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高通量筛选在微生物制药中的应用进展

日期:2014-04-24     浏览:802    下载:10     体积:237.43K     评论:0    


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      高通量筛选(high throughput screening  HTS)又称大
规模集群式筛选,是山高容量化介物库、自动化操作、高灵
敏度检测、高特异筛选模型、高效率数据处理5个子系统
有机组介而成,是一种新型、高自动化、高灵敏度、高通量
的发现新药的筛选技术。其理论基础是反向药理学(reverse
pharmacology即基于受体、酶及离子通道等分子、细胞
水平药物作用靶点,从现有化介物库中筛选出具有生物活性
的先导化介物,在此基础上再进行组织、器官及疾病相关动
物模型研究。
    利用药物作用靶点进行药物筛选,已成功地发现了大批
临床用药。如血管紧张素转化酶抑制剂卡托普利、依那普利
等降血压药物,p一肾上腺素受体阻断剂普蔡洛尔、阿替洛尔
等,都是利用分子靶点筛选发现并经过进一步研究而成为临
床应用的药物。这些研究成果更加强了人们对高通量药物
筛选的信心。目前,世界上大型制药企业都无一例外地将其
作为驱动新药发现的强力引擎,纷纷引进新药研发领域,使
高通量筛选的形式和内容小断丰富发展[fll。近年来,高通量
筛选技术小仅广泛应用于化学新药的筛选,同时在生物催
化剂[}'> >  RNAi}3},蛋自质类药物[[4]等的筛选过程中也有所
应用。
    高通量筛选技术具有以下几方而的发展趋势:①采用基
于细胞的分析筛选方法,可自接在活细胞内检测化介物,提
高筛选的准确性;②采用精确的检测技术,使之能够在相同
的分析过程中兼顾效率和特异性;③基于功能基因组学的药
物高通量筛选逐渐受到重视并应用;④开始分析和处理工业
中的实际问题。该系统在后基因组时代研究和药物发现之间
架起桥梁,将很快渗入到未来市场中,打破从基因到药物研
发链条中的瓶颈[f51
1高通量筛选应用于微生物药物早期发现中的
优势
    高通量筛选技术主要应用于筛选利用组介化学制备的
大规模化介物库[0],虽然筛选效率大为提高,但得势小得力,
其获得新的化学实体的数量并没有显著提高,而且随着新药
标准的提高,新的化学实体数量反而呈下降趋势。因此,天
然产物作为创新药物的筛选资源再次受到重视[c]。
    相对于动植物代谢产物来讲,微生物次级代谢产物具有
更易开发利用、小破坏生态环境、可通过发酵大量获得和易
于采用生物技术等优点[s]。目前已有众多微生物次级代谢产
物开发成为药物。抗生素作为其中的典型代表,在治疗感染
}h}疾病,保障人类健康方而取得了令人瞩目的成就。同时它
小仅应用于临床,也可用于农业和畜牧业,是一类应用最广
泛的药物。随着生命科学与医药学的发展,山微生物产生的
具有其他生理活性的物质也小断被发现,如受体拮抗剂和激
动剂、酶抑制剂和诱导剂、免疫调节剂等,更丰富了微生物
药物生理活性的多样性。
    近年来随着人们对极端环境微生物,海洋微生物的探
索,发现了大量未知的微生物物种及微生物次级代谢产物。
同时伴随着生物技术的发展,在基因工程、代谢工程、组介
生物介成的推动下,通过构建工程菌株,获得了大量结构新
颖的微生物次级代谢产物,扩充着微生物次级代谢产物的种
类和数量f}l。利用有效的筛选手段对其进行筛选,将极大地
促进创新型微生物药物的早期发现和苗头化介物的获得。而
传统的筛选方法山于处理量少,效率低,而对大批量化介物
处理时,需要消耗更多的人力和物力,已小能适应当前大规
模微生物代谢产物的筛选要求。高通量筛选技术弥补了传统
筛选方法的小足,能够快速而高效地在庞大的微生物次级代
谢产物库中发现目标化介物。随着微生物次级代谢产物库的
建立和日趋完善,微生物次级代谢产物的筛选更加方便和快
捷,对我国创新微生物药物的开发起到极大的推动作用。
2微生物药物高通量筛选样品库发展现状
    目前微生物制药领域中可供高通量筛选的样品资源库
主要包括微生物菌株库及微生物发酵产物提取品库等。
    随着化学分离手段的进步与发展,以及我国在药物研发
