เหตุใดจานหลุม (Well Plates) จึงเป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการคัดกรองแบบความเร็วสูง (High-Throughput Screening)

ในสาขาวิทยาศาสตร์สิ่งมีชีวิตสมัยใหม่และการค้นพบยา ความสามารถในการประมวลผลตัวอย่างพร้อมกันหลายร้อย หรือแม้แต่หลายพันตัวอย่าง ได้กลายเป็นข้อกำหนดพื้นฐานที่จำเป็น แผ่นเวลล์ (well plates) ได้ก้าวขึ้นเป็นเทคโนโลยีหลักที่ทำให้ความสามารถดังกล่าวเป็นจริง โดยมอบแพลตฟอร์มที่ได้มาตรฐาน มีความยืดหยุ่นในการขยายขนาด และมีประสิทธิภาพสูงสำหรับการทดลองแบบขนานแก่นักวิจัย หาไม่มีเครื่องมือที่ออกแบบด้วยความแม่นยำเหล่านี้ อัตราความเร็วของการวิจัยด้านเภสัชกรรม พันธุศาสตร์ และชีววิทยาเซลล์จะลดลงอย่างมาก และต้นทุนในการค้นพบก็จะสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

บทบาทของแผ่นหลุม (well plates) ในการคัดกรองแบบความเร็วสูง (high-throughput screening: HTS) นั้นลึกซึ้งกว่าการเก็บตัวอย่างเพียงอย่างเดียวเป็นอย่างมาก รูปแบบหลุมหลายช่องเหล่านี้ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำเพื่อรองรับระบบอัตโนมัติ ลดการใช้สารเคมีให้น้อยที่สุด ลดการปนเปื้อนข้ามระหว่างตัวอย่าง และให้ผลลัพธ์ที่สามารถทำซ้ำได้อย่างเชื่อถือได้จากการทดลองพร้อมกันหลายพันรายการ การเข้าใจว่าเหตุใดแผ่นหลุมจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อกระบวนการทำงานแบบ HTS จำเป็นต้องพิจารณาตรรกะในการออกแบบ ความหลากหลายของการใช้งานเชิงหน้าที่ และความต้องการเชิงวิทยาศาสตร์เฉพาะที่แผ่นหลุมเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อตอบสนอง

บทบาทพื้นฐานของแผ่นหลุมในการคัดกรองแบบความเร็วสูง

การมาตรฐานที่เอื้อต่อการขยายขนาด

หนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้แผ่นเวลล์ (well plates) มีความสำคัญต่อการคัดกรองแบบความเร็วสูง (high-throughput screening) คือ การมาตรฐานทางกายภาพที่เป็นสากลของแผ่นเหล่านี้ ซึ่งกำหนดโดยมาตรฐาน ANSI/SLAS ที่ระบุขนาดพื้นฐาน (footprint dimensions) ระยะห่างระหว่างหลุม (well spacing) และความสูงของแผ่นอย่างแม่นยำ ทำให้แผ่นเวลล์สามารถเชื่อมต่อและใช้งานร่วมกับหุ่นยนต์จัดการของเหลว (liquid handling robots) เครื่องอ่านแผ่น (plate readers) เครื่องควบคุมอุณหภูมิ (incubators) และระบบจัดเก็บได้อย่างราบรื่น การมาตรฐานนี้หมายความว่า แผ่นเวลล์แบบ 96 หลุมที่ใช้ในห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่ง จะมีความเข้ากันได้ทั้งในด้านกายภาพและหน้าที่การทำงานกับอุปกรณ์อัตโนมัติที่ใช้ในสถานที่อื่นใดๆ ทั่วโลก

