Screening farmacologico nella ricerca sul cancro

Sfruttare i saggi su micropiastra per uno screening semplificato dei farmaci ad alto rendimento nella ricerca oncologica.

Sommario

Screening ad alto rendimento nella ricerca sul cancro

Lo screening ad alto rendimento (HTS) ha rivoluzionato il campo della ricerca sul cancro consentendo una valutazione rapida e sistematica dei composti per il loro potenziale come agenti antitumorali. Questo approccio rappresenta un passo fondamentale negli stadi iniziali della scoperta di farmaci antitumorali.

HTS prevede la valutazione metodica di migliaia o milioni di composti provenienti da librerie per identificare potenziali candidati che interagiscono con specifici target biologici in modo previsto. Questi candidati, spesso indicati come “lead” o “colpi”, fungono da base per un’ulteriore ottimizzazione e sviluppo di potenziali agenti antitumorali.

Inoltre, i recenti progressi nel trattamento oncologico personalizzato sono stati guidati dallo sviluppo di farmaci mirati. Questi trattamenti possono sfruttare le innovazioni nella tecnologia degli organoidi, che coinvolge la cultura degli organoidi con capacità di auto-rinnovamento, auto-organizzazione e proliferazione a lungo termine imitando molte caratteristiche dei tessuti primari. Le librerie di organoidi derivati dal paziente (Patient-Derivated organoid, PDO) sono emerse come biobanche viventi, consentendo analisi approfondite della funzione tissutale, dello sviluppo, dell’avvio del tumore e della patobiologia del cancro. I PDO sono versatili e possono essere utilizzati per analisi di sequenziamento, screening farmacologico, test di terapia mirata, studi sul microambiente tumorale e applicazioni di ingegneria genetica.


Nel campo della ricerca sul cancro, questi strumenti sono comunemente impiegati per valutare gli effetti dei composti sulle linee cellulari tumorali, studiare l’espressione di geni o proteine specifici e valutare varie risposte cellulari. Svolgono un ruolo fondamentale nell’identificazione di potenziali agenti antitumorali e nell’avanzamento della nostra comprensione della biologia tumorale attraverso sforzi di screening sistematici su larga scala.

La robotica e i dispositivi per la manipolazione dei liquidi sono fondamentali per l’automazione di HTS. Queste tecnologie consentono l'erogazione precisa di composti, cellule e reagenti in piastre multi-pozzetto, garantendo la coerenza e riducendo al minimo l'errore umano.

Un software specializzato per lettori per micropiastre svolge un ruolo essenziale nell'elaborazione dei dati, nell'analisi e nel controllo degli strumenti. Aiuta i ricercatori a gestire in modo efficiente set di dati di grandi dimensioni, estrarre informazioni significative e prendere decisioni informate sui composti di piombo.
Software di lettura per micropiastre specializzato


In sintesi, l’integrazione di lettori per micropiastre, biologia 3D, robotica, dispositivi di manipolazione dei liquidi e software dedicati ha rivoluzionato la ricerca sul cancro accelerando la scoperta di potenziali composti antitumorali. Sebbene HTS non sostituisca l’intero processo di scoperta farmacologica, svolge un ruolo fondamentale nell’identificazione dei lead e migliora la nostra comprensione della biologia tumorale.

Saggi per micropiastre per la ricerca sul cancro

I saggi per micropiastre sono emersi come strumenti preziosi, offrendo capacità ad alto rendimento e la capacità di analizzare numerosi campioni contemporaneamente. Questi saggi consentono ai ricercatori di studiare vari aspetti della biologia del cancro, dalla vitalità e citotossicità cellulare alle interazioni proteina-proteina e all’attività enzimatica. In questo articolo, esploreremo alcuni dei principali saggi per micropiastre utilizzati nella ricerca sul cancro:

saggi di vitalità cellulare

I saggi di vitalità cellulare vengono utilizzati per determinare il numero di cellule vitali e proliferanti in un campione. Sono fondamentali per valutare l’impatto di diversi trattamenti sulle cellule tumorali, aiutando i ricercatori a valutare il potenziale degli agenti antitumorali. I metodi più comuni includono l'uso di coloranti che vengono assunti dalle cellule viventi e il segnale risultante viene misurato da un lettore di micropiastre.

