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Kombinatorisches Wirkstoffdesign

Automatische Testverfahren (High-Troughput-Screening, HTS)

In der kombinatorischen Chemie wird eine möglichst große Vielfalt potenzieller Wirkstoffe synthetisiert. Dies führt in kurzer Zeit zu einer ungeheuren Anzahl von Substanzen, deren biologische Wirksamkeit überprüft werden muss. Daher kam es erst mit der Entwicklung des computerunterstützten Synthesedesigns sowie der robotikgesteuerten vollautomatischen Screening- und Analysemethoden ab etwa 1995 zum Durchbruch der kombinatorischen Chemie. Im Zentrum steht dabei das so genannte High-Throughput-Screening (HTS). Die Hauptvorteile des HTS sind:

  • Automatisierung: Mittels rechnergesteuerter Roboteranlagen können in wenigen Wochen 100.000 und mehr chemische Verbindungen experimentell auf ihre biologische Wirkung geprüft werden.
  • Miniaturisierung: Kleine und effiziente in-vitro Testsysteme können auf Mikrotiterplatten (microtiter plates, MTPs) durchgeführt werden. 96-well: klassisches Format, Testvolumen: ~100 µl; 384-well: Standardformat, Testvolumen: ~20-30 µl; 1536-well: zukünftiger Standard, Testvolumen: ~2-8 µl.
  • Skalierbarkeit: Tests liefern nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Ergebnisse, Stärke der Bioaktivität.
Abb.1
Vollautomatische roboterisierte HTS-Anlage
Boehringer Ingelheim Pharma KG

In der Bildmitte ist die Fahrschiene des Robotors dargestellt.

Abb.2
Entnahme einer Mikrotiterplatte durch den Roboter
Boehringer Ingelheim Pharma KG

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Beim HTS werden alle Versuchsabschnitte von Robotern ausgeführt, d.h. sowohl die Entnahme der Mikrotiterplatten (MTPs) aus den Inkubatoren, den Wechsel des Lösungsmittels in den einzelnen Reaktionskammern der MTPs sowie die Positionierung der MTPs in Messgeräten (z.B. Fluoreszenzphotometern) und die Registrierung der Messdaten und das individuelle Etikettieren (z. B. mit Bar-Code-Labeln) jeder einzelnen Platte. Spezielle Nachweisexperimente wie z.B. der Luciferase-Assay, können automatisch pipettiert werden. Die Resultate werden für eine einfache und schnelle Detektion von "Hits" grafisch aufbereitet.

Abb.3
Automatischer Pipettor mit 384 Pipetten
Boehringer Ingelheim Pharma KG
Abb.4
Der Roboter entnimmt dem Inkubator eine Mikrotiterplatte
Boehringer Ingelheim Pharma KG

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Damit hat sich das HTS inzwischen zur Kerntechnologie im Forschungsprozess entwickelt. Beispielsweise beruhen mehr als 60 % der derzeit vollentwickelten Leitstruktur-Optimierungsprogramme bei Boehringer Ingelheim auf Erfolgen des HTS. Neben der klassischen HTS mit ca. 10.000 bis 100.000 Tests pro Tag werden inzwischen auch ultra-HTS (uHTS) Systeme gefahren, die weit mehr als 100.000 Tests pro Tag durchführen können.

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