ความเข้ากันได้นี้ไม่ใช่เพียงความสะดวกเล็กน้อย — แต่เป็นรากฐานเชิงสถาปัตยกรรมของทุกการดำเนินงานที่มีอัตราการประมวลผลสูง หากรูปแบบของแผ่นหลุม (well plates) ไม่มีการมาตรฐาน ทุกเครื่องมือ ระบบซอฟต์แวร์ และโปรโตคอลจะต้องได้รับการปรับเทียบแยกต่างหากสำหรับรูปทรงเรขาคณิตของภาชนะแต่ละชนิด ผลที่ตามมาคือประสิทธิภาพที่ลดลงอย่างมาก อัตราความผิดพลาดที่สูงขึ้น และต้นทุนที่สูงจนไม่สามารถยอมรับได้ การมาตรฐานทำให้แผ่นหลุมเปลี่ยนจากภาชนะธรรมดาๆ ไปเป็นอินเทอร์เฟซสากลที่เชื่อมโยงระหว่างชีววิทยากับระบบอัตโนมัติ

ในทางปฏิบัติ หมายความว่า ทีมวิจัยสามารถออกแบบแคมเปญการคัดกรอง จัดซื้อแผ่นหลุม เขียนโปรแกรมระบบจัดการของเหลว (liquid handling system) และดำเนินการทดลองจำนวนหลายพันรายการโดยไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับความไม่เข้ากันทางกายภาพ แผ่นหลุมคือผู้สนับสนุนที่เงียบงันของความคล่องตัวในการดำเนินงานนี้ และคุณค่าของมันจะถูกสัมผัสได้ในทุกขั้นตอนของกระบวนการทำงาน

การขนานเงื่อนไขการทดลอง

การคัดกรองแบบความเร็วสูง (High-throughput screening) นั้นโดยพื้นฐานแล้วหมายถึงการทดสอบเงื่อนไขจำนวนมากพร้อมกัน แทนที่จะเป็นแบบทีละขั้นตอน แผ่นหลุมทดลอง (well plates) ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ โดยจัดเตรียมภาชนะสำหรับปฏิกิริยาที่แยกจากกันและไม่ปนเปกัน ซึ่งจัดเรียงอยู่ในรูปแบบเมทริกซ์ที่มีความหนาแน่นสูง ตัวอย่างเช่น แผ่นหลุมทดลองแบบ 96 หลุม (96-well plate) ช่วยให้นักวิจัยสามารถทดสอบสารประกอบ ความเข้มข้น หรือเงื่อนไขที่แตกต่างกันได้ถึง 96 แบบในการทดลองเพียงครั้งเดียว ส่วนแผ่นหลุมทดลองแบบ 384 หลุม (384-well plate) จะเพิ่มความสามารถนี้เป็นสี่เท่า และรูปแบบ 1536 หลุม (1536-well) ก็ยกระดับขีดความสามารถนี้ไปอีกขั้น

การดำเนินการแบบขนานนี้เองที่เปลี่ยนกระบวนการคัดกรองจากงานที่ใช้เวลานานและต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมาก ให้กลายเป็นกระบวนการคัดกรองแบบความเร็วสูงอย่างแท้จริง แทนที่จะทำการทดลองเพียงหนึ่งครั้งต่อวัน ห้องปฏิบัติการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS laboratory) ที่มีอุปกรณ์ครบครันและใช้แผ่นหลุมทดลอง จะสามารถเก็บรวบรวมข้อมูลได้หลายหมื่นจุดต่อวันต่อนักวิจัยหนึ่งคน การลดระยะเวลาในการได้มาซึ่งข้อมูลนั้นไม่ใช่เพียงแต่การเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานเท่านั้น — แต่ยังเป็นข้อได้เปรียบทางวิทยาศาสตร์ที่เร่งกระบวนการค้นหาตัวเลือกที่มีศักยภาพในงานค้นคว้าเพื่อพัฒนายาและการวิจัยทางชีววิทยาอีกด้วย

รูปทรงเรขาคณิตของแผ่นหลุม (well plates) ยังช่วยให้สามารถใส่ตัวควบคุมบวกและตัวควบคุมลบไว้ภายในแต่ละแผ่นได้ ซึ่งทำให้มั่นใจว่าทุกการทดลองจะมีจุดอ้างอิงภายในของตนเอง ระเบียบการออกแบบเช่นนี้ช่วยยกระดับคุณภาพของข้อมูล และทำให้ระบุความแปรผันระหว่างแผ่นได้ง่ายขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อจัดการชุดข้อมูลการคัดกรองขนาดใหญ่