Schema del meccanismo del saggio MTT

Figura 1. Schema del meccanismo del saggio MTT

Schema del meccanismo di dosaggio della luciferina a base di ATP

Figura 2. Schema del meccanismo di dosaggio della luciferina a base di ATP

saggi di citotossicità

Nella ricerca sul cancro è fondamentale capire come le cellule rispondono a vari trattamenti, compresi i potenziali agenti antitumorali. Questi saggi su micropiastre possono aiutare i ricercatori a distinguere tra processi apoptotici (morte cellulare programmata) e necrotici (morte cellulare incontrollata).

Nelle cellule sane, le proteine di fusione dell’Annessina V-LgBiT e dell’Annessina V-SmBiT (NanoBiT)

Figura 3. Nelle cellule sane le proteine di fusione dell’Annessina V-LgBiT e dell’Annessina V-SmBiT (NanoBiT) sono molto distanti e non viene generata alcuna luminescenza. Il colorante del DNA profluorescente non si lega al DNA e anche il segnale fluorescente è assente (A). Nell’apoptosi precoce, la luminescenza rimane bassa fino a quando l’esposizione al PS non avvicina le proteine di fusione dell’Annessina V, formando una luciferasi funzionale, mentre il colorante del DNA profluorescente rimane al di fuori delle cellule. La luminescenza viene generata e la fluorescenza rimane assente (B). Durante la necrosi secondaria, il segnale fluorescente viene generato in seguito alla perdita di integrità della membrana durante l’apoptosi in stadio avanzato, quando il colorante del DNA può entrare nella cellula. Sia la luminescenza che la fluorescenza sono generate in questo caso (C).


Schema delle diverse opzioni che possono essere perseguite durante l’esecuzione di studi di tossicità con i kit di vitalità cellulare EarlyTox

Figura 4. Schema delle diverse opzioni che possono essere perseguite durante l’esecuzione di studi di tossicità con i kit di vitalità cellulare EarlyTox.

Saggi con geni reporter

Questi saggi su micropiastre implicano l’introduzione di geni reporter nel cancro o in altri tipi di cellule per monitorare l’attività di geni specifici o percorsi di segnalazione. L’espressione del gene reporter può essere quantificata utilizzando lettori per micropiastre, fornendo approfondimenti sulla regolazione dei geni e dei percorsi correlati al cancro. Uno dei più utilizzati è il saggio reporter della luciferasi, che consente lo studio dell'espressione genica a livello trascrizionale. È popolare perché è relativamente economico e fornisce misurazioni rapide e quantitative. La luciferasi di lucciola è un reporter ampiamente utilizzato per studiare la funzione e la regolazione genica. Si tratta di un reporter molto sensibile a causa della mancanza di qualsiasi attività luciferasica endogena nelle cellule o nei tessuti di mammifero… La luciferasi di lucciola catalizza l’ossidazione ATP-dipendente della D-luciferina con la conseguente emissione di luce (Figura 1A). La luciferasi dalla pansy di mare Renilla reniformis è usata spesso nei saggi della luciferasi multiplexed come secondo reporter per normalizzare l'efficienza della trasfezione e per studiare la regolazione e la funzione del gene. La luciferasi di Renilla catalizza l’ossidazione della celenterazina per produrre luce. I doppi saggi della luciferasi consentono la misurazione dell'attività sia della lucciola che della luciferasi di Renilla in un singolo campione, con la lucciola che agisce come reporter sperimentale e la Renilla come controllo (Figura 5).

Reazioni chimiche catalizzate da luciferasi di lucciola (A) e luciferasi di Renilla (B)

Figura 5. Reazioni chimiche catalizzate da luciferasi di lucciola (A) e luciferasi di Renilla (B).

