徕卡快速高内涵荧光成像系统加速治疗性抗体药物研发

应用专家 赵梦路
 
抗体药物在免疫、肿瘤治疗等多种应用中发挥越来越重要的作用，研究机构预测到2025年抗体药物市场规模将达到3000亿美元[1]，下图中红色代表2018年使用量多的10种抗体药物。

图1 时间轴显示从1975年开始研发成功的治疗性抗体及应用

虽然抗体药物市场巨大，但是每年通过FDA审核并成功上市的治疗性抗体依然非常少，从下图可以看出，上市药物少的很大原因是治疗性抗体药物研发存在流程复杂、体外和体内药效验证困难等原因。

图2 治疗性抗体药物临床前研究路线

下图可以看出传统药物筛选流程中没有影像学方法，整个研发数据单一，必须拿到上一步的结果方可进行下一步的研究。而影像学方法可以进行高通量筛选，允许同时评估多个抗体分子的效力和毒性，关键一点是影像学方法在药物筛选早期就可以拿到药物有无毒性作用，可以预测药物在人体的毒副作用，为更好的进行临床研究提供数据支持[2]。

图3 药物序列筛选和并行筛选

Leica THUNDER 3D极速高内涵活细胞培养成像系统是Leica全新研发的宽场快速高分辨荧光成像系统，拥有成像速度快、分辨率高、应用范围广、光毒性低和Navigator高通量采集与自动化处理数据等优点。
 

优势一 成像速度快

适合高通量快速筛选，视频中使用THUNDER拍摄96孔板，每孔三色荧光成像加10层 Z stack，终3.5分钟即可全部采集完成。

视频1 THUNDER快速多通道荧光数据采集

视频2 THUNDER自定义采集参数和随机性设置

高速多通道采集只是获取数据的前期步骤，自动化分析数据才能高效的获取结果。THUNDER可在Navigator流程中添加自动分析步骤，让数据采集完成自动进入分析流程，终将结果直接呈现出来，

图4 Navigator高通量采集后自动进入分析模块

优势二 高分辨率

传统宽场成像虽然可以快速采集数据，但是由于固有的光学结构无法有效滤除非焦信号造成的信号模糊、信噪比差，而点扫描共聚焦又受限于成像速度慢无法满足高通量筛选的需求。THUNDER快速高分辨荧光成像系统，基于宽场成像一次拍照即可达到136nm的超高分辨率成像，THUNDER在满足成像速度的同时具备高分辨率优势，超高分辨率和高信噪比图像使后期结构辨别、弱信号定量分析成为可能。

图5 THUNDER分辨细胞核中的DNA损伤位点

传统宽场显微镜由于非焦信号干扰和衍射极限的限制，无法分辨300nm以内距离较近的信号。图5中的观察病毒侵入细胞核中造成的损伤位点（黄色点信号），由于THUNDER在XY轴拥有136nm的超高分辨率，因此可以清楚分辨靠的比较近的损伤点，这一THUNDER图像可以进行更加准确的定量分析。

图6 神经细胞离体3D培养

在药物研究领域，经常需要验证药物分子对细胞结构及存活的影响。THUNDER图像具有高分辨率优势，可以在药物作用早期即可观察到细胞精细结构的改变，从而更灵敏的捕获药物对细胞生长增殖的影响，为后期临床研究提供数据支持。

图7 高信噪比图像助力细胞计数分析

图像模糊，信噪比不足一直都是图像后期分析的难题，THUNDER技术在细胞高通量计数分析方面，拥有天然的优势，高分辨和高信噪比的图像大大简化了后期分析难度，可以更方便的进行自动分析。
 

优势三 应用广，适用细胞和模式动物

随着技术的进步，抗体药物临床前研究已经不再局限在单细胞水平的疗效验证，而是涌现出越来越多的新技术渗透到活性分子的筛选中。由于抗体药物在离体细胞中的代谢与在体内情况有很大不同，如何缩小作用环境的差距成为时下研究的热点，比如可以通过类器官的构建来研究和体内相似的微环境及渗透屏障，可以在斑马、鱼线虫等模式动物活体水平研究抗体药物在体内环境的靶向性等等。这样一系列复杂的模型都需要一种观察深度大、应用范围广的成像技术，THUNDER恰好可以满足这些需求。

视频3 Pseudoislets （pancreatic beta cells）(pancreatic beta cMIN6 cells grown as pseudoislets ells). DAPI (blue), Insulin (Alexa488, green), membrane receptor (Alexa594, red), phalloidin (Alexa647, white).
Sample courtesy Dr. Rémy Bonnavion, MPI for Heart and Lung Research, Bad Nauheim

视频中胰岛类器官由于具有三维立体结构，所以荧光显微镜无法分辨胰岛素分泌的具体情况，THUNDER高分辨成像解决了这一难题，同时THUNDER拍摄深度深的优点也让整个类器官都可以清楚的观察。

视频4 Lung Organoid Mouse lung organoids derived from alveola stem and progenitor cells
20x Air through 1mm plastic bottom
Sample courtesy Dr. Pumaree Kanrai, MPI for Heart and Lung Research, Bad Nauheim (Germany).

肺类器官是培养中普通塑料培养板中的样本，从参数可以看出THUNDER成像不仅可以清楚分辨肺泡细胞的位置，而且使用厚底培养容器和长工作距离物镜不影响THUNDER高分辨拍摄，因此THUNDER可以拍摄几乎所有培养容器，覆盖单细胞到大体积类器官样本，具有非常广泛的应用范围。

图8 线虫模式动物THUNDER成像

图9 线虫体细胞计数自动分析

在模式动物成像方面，THUNDER依然可以做到体细胞水平的成像，并且在大尺度深度采集后可以自动进行计数分析，方便评估药物在体内代谢和对体细胞的毒性作用。

总结

THUNDER是Leica的超高分辨、高信噪比快速荧光成像系统，可以覆盖单细胞、组织、类器官和活体动物等大部分研究领域。由于THUNDER具有快速高分辨的特点，因此所以可助力抗体药物临床前研究，可应用于治疗性抗体药物的体外细胞水平药效筛选和体内活性药效验证等试验，可助力抗体药物活性筛选、杀伤效果验证、早期细胞毒性发现等方面研究。
针对抗体研究中细胞遇到的细胞、类器官和活体模式动物等样本，THUNDER倒置平台和体视镜平台可以完美的覆盖。而在分子水平，由于传统光学衍射限制，无法直接观察分子间的结合及相互作用强弱，Leica FALCON可以提供FLIM-FRET方案，可以超越衍射极限限制，实现分子水平相互作用检测。基于荧光寿命系统的FRET检测不受荧光染色、漂白等强度因素影响，可以更加准确的检测分子间的相互作用。

参考文献：
1. Development of therapeutic antibodies for the treatment of diseases. Luet al. Journal of Biomedical Science(2020) 27:1 
2. Cellular imaging in drug discovery. NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY(2006)343:5