经费投入的加大,在我国开展规模化微生物次级代谢产物纯
品库已经成为可能,而且也}一分必要,这是创新型微生物药
物快速高效发现的必然要求。
    在我国,科技部自“九五”期间开始资助支持国内筹建
国家新药(微生物)筛选实验室,“}一五’夕、“}一五”期间
又以筛选平台的形式资助支持微生物药物高效筛选。}一年
来,我国微生物药物的筛选技术有了长足的进步。在药物筛
选微生物资源方而已经建立了近巧万株的筛选用菌株库
和20万个微生物发酵液提取品的样品库。高通量微生物药
物筛选模型已达到150种,年筛选量已山“}一五”期间的
20万样次,发展到“}一五”期间的100万样次。通过大
量的规模化的筛选,已经获得一批药物先导化介物和药物候
选物,有些已经进入临床前研究阶段。就微生物药物的筛选
规模和水平来讲,我国的创新微生物药物筛选已达到国际先
进水·}:_ f8,1 }l o
3高通量筛选在微生物制药领域中的应用
    高通量筛选技术小仅推动了创新型化学类新药的研发
进程,近年来,在创新型微生物类新药研发过程中的应用也
日趋广泛。以下主要介绍近年来高通量筛选技术在微生物制
药领域应用最为广泛的两个方而—先导化介物的发现及
菌种筛选。
3. 1在微生物来源的先导化合物发现中的应用
3.1.1针对微生物代谢产物化介物库的高通量筛选针对
微生物代谢产物化介物库的高通量筛选过程一般为首先构
建适宜的高通量筛选模型,再利用微量滴定板对微生物代谢
产物库中的化介物进行高通量筛选,通过相应的检测技术筛
选目标化介物,最后对目标化介物进行活性验证,以获得可
供进一步开发的先导化介物。
    正如前文所述,国家新药(微生物)筛选中心样品库的
建立和发展已极大地促进了微生物药物先导化介物的发现,
相关研究者根据小同靶点,对样品库中的化介物进行筛选,
已经获得了大量微生物来源的具有小同生理活性的先导化
介物。
    在丙型引炎病毒<HCV)氨酸蛋自水解酶抑制剂的
高通量筛选过程中,李健蕊等}u}利用基因重组的方法将含有
丝氨酸蛋自水解酶基因的质粒转化到大肠杆菌中表达,结介
荧光共振能量转移法(<FRET)成功构建了适用于高通量筛
选的特异性蛋自酶抑制剂筛选模型。利用此模型,对样品库
中的4000个化介物进行初步筛选,获得了4个具有抗丙
引病毒活性的化介物。
    在以FOXP3为靶点的免疫抑制剂的高通量筛选过程
中,巫哗翔等[12}将转录因子FOXP3基因启动子克隆至含
有与报告基因p一内酞胺酶相偶联的表达载体中,并转染至
Jurkat细胞株中稳定表达,建立了适宜高通量筛选的模型,
进而对样品库中2500余种化介物进行筛选,获得4个具
有免疫抑制活性的化介物。
    在以ApoA-1为靶点的基因表达上调剂的高通量筛选
过程中,杜郁等[13}构建了重组荧光素酶报告基因质粒并转
染至人引癌细胞HepG2,利用荧光素酶表达活性的变化为
检测指标,成功构建了ApoA-1基因表达上调剂高通量筛
选模型。对样品库中5000余种化介物进行筛选,获得
4个具有治疗动脉粥样硬化潜力的活性化介物。
    山此可见,以微生物代谢产物化介物库为对象的筛选,
与组介化学品库的高通量筛选虽然筛选对象小同,但原理与
方法基本相同,所以该方法较为成熟、规范。
3. 1. 2针对微生物发酵液提取品库的高通量筛选微生物
代谢产物中含有大量小为人知的新型化介物,在现有的微生
物代谢产物化介物库中小能保证完全收纳。同时,小同类型
的微生物代谢产物的药理活性会有所侧重,在针对某一靶点
筛选先导化介物时,选择特定类型的微生物的代谢产物提取
物进行筛选,将会提高效率,事半功倍。所以针对微生物发
酵液提取品的高通量筛选是}一分必要的,是对微生物天然代
谢产物化介物库高通量筛选的重要补充。
    针对微生物发酵液提取品库的高通量筛选过程,通常是
将微生物发酵提取物加入到微量滴定板中,通过相应的筛
选模型,从大规模的微生物发酵液提取物中获得目标阳性样
品一一特定菌株发酵液提取物,进而对特定菌株进行放大发
酵、活性产物提取、分离,获得活性组分后进行结构分析和
药理活性测定,以得到先导化介物。
    在H1N1神经酞胺酶抑制剂的筛选过程中,Lin等[14]
利用基因工程手段将截短型H1N1神经酞胺酶基因克隆到
载体中,构建重组质粒并转化至毕赤酵母中,获得了能够分
泌表达截短型H1N1神经酞胺酶的重组菌株,构建了新
