В вековой борьбе между людьми и микробами, кажется, снова наступает наступление бактерий. Только около десятка классов химических веществ защищают нас от множества патогенов, населяющих нашу окружающую среду. Многочисленные агентства, в том числе Всемирная организация здравоохранения и Центры по контролю и профилактике заболеваний, недавно предупредили, что развитие резистентности может вскоре сделать обычные антибиотики бесполезными, и что в разработке находится несколько заменяющих препаратов.
Нехватка новых противомикробных препаратов не является результатом отсутствия у ученых химических веществ-кандидатов. Миры грибов и растений изобилуют потенциальными противомикробными препаратами, и химики постоянно придумывают новые синтетические молекулы. Однако на лабораторном столе возникает серьезная проблема.
Любое соединение-кандидат должно быть протестировано в нескольких концентрациях против нескольких штаммов бактерий в различных формах. Это остается обременительным процессом с многочисленными трудоемкими и трудоемкими этапами, которые в настоящее время сотрудники лаборатории должны выполнять вручную.Но исследователь NIST Сэмюэл Форри и его коллеги убеждены, что этот процесс можно значительно ускорить с помощью автоматизации. Для этого Форри и его команда обратились к одному из самых мощных инструментов фармацевтической промышленности: высокопроизводительному скринингу.
В течение нескольких десятилетий компании обычно использовали автоматизированные системы для тестирования потенциального воздействия лекарств на клетки млекопитающих в культуре. В этих исследованиях роботы готовят образцы клеток в наборах небольших пластиковых лунок, вводят отмеренное количество лекарств и проверяют, живы ли клетки или умирают. Этот метод позволяет быстро оценивать несколько химических веществ в разных концентрациях, все параллельно и с минимальным вмешательством человека.По словам Форри, высокопроизводительный скрининг имеет ограниченное применение для открытия антимикробных препаратов, потому что доступны меньше денег на исследования и разработки, а также из-за больших различий между микробными популяциями и условиями роста.
В надежде стимулировать развитие отрасли Форри и его команда адаптировали высокопроизводительного скринингового робота для тестирования на противомикробные препараты. Исследователи протестировали набор противомикробных соединений, известных как соли пиридиния, против обычной бактерии Streptococcus mutans, вызывающей кариес.
Отчасти проблема определения полезных антимикробных соединений заключается в том, что химические вещества, убивающие свободно плавающие клетки, часто менее эффективны против тех же бактерий, которые растут в биопленках, таких как налет, который может образовываться на зубах. Таким образом, команда Форри использовала автоматизацию для культивирования как свободно плавающих клеток, так и биопленок, а также промежуточного состояния, бок о бок в 96-луночных планшетах. Исследователи измерили антимикробную активность тремя различными способами, определив концентрации, которые снижают активность бактерий наполовину, предотвращают любую обнаруживаемую активность и полностью убивают бактерии.
Они определили эффекты лекарств с высокой пропускной способностью, измеряя свет, проходящий через лунки, или используя химические вещества, которые меняют цвет, чтобы указать на метаболическую активность.Команда обнаружила, что автоматизированная система дала результаты, неотличимые от результатов, полученных при проведении экспериментов вручную. Что еще более важно, роботу потребовалось лишь втрое меньше времени, чем у людей, он высвободил лабораторный персонал для выполнения других задач и выполнил процедуры без ошибок. «Это огромное улучшение с точки зрения рабочего процесса лаборатории и большое благо для людей, пытающихся идентифицировать и охарактеризовать противомикробные препараты», — говорит Форри.
Испытания не были полностью автоматизированы — например, исследователи вручную перемещали образцы из инкубатора в скринингового робота, — но Форри говорит, что его команда продемонстрировала концепцию, и существующие технологии могут выполнить оставшиеся шаги. Он ожидает, что другие исследовательские лаборатории первыми примут эту технологию на вооружение, а за ними — фармацевтические компании. «Как только некоторые люди начнут использовать это и обнаружат, что это работает для них так же, как это работает для нас, я легко смогу увидеть, как компании и контрактные лаборатории делают это».