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精密的细胞培养,可以“全自动”了

来源:荣格-《国际医药商情》     发布时间:2021-08-20
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什么药物可以击败癌症?多少剂量可以达到疗效,而不会产生副作用?超过多少阀值,有效药物会产生毒性?这些问题的解答都离不开细胞培养技术的批量检测。它们无疑是医疗研究的重要方法。


当前的细胞试验依然需要大量人工参与,仅有一部分自动化。但是现在,这些“精密的”试验可以实现全自动了。

测量细胞的“极限”


新冠疫情又一次让我们深切感受到新型疾病带来的危害。因此新药物的研发工作急不可待。
最好是在进行临床试验前,我们就能保证这些药物的疗效和安全性。药品的疗效主要体现在人体细胞内,因此很大程度上我们可以通过试验对其进行判断。也就是说,我们可以通过细胞培养技术取代普通的药品试验。在剂量试验中,“比如说,我们可以测定某种物质在对细胞产生毒性前达到的极限值,” 慕尼黑INCYTOИ 公司生物技术研究员Márton Nagy解释道。“这不仅适用于药物,同时还可以应用在潜在的环境毒物。我们将一定数量的这种物质加入用于细胞培养的营养液中,并观察细胞的反应。然后我们继续增加用量。通过获取特定的测量数据和显微镜观察,我们可以确定该物质对细胞产生危害的极限点。这个值可以根据人的体重进行换算。从而确定剂量阀值。”


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图1. CYRIS ®FLOX

在药物研究领域,有很多针对癌细胞的试验。但是这些试验的目的恰好与上相反。“我们希望寻找到能够抑制癌细胞繁殖,甚至完全杀灭癌细胞的有效药物及其有效的剂量。”


对细胞的观察是一个多班次、耗时的过程。进行一次试验平均需要大约三天时间。在这个阶段,不仅需要执行很多不同测量,还要间隔很短的时间对细胞反复进行拍照。将这些连续的图片合并在一起,即形成了一个慢镜头展现细胞生产过程的影片。需要测量的有以下三个物理指标:氧含量、pH值和单层细胞跨膜电阻。



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该试验装置的中心有一个由透明材料制成的微孔板,板上有24个试验孔。细胞样本就保存在这些微小的培养皿内。带有24个吸管的机械臂向培养液内添加营养液以及需要试验检测的物质。在这个过程中,每个吸管可以吸取成分不同的溶液。每个试验孔都装备了用于检测氧含量、pH值和电阻值的传感器。通过显微镜可以定期从试验孔下侧进行拍照。

 
物理指标 提供信息


这些参数值受细胞新陈代谢的影响。比如说,与健康状态时相比,细胞在受药物副作用影响的时候消耗的氧量更少。pH值的变化也非常类似:由于新陈代谢产生酸性物质,因此细胞的pH值一般会降低到酸性范围。如果降低的幅度变小,则说明新陈代谢过程受到了影响。通过减小的程度可以确定药物的影响。在另一方面,电阻值与细胞数量成正比。如果电阻的提升出现延迟,则说明细胞受到了影响。


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到目前为止,完成这类试验需要大量人工操作。不同的步骤仅有一部分可以实现自动化。
INCYTOИ研制的全自动CYRIS ®FLOX设备不仅可以自动完成为期几天的试验过程,无需操作人员干预,还能全面记录试验结果。

自动化研发


INCYTOИ®是一家有学术背景的新兴初创企业。创办人曾经从事大学研究工作。那时候,他们采用其它制造商的电机来制作此试验设备的原型。由于不符合应用需求,它们后来被替换为FAULHABER电机。凭借紧凑的设计和可靠的部件,新电机的质量得到了证实。


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BX4电机

在准备投入量产前的研发过程中,他们也不再需要寻找其它驱动产品。但是他们有了新的需求:“我们要尽可能减少所用的电机类型,”INCYTOИ研发经理Matthias Moll在介绍最初情况时说道。“我们也需要更加简单的接线布置。我们所寻求的驱动装置应该带有内置的控制器。在之前的设备上,这些控制器都安装在机械臂的控制装置内,这样一来,移动部件上就增加了很多电缆接头。”此外,电机应该能够报告故障,比如说,如果出现过热导致或者可能导致机械阻断时。


2232…BX4无刷伺服电机与CxD系列内置运动控制器组合,即可满足INCYTOИ ®技术人员提出的这些新要求。除此之外,它们还具备效率高,设计极为紧凑,重量轻,体积小以及适合试验室应用的优点。


CYRIS ®FLOX分析设备内一共安装了六台电机。其中三台用于在三个轴向移动机械臂上的吸管头。在它们的控制下,吸管精确运行到微孔板正上方,然后向下运行到位,并释放溶液。第四台电机负责驱动24个吸液活塞,将200 µl培养液输送到无菌吸管内。最后两台电机在位于细胞样本下方的定位滑台上移动显微镜。由于微孔板采用透明材质,可以用显微镜从试验孔下方对样本进行拍照。

持续工作模式下的精准度和可靠性


“为了之后能够通过慢镜头观察细胞的变化,显微镜头必须精确的移动到试验孔下方的规定位置,”Matthias Moll在介绍完成这步操作的难度时表示。“利用FAULHABER电机我们可以将滑台的定位精度控制在两微米以内。”我们可以做一个形象的比较:人的一根头发的厚度在50和70微米之间。驱动吸管头活塞的电机也必须很高的运行精度。为了获得有效的试验结果,溶液的吸入量必须精确无误。


对于CYRIS ®FLOX设备来说,保证精确度是一项永久的使命。因此对于电机应用来说重复性至高无上。在整个试验阶段内需要频繁执行的运行过程必须得到精确无误的重复。


“驱动装置在持续工作模式下必须能够保证最高的可靠性,”身为研发经理的他强调指出。“只有这样我们才能实现更长的‘walk-away time’。”在试验室自动化技术盛行的今天,我们用这个术语来表示无人为干预情况下试验过程可持续的时间。“利用CYRIS ®FLOX设备,这个时间可以从几分钟延长到若干小时,甚至几天。我们高级科学家和试验室技术人员可以利用宝贵的时间完成其它工作。试验操作效率的提高和运营成本的降低,也加快了设备的投资回报。”

文/FAULHABER

FAULHABER致力于高精度小型和微型驱动系统、伺服组件以及最高输出功率250瓦的驱动电子部件的研发、生产和销售。其中包括客户定制的专用解决方案以及范围齐全的标准化产品,例如无刷电机、直流微电机、编码器和运动控制器。FAULHABER品牌在全球被公认为复杂和严苛应用领域的高品质和高可靠性的象征,如医疗技术、工厂自动化、精密光学、电信、航空航天和机器人技术。从224 mNm持续扭矩的强大直流电机到外径为1.9 mm的精巧微型驱动,FAULHABER标准系列有超过2500万种组合,为特定应用带来最佳驱动系统。与此同时,这种技术上的“构造组合”也是调整解决方案的基础,从而让我们能够设置各种特殊版本来满足客户的具体需求。


来源:荣格-《国际医药商情》


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