Roboter tar over for å hjelpe medisinsk forskning


Roboter tar over for å hjelpe medisinsk forskning

Det har vært en lang og lunefull overtakelse, men roboter dominerer nå mange ledende biovitenskapslaboratorier, og på bare noen timer gjorde det en gang tok dager eller uker. Konvergensen av automatisering med nanoteknologi, biomedikk og avanserte algoritmer lover å ta robotisering av medisinsk forskning ytterligere.

I mai i år reiste Ross King, professor i maskinintelligens ved Storbritannias University of Manchester, øst for å snakke med studenter ved University of Nottingham campus i Ningbo, Kina. Hans papir "Robotforskere: Automatiserende biologi og kjemi" var en bekreftelse av teorier han og kollegaene først foreslo for nesten ti år siden.

I et brev fra 2004 til tidsskriftet Natur , Spurte de om det kunne være mulig å automatisere den faktiske "funn" -prosessen med observasjon, fradrag og konklusjon. Dette ville bruke et fysisk implementert robotsystem som brukte teknikker fra kunstig intelligens (AI) til å utføre sykluser av vitenskapelig eksperimentering.

Møt Adam og Eva, robotforskere

I Kina, som han tidligere hadde hatt ved Brunel University i London, oppnevnte prof. King de to "robotforskerne" Adam og Eva, konstruert ved University of Aberystwyth i Wales. Disse robotene danner hypoteser, velger effektive eksperimenter for å diskriminere mellom dem, utfører eksperimentene ved hjelp av laboratorieautomatiseringsutstyr, og analyser deretter resultatene.

Både Adam og Eva har gjort faktiske funn.

Adam ble utviklet for å undersøke funksjonell genomikk av gjær ( Saccharomyces cerevisiae ) Og Roboten lyktes i autonomt å identifisere gener som koder lokalt "foreldreløse" enzymer i gjær.

Prof. Ross King på kontrollene for Adam roboten, Aberystwyth University

På bibelsk måte ble Adam fulgt av Eva ved hjelp av lignende teknikker for å skape en maskin oppført mot automatisering og integrasjon av Narkotika funn : Screening, hit konformasjon og kvantitativ struktur-aktivitetsforhold (QSAR) utvikling. Eva bruker nye syntetiske biologiske skjermer som kombinerer fordelene med beregningsbaserte, målbaserte og cellebaserte analyser.

Prof. Ross King sier:

Vårt fokus har vært på forsømt tropisk sykdom, og ved bruk av Eva har vi oppdaget blyforbindelser for malaria, chagas, afrikansk sovesyke og andre forhold."

Ydmyk opprinnelse

Analytiske roboter som Adam, Eva eller de mer avanserte produktene som nå blir utviklet på ekspertområdene - som for eksempel Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation (IFF) i Magdeburg, Tyskland - er langt fra robotsystemene som først kom inn i Lab noen tre tiår siden.

Historien til et ledende selskap i feltet - Hamilton Robotics - viser fremgangen:

  • Fra presisjonssprøyter på 1940-tallet
  • Gjennom den første halvautomatiske fortynningsmaskinen i 1970
  • Til den første fullt automatiserte arbeidsstasjonen for prøveutarbeidelse i 1980.

Slike arbeidsstasjoner, som mekanisk håndterer prøver under full datamaskinstyring, oppfyller kjerneordboksdefinisjonen av en robot som "en maskin som er i stand til å utføre en kompleks serie handlinger automatisk." Deres faktiske mekaniske eller fysiske "arbeid" -komponent tilfredsstiller også Karel Čapeks opprinnelige "tvangsarbeid" -definisjon i 1920-spillet R.U.R. . Dette er spillet som introduserte ordet "robot" til verden.

