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

File:Pills on uv box.jpg

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।

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 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 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 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 वित्त को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। इनमें गति, जीवित कोशिका कक्ष जिसमें तापमान एवं CO₂ नियंत्रण सम्मिलित है (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 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 कताई डिस्क, दोहरी कताई 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 कोशिका/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 चुनौतीपूर्ण 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। कोशिका-आधारित प्रणाली का उपयोग मुख्य रूप से रासायनिक आनुवंशिकी में किया जाता है जहां बड़े, विविध अल्प अणु संग्रह को कोशिकाएं मॉडल प्रणाली 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 होती हैं। औषधि का शोध से भिन्न, 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 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 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 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 कोशिका 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 कोशिका जीव विज्ञान द्वारा उत्पादित बड़े डेटासमूह में स्थानिक रूप से समाधानकिया गया, मात्रात्मक डेटा होता है जिसका उपयोग प्रणाली स्तर के मॉडल एवं कोशिकाओं एवं जीवों के कार्य करने के सिमुलेशन के निर्माण के लिए किया जा सकता है। कोशिका कार्य के प्रणाली 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 प्रविधि 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 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 कोशिका जीव विज्ञान अनुसंधान के अधिकांश, किन्तु सभी नहीं, पहलुओं 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 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 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 कोशिकाओं 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 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 प्रविधि के रूप में कोशिका इमेजिंग की ओर रुझान को तीव्र कर दिया। इन प्रगतियों के पश्चात, 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 अतिरिक्त, अन्वेषक स्कोर रेखा के पास मुट्ठी भर प्लेटें चुन लेगा एवं बाकी को त्यागना 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

• Abraham VC, Taylor DL, Haskins JR (January 2004). "High content screening applied to large-scale cell biology". Trends Biotechnol. 22 (1): 15–22. doi:10.1016/j.tibtech.2003.10.012. PMID 14690618.
• Bleicher KH, Böhm HJ, Müller K, Alanine AI (May 2003). "Hit and lead generation: beyond high-throughput screening". Nat Rev Drug Discov. 2 (5): 369–78. doi:10.1038/nrd1086. PMID 12750740. S2CID 4859609.
• Burdine L, Kodadek T (May 2004). "Target identification in chemical genetics: the (often) missing link". Chem. Biol. 11 (5): 593–7. doi:10.1016/j.chembiol.2004.05.001. PMID 15157870.
• Carpenter AE, Sabatini DM (January 2004). "Systematic genome-wide screens of gene function". Nat. Rev. Genet. 5 (1): 11–22. doi:10.1038/nrg1248. PMID 14708012. S2CID 637682.
• Omta WA (January 2020). Knowledge Discovery in High Content Screening (Thesis). Utrecht University. doi:10.33540/198. ISBN 978-90-393-7283-8.
• Edwards BS, Oprea T, Prossnitz ER, Sklar LA (August 2004). "Flow cytometry for high-throughput, high-content screening". Curr Opin Chem Biol. 8 (4): 392–8. doi:10.1016/j.cbpa.2004.06.007. PMID 15288249.
• Xu GW, Mawji IA, Macrae CJ, Koch CA, Datti A, Wrana JL, Dennis JW, Schimmer AD (March 2008). "A high-content chemical screen identifies ellipticine as a modulator of p53 nuclear localization". Apoptosis. 13 (3): 413–22. doi:10.1007/s10495-007-0175-4. PMID 18181020. S2CID 8321422.
• Giuliano KA, Haskins JR, Taylor DL (August 2003). "Advances in high content screening for drug discovery". Assay Drug Dev Technol. 1 (4): 565–77. doi:10.1089/154065803322302826. PMID 15090253.
• Liszewski, Kathy (2014). "High Content Analysis: The 'Just Right' Solution". Gen. Eng. Biotechnol. News. 34 (3).
• Milligan G (July 2003). "High-content assays for ligand regulation of G-protein-coupled receptors". Drug Discov. Today. 8 (13): 579–85. doi:10.1016/S1359-6446(03)02738-7. PMID 12850333.
• Battich N, Stoeger T, Pelkmans L (October 2013). "Image-based transcriptomics in thousands of single human cells at single-molecule resolution". Nature Methods. 10 (11): 1127–1133. doi:10.1038/nmeth.2657. PMID 24097269. S2CID 17472560.

बाहरी संबंध

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