कोशिका जीव विज्ञान द्वारा उत्पादित बड़े डेटासेट में स्थानिक रूप से हल किया गया, मात्रात्मक डेटा होता है जिसका उपयोग सिस्टम स्तर के मॉडल एवं कोशिकाओं एवं जीवों के कार्य करने के सिमुलेशन के निर्माण के लिए किया जा सकता है। कोशिका फ़ंक्शन के सिस्टम बायोलॉजी मॉडल यह भविष्यवाणी करने की अनुमति देंगे कि कोशिका बाहरी परिवर्तनों, विकास एवं बीमारी पर क्यों, कहां एवं कैसे प्रतिक्रिया करता है।

इतिहास

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

कोशिका-आधारित दृष्टिकोणों के लिए स्वचालित कोशिका जीव विज्ञान की उपयोगिता के लिए इस बात की जांच की आवश्यकता होती है कि स्वचालन एवं वस्तुनिष्ठ माप कैसे प्रयोग एवं रोग की समझ को बेहतर बना सकते हैं। सबसे पहले, यह कोशिका जीव विज्ञान अनुसंधान के अधिकांश, किन्तु सभी नहीं, पहलुओं में अन्वेषक के प्रभाव को हटा देता है एवं दूसरा, यह पूरी तरह से नए दृष्टिकोण को संभव बनाता है।

समीक्षा में, शास्त्रीय 20वीं सदी के कोशिका जीव विज्ञान ने संस्कृति में विकसित कोशिका रेखाओं का उपयोग किया जहां प्रयोगों को यहां वर्णित के समान ही मापा गया था, किन्तु वहां अन्वेषक ने इस पर चुनाव किया कि क्या मापा जाए एवं कैसे मापा जाए। 1990 के दशक की शुरुआत में, अनुसंधान के लिए चार्ज-युग्मित डिवाइस कैमरे (चार्ज युग्मित डिवाइस कैमरे) के विकास ने कोशिकाओं के चित्रों में विशेषताओं को मापने का अवसर पैदा किया- जैसे कि नाभिक में कितना प्रोटीन है, कितना बाहर है। जल्द ही नए फ्लोरोसेंट अणुओं का उपयोग करके परिष्कृत माप किए गए, जिनका उपयोग दूसरा संदेशवाहक सांद्रता या आंतरिक कोशिका डिब्बों के पीएच जैसे कोशिका गुणों को मापने के लिए किया जाता है। हरे फ्लोरोसेंट प्रोटीन, जेलीफ़िश के प्राकृतिक फ्लोरोसेंट प्रोटीन अणु के व्यापक उपयोग ने कोशिका जीव विज्ञान में मुख्यधारा की तकनीक के रूप में कोशिका इमेजिंग की ओर रुझान को तीव्र कर दिया। इन प्रगतियों के बावजूद, किस कोशिका 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 मैदान एवं उसके पार रखी खाने की प्लेटों की कल्पना करता है, तो उन सभी को देखने के बजाय, अन्वेषक स्कोर रेखा के पास मुट्ठी भर प्लेटें चुन लेगा एवं बाकी को छोड़ना होगा। इस सादृश्य में क्षेत्र टिशू कल्चर डिश है, जिस पर प्लेटें कोशिकाएं बढ़ती हैं। जबकि यह उचित एवं व्यावहारिक दृष्टिकोण था, पूरी प्रक्रिया का स्वचालन एवं विश्लेषण जीवित कोशिकाओं की पूरी आपश्चाती का विश्लेषण संभव बनाता है, इसलिए पूरे फुटबॉल मैदान को मापा जा सकता है।

यह भी देखें

• औषधिओं की शोध
• उच्च परिणाम स्क्रीनिंग
• औषधि की शोध ने नेतृत्व को प्रभावित किया
• माइक्रोस्कोपी
• फ़्लो साइटॉमेट्री
• लाइव ल-कोशिका इमेजिंग

अग्रिम पठन

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बाहरी संबंध

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