Roboter på jobb

Flytende håndtering er en av de fire kjerneapplikasjonene for robotteknikk i laboratoriet. De andre er:

Mikroplatehåndtering: Bruker roboter til å flytte plater rundt en arbeidscell, mellom stabler og andre enheter (flytende håndtere, lesere, inkubatorer, og så videre). Avanserte mikroplate roboter integreres med tredjepartsinstrumenter for å lage arbeidsceller som automatiserer programmer og protokoller til nesten alle nivåer av kompleksitet.

Automatiserte biologiske forskningssystemer: Roboter gir automatisert håndtering og lesing for ulike aspekter ved biologisk og biokjemisk forskning, som strekker seg fra strømningscytometre til spesifikke molekylærbiologiske applikasjoner som PCR-preparering og rensing, koloni-plukking eller utvikling av cellekultur.

Drug screening: Den nyeste mainstream robotikkapplikasjonen gjør at forskere kan kjøre et bredt spekter av cellebaserte, reseptorbaserte og enzymbaserte analyser som vanligvis brukes i høy gjennomstrømnings screening (HTS).

Gir roboter en fordel?

Laboratoriefordelene ved å bruke robotteknologi virker åpenbare, og starter med de ergonomiske fordelene ved å automatisere oppgaver som vil være kjedelig, repeterende, skadelig eller til og med farlig for et menneske.

En robot gjør ingen forskjell mellom det ryggende lavstativet noen få centimeter av gulvet og det høye, som et menneske måtte stå på en stol på. Roboter kan også trygt håndtere toksiner, biohazards eller operere i forseglede eller klimastyrte områder som vi finner uutholdelig.

Laboratorier omfavnet opprinnelig robotikk fordi det syntes å gi en flukt fra "kvantitet eller kvalitet" dilemmaet - det konstante behovet for å bytte hastighet for nøyaktighet.

Derimot virket det som om roboter kunne utføre uendelig gjentatte operasjoner til en ypperlig grad av presisjon som aldri varierte og var uendelig kontrollerbar.

Imidlertid, i praksis, og særlig med høy gjennomstrømnings screening, begynte noen begrensninger å dukke opp. Disse inkluderte:

  • Lang design og implementeringstid
  • Langvarig overføring fra manuell til automatiserte metoder
  • Ustabil robotoperasjon, og
  • Begrensede feilsøkingsevner.

Videre har behovet for å redusere trinnene i robotprosesser tendens til å oppmuntre til bruk av mindre nøyaktige homogene analyser over de heterogene som de fleste bedrifter foretrekker.

Skalering opp

Tidlig 21. århundre adopsjon av Allegro og andre teknologier basert på samlingsteknikk teknikker overvinne mange av disse problemene ved å sende mikroplater ned en linje til påfølgende prosesseringsmoduler, som hver utfører bare ett trinn av analysen. Hastigheten kan multipliseres inn i prosessen ved å gjøre hvert trinn større, med 96-brønn mikroplaten som gir plass til 384 og nå 1,536 brønnplater.

Den nye kapasiteten til roboter til å skjerme slike enorme plater uten tilsyn har banet vei for det kvantitative høye gjennomstrømnings screening (qHTS) paradigmet som kan teste hvert bibliotek sammensatt ved flere konsentrasjoner.

Maksimal effektivitet og miniatyrisering ga qHTS den teoretiske kapasiteten til å utføre cellebaserte og biokjemiske analyser på tvers av biblioteker med mer enn 100.000 forbindelser, og testet mellom 700.000 og 2 millioner prøvebrønner innen noen få timer.

Imidlertid trenger få selskaper faktisk å skjerme at mange forbindelser internt hver dag, med tilhørende kostnader for forbruksvarer som analysereagenser, cellekulturer, mikroplater og pipetips, samt kostnadene for datahåndtering og analyse tid.

Når du legger til investeringskostnadene for tilknyttet infrastruktur, kan robotikken virke som et rikt barnas leketøy.

Roboter til leie

I løpet av det første tiåret av det 21. århundre tilbys økende antall kontraktselskaper som gjorde høy gjennomsiktig screening (HTS) analyseutvikling og screening, dataanalyse og annen bibliotekstøtte.