รูปแบบของแผ่นหลุมและข้อได้เปรียบเฉพาะด้านการคัดกรอง

การเลือกจำนวนหลุมที่เหมาะสมสำหรับการตรวจวัดของคุณ

แผ่นหลุมมีจำหน่ายในหลายรูปแบบมาตรฐาน โดยรูปแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการวิจัยและอุตสาหกรรม ได้แก่ แบบ 6, 12, 24, 48, 96 และ 384 หลุม แต่ละรูปแบบมีข้อได้เปรียบที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับประเภทของการตรวจวัด โครงสร้างพื้นฐานระบบอัตโนมัติที่มีอยู่ และปริมาณตัวอย่างที่กำลังประมวลผล การเลือกรูปแบบที่เหมาะสมถือเป็นการตัดสินใจที่สำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่ออัตราการดำเนินงาน (throughput) ประสิทธิภาพด้านต้นทุน และคุณภาพของข้อมูล

หลุมที่มีความหนาแน่นต่ำ เช่น แผ่นหลุมแบบ 6 หลุม และ 24 หลุม มักใช้สำหรับการวิเคราะห์ที่ต้องการประชากรเซลล์จำนวนมาก ปริมาตรสื่อเพาะเลี้ยงมากขึ้น หรือการจัดการด้วยตนเอง แผ่นเหล่านี้มักใช้ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ การทดลองถ่ายโอนสารพันธุกรรม (transfection) และการวิเคราะห์ที่จำเป็นต้องถ่ายภาพกลุ่มเซลล์ขนาดใหญ่ ปริมาตรหลุมที่ใหญ่ขึ้นช่วยรองรับวัสดุชีวภาพได้หลากหลายชนิดโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบจัดการของเหลวแบบแม่นยำเท่ากับแผ่นหลุมที่มีความหนาแน่นสูง

ในทางตรงข้าม แผ่นหลุมแบบ 96 หลุม และ 384 หลุม เป็นแผ่นหลักที่ใช้ในการคัดกรองแบบความเร็วสูงอัตโนมัติ (HTS) รูปแบบ 96 หลุมได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางจนแทบทุกเครื่องมือและโปรโตคอล HTS ถูกออกแบบให้เหมาะสมกับรูปแบบนี้เป็นมาตรฐานพื้นฐาน เมื่อนำแผ่นหลุมแบบ 96 หลุมมาใช้ร่วมกับปิเปตแบบหลายช่องหรือระบบจ่ายสารอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์ ผู้ปฏิบัติงานเพียงหนึ่งคนสามารถประมวลผลตัวอย่างได้หลายร้อยตัวอย่างต่อชั่วโมงด้วยความแม่นยำที่สม่ำเสมอ

การบำบัดพื้นผิวและความเข้ากันได้กับการเพาะเลี้ยงเซลล์

ไม่ใช่แผ่นหลุมทดลอง (well plates) ทั้งหมดที่มีองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวเหมือนกัน และความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานในการคัดกรองทางชีวภาพ แผ่นหลุมทดลองสำหรับเพาะเลี้ยงเซลล์มักผลิตด้วยพื้นผิวที่ผ่านการปรับแต่งเพื่อส่งเสริมการยึดเกาะ การกระจายตัว และการแบ่งตัวของเซลล์ การปรับแต่งพื้นผิวดังกล่าว มักทำด้วยการฉายพลาสม่า หรือการเคลือบด้วยโปรตีนในเมทริกซ์นอกเซลล์ (extracellular matrix proteins) ซึ่งเปลี่ยนพื้นผิวพลาสติกธรรมดาให้กลายเป็นสารรองรับที่เลียนแบบสภาวะการเจริญเติบโตตามธรรมชาติ

