Proces i kontrola dzisiaj | AGAMEDE rewolucjonizuje biotechnologię i walczy z COVID-19

01.06.2022 Mitsubishi Electric Europa

Opracowany w Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN we współpracy z Mitsubishi Electric, Labomatica i Perlan Technologies system robotyczny AGAMEDE został zaprojektowany tak, aby znacząco przyspieszyć diagnostykę SARS-CoV-2. Dzięki najnowocześniejszej technologii automatyzacji połączonej ze sztuczną inteligencją system może testować 15 000 pojedynczych próbek dziennie. Inne zastosowania obejmują badanie nowych leków, opracowywanie zindywidualizowanych terapii przeciwnowotworowych, a nawet tworzenie preparatów kosmetycznych.

Agamede jest uważana za pierwszą w historii kobietę-naukowca, a zatem odpowiednią imiennikę dla systemu automatyzacji laboratorium opracowanego w Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN (IBCH PAN). Podczas gdy automatyzacja pracy laboratoryjnej jest powszechną praktyką, system robotyczny AGAMEDE łączy automatyzację i sztuczną inteligencję (AI), tworząc unikalną konfigurację „zamkniętej pętli”. Tutaj roboty przygotowują eksperymenty, odczytują wyniki w określonym czasie i interpretują dane za pomocą oprogramowania Gene GameTM firmy Labomatica, aby niezależnie przygotować kolejny cykl eksperymentalny. Oznacza to, że operatorzy muszą tylko zdefiniować problem, zaprojektować system eksperymentalny, a następnie monitorować prawidłową kolejność i działanie systemu. AGAMEDE może wtedy przeprowadzać eksperymenty 24 godziny na dobę i dostarczać wyniki.

Połączenie sztucznej inteligencji i automatyzacji w systemie o wysokiej przepustowości to krok naprzód. Większość zautomatyzowanych systemów o wysokiej przepustowości nadal wymaga od operatora odczytania wyników i zaplanowania następnej serii eksperymentów po zakończeniu cyklu. AGAMEDE może to zrobić samodzielnie.

„Dzięki modułowi AI AGAMEDE interpretuje eksperymenty bez udziału człowieka, w oparciu o modele matematyczne”, wyjaśnia Rados? Dr Aw Pilarski, wynalazca i główny inżynier systemu. „System może być wykorzystywany przez centralne laboratoria diagnostyczne, firmy farmaceutyczne zajmujące się opracowywaniem leków, laboratoria onkologiczne poszukujące spersonalizowanych terapii dla pacjentów, ale także w działach badawczo-rozwojowych firm chemicznych i biotechnologicznych w celu optymalizacji bioprocesów.”

Projekt EPICELL

Prace nad AGAMEDE rozpoczęły się w IBCH PAN w 2015 roku. System powstał pierwotnie na potrzeby projektu EPICELL, który był finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR) w ramach programu STRATEGMED „Profilaktyka i leczenie chorób cywilizacyjnych”. Celem projektu było opracowanie zoptymalizowanych pożywek do hodowli kardiomiocytów pochodzących z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC).

Konsorcjum EPICELL tworzą IBCH PAN, Instytut Genetyki Człowieka PAN oraz trzy szpitale w Poznaniu. Łącząc wiedzę na temat modulatorów epigenetycznych małych cząsteczek i wiedzę w zakresie przeprogramowania komórek, przeprowadziła badania, które doprowadziły do ​​przyszłego opracowania metod transformacji indukowanych iPSC do celów medycyny regeneracyjnej. W szczególności przyjrzeli się celowanej implantacji do serca pacjentów po zawale serca. Chodziło o przywrócenie rzutu serca do stanu sprzed zawału. Wyzwaniem była liczba eksperymentów potrzebnych do zaprojektowania odpowiedniej mieszanki małocząsteczkowych modulatorów epigenetycznych. Na przykład receptura z dziesięcioma składnikami i dziesięcioma różnymi stężeniami wymaga 10 000 000 eksperymentów. „AGAMEDE posłużyło do znalezienia odpowiedniej kombinacji związków w wielowymiarowym systemie rozwiązań. Na tej podstawie opracowano skład środków do przeprogramowania „EPICELL One””, wyjaśnia prof. Wojciech T. Markiewicz, szef projektu EPICELL.

15 000 testów dziennie

Pod koniec marca 2020 sytuacja uległa zmianie. Od początku swojego istnienia IBCH PAN zajmuje się kwasami nukleinowymi RNA i DNA, dzięki czemu posiada wszelkie zaplecze do diagnozowania SARS-CoV-2. „Nasz instytut jako pierwszy w Polsce opracował test do wykrywania SARS-CoV-2. Wkrótce postanowiliśmy połączyć możliwości automatyzacji AGAMEDE z naszymi testami i opracowaliśmy wysokowydajny protokół diagnostyczny, który pozwala nam przetestować 15 000 próbek w ciągu jednego dnia. Przynajmniej taki jest potencjał, gdyż IBCH PAN jako jednostka naukowa nie posiada akredytowanego laboratorium diagnostycznego. To niezwykły wynik, ponieważ przy ręcznym analizowaniu próbek człowiek może przetworzyć najwyżej kilkaset próbek dziennie” – mówi dyrektor IBCH PAN prof. Marka Figlerowicza.