Bruken av slike kontrakt robotikk laboratorier ble mye mer populært etter at de sluttet å kreve royalty betalinger på noen oppdagelse. Slike laboratorier handler om muligheten til å tilby ultra-hurtige turnaround-tider, som kjører 24/7 på høykapasitets HTS-robot arbeidsstasjoner.

Noen pharma- og biotekvirksomheter begynte å outsource primær screening, og beholdt høyere verdier, mer proprietær sekundær screening internt, for å muliggjøre høyere trefftak for lagene sine. Men selv disse tilnærmingene blir overflødige med ny teknologi.

Gevær mot haglgeværstilgang

I hovedsak er gjennombruddssynkronisering haglene til forskning - ved hjelp av robotteknologi for å kaste tusenvis av kjemiske forbindelser mot et målpatogen for å se om celleveksten accelererer, stopper eller elimineres. Kapasiteten er fantastisk, men kostnadene er høye og forholdet mellom suksess og forhold er lavt.

Et mer sofistikert robotikk-aktivert paradigme er høy innholdsscreening (HCS) - en "rifle" -tilnærming som gjelder molekylær spesifisitet basert på fluorescens og utnytter mer sofistikerte reagensklasser.

High-content screening har muligheten til å multiplex, sammen med bildeanalyse koblet til datahåndtering, datautvinning og datavisualisering. Alle disse hjelpe forskerne fokusere på biologisk og genomisk informasjon og gjøre langt mer målrettede beslutninger på hvilke analyser som skal løpe.

Nyeste teknologi tar denne målrettingen ytterligere. Hudson Robotics annonserte nylig hva det betyr høyeffektiv screening (HES) for små molekyler og antistoffer.

Høyeffektiv screening bruker en proprietær algoritme for å kompilere en liste over biblioteksprøver som skal screenes. Dette blir så sendt videre til en robot arbeidsstasjon hvor molekylene er kirsebærplukket og screenet i den riktige analysen.

Eventuelle molekyler som er funnet å være aktive, brukes til å forbedre modellen, og prosessen gjentas til brukeren har både en liste over aktive molekyler, samt den endelige modellen som kan brukes til å søke flere sammensatte samlinger og veilede syntesen av optimaliserte analoger.

I foreløpig testing mot kjente sammensatte databaser sier Hudson at dets høyeffektiv screening konsekvent identifisert de fleste kjente inhibitorer av ti forskjellige biologiske mål etter screening under 10% av et bibliotek som inneholder ca. 80.000 forskjellige molekyler.

Fremtidige robottrender

Tre tiår fra det første laboratoriet bruk av robotteknologi, synes det klart at teknologien fortsatt er i sin barndom. Roboter kan virke gjennomgripende i dagens biomedisinske forskning, men de har en lang vei å utvikle seg.

For det første kan roboter ikke enkelt eksistere sammen med mennesker, og de trenger å jobbe i trygt lukkede områder. Fraunhofer-instituttet har studert dette aspektet og utviklet LISA, en prototyp mobil laboratorieassistent med berøringsfølsomme "hud" og varmesensorer for å stoppe henne å støte på mennesker og omvendt.

Møt LISA. Hun er den til venstre...

Men selv LISA vil sannsynligvis se ut som clunky som Wright Flyer en gang biomedisiner, 3D-utskrift og nanoteknologi kommer virkelig til spill. Et glimt av mulighetene tilbys av roboten inchworm pionerer ved Columbia University.

Bioboter som disse, eller DNA-edderkoppene utviklet ved New York University og University of Michigan er lite mer enn fascinerende, om det er ganske skummelt, leker for øyeblikket. Men de peker på en fremtid hvor robotteknologi beveger seg utenfor forskerlaboratoriet inn i operasjonsrommet - eller til og med ned i molekylærområdet.

The Rise of the Machines – Why Automation is Different this Time (Video Medisinsk Og Faglig 2021).

§ Problemer På Medisin: Medisinsk praksis