Robotter overtager for at hjælpe medicinsk forskning


Robotter overtager for at hjælpe medicinsk forskning

Det har været en lang og uhyggelig overtagelse, men robotter dominerer nu mange førende biovidenskabslaboratorier. Det foregår på få timer, hvad der engang tog dage eller uger. Konvergensen af ​​automation med nanoteknologi, biomedicin og avancerede algoritmer lover nu at tage robotisering af medicinsk forskning meget længere.

I maj i år rejste Ross King, professor i maskinunderretning ved Det Forenede Kongeriges universitet i Manchester, øst for at tale med elever på universitetet i Nottingham campus i Ningbo, Kina. Hans papir "Robotforskere: Automatisering af biologi og kemi" var en retfærdiggørelse af teorier han og kollegaerne først foreslog for næsten ti år siden.

I et brev fra 2004 til tidsskriftet Natur , Spurgte de, om det kunne være muligt at automatisere den faktiske "opdagelses" proces med observation, fradrag og konklusion. Dette ville bruge et fysisk implementeret robot system, der anvendte teknikker fra kunstig intelligens (AI) til at udføre cykler af videnskabelig eksperimentering.

Mød Adam og Eva, robotforskere

I Kina, som han tidligere havde haft ved Brunel Universitet i London, kaldte professor King de to "robotforskere" Adam og Eva, der var bygget ved University of Aberystwyth i Wales. Disse robotter danner hypoteser, vælger effektive forsøg til at diskriminere mellem dem, udfører eksperimenterne ved hjælp af laboratorieautomatiseringsudstyr, og analyserer derefter resultaterne.

Både Adam og Eva har gjort faktiske opdagelser.

Adam blev udviklet til at undersøge funktionelle genomics af gær ( Saccharomyces cerevisiae ) Og Roboten lykkedes at autonomt identificere de gener, der koder lokalt "forældreløse" enzymer i gær.

Prof. Ross King på kontrollerne til Adam roboten, Aberystwyth University

På bibelsk måde blev Adam fulgt af Eva ved hjælp af lignende teknikker til at skabe en maskine, der var opført i retning af automatisering og integration af Narkotika opdagelse : Screening, hit konformation og kvantitativ struktur-aktivitet forhold (QSAR) udvikling. Eva bruger nye syntetiske biologiske skærme, der kombinerer fordelene ved beregningsbaserede, målbaserede og cellebaserede analyser.

Prof. Ross King siger:

Vores fokus har været på forsømt tropisk sygdom, og ved brug af Eva har vi opdaget blyforbindelser til malaria, chagas, afrikansk sovesygdom og andre tilstande."

Ydmyge oprindelse

Analytiske robotter som Adam, Eva eller de mere avancerede produkter, der nu udvikles på centre of excellence - som f.eks. Hos Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation (IFF) i Magdeburg, Tyskland - er langt fra robotsystemerne, der først kom ind i Lab omkring tre årtier siden.

Historien om et førende selskab på området - Hamilton Robotics - demonstrerer progressionen:

  • Fra præcisionssprøjter i 1940'erne
  • Gennem den første semi-automatiske diluter i 1970
  • Til den første fuldt automatiserede arbejdsstation til prøveudarbejdelse i 1980.

Sådanne arbejdsstationer, som mekanisk håndterer prøver under fuld computerstyring, opfylder kerneordboksdefinitionen af ​​en robot som "en maskine, der kan udføre en kompleks række handlinger automatisk." Deres faktiske mekaniske eller fysiske "arbejde" -komponent opfylder også Karel Čapeks oprindelige "tvangsarbejde" -definition i hans 1920-spil R.U.R. . Dette er det spil, der introducerede ordet "robot" til verden.

