Forschungstechnologien

High-Throughput-Screening

Per Serientest durch die Substanzbibliothek

Als Basis für die Wirkstoffentwicklung eignen sich nur Moleküle, die das Target (ein Zielprotein, das im Krankheitsprozess eine aktive Rolle spielt) hemmen oder aktivieren können. Um entsprechende Moleküle zu finden, durchkämmen die Wissenschaftler riesige Substanzbestände. Dabei hilft ihnen das hochmoderne High-Throughput-Screening (HTS), eine computerbasierte Serienprüfung mithilfe von Robotersystemen. Der sehr hohe Testdurchsatz ermöglicht die Prüfung von 300.000 Substanzen pro Tag; so dauert das Screening von Millionen Substanzen nur wenige Wochen.

Roboter testen im Miniaturformat

Bevor das HTS zum Einsatz kommt, entwickeln die Forscher bei Bayer spezielle Aktivitätstests, eine Arbeit, die einige Monate in Anspruch nehmen kann. Die Tests sollen anzeigen, ob eine Substanz mit dem Target biochemisch reagiert – ob sie etwa an das Zielprotein bindet, enzymatische Reaktionen auslöst oder Signalwege aktiviert. Zudem müssen sich die Tests für den Einsatz im automatisierten Verfahren eignen und auch bei kleinsten Substanzmengen anschlagen. Damit die Reaktion später messbar wird, enthält jeder Test einen Marker, der bei erfolgter Reaktion ein Lichtsignal aussendet.

Im High-Throughput-Screening gehen diese Tests in Serie. Roboter-Systeme befüllen Millionen Reaktionsgefäße mit den Testansätzen – exakt 50 Nanoliter Flüssigkeit pro Gefäß. Bei den Reaktionsgefäßen handelt es sich um winzige Vertiefungen (engl. wells) in sogenannten Mikrotiterplatten. Jede Platte hat 1536 dieser Vertiefungen. Auf einer einzelnen Mikrotiterplatte – von denen bei einem HTS-Durchgang Tausende im Einsatz sind – können somit 1536 biochemische oder zellbasierte (pharmakologische) Tests gleichzeitig durchgeführt werden.

Für die exakte Befüllung der Mikrotiterplatten mit mikroskopisch kleinen Mengen nutzt das System an dieser Stelle keine Pipetten: Vielmehr werden die Platten mit den Vertiefungen nach unten über die Testflüssigkeit gebracht. Ein Schallimpuls sorgt dafür, dass eine exakt berechenbare Flüssigkeitsmenge aufspritzt und sich im „Well“ der Platte absetzt.

Fluoreszenzlicht verrät den „Hit“

Bei Bayer wird mit dem HTS-Serientest in der Regel die hauseigene Substanzbibliothek mit derzeit drei Millionen chemischen Verbindungen systematisch durchforstet. Einen Treffer („Hit“) – das heißt, eine positive Reaktion zwischen Testsubstanz und Targetmolekül – erkennen die Wissenschaftler über verschiedene Nachweisverfahren. Häufig erfassen sie mit hochsensiblen Kameras (mit äußerst lichtempfindlichen CCD-Sensoren) Fluoreszenzlicht, das nach der Bindung einer Substanz an das Zielprotein freigesetzt wird. Eine computergestützte Auswertung der Lichtmenge zeigt dann die Substanzen an, die mit dem Target reagiert haben und damit als Wirkstoffkandidat in Frage kommen.