สำหรับการตรวจวัดแบบเซลล์จำนวนมาก (high-throughput cell-based assays) ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนใหญ่ของการคัดกรองเพื่อค้นพบยาในปัจจุบัน การใช้แผ่นหลุมทดลองที่มีพื้นผิวผ่านการปรับแต่งอย่างเหมาะสมนั้นไม่ใช่เรื่องที่สามารถเลือกได้ — แต่เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงชีวภาพที่มีความหมาย เซลล์ที่ไม่ยึดเกาะอย่างเหมาะสมจะแสดงรูปร่างผิดปกติ การแสดงออกของยีนเปลี่ยนแปลง และการตอบสนองต่อสารทดสอบที่ไม่น่าเชื่อถือ คุณภาพของพื้นผิวแผ่นหลุมทดลองจึงส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของสัญญาณชีวภาพที่กำลังวัด

แผ่นหลุมที่ผ่านการรักษาสำหรับเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ (Tissue culture-treated well plates) ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรองรับสายพันธุ์เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมภายใต้สภาวะการเพาะเลี้ยงมาตรฐาน คุณสมบัติของพื้นผิวที่สม่ำเสมอช่วยให้หลุมต่างๆ ภายในแผ่นทดลองมีพฤติกรรมเหมือนกันอย่างแม่นยำ ลดความแปรปรวนระหว่างหลุม (well-to-well variability) และเพิ่มพลังเชิงสถิติของวิธีการวิเคราะห์ (assay) ความซ้ำซ้อนได้ดังกล่าวเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้แผ่นหลุมที่ออกแบบสำหรับการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อได้รับความนิยมใช้งานในสภาพแวดล้อมการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) มากกว่าภาชนะห้องปฏิบัติการทั่วไป

ความเข้ากันได้กับระบบอัตโนมัติและการรวมเข้ากับกระบวนการทำงาน

วิธีที่แผ่นหลุมสนับสนุนระบบจัดการของเหลวด้วยหุ่นยนต์

ความสัมพันธ์ระหว่างแผ่นหลุมทดลอง (well plates) กับระบบอัตโนมัติในห้องปฏิบัติการนั้นมีลักษณะพึ่งพาอาศัยกันอย่างลึกซึ้ง สถาน facilities สำหรับการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) สมัยใหม่พึ่งพาอาศัยระบบหุ่นยนต์สำหรับจัดการของเหลวในการหยดสารเคมี สารประกอบ และวัสดุชีวภาพ ลงในแต่ละหลุมของแผ่นหลุมทดลองด้วยความแม่นยำและรวดเร็วสูง โดยมีปริมาตรตั้งแต่ระดับนาโนลิตรถึงไมโครลิตร หุ่นยนต์เหล่านี้ได้รับการปรับเทียบให้ทำงานร่วมกับแผ่นหลุมทดลองที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และความสม่ำเสมอของมิติทางกายภาพของแผ่นหลุมทดลองนี้เองที่ทำให้การหยดสารโดยระบบอัตโนมัติสามารถทำได้อย่างเชื่อถือได้

เมื่อใช้แผ่นหลุมทดลองร่วมกับเครื่องหยดสารแบบอัตโนมัติ ความเสี่ยงจากข้อผิดพลาดที่เกิดจากการใช้ปิเปตด้วยมือจะลดลงจนแทบไม่มี ระบบหุ่นยนต์สามารถบรรลุค่าสัมประสิทธิ์ของการแปรผัน (coefficient of variation) ต่ำกว่า 5% สำหรับการหยดสารของเหลวทั่วทั้งแผ่นหลุมทดลอง ซึ่งเป็นระดับความสม่ำเสมอที่แทบเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุด้วยวิธีการด้วยมือเมื่อต้องดำเนินการซ้ำหลายร้อยครั้ง ความแม่นยำนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทดลองประเมินความสัมพันธ์ระหว่างขนาดยาและผลตอบสนอง (dose-response assays) เนื่องจากความแตกต่างเล็กน้อยในความเข้มข้นของสารประกอบอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลลัพธ์ทางชีวภาพที่วัดได้