Roboter på arbejdspladsen

Flydende håndtering er en af ​​de fire centrale applikationer for robotik i laboratoriet. De andre er:

Behandling af mikroplader: Brug robotter til at flytte plader rundt om en arbejdscelle, mellem stakke og andre enheder (flydende håndtere, læsere, inkubatorer osv.). Avancerede mikroplade robotter integreres med tredjepartsinstrumenter til at skabe arbejdsceller, der automatiserer applikationer og protokoller til næsten ethvert niveau af kompleksitet.

Automatiserede biologiske forskningssystemer: Robotter giver automatiseret håndtering og læsning til forskellige aspekter af biologisk og biokemisk forskning, der spænder fra flowcytometre til specifikke molekylærbiologiske applikationer, såsom PCR-præparation og oprensning, kolonioptagelse eller udvikling af cellekultur.

Drug screening: Den nyeste mainstream robotics ansøgning tillader forskere at køre en bred vifte af celle-baserede, receptor-baserede og enzym-baserede analyser, der typisk anvendes i high throughput screening (HTS).

Gør robotter en fordel?

De laboratoriefordele ved at bruge robotteknik virker indlysende, idet de begynder med de ergonomiske fordele ved at automatisere opgaver, der ville være trættende, gentagne, skadelige eller endda farlige for et menneske.

En robot gør ingen sondring mellem det tilbagegående lavstativ et par centimeter væk fra gulvet og det ene højt, som et menneske ville have brug for at stå på en stol. Roboter kan også håndtere toksiner, biohazards sikkert eller operere i lukkede eller klimastyrede områder, som vi finder uudholdelige.

Laboratorierne omfattede oprindeligt robotter, fordi det syntes at tilbyde en flugt fra dilemmaet "kvantitet eller kvalitet" - det konstante behov for at afvige hastigheden for nøjagtighed.

Derimod syntes det at robotter kunne udføre uendeligt gentagne operationer til en højeste grad af præcision, der aldrig varierede og var uendeligt styrbar.

Imidlertid begyndte nogle begrænsninger i praksis, og især ved høj screening, at dukke op. Disse omfattede:

  • Lang design og implementeringstid
  • Langvarig overførsel fra manuel til automatiserede metoder
  • Ustabil robot operation, og
  • Begrænsede fejlgendannelsesevner.

Endvidere har behovet for at reducere trin i robotprocesser tendens til at fremme anvendelsen af ​​mindre præcise homogene analyser over de heterogene, som de fleste virksomheder foretrækker.

Opskalere

I begyndelsen af ​​det 21. århundredes vedtagelse af Allegro og andre teknologier, der er baseret på samlebåndsteknikker, overvinder mange af disse problemer ved at sende mikroplader ned i en linje til på hinanden følgende behandlingsmoduler, som hver udfører blot et trin i analysen. Hastigheden kunne multipliceres i processen ved at gøre hvert trin større, med 96-brønds mikropladen, der giver plads til 384 og nu 1.536 brøndsplader.

Roboternes nye evne til at skærmme sådanne enorme plader uden tilsyn satte vejen for det kvantitative high-throughput screening (qHTS) paradigme, der kan teste hver biblioteksforbindelse i flere koncentrationer.

Maksimal effektivitet og miniaturisering gav qHTS den teoretiske kapacitet til at udføre cellebaserede og biokemiske analyser på tværs af biblioteker med mere end 100.000 forbindelser, idet der blev testet mellem 700.000 og 2 millioner prøvebrønde inden for få timer.

Imidlertid behøver få virksomheder faktisk at screene for mange forbindelser internt hver dag med de dermed forbundne udgifter til forbrugsvarer som assayreagenser, cellekulturer, mikroplader og pipetips samt omkostningerne til datahåndtering og analysetid.

Når du tilføjer investeringsomkostningerne for tilknyttet infrastruktur, kan robotikken virke som et rigt barns legetøj.

Roboter til udlejning

I løbet af det første årti af det 21. århundrede tilbød voksende antal kontraktfirmaer, der lavede high-throughput screening (HTS), analyseanalyse og screening, dataanalyse og anden biblioteksstøtte.