型神经酞胺酶抑制剂的高通量筛选模型。利用此模型对
20 000多个微生物发酵液提取物进行了筛选,获得6种活
}h}提取物。
    近年来,随着海洋微生物,极端环境微生物的探索与开
发,大量的新型菌株以及独特结构的次级代谢产物被发现,
这为创新微生物药物的研发开辟了新的思路。科研人员通过
对大量的海洋或极端环境等新分离菌株发酵提取品进行高
通量筛选,获得了更多具有独特生理活性的天然产物及其生
产菌株。
    在钙调磷酸激酶抑制剂的筛选过程中,Margassery等}}so
对海洋微生物发酵提取品进行了高通量筛选。研究者将含有
CDRE: aacZ融介基因的Pmrk212质粒导入酵母细胞中,
获得酵母报告菌株,以紫外吸收光谱作为检测方法,构建了
钙调磷酸激酶抑制剂的高通量筛选模型。然后对81个海
洋海绵动物中所分离的微生物发酵提取物进行筛选,发现
3个菌株的发酵提取物具有钙调磷酸激酶抑制活性,其菌株
编号分别为SMB. FMK7A. FMK1Bo
    总之,针对微生物代谢产物的高通量筛选,可分别以微
生物天然代谢产物化介物库及微生物发酵提取物为筛选对
象来进行,两者互相渗透,相辅相成,其最终目标均为高效
率地获得药物先导化介物。近年来,高通量筛选技术在微生
物来源的先导化介物早期发现过程中的应用在国内蓬勃发
展,并在创新型微生物药物的开发过程中发挥了极大的作
用。表1总结了国内近年来微生物代谢产物高通量筛选的
部分案例。
3. 2在菌株筛选中的应用
    微生物具有数量大,种类多,分布广的特点,绝大部分
微生物菌种并未充分开发,潜力巨大。因此,从大量的微生
物菌株中筛选出所期望的目标菌株,在微生物药物发现的过
程中具有重要的意义。
    针对微生物菌株的高通量筛选,其目的是获得具有某一
特定性质的菌株,筛选对象可以是自然界中分离所得的菌
株,可以是原始菌株的突变株,也可以是通过生物技术改造
的工程菌株等。在筛选过程中,开发介适的培养基,对微生
物进行适宜微量滴定板的缩小化培养,以便将微生物菌株自
接置于微量滴定板中进行生长繁殖。利用多种检测技术对目
的产物的浓度或菌株的各项生理生化指标进行测定,获得阳
}h}菌株,进而通过复筛,最终获得目的菌株—某一特定性
质的菌株。
    Gao等[l9}利用高通量筛选方法,从原始菌株Streptomyces
avermitilis系列突变株中成功筛选出阿维菌素高产菌株,其
产量提高60%。在高通量筛选模型的构建过程中,研究者
利用固体培养基代替传统的液体培养基,从而可在%孔微
量滴定板中成功培养S.avermitili,系列突变株。同时利用
245 nm紫外吸收值检测阿维菌素的产量来代替高效液相色
谱的检测方法,适介于对微量滴定板的检测。利用建立好的
高通量筛选模型,对山原始菌株突变所获得的738株突变
株进行了高通量筛选。其中在初筛<preliminary screen)过
程中采用了高通量筛选技术。经过初筛共获得116株进入
复筛阶段(second screen)最终证实有38株的产量比原始
菌株提高了10% o
    针对微生物菌株的高通量筛选,是高通量筛选技术在微
生物制药领域中的一个独特的应用,在我国,近年来也涌现
出一些相关的案例(表2)0
4小结
    微生物代谢产物因其种类繁多,结构复杂,可广泛应用
于医药、食品、化工、材料等领域中,是自然界的宝贵财富,
但正是因其庞大的数量,一般的筛选方法仅能对少量的代谢
产物或菌株进行筛选,这便大大限制了人类对于微生物天然
代谢产物的开发利用。高通量筛选作为20世纪80年代兴
起的方法,如今已经广泛应用于化介物筛选中。近几年,高
通量筛选新技术的发展也大大提高了筛选效率,推动了一大
批化介物进入临床研究。在微生物制药领域中高通量筛选也
逐渐渗入并发挥了积极的作用,但还存在一些问题:第一,
高通量筛选主要关注于小分子化介物库的筛选,而在微生物
代谢产物中的筛选涉足较少;第二,专门的微生物代谢产物
库并未系统化建立;第三,新的作用靶点和微量分析方法还
需要进一步探索。总之,高通量筛选作为新兴的筛选手段,
与现代药物筛选技术结介并应用于微生物代谢产物的筛选
过程中,将会极大地推动微生物制药的发展。
 
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