นอกจากนี้ เครื่องจัดการแผ่นทดลองแบบอัตโนมัติสามารถย้ายแผ่นทดลอง (well plates) ระหว่างเครื่องมือต่าง ๆ ได้ — ตั้งแต่เครื่องจ่ายของเหลว (liquid handler) ไปยังตู้เพาะเลี้ยง (incubator) และเครื่องอ่านค่าแผ่นทดลอง (plate reader) — โดยไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงจากมนุษย์ ซึ่งช่วยลดทั้งระยะเวลาที่ใช้ในการดำเนินการแต่ละการตรวจวิเคราะห์ (assay) และความเสี่ยงของการปนเปื้อนหรือสับสนระหว่างตัวอย่าง แผ่นทดลองทำหน้าที่เป็นสื่อกลางทางกายภาพที่เคลื่อนผ่านกระบวนการอัตโนมัติทั้งหมด โดยรับรองการคงอยู่ของตัวอย่างและรักษาตำแหน่งที่แน่นอนของแต่ละหลุม (well) ไว้ตลอดทุกขั้นตอน

การบูรณาการเข้ากับระบบการตรวจจับและระบบถ่ายภาพ

แผ่นทดลองยังได้รับการออกแบบให้สามารถใช้งานร่วมกับเครื่องมือตรวจจับชนิดต่าง ๆ ได้โดยตรง รวมถึงเครื่องอ่านค่าฟลูออเรสเซนซ์ (fluorescence plate readers), เครื่องอ่านค่าลูมิเนสเซนซ์ (luminescence readers), เครื่องอ่านค่าการดูดกลืนแสง (absorbance readers) และระบบถ่ายภาพแบบความละเอียดสูง (high-content imaging systems) อีกด้วย คุณสมบัติเชิงแสงของวัสดุที่ใช้ผลิตแผ่นทดลอง — ไม่ว่าจะเป็นแบบใส ขาว หรือดำ — จะถูกเลือกตามรูปแบบการตรวจจับที่ใช้งาน แผ่นแบบใสใช้สำหรับการวัดการดูดกลืนแสงและการถ่ายภาพด้วยแสงที่ผ่านวัตถุ (transmitted light imaging) แผ่นสีขาวช่วยเพิ่มสัญญาณลูมิเนสเซนซ์ให้สูงสุด ในขณะที่แผ่นสีดำช่วยลดพื้นหลังฟลูออเรสเซนซ์ให้น้อยที่สุด

วิศวกรรมแสงนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ — แต่เป็นคุณลักษณะในการออกแบบที่ตั้งใจไว้โดยเฉพาะ เพื่อให้แน่ใจว่าแผ่นหลุม (well plates) จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดภายในกระบวนการตรวจจับเฉพาะที่กำหนด การใช้แผ่นหลุมชนิดที่ไม่เหมาะสมกับการตรวจวิเคราะห์ (assay) ที่กำหนดอาจทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (signal-to-noise ratio) ลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เกิดผลลบปลอมหรือข้อมูลที่ไม่น่าเชื่อถือ ดังนั้น นักวิจัยที่ทำงานในสภาพแวดล้อมการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) จึงจำเป็นต้องเลือกแผ่นหลุมไม่เพียงแต่จากจำนวนหลุมเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความเข้ากันได้ด้านแสง ด้านเคมี และด้านชีวภาพกับระบบการตรวจวิเคราะห์ทั้งระบบด้วย

