High-Throughput Screening là gì? Công nghệ cách mạng hóa nghiên cứu dược phẩm và sinh học

1. High-Throughput Screening là gì? Định nghĩa chi tiết

1.1 Khái niệm cơ bản về High-Throughput Screening

High-Throughput Screening (HTS), được dịch sang tiếng Việt là Sàng lọc hiệu suất cao hoặc Sàng lọc thông lượng cao, là một phương pháp khoa học tiên tiến sử dụng công nghệ và phần mềm phân tích để thực hiện một số lượng cực lớn các thí nghiệm sinh học, hóa học, hoặc dược lý trong thời gian ngắn.

Hiểu một cách đơn giản, High-Throughput Screening là quá trình “sàng lọc” một thư viện mẫu khổng lồ – có thể lên tới hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu hợp chất khác nhau – nhằm tìm ra những “ứng viên tiềm năng” có hoạt tính sinh học mong muốn. Những hoạt tính này có thể bao gồm: ức chế virus, kích hoạt enzyme, tiêu diệt tế bào ung thư, điều hòa protein, hoặc bất kỳ tác động sinh học nào khác mà các nhà khoa học đang tìm kiếm.

1.2. Sự khác biệt giữa High-Throughput Screening và phương pháp truyền thống

Trước kỷ nguyên của High-Throughput Screening, việc tìm kiếm một loại hợp chất mới là một hành trình gian nan, tốn kém và đầy may rủi. Các nhà khoa học phải thử nghiệm từng hợp chất một theo cách thủ công, một quá trình có thể kéo dài hàng thập kỷ với chi phí lên đến hàng tỷ đô la. 

Áp lực cần rút ngắn thời gian khám phá thuốc, giảm thiểu chi phí và nâng cao xác suất thành công chính là động lực thúc đẩy sự ra đời của High-Throughput Screening, đánh dấu sự chuyển mình từ nghiên cứu “thủ công” sang nghiên cứu “công nghiệp hóa”, nơi quy mô và tốc độ được đặt lên hàng đầu.

Bảng so sánh: High-Throughput Screening vs. Phương pháp truyền thống

Đặc điểm	High-Throughput Screening	Phương pháp thủ công ruyền thống
Tốc độ	10.000 đến >100.000 phản ứng/ngày	Vài chục đến vài trăm phản ứng/tuần
Quy mô	Hàng triệu hợp chất được sàng lọc	Chỉ vài trăm đến vài nghìn hợp chất
Độ chính xác	Rất cao, nhờ tự động hóa, loại bỏ sai số con người	Thấp hơn, phụ thuộc vào kỹ năng kỹ thuật viên
Chi phí / Mẫu	Rất thấp (nhờ thu nhỏ quy mô và tự động hóa)	Cao (tốn kém hóa chất, nhân công, thời gian)
Khả năng tái lập	Tuyệt vời, được lập trình sẵn	Hạn chế, dễ biến động giữa các lần thí nghiệm
Loại dữ liệu	Dữ liệu lớn (Big Data), phong phú, có cấu trúc	Dữ liệu rời rạc, ít, khó tổng hợp

2. Quy trình hoạt động của High-Throughput Screening

Để hiểu rõ High-Throughput Screening là gì, chúng ta cần nắm vững quy trình hoạt động của nó. Dưới đây là các bước chi tiết trong một chiến dịch sàng lọc điển hình:

2.1 Bước 1: Xác định mục tiêu và thiết kế thử nghiệm

Đây là bước quan trọng nhất, quyết định sự thành bại của toàn bộ dự án. Các nhà khoa học phải thiết kế một hệ thống thử nghiệm sinh học nhạy cảm và đặc hiệu, có khả năng chuyển đổi một tương tác sinh học (ví dụ: một hợp chất gắn vào protein mục tiêu) thành một tín hiệu vật lý có thể đo lường được.

• Xác định mục tiêu (Target Identification): Mục tiêu thường là một phân tử cụ thể có liên quan đến bệnh lý, như một loại protein, enzyme, receptor hoặc thậm chí là một gene.
• Thiết kế hệ thống thử nghiệm: hệ thống thử nghiệm phải được tối ưu hóa để hoạt động trong các giếng nhỏ (wells), cho tín hiệu rõ ràng và ổn định. Các loại hệ thống thử nghiệm phổ biến bao gồm hệ thống thử nghiệm huỳnh quang, phát quang, quang phổ…

2.2 Bước 2: Chuẩn bị thư viện hợp chất và tấm vi lượng

Quản lý thư viện hợp chất: Các hợp chất được lưu trữ trong điều kiện nghiêm ngặt (thường ở nhiệt độ -20°C hoặc -80°C) để duy trì tính ổn định. Mỗi hợp chất được gán một mã số duy nhất và được theo dõi bằng hệ thống quản lý dữ liệu.