Il kit del saggio reporter SpectraMax® DuoLuc™ permette la quantificazione altamente sensibile della luciferasi sia di lucciola che di Renilla in cellule di mammifero. L'iniezione seriale di due reagenti di rilevamento ottimizzati consente di dosare le luciferasi nello stesso pozzetto per micropiastre. Illustriamo come vengono utilizzati il saggio reporter DuoLuc e il lettore SpectraMax iD5 per rilevare l’attivazione del fattore nucleare κB (NF-κB) in un modello basato su cellule di mammifero. NF-κB è molto importante per la regolazione di infiammazione, immunità, proliferazione, differenziazione e apoptosi.

Scoprite di più sul saggio con geni reporter a doppia luciferasi:

Saggi di attività enzimatica

Gli enzimi, come le chinasi e le fosfatasi, svolgono un ruolo cruciale nelle vie di segnalazione del cancro. I saggi dell’attività enzimatica implicano la misurazione dell’attività di questi enzimi utilizzando substrati che producono un segnale rilevabile. I lettori per micropiastre quantificano la reazione enzimatica, consentendo ai ricercatori di valutare l’impatto di diversi trattamenti sull’attività enzimatica.


Principio dei saggi della fosfodiesterasi IMAP PF e TR-FRET

Figura 6. Principio dei saggi della fosfodiesterasi IMAP PF e TR-FRET

Immunodosaggio a sandwich THUNDER TR-FRET

Figura Immunodosaggio sandwich THUNDER 8 TR-FRET. Il legame di Eu-Ab1 e FR-Ab2 all'analita consente un trasferimento di energia dal chelato di europio al fluoroforo dell'accettore, con conseguente segnale 665 a nm rilevato utilizzando un lettore per micropiastre con modalità di rilevamento risolta nel tempo.

Test di interazione proteina-proteina

I ricercatori utilizzano lettori per micropiastre per rilevare e quantificare le interazioni tra proteine specifiche nelle vie del cancro. Queste interazioni possono rivelare i ruoli di queste proteine nello sviluppo e nella progressione del cancro. I trattamenti farmacologici sono spesso progettati con l'obiettivo di interrompere determinate interazioni proteina-proteina. Pertanto, è importante disporre di saggi per micropiastre che facilitino lo studio delle interazioni tra proteine specifiche.

Saggio NanoBRET

Figura 9. Saggio NanoBRET. Quando una fusione NanoLuc-Proteina A (donatore di energia) interagisce con una fusione HaloTag-Proteina B marcata in modo fluorescente (accettore di energia), donatore e accettore vengono avvicinati e l'energia viene trasferita.

ELISA (saggio di immunoassorbimento enzimatico)

Gli ELISA sono ampiamente utilizzati per la quantificazione delle proteine nella ricerca sul cancro. I lettori per micropiastre misurano i segnali generati in questi saggi per determinare la concentrazione di proteine specifiche, come citochine o fattori di crescita, che sono spesso rilevanti per la biologia del cancro

Per saperne di più sugli ELISA scaricando il nostro eBook, ELISA ha spiegato: dalle basi all'applicazione pratica.

AlphaScreen/AlphaLISA

AlphaLisa è un saggio omogeneo basato su microsfere per lo studio delle interazioni molecolari in formato micropiastra. Rispetto ai metodi ELISA tradizionali, che hanno diversi passaggi di lavaggio che possono danneggiare i monostrati cellulari e richiedono molto tempo, AlphaLISA non richiede passaggi di lavaggio, riducendo al minimo la perdita di cellule, con risultati più rapidi e più accurati.

Leggete la nota applicativa: Screening AlphaLISA sulla piattaforma di rilevazione multimodale per micropiastre SpectraMax Paradigm

TR-FRET (incluso HTRF)

L’HTRF® è una tecnologia versatile sviluppata da Cisbio per la rilevazione delle interazioni biomolecolari. L’HTRF®, una tecnologia per saggi sviluppata da Cisbio, combina la FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer, trasferimento di energia per risonanza della fluorescenza) standard con la misurazione della fluorescenza a tempo risolto, eliminando la fluorescenza di fondo di breve durata.