การถ่ายภาพแบบมีเนื้อหาสูง (High-content imaging) ซึ่งสามารถบันทึกข้อมูลรูปร่างของเซลล์อย่างละเอียดจากหลายพันหลุมต่อการทดลองหนึ่งครั้ง จึงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเป็นพิเศษต่อแผ่นหลุม โดยพื้นผิวด้านล่างของแผ่นหลุมจะต้องโปร่งใสทางแสงและแบนเรียบอย่างแม่นยำ เพื่อให้สามารถโฟกัสได้อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งบริเวณที่ถ่ายภาพ แผ่นหลุมสำหรับการถ่ายภาพเฉพาะทางมักมีพื้นผิวด้านล่างทำจากแก้วหรือพอลิเมอร์คุณภาพสูงสำหรับการใช้งานด้านแสง เพื่อตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้ และความเข้ากันได้กับแท่นกล้องจุลทรรศน์อัตโนมัติเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการดำเนินการคัดกรองเชิงฟีโนไทป์ (phenotypic screens) ขนาดใหญ่

ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจและวิทยาศาสตร์ของแผ่นหลุม (Well Plates) ในการค้นหายา

ลดต้นทุนสารเคมีโดยไม่กระทบต่อคุณภาพของข้อมูล

หนึ่งในเหตุผลเชิงเศรษฐกิจที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการใช้แผ่นหลุม (well plates) ในการตรวจสอบแบบความเร็วสูง (high-throughput screening) คือ การลดลงอย่างมากของต้นทุนสารเคมีต่อตัวอย่างเมื่อความหนาแน่นของหลุมเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนจากรูปแบบแผ่นหลุม 96 หลุม ไปเป็นแผ่นหลุม 384 หลุม จะทำให้ปริมาตรการทำงานต่อหลุมลดลงจากประมาณ 100–200 ไมโครลิตร เหลือเพียง 25–50 ไมโครลิตร ส่วนแผ่นหลุม 1536 หลุมสามารถทำงานได้ที่ปริมาตรต่ำสุดเพียง 1–10 ไมโครลิตร การย่อส่วนนี้ส่งผลโดยตรงให้ปริมาณสารเคมีราคาแพง สารอาหารสำหรับเพาะเลี้ยงเซลล์ และสารทดสอบที่จำเป็นต่อแต่ละจุดข้อมูลลดลง

ในการค้นพบยา ซึ่งห้องสมุดสารประกอบอาจมีสารเคมีนับแสนชนิด และแต่ละสารประกอบอาจมีอยู่ในปริมาณจำกัดเท่านั้น ความสามารถในการทดสอบที่ปริมาตรต่ำจึงไม่เพียงแต่น่าสนใจในเชิงเศรษฐกิจเท่านั้น — แต่ยังจำเป็นอย่างยิ่งในเชิงปฏิบัติการอีกด้วย แผ่นหลุม (well plates) ที่มีความหนาแน่นสูงช่วยให้ทีมวิจัยสามารถทดสอบสารประกอบทั้งหมดในคอลเลกชันของตนซ้ำได้หลายครั้งโดยไม่ทำให้แหล่งจ่ายสารหมดสิ้น ซึ่งเอื้อต่อการทดลองซ้ำ (replication) และการทดลองยืนยันด้วยวิธีทางเลือก (orthogonal confirmation assays) ที่ช่วยเสริมความน่าเชื่อถือของการระบุสารที่มีศักยภาพ (hit identification)

การประหยัดต้นทุนสะสมจากการใช้แผ่นหลุมที่เหมาะสมตลอดทั้งแคมเปญการทดสอบขนาดใหญ่สามารถสูงถึงหลายแสนดอลลาร์สหรัฐฯ ทำให้การเลือกรูปแบบของแผ่นหลุมกลายเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งต่อเศรษฐศาสตร์โดยรวมของโครงการค้นพบยา นี่คือเหตุผลหนึ่งที่บริษัทยาและองค์กรวิจัยตามสัญญา (CROs) ลงทุนอย่างมากในการปรับแต่งรูปแบบแผ่นหลุมและกลยุทธ์การย่อส่วนการทดลอง (assay miniaturization)