Brugen af ​​sådanne kontrakt robotik labs blev meget mere populær, da de stoppede krævende royalty betalinger på enhver opdagelse. Sådanne laboratorier handler om evnen til at tilbyde ultra hurtige turnaround-tider, der kører 24/7 på HTS-robotter med høj kapacitet.

Nogle pharma- og biotekvirksomheder begyndte at outsource primær screening, idet den mere værdifulde, mere proprietære sekundære screening internt blev brugt til at muliggøre højere hitrate for deres hold. Men selv disse tilgange bliver overflødige med ny teknologi.

Gevær mod haglgevær tilgang

I det væsentlige er high-throughput screening den shotgun tilgang til forskning - ved hjælp af robotik til at kaste mange tusinde kemiske forbindelser mod et målpatogen for at se om dens cellevækst accelererer, stopper eller elimineres. Kapaciteten er fantastisk, men omkostningerne er høje, og forholdet mellem succes og succes er lavt.

Et mere sofistikeret robotik-aktiveret paradigme er high-screen screening (HCS) - en "riffel" tilgang, der anvender molekylær specificitet baseret på fluorescens og udnytter mere sofistikerede reagentklasser.

Højindholdsscreening har evnen til at multipleksere sammen med billedanalyse koblet til datahåndtering, dataudvinding og datavisualisering. Alle disse hjælper forskere fokuserer på biologisk og genomisk information og gør langt mere målrettede beslutninger om hvilke analyser der skal køre.

Nyeste teknologi tager denne målretning endnu mere. Hudson Robotics meddelte for nylig, hvad det betyder høj effektivitetsscreening (HES) for små molekyler og antistoffer.

Høj effektivitetsscreening bruger en proprietær algoritme til at kompilere en shortlist af biblioteksprover, som vil blive screenet. Dette sendes derefter videre til en robot arbejdsstation, hvor molekylerne er kirsebærplukket og screenet i det relevante assay.

Eventuelle molekyler, der viser sig at være aktive, bruges til at forbedre modellen, og processen gentages, indtil brugeren både har en liste over aktive molekyler, samt den endelige model, som kan bruges til at søge yderligere sammensatte samlinger og lede syntesen af ​​optimerede analoger.

Ved indledende testning mod kendte sammensatte databaser siger Hudson, at dets højeffektiv screening konsekvent identificerede de fleste kendte inhibitorer af ti forskellige biologiske mål efter screening under 10% af et bibliotek indeholdende ca. 80.000 forskellige molekyler.

Fremtidige robottendenser

Tre årtier fra det første laboratoriebrug af robotik synes det klart, at teknologien stadig er i sin barndom. Roboter kan virke gennemsigtige i dagens biomedicinske forskning, men de har en lang vej at udvikle sig.

For det første kan robotter ikke let eksistere sammen med mennesker, der skal arbejde i sikkert lukkede områder. Fraunhofer Institute har studeret dette aspekt og udviklet LISA, en prototype mobil laboratorieassistent med berøringsfølsomme "hud" og varmesensorer for at stoppe hendes bumping i mennesker og omvendt.

Mød LISA. Hun er den ene til venstre...

Men selv LISA vil sandsynligvis se så klumpet ud som Wright Flyer engang biomedicin, 3D-print og nanoteknologi kommer virkelig til spil. Et glimt af mulighederne tilbydes af roboten inchworm pionereret af Columbia University.

Bioboter som disse, eller DNA-edderkopper udviklet ved New York University og University of Michigan er lidt mere end fascinerende, hvis det er ret skræmmende, legetøj i øjeblikket. Men de peger på en fremtid, hvor robotikken bevæger sig ud over forskningslabben ind i operationsstuen - eller endda ned i molekylærområdet.

Undertale the Musical (Video Medicinsk Og Professionel 2020).

Afsnit Spørgsmål På Medicin: Medicinsk praksis