Pha loãng và phân bổ: Các hợp chất được pha loãng đến nồng độ thử nghiệm và được phân phối vào các tấm mẹ (master plates). Từ đây, robot sẽ tạo ra các tấm con (daughter plates) cho từng lần thử nghiệm.

Chuẩn bị tấm phản ứng: Robot tự động phân phối các thành phần thử nghiệm vào vi tấm theo thứ tự chính xác:

• Dung dịch đệm (buffer)
• Mục tiêu sinh học (protein, tế bào, enzyme…)
• Hợp chất thử nghiệm
• Thuốc thử phát hiện (nếu cần)

2.3. Bước 3: Ủ và phản ứng

Sau khi tất cả các thành phần được thêm vào, các vi tấm được đặt trong điều kiện ủ thích hợp:

• Nhiệt độ: Thường là 37°C cho các phản ứng sinh học, hoặc nhiệt độ phòng cho một số thử nghiệm khác.
• Thời gian: Từ vài phút đến vài giờ, tùy thuộc vào loại phản ứng.
• Môi trường: Có thể cần điều kiện đặc biệt như nồng độ CO2 nhất định cho nuôi cấy tế bào.

Trong thời gian này, các hợp chất có hoạt tính sẽ tương tác với mục tiêu sinh học và tạo ra tín hiệu có thể đo được.

2.4. Bước 4: Phát hiện và đo lường tín hiệu

Sau một thời gian ủ (incubation) nhất định, các tấm vi giếng được đưa đến các máy đọc (Readers) để đo lường tín hiệu. Các công nghệ phát hiện tiên tiến bao gồm:

• Máy đọc huỳnh quang (Fluorescence Readers): Đo cường độ ánh sáng phát ra từ các phân tử huỳnh quang, rất nhạy và phổ biến.
• Máy đọc phát quang (Luminescence Readers): Đo ánh sáng được tạo ra từ các phản ứng hóa học (như phản ứng của Luciferase).
• Máy quang phổ (Spectrophotometers): Đo sự hấp thụ ánh sáng của mẫu vật.
• Kính hiển vi tự động (Automated Microscopy): Được sử dụng trong High-Content Screening (HCS) để chụp lại hình ảnh tế bào và phân tích đa thông số.

Mỗi giếng trở thành một điểm dữ liệu, và mỗi tấm vi giếng tạo ra hàng nghìn điểm dữ liệu. Một ngày vận hành HTS có thể tạo ra hàng terabyte dữ liệu thô.

2.4. Bước 5: Thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu

Dữ liệu thô từ các thiết bị phát hiện được thu thập tự động và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trung tâm, sau đó được đưa vào các phần mềm chuyên dụng để:

• Kiểm soát chất lượng (Quality Control): Loại bỏ các giếng bị lỗi kỹ thuật (bọt khí, nhiễm bẩn…).
• Chuẩn hóa dữ liệu (Data Normalization): So sánh tín hiệu của từng giếng với các giếng đối chứng dương (positive control – biết chắc có hoạt tính) và đối chứng âm (negative control – biết chắc không có hoạt tính).
• Phân tích thống kê và xác định “Hit”: Một ngưỡng thống kê được thiết lập (ví dụ: hợp chất có hoạt tính mạnh hơn 3 lần độ lệch chuẩn so với giá trị trung bình của đối chứng âm). Những hợp chất vượt qua ngưỡng này được xác định là “Hit” – những ứng viên sáng giá cho các vòng thử nghiệm tiếp theo.

3. Ứng dụng thực tế của High-Throughput Screening

Việc hiểu High-Throughput Screening là gì sẽ không đầy đủ nếu không xem xét các ứng dụng thực tế của nó. HTS đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

3.1. Khám phá và phát triển thuốc mới

Đây là lĩnh vực mà High-Throughput Screening tạo ra tác động rõ rệt nhất. Hầu hết các loại thuốc lớn ngày nay, từ thuốc điều trị ung thư nhắm trúng đích (Targeted Therapy) đến các loại thuốc kháng virus, đều có nguồn gốc từ một “Hit” được phát hiện bởi HTS. Quy trình bao gồm:

• Sàng lọc để tìm chất ức chế enzyme.
• Sàng lọc để tìm chất điều biến receptor.
• Sàng lọc để tìm các phân tử có khả năng tiêu diệt tế bào ung thư.

3.2. Nghiên cứu sinh học cơ bản và chức năng gene

HTS là công cụ đắc lực để trả lời những câu hỏi cơ bản về sinh học.