ความซ้ำซ้อนได้และความสมบูรณ์ของข้อมูลในการทดสอบขนาดใหญ่

ความสามารถในการทำซ้ำได้คือรากฐานทางวิทยาศาสตร์ของกระบวนการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) และหลุมตัวอย่าง (well plates) มีบทบาทสำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้ เนื่องจากแต่ละหลุมในแผ่นถูกผลิตขึ้นตามขนาด วิธีการเคลือบผิว และข้อกำหนดด้านวัสดุที่เหมือนกันทุกประการ จึงทำให้เงื่อนไขการทดลองภายในแต่ละหลุมมีความเหมือนกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทางกายภาพ ความสม่ำเสมอนี้เองที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุสาเหตุของความแตกต่างในสัญญาณการตรวจวัดได้ว่าเกิดจากตัวแปรทางชีวภาพที่กำลังศึกษา ไม่ใช่จากความแปรปรวนของภาชนะทดลองเอง

ดังนั้น ความสม่ำเสมอระหว่างแต่ละล็อตการผลิตของหลุมตัวอย่างจึงเป็นพารามิเตอร์คุณภาพที่มีความสำคัญยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้ในกระบวนการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) ทีมวิจัยที่ดำเนินโครงการคัดกรองเป็นเวลานานมักจะจองหลุมตัวอย่างจากล็อตการผลิตเพียงล็อตเดียว เพื่อกำจัดความแปรปรวนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างล็อตต่าง ๆ ทั้งในด้านวิธีการเคลือบผิว ความชัดเจนเชิงแสง หรือองค์ประกอบของวัสดุ ระดับความตระหนักด้านคุณภาพเช่นนี้สะท้อนให้เห็นว่าการตรวจวัด HTS สมัยใหม่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อมทางกายภาพของตนเพียงใด

เมื่อแผ่นหลุม (well plates) ให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันและสามารถทำซ้ำได้อย่างเชื่อถือได้ทั่วทั้งหลุมนับพันและแผ่นหลุมหลายร้อยแผ่น ความมั่นใจทางวิทยาศาสตร์ต่อชุดข้อมูลที่ได้จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความมั่นใจนี้คือสิ่งที่ทำให้ทีมวิจัยสามารถตัดสินใจเลือกหรือยกเลิกตัวยาที่เป็นไปได้ (go/no-go decisions) ได้จากข้อมูลการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) และยังเป็นรากฐานสำคัญของแนวคิดด้านมูลค่าทั้งหมดของการคัดกรองแบบความเร็วสูงในฐานะกลยุทธ์หนึ่งในการค้นพบสารใหม่

คำถามที่พบบ่อย

อะไรคือเหตุผลที่ทำให้แผ่นหลุม (well plates) เหมาะสมโดยเฉพาะสำหรับการคัดกรองแบบความเร็วสูง เมื่อเปรียบเทียบกับภาชนะห้องปฏิบัติการชนิดอื่นๆ

หลุมทดลอง (Well plates) ถูกออกแบบให้มีขนาดมาตรฐาน รูปแบบหลายหลุม และเรขาคณิตที่เข้ากันได้กับระบบอัตโนมัติ ซึ่งไม่มีภาชนะห้องปฏิบัติการทั่วไปชนิดอื่นใดให้บริการได้ รูปแบบการจัดวางของหลุมทดลองช่วยให้สามารถดำเนินการทดลองพร้อมกันได้หลายร้อยถึงหลายพันรายการในพื้นที่ขนาดกะทัดรัด ในขณะที่ความเข้ากันได้กับเครื่องจ่ายของเหลวแบบหุ่นยนต์ เครื่องอ่านแผ่นทดลอง (plate readers) และตู้อบเลี้ยงเซลล์ (incubators) ทำให้หลุมทดลองเหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการทำงานแบบอัตโนมัติและปริมาณสูง ภาชนะอื่นๆ เช่น ขวดทรงกรวย (flasks) หรือหลอดทดลอง (tubes) จำเป็นต้องจัดการทีละชิ้น และไม่สามารถประมวลผลแบบขนานได้ในระดับที่หลุมทดลองรองรับได้

ฉันจะเลือกระหว่างหลุมทดลองแบบ 96 หลุม กับแบบ 384 หลุม สำหรับการทดสอบคัดกรอง (screening assay) ของฉันอย่างไร

การเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการปริมาตรของการตรวจวัดเป็นหลัก ความพร้อมใช้งานของระบบจัดการของเหลวแบบอัตโนมัติที่สามารถทำงานได้ที่ปริมาตรต่ำ และจำนวนตัวอย่างทั้งหมดที่จะต้องทำการคัดกรอง แผ่นเวลล์แบบ 96 หลุมมีความยืดหยุ่นมากกว่าสำหรับกระบวนการทำงานแบบทำด้วยมือหรือกึ่งอัตโนมัติ และรองรับปริมาตรตัวอย่างที่มากกว่า จึงเหมาะสำหรับการตรวจวัดที่ต้องการวัสดุชีวภาพในปริมาณมาก ขณะที่แผ่นเวลล์แบบ 384 หลุมให้กำลังการผลิตสูงขึ้นสี่เท่าต่อการทดลองหนึ่งครั้ง แต่จำเป็นต้องใช้ระบบหุ่นยนต์ในการจ่ายสารละลายอย่างแม่นยำที่ปริมาตรต่ำ และเหมาะสมกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมการคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) แบบเต็มรูปแบบ ซึ่งการลดต้นทุนของสารเคมีก็เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญเช่นกัน

เหตุใดการเคลือบผิวจึงมีความสำคัญในแผ่นเวลล์สำหรับเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ใช้ในการคัดกรอง?

การบำบัดผิวของแผ่นหลุมเพาะเลี้ยงเซลล์มีผลต่อความสามารถของเซลล์ในการยึดติด กระจายตัว และเพิ่มจำนวนบนพื้นผิวพลาสติกอย่างมีประสิทธิภาพ หากรูปแบบการบำบัดไม่เหมาะสม เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิดจะไม่สามารถยึดติดได้อย่างถูกต้อง ส่งผลให้สุขภาพเซลล์แย่ลง ชีววิทยาของเซลล์ผิดปกติ และสัญญาณจากการทดลองประเมิน (assay) ไม่น่าเชื่อถือ แผ่นหลุมเพาะเลี้ยงเซลล์แบบใช้ในงานเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ (tissue culture-treated well plates) มีการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวให้เลียนแบบสารรองรับที่พบในสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยา จึงช่วยให้เซลล์แสดงพฤติกรรมตามปกติตลอดการทดลองคัดกรอง และทำให้ผลลัพธ์จากการทดลองสะท้อนการตอบสนองทางชีววิทยาที่แท้จริง แทนที่จะเป็นผลจากสภาวะการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ไม่เหมาะสม

สามารถนำแผ่นหลุมเพาะเลี้ยงเซลล์มาใช้ซ้ำได้ในหลายการทดลองคัดกรองหรือไม่?

ในการประยุกต์ใช้การคัดกรองแบบความเร็วสูง (HTS) ส่วนใหญ่ แผ่นหลุม (well plates) จะถูกใช้เป็นวัสดุสิ้นเปลืองแบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง แทนที่จะนำกลับมาใช้ซ้ำ เนื่องจากการนำกลับมาใช้ซ้ำนั้นก่อให้เกิดความเสี่ยงต่าง ๆ ได้แก่ การปนเปื้อนข้ามระหว่างการทดลอง การเสื่อมสภาพของชั้นเคลือบผิวซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมของเซลล์ การตกค้างของสารเคมีที่อาจทำให้ผลลัพธ์ผิดเพี้ยน และความเสียหายทางกายภาพที่ลดความสามารถในการเข้ากันได้กับอุปกรณ์อัตโนมัติ การใช้แผ่นหลุมแบบใช้ครั้งเดียวทิ้งจึงถือเป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในสภาพแวดล้อม HTS ซึ่งความสมบูรณ์ของข้อมูลและความสามารถในการทำซ้ำได้ของผลลัพธ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง และต้นทุนต่อแผ่นหนึ่งแผ่นมักจะคุ้มค่าเมื่อเทียบกับมูลค่าของข้อมูลที่ได้รับ