藥物研發(fā)的早期階段，篩選化合物是個(gè)苦差事。傳統(tǒng)的高通量篩選（HTS）像流水線上的質(zhì)檢員：把候選藥物加到細(xì)胞里，測(cè)一個(gè)指標(biāo)——通常是細(xì)胞是死是活，或者某個(gè)特定蛋白的活性。結(jié)果出來(lái)了，要么有效，要么無(wú)效。簡(jiǎn)單，直接，但丟掉了大量信息。

高內(nèi)涵分析，看見(jiàn)更多

高內(nèi)涵分析（HCA）換了個(gè)思路。它不滿足于一個(gè)終點(diǎn)數(shù)據(jù)，而是想看看藥物對(duì)細(xì)胞到底做了什么——細(xì)胞核變大了還是變小了？某個(gè)蛋白從細(xì)胞膜跑到了細(xì)胞質(zhì)里？線粒體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否斷裂？這些變化需要一雙看得足夠細(xì)致的眼睛，還得有本事從成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞里把這些特征一個(gè)一個(gè)數(shù)出來(lái)。

以橫河電機(jī)的CellVoyager系列為例。CQ1、CQ3000到CV8000，它們的核心是一套高速轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡。CQ1是緊湊型臺(tái)式系統(tǒng)，適合常規(guī)實(shí)驗(yàn)室；CQ3000增加了水浸物鏡和雙攝像頭選項(xiàng)，可以同時(shí)拍兩個(gè)顏色；CV8000則是功能更全面的篩選平臺(tái)，最多能裝四個(gè)攝像頭，一個(gè)96孔板一分鐘內(nèi)完成四色成像。

這些系統(tǒng)都采用Nipkow轉(zhuǎn)盤技術(shù)。一個(gè)盤上密布約兩萬(wàn)個(gè)微透鏡，另一個(gè)盤上有對(duì)應(yīng)的針孔陣列。多光束并行掃描，每秒能捕捉上千幀圖像，而且光毒性極低——細(xì)胞在鏡頭下連續(xù)觀察幾天，依然能正常分裂。CQ3000甚至能以每秒100幀的速度捕捉心肌細(xì)胞的搏動(dòng)，把鈣信號(hào)的快速波動(dòng)完整記錄下來(lái)。

從2D到3D，從死細(xì)胞到活細(xì)胞

HTS大多在培養(yǎng)皿的單層細(xì)胞上做，加藥、孵育、讀板，一氣呵成。但人體內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)在三維環(huán)境中，被細(xì)胞外基質(zhì)包裹，與鄰居有物理接觸。二維培養(yǎng)的結(jié)果經(jīng)常在三維驗(yàn)證階段失效。

高內(nèi)涵分析系統(tǒng)有能力直接對(duì)球體、類器官等3D模型成像。CQ1可以對(duì)96孔板里的球體進(jìn)行三維掃描和量化分析，無(wú)需把細(xì)胞從培養(yǎng)皿里取出來(lái)。CV8000配備的高數(shù)值孔徑水浸物鏡，專為穿透較厚的樣本設(shè)計(jì)，拍出的類器官圖像層次分明。物載培養(yǎng)箱內(nèi)置在系統(tǒng)中，溫度、濕度、二氧化碳濃度精準(zhǔn)控制，HeLa細(xì)胞在其中培養(yǎng)72小時(shí)，增殖曲線與常規(guī)培養(yǎng)箱幾乎重合。

信息量不在一個(gè)量級(jí)

HTS的讀數(shù)通常是一個(gè)數(shù)值——熒光強(qiáng)度、發(fā)光值。它回答的是“有沒(méi)有效果”這個(gè)二元問(wèn)題。HCA產(chǎn)生的數(shù)據(jù)則豐富得多：每個(gè)細(xì)胞可以提取出數(shù)百個(gè)特征參數(shù)——大小、形狀、紋理、熒光強(qiáng)度分布、亞細(xì)胞定位等等。以細(xì)胞繪畫（CellPainting）實(shí)驗(yàn)為例，用多種熒光染料分別標(biāo)記細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、肌動(dòng)蛋白等結(jié)構(gòu)，一次實(shí)驗(yàn)就能獲得細(xì)胞形態(tài)的全局視圖。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究者可以從圖像中自動(dòng)識(shí)別出藥物誘導(dǎo)的表型變化，甚至發(fā)現(xiàn)意料之外的效應(yīng)。

CellPathfinder分析軟件內(nèi)置了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模塊。研究者手動(dòng)圈出幾張典型圖像，軟件學(xué)會(huì)特征后，自動(dòng)從數(shù)萬(wàn)張圖片里挑出同類對(duì)象。對(duì)于明場(chǎng)圖像這類無(wú)染色的樣本，CE明場(chǎng)功能通過(guò)計(jì)算生成類似熒光染色的效果，讓無(wú)標(biāo)記分析成為可能。

自動(dòng)化的層次不同

HTS早已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化：機(jī)械臂取板、洗板、加樣、讀板，全程無(wú)人值守。HCA的自動(dòng)化更復(fù)雜一些。CV8000集成了機(jī)器人移液器，可以在成像中途自動(dòng)添加藥物，捕捉細(xì)胞對(duì)刺激的即時(shí)反應(yīng)。目標(biāo)搜索功能先用低倍鏡掃描整個(gè)孔，根據(jù)預(yù)設(shè)條件鎖定目標(biāo)位置，再切換高倍鏡精細(xì)成像——這在類器官篩選中尤其有用，因?yàn)椴皇敲總€(gè)孔里都能長(zhǎng)出大小均勻的球體。

互補(bǔ)而非替代

HTS和HCA不是非此即彼的選擇。前者的價(jià)值在于速度：一天之內(nèi)篩選幾十萬(wàn)個(gè)化合物，快速縮小候選范圍。后者的價(jià)值在于深度：對(duì)少數(shù)化合物進(jìn)行精細(xì)的表型分析，判斷是否值得推進(jìn)到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。一個(gè)典型的策略是：先用HTS找出初步活性的化合物，再用HCA評(píng)估它們對(duì)細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的影響，剔除那些有明顯毒性或脫靶效應(yīng)的分子。

從CQ1到CQ3000到CV8000 ，橫河電機(jī)的產(chǎn)品線覆蓋了不同通量、不同復(fù)雜度的應(yīng)用場(chǎng)景。它們的共同點(diǎn)是對(duì)活細(xì)胞的尊重——低光毒性、穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)追蹤。這背后是一個(gè)簡(jiǎn)單的理念：讓藥物研發(fā)的決策，建立在更接近生理狀態(tài)的細(xì)胞信息之上。