Leggete la nota applicativa: Saggio HTRF per il TNFα umano sul lettore per micropiastre multimodale SpectraMax Paradigm

Il dosaggio utilizza fluorofori donatore e accettore. Quando donatore e accettore sono abbastanza vicini l'uno all'altro, l'eccitazione del donatore da parte di una fonte di energia (ad esempio, una lampada flash) innesca un trasferimento di energia all'accettatore, che a sua volta emette una fluorescenza specifica a una determinata lunghezza d'onda. HTRF è anche ampiamente utilizzato in sostituzione del classico ELISA in quanto fornisce una semplice, nessuna strategia di lavaggio per rilevare e quantificare le proteine in appena due ore. Inoltre, ha un'ampia gamma rilevabile ed è scalabile con una lunga stabilità del segnale.

Leggete la nota applicativa: Normalizzazione dei saggi HTRF sulle citochine in funzione della vitalità cellulare

Specie reattive dell’ossigeno (ROS)

I ROS sono associati allo stress ossidativo e allo sviluppo del cancro. I lettori di micropiastre possono quantificare i livelli di ROS, aiutando i ricercatori a comprendere lo stato ossidativo delle cellule tumorali e come può contribuire alla progressione del cancro.

Leggete la nota applicativa: Misurazione delle specie reattive dell’ossigeno con i lettori per micropiastre SpectraMax

Analisi del ciclo cellulare

L’analisi del ciclo cellulare è uno studio importante spesso necessario nella ricerca sul cancro. Di solito, viene eseguita attraverso citometria a flusso. Tuttavia, il lettore per micropiastre multimodale SpectraMax® i3x dotato del citometro 300 per imaging SpectraMax® MiniMax™ può essere utilizzato per l’acquisizione e l’analisi di immagini di sferoidi FUCCI (indicatore del ciclo cellulare basato sull’ubiquitinazione fluorescente). Gli sferoidi FUCCI sono stati sviluppati per studiare la progressione del ciclo cellulare del cancro in quanto consentono l'identificazione delle cellule in varie fasi del ciclo cellulare. La tecnologia FUCCI è basata sull’iperespressione delle proteine dipendenti dal ciclo cellulare geminina e Cdt1, che sono fuse, rispettivamente, a un fluoroforo verde e a un fluoroforo rosso. I livelli di Cdt1 e geminina fluttuano in modo differenziale durante tutto il ciclo cellulare: I livelli di Cdt1 raggiungono il picco nella fase G1; mentre i livelli di geminina aumentano nella fase S, G2 e M tardiva. Ciò si traduce nel nucleo delle cellule che esprimono FUCCI che appaiono rosse nella fase G1 e verdi nella fase S, G2 e M (Figura 10). Sebbene questo saggio non sia indicato per gli screening HTS, è un saggio per micropiastre importante che può essere implementato una volta selezionati i conduttori composti per una caratterizzazione ulteriore e più profonda.

Leggete la nota applicativa: Acquisizione e analisi delle immagini di sferoidi con la tecnologia FUCCI sul citometro SpectraMax MiniMax

analisi del ciclo cellulare

Figura 10. Analisi del ciclo cellulare FUCCI. Le proteine del ciclo cellulare marcate con fluorescenza mCherry-Cdt e AmCyan-geminin sono espresse o degradate durante diverse fasi del ciclo cellulare in modo tale che le cellule appaiano rosse durante la fase G1 e verdi durante le fasi S, G2 e M. L’imaging cellulare può essere utilizzato per monitorare il ciclo cellulare in varie condizioni sperimentali.

Liberare il potenziale dei lettori per micropiastre nella ricerca sul cancro

Nonostante i significativi progressi nella comprensione delle basi molecolari e cellulari del cancro, c'è ancora molto da imparare sulle sue cause, sulla sua progressione e sui suoi potenziali trattamenti.

Abbiamo progettato questo eBook per fornire una panoramica approfondita e completa del ruolo dei lettori per micropiastre nella ricerca e nello sviluppo del cancro.

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Ebook di ricerca sul cancro
https://main--moleculardevices--hlxsites.hlx.page/en/assets/ebook/br/microplate-readers-in-cancer-research

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