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在药物研发中，高通量形态学分析意义重大。研究人员针对 EU-OPENSCREEN 生物活性化合物集开展 Cell Painting 分析研究，产生多组高质量数据。结果表明该数据集可探索化合物生物活性、预测作用机制，为药物研发提供关键参考。
在药物研发的漫漫长路上，传统的单一生物靶点高通量筛选方法逐渐显露出局限性。它就像在黑暗中拿着一个聚光灯，只能照亮一小片区域，难以全面地发现小化学化合物的多种生物活性。而高通量形态学分析，尤其是基于 Cell Painting 分析的方法，为药物研发带来了新的曙光。它能像多面镜子一样，同时捕捉细胞多个区域的形态变化，从而快速预测化合物的生物活性，极大地推动了药物研发早期阶段的进程。但目前，该领域缺乏大规模、高质量的数据源，难以全面地对小分子及其活性进行详尽的表征。在这样的背景下，为了填补这一空白，来自德国莱布尼茨分子药理学研究所（Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie）等多个欧洲研究机构的研究人员，开展了一项极具意义的研究。
研究人员聚焦于 EU-OPENSCREEN 生物活性化合物集，运用 Cell Painting 分析技术，在四个不同的成像地点，使用 Hep G2 和 U-2 OS 细胞系，生成了多个数据集。经过一系列严格的实验优化和数据处理流程，最终得到了高质量、高重复性的数据集。该研究成果发表在《iScience》杂志上，为药物研发领域提供了重要的参考依据。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 Cell Painting 分析技术，这是一种基于高内涵成像的形态学分析方法，通过使用六种荧光染料对细胞的八个主要区域进行染色，能够全面地揭示细胞在受到化合物干扰后的形态变化。其次是图像特征提取技术，利用 CellProfiler 等工具，从生成的图像中提取出 2977 个手工制作的图像特征，这些特征就像是细胞的 “指纹”，能够定量地描述细胞的表型变化。此外，研究人员还运用了多种数据处理和分析技术，如数据归一化、特征选择和降维分析等，以确保数据的质量和可分析性。
下面来详细看看研究结果：
- EU-OPENSCREEN 生物活性化合物集特征：该化合物集包含 2464 种化合物，96% 的化合物至少有一个注释靶点。大多数化合物具有多个靶点，靶点涉及多种类型和众多信号通路。通过与 JUMP-CP 化合物集对比，发现有 1210 种化合物重合。这表明该化合物集具有广泛的代表性和研究价值，为后续的实验提供了丰富的样本资源。
- Cell Painting 分析实验过程及数据质量：实验在四个不同成像地点进行，每个地点对化合物集进行四次重复实验。使用 Hep G2 细胞系为主，部分地点还使用了 U-2 OS 细胞系。通过优化实验方案，如统一细胞培养血清、细胞和荧光染料批次等，提高了数据的可比性和质量。从原始图像中提取的大量数据经过严格的质量控制和处理，确保了数据的可靠性。
- 化合物的毒性、活性及数据集质量评估：研究发现，只有 3 - 7% 的化合物对细胞有毒性作用，Hep G2 细胞对化合物的毒性更具抗性。通过诱导评分评估化合物活性，发现 U-2 OS 数据集和 Hep G2 数据集表现出不同的活性特征。同时，数据集的形态学特征在不同细胞系和成像地点具有高度的重复性，这为后续的数据分析和比较提供了坚实的基础。
- Hep G2 和 U-2 OS 细胞系比较：对比两种细胞系发现，Hep G2 细胞对毒性化合物的敏感性较低，在给定浓度下，其对化合物的形态学反应更小。通过对特征重叠、毒性化合物和低活性化合物的分析，发现两种细胞系在这些方面存在一定的差异和重叠。这有助于深入了解不同细胞系对化合物的反应机制，为药物研发提供更有针对性的参考。
- 形态学特征分析：利用 UMAP 进行降维分析，直观地展示了不同化合物在特征空间中的分布情况。发现有毒化合物在 U-2 OS 细胞的特征空间中分布广泛，与阳性对照密切相关；而在 Hep G2 细胞中，有毒化合物分布在较小区域，且与阳性对照 nocodazole 分离。此外，还通过分析特定特征，如细胞衰老相关特征，进一步验证了该数据集在研究细胞特定现象方面的有效性。
研究结论和讨论部分再次强调了该研究的重要意义。研究人员提供的全面 Cell Painting 数据集，不仅为评估不同技术因素对形态学特征的影响提供了有力支持，还为开发标准化不同成像地点数据集的方法奠定了基础。该数据集作为 EU - OPENSCREEN 更大化合物集的重要参考，将有助于发现新的化合物性质和作用机制，加速早期药物研发进程。同时，研究也指出了目前研究存在的局限性，如不同成像地点数据的可比性问题、化合物浓度对生物活性评估的影响以及作用机制预测的技术挑战等，为后续研究指明了方向。总之，这项研究为药物研发领域开辟了新的道路，具有重要的理论和实践价值。