• Sàng lọc RNAi/CRISPR: Bằng cách “tắt” (knockdown) hoặc “bật/tắt” (knockout) hàng nghìn gene một cách có hệ thống và quan sát hậu quả, các nhà khoa học có thể xác định chức năng của từng gene.
• Nghiên cứu tín hiệu tế bào: Tìm hiểu các con đường truyền tín hiệu phức tạp bên trong tế bào.

3.4. Khoa học vật liệu 

Ngoài lĩnh vực sinh học, High-Throughput Screening đang cách mạng hóa việc tìm kiếm vật liệu mới. Các nhà khoa học có thể sàng lọc hàng nghìn thành phần hóa học khác nhau để tìm ra:

• Chất xúc tác mới hiệu quả hơn cho các phản ứng hóa học.
• Vật liệu mới cho pin mặt trời thế hệ tiếp theo, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn.
• Hợp kim hoặc polymer mới với độ bền và tính chất cơ học vượt trội.

4. High-Throughput Screening tích hợp công nghệ tiên tiến

High-Throughput Screening đang bước vào kỷ nguyên thông minh, nơi Trí tuệ Nhân tạo (AI) và Máy học (Machine Learning) đóng vai trò không chỉ là công cụ phân tích mà còn là trung tâm thiết kế chiến lược sàng lọc. Sự hội tụ này đã biến HTS từ phương pháp dò tìm quy mô lớn (brute-force) thành quy trình khám phá có hướng dẫn và tối ưu hóa.

HTS được tối ưu hóa nhờ vào hệ thống tự động hóa bậc cao, được quản lý thông minh:

• Tự động hóa và Robotics: Các cánh tay robot chính xác và các hệ thống phân phối chất lỏng siêu nhỏ (nanoliter) thực hiện các bước thử nghiệm, đảm bảo tốc độ 24/7 và độ chính xác tuyệt đối.
• IIoT (Internet Vạn vật Công nghiệp): Toàn bộ hệ thống HTS – từ máy đọc tín hiệu, robot di chuyển, đến tủ ấm nuôi cấy tế bào – đều được kết nối. Cảm biến liên tục thu thập dữ liệu về hiệu suất máy, nhiệt độ, độ rung và các thông số môi trường quan trọng. Dữ liệu này cho phép giám sát thời gian thực và kích hoạt bảo trì dự đoán, đảm bảo chất lượng thử nghiệm không bị gián đoạn và dữ liệu đầu ra là đáng tin cậy.

Nhận tư vấn miễn phí

Bên cạnh đó, công nghệ AI/ML khai thác dữ liệu từ HTS và IIoT để cung cấp trí tuệ cho quá trình khám phá:

• Sàng Lọc Ảo (Virtual Screening – VS): Đây là bước lọc đầu tiên. Các mô hình ML học từ hàng triệu dữ liệu HTS trong quá khứ để dự đoán hoạt tính của hàng tỷ hợp chất hóa học. Thay vì thử nghiệm tất cả, VS giúp thu hẹp danh sách ứng viên từ hàng tỷ xuống chỉ còn hàng chục nghìn, tiết kiệm chi phí và thời gian đáng kể.
• Học tập Chủ động (Active Learning) và Sàng lọc Lặp lại: Đây là bước tiến thông minh. Sau khi HTS thực hiện một lô thử nghiệm nhỏ, AI phân tích ngay lập tức. Sau đó, mô hình AI/ML sẽ tự động đề xuất lô hợp chất tiếp theo nên được thử nghiệm. Quá trình lặp đi lặp lại này giúp hệ thống học hỏi liên tục và tập trung nguồn lực vào các khu vực hóa học có tiềm năng thành công cao nhất.

VTI Solutions cung cấp các giải pháp IioT, Robotics và AI/ML với khả năng tùy chỉnh cao cho phép đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng doanh nghiệp. Liên hệ với chúng tôi để tiến tới xây dựng một hệ sinh thái nghiên cứu thông minh, tự chủ và có khả năng dự đoán ngay!

5. Kết luận

High-Throughput Screening đã chứng minh được giá trị không thể phủ nhận của mình trong việc định hình tương lai của khoa học sự sống và vật liệu. Với sự hội tụ của robot học, trí tuệ nhân tạo và sinh học tiên tiến, HTS đang trên đà trở thành xương sống của mọi nỗ lực nghiên cứu quy mô lớn trong thế kỷ 21.

Đối với bất kỳ tổ chức nào muốn đi đầu trong cuộc đua đổi mới, việc thấu hiểu và tận dụng sức mạnh của HTS không còn là một lựa chọn, mà là một yêu cầu tất yếu để tồn tại và phát triển.

 

5432100/5 - (0 bình chọn)