La biología de alto rendimiento (o biología celular de alto rendimiento ) es el uso de equipos de automatización con técnicas clásicas de biología celular para abordar cuestiones biológicas que de otro modo serían inalcanzables utilizando métodos convencionales. Puede incorporar técnicas de óptica , química , biología o análisis de imágenes para permitir una investigación rápida y altamente paralela sobre cómo funcionan las células, interactúan entre sí y cómo los patógenos las explotan en la enfermedad. [1]
La biología celular de alto rendimiento tiene muchas definiciones, pero la más común es la búsqueda de compuestos activos en materiales naturales como las plantas medicinales. Esto también se conoce como cribado de alto rendimiento (HTS, por sus siglas en inglés) y es la forma en que se realizan la mayoría de los descubrimientos de medicamentos en la actualidad; muchos medicamentos contra el cáncer, antibióticos o antagonistas virales se han descubierto mediante HTS. [2] El proceso de HTS también prueba sustancias en busca de sustancias químicas potencialmente dañinas que podrían representar riesgos potenciales para la salud humana. [3] El HTS generalmente implica cientos de muestras de células con la enfermedad modelo y cientos de compuestos diferentes que se prueban a partir de una fuente específica. La mayoría de las veces, se utiliza una computadora para determinar cuándo un compuesto de interés tiene un efecto deseado o interesante en las muestras de células.
El uso de este método ha contribuido al descubrimiento del fármaco sorafenib (Nexavar). El sorafenib se utiliza como medicamento para tratar varios tipos de cáncer, incluido el carcinoma de células renales (RCC, cáncer en los riñones), el carcinoma hepatocelular (cáncer de hígado) y el cáncer de tiroides. Ayuda a detener la reproducción de las células cancerosas al bloquear las proteínas anormales presentes. En 1994, se completó el cribado de alto rendimiento para este fármaco en particular. Fue descubierto inicialmente por Bayer Pharmaceuticals en 2001. Mediante el uso de un ensayo bioquímico de la quinasa RAF, se examinaron 200.000 compuestos de la síntesis dirigida por química medicinal o bibliotecas combinatorias para identificar moléculas activas contra la quinasa RAF activa. Después de tres ensayos de prueba, se descubrió que tenía efectos antiangiogénicos sobre los cánceres, lo que detiene el proceso de creación de nuevos vasos sanguíneos en el cuerpo. [4] [5]
Otro descubrimiento realizado con HTS es Maraviroc . Es un inhibidor de la entrada del VIH y ralentiza el proceso e impide que el VIH pueda entrar en las células humanas. [6] También se utiliza para tratar una variedad de cánceres, reduciendo o bloqueando la metástasis de las células cancerosas, que es cuando las células cancerosas se propagan a una parte del cuerpo completamente diferente de donde se originaron. El cribado de alto rendimiento para Maraviroc se completó en 1997 y finalizó en 2005 por el equipo de investigación y desarrollo global de Pfizer.
La biología de alto rendimiento es una faceta de lo que también se ha denominado " investigación ómica ": la interfaz entre la biología a gran escala ( genoma , proteoma , transcriptoma ), la tecnología y los investigadores. La biología celular de alto rendimiento se centra claramente en la célula y en los métodos que acceden a ella, como la obtención de imágenes, los microarreglos de expresión génica o el cribado de todo el genoma . La idea básica es tomar métodos que normalmente se realizan por sí solos y realizar una gran cantidad de ellos sin afectar a su calidad [7].
La investigación de alto rendimiento puede definirse como la automatización de experimentos de modo que la repetición a gran escala sea factible. Esto es importante porque muchas de las preguntas a las que se enfrentan los investigadores de las ciencias de la vida ahora involucran grandes números. Por ejemplo, el genoma humano contiene al menos 21.000 genes, [8] todos los cuales pueden contribuir potencialmente a la función celular o a la enfermedad. Para poder captar una idea de cómo estos genes interactúan entre sí, qué genes están involucrados y dónde están, son de interés los métodos que abarcan desde la célula hasta el genoma.
La robótica clásica de cribado de alto rendimiento se está vinculando cada vez más con la biología celular, principalmente mediante el uso de tecnologías como el cribado de alto contenido . La biología celular de alto rendimiento dicta métodos que pueden llevar la biología celular de rutina de la investigación a pequeña escala a la velocidad y la escala necesarias para investigar sistemas complejos, lograr un gran tamaño de muestra o cribar de manera eficiente una colección.
La tecnología de cribado de alto contenido se basa principalmente en la microscopía digital automatizada y la citometría de flujo , en combinación con sistemas de TI para el análisis y almacenamiento de los datos. La tecnología de "alto contenido" o biología visual tiene dos propósitos: primero, adquirir información resuelta espacial o temporalmente sobre un evento y, segundo, cuantificarla automáticamente. Los instrumentos con resolución espacial suelen ser microscopios automatizados , y la resolución temporal aún requiere alguna forma de medición de fluorescencia en la mayoría de los casos. Esto significa que muchos instrumentos HCS son microscopios ( de fluorescencia ) que están conectados a algún tipo de paquete de análisis de imágenes. Estos se encargan de todos los pasos para tomar imágenes fluorescentes de células y brindan una evaluación rápida, automatizada e imparcial de los experimentos.
Se puede decir que esta tecnología se encuentra en el mismo punto de desarrollo que los primeros secuenciadores automáticos de ADN de principios de los años 90. La secuenciación automática de ADN fue una tecnología disruptiva cuando se hizo práctica y, aunque los primeros dispositivos tenían deficiencias, permitió proyectos de secuenciación a escala del genoma y creó el campo de la bioinformática. Es difícil predecir el impacto de una tecnología igualmente disruptiva y poderosa en la biología celular molecular y la investigación traslacional, pero lo que está claro es que provocará un cambio profundo en la forma en que los biólogos celulares investigan y se descubren medicamentos.