Roboty, PLC i oprogramowanie Mitsubishi Electric

Projekt AGAMEDE powstał we współpracy z partnerami technologicznymi Mitsubishi Electric, Labomatica i Perlan Technologies. Mitsubishi Electric dostarczyło robota 6-osiowego, sterowniki PLC i oprogramowanie MELFA Basic. Robot przemysłowy o dużym zasięgu ramion jest centralnym elementem systemu. Wykorzystując zintegrowany zestaw narzędzi robotycznych, może przeprowadzać eksperymenty w mikroskali na 96- i 384-dołkowych płytkach do mikrotestów, powtarzając pracę technika laboratoryjnego, który w sposób ciągły obsługuje sprzęt analityczny. Robi to zgodnie z protokołami eksperymentalnymi wprowadzonymi przez operatora do oprogramowania sterującego.

Aplikacja obejmuje również przemysłowe inkubatory do hodowli komórkowych, podajniki płytek i końcówek, stacje pipetowania, etykieciarki, czytniki kodów kreskowych, uszczelniacze płytek, skanery fluorescencyjne i spektrofotometry. Szczególną atrakcją jest wyposażenie AGAMEDE w automatyczny mikroskop konfokalny HCA z czterema kanałami fluorescencyjnymi. Dla społeczności biotechnologicznej ten instrument jest odpowiednikiem teleskopu Hubble’a wprowadzonego do mikrokosmosu. Zamiast obiektów astronomicznych fotografuje i analizuje miliony komórek i struktur tkankowych o podobnej jakości i wydajności. Uzupełnieniem urządzenia jest dozownik akustyczny, który uwalnia ilości cieczy w zakresie nanolitrów (milionowych części mililitra). Szybkie dostarczanie małych ilości rozwiązań zmniejsza koszty wyszukiwania i zwiększa przepustowość. Umożliwia prowadzenie eksperymentów z wykorzystaniem kolekcji ponad 115 000 dostępnych związków chemicznych.

praca pod wysokim ciśnieniem

„Wdrażając pierwszy w Polsce zaawansowany system – łączący robotykę ze sprzętem laboratoryjnym – skorzystaliśmy z naszego międzynarodowego doświadczenia. Bardzo pomocne było wsparcie globalnej organizacji Mitsubishi Electric dedykowanej innowacyjnym projektom” – powiedział Roman Janik, koordynator rozwiązań dla branży life science. w Polsce. Podkreśla jednak również napięty termin realizacji projektu. „Wszyscy pracowaliśmy pod presją czasu, aby opracować rozwiązanie, które odciążyłoby techników laboratoryjnych tak szybko, jak to możliwe. Byliśmy w stanie zapewnić tygodniową przepustowość 100 000 próbek, co jest skalowalne. To fenomenalny wynik!”

łączenie wielu światów

Tomasz Scholz, inżynier robotyk w Mitsubishi Electric, wspomina: „Zadanie byłoby skomplikowane nawet bez presji czasu. Projekt AGAMEDE to projekt interdyscyplinarny, który łączy świat robotyki, informatyki, wzornictwa przemysłowego, matematyki, biologii i chemii Zastosowane przez nas rozwiązania są innowacyjne i unikalne.Jak w przypadku wielu projektów, największym wyzwaniem było określenie celu i sposobu, w jaki będziemy to robić.Kluczem do tego było znalezienie wspólnego „języka technicznego” dla osób z różnych obszarów specjalizacji. komunikować się na tym samym poziomie i jasno wyrażać swoje oczekiwania. Często trudno było wypełnić lukę między światem akademickim, który myśli w kategoriach abstrakcyjnych, a światem przemysłowym, który zwykle podąża za ustalonym wzorcem.”

Nowe podejścia do planowania laboratorium

Efektem jest system, który nie tylko dobrze działa, ale też ciekawie wygląda. „Jego konstrukcja nawiązuje do starożytnej Grecji i jest hołdem złożonym początkom naukowego myślenia w naszej cywilizacji, zwłaszcza kobietom w nauce”, wyjaśnia Rados? dr Aw Pilarski.

Zaznacza też, że w planowaniu uwzględniono również przestrzeń laboratorium, w którym wykonywana była instalacja. Czyste pomieszczenie do aseptycznej hodowli komórek, pozbawione okien w większości laboratoriów, zyskało zupełnie nowy wygląd, łamiąc dotychczasowe standardy. Jest dobrze doświetlona dzięki dużym, starannie zamkniętym oknom. Dodano szklane panele, aby umożliwić stałą obserwację i kontrolę systemu, bez konieczności noszenia odzieży do pomieszczeń czystych. Pracę ułatwiają kamery i monitory 4K o wysokiej rozdzielczości, które umożliwiają zdalne monitorowanie AGAMEDE i eksperymentów z dowolnego miejsca na świecie.