Jakie lekarstwo może pokonać raka? Jaka dawka pozwala osiągnąć pożądany efekt bez skutków ubocznych? Powyżej jakiego limitu pomocne lekarstwo staje się trucizną? Obecnie na takie pytania pozwalają odpowiedzieć serie testów z wykorzystaniem kultur komórkowych. Należą one do najważniejszych metod badawczych wykorzystywanych w medycynie.  

Limit żywotności

Ratowanie życia, leczenie chorób, łagodzenie objawów – współczesne leki robią to miliony razy, dzień po dniu. Daleko nam jednak do sytuacji, w której mielibyśmy lekarstwo na każdą dolegliwość. Dodatkowo pandemia koronawirusa dotkliwie uświadomiła nam, że do chorób już znanych ciągle dołączają nowe. Nowe lekarstwa są więc stale potrzebne i trwają nad nimi badania. Leki te powinny oczywiście być zarówno skuteczne, jak i bezpieczne – najlepiej zanim zostaną przetestowane na ludziach.

Ostatnia faza, czyli badania kliniczne, jest niezbędna. Ponieważ produkty farmaceutyczne w dużej mierze działają w komórkach ludzkiego ciała, wiele informacji na ich temat można określić już w laboratorium. W rezultacie hodowla komórkowa może służyć jako substytut „wypróbowania” leku.

– Możemy na przykład określić wartość graniczną, powyżej której substancja staje się toksyczna dla komórek – wyjaśnia Márton Nagy, specjalista ds. rozwoju biotechnologii z monachijskiej firmy INCYTOИ. – Nawiasem mówiąc, dotyczy to nie tylko leków, ale także np. potencjalnych toksyn środowiskowych. Pewną ilość substancji umieszczamy w pożywce zawierającej kulturę i obserwujemy, jak reagują komórki. Ilość stopniowo zwiększamy. Na podstawie pewnych danych pomiarowych i monitorowania optycznego za pomocą mikroskopu możemy określić punkt, w którym staje się ona krytyczna dla komórek. Wartość tę można przeliczyć na masę ciała człowieka. W praktyce dopuszczalna wartość graniczna dawki jest ogólnie zdefiniowana jako ułamek tej wartości krytycznej.
 
Obserwacja komórek jest procesem wielowarstwowym i przede wszystkim stosunkowo czasochłonnym. Średni czas trwania jednej próby wynosi około trzech dni. W tym okresie wykonywane są liczne indywidualne pomiary, a komórki wielokrotnie fotografuje się w krótkich odstępach czasu. Sekwencje obrazów można łączyć ze sobą, tworząc film poklatkowy, który obrazuje przebieg wzrostu komórek. W pomiarach brane są pod uwagę trzy wielkości fizyczne: zawartość tlenu, wartość pH i opór elektryczny warstwy komórek.

Wielkości fizyczne jako źródło informacji

Na wartości wielkości wpływa metabolizm komórek. Na przykład zdrowe komórki zużywają więcej tlenu niż te, na które już wpływają (uboczne) działania wprowadzonego leku. Sytuacja wygląda podobnie w przypadku wartości pH: ponieważ w wyniku metabolizmu komórek powstają substancje kwaśne, wartość pH zwykle spada do zakresu kwaśnego. Występowanie tego procesu w mniejszym stopniu oznacza, że metabolizm jest upośledzony. Stopień odchylenia dostarcza informacji o działaniu leku. Z kolei opór elektryczny (impedancja) rośnie wraz z liczbą komórek. Opóźnienie wzrostu pokazuje zatem, jak duży jest wpływ na komórki.

Do tej pory takie serie testów wymagały dużego nakładu pracy ręcznej. Poszczególne kroki można było zautomatyzować jedynie częściowo. Dzięki CYRIS FLOX firma INCYTOИ stworzyła w pełni automatyczne urządzenie, które może przeprowadzać wielodniowe testy bez interwencji człowieka, a także w pełni dokumentować wyniki.

Sercem zestawu testowego jest płytka do mikromiareczkowania wykonana z przezroczystego materiału, wyposażona w 24 dołki lub komory testowe. W nich próbki komórek przechowywane są jak w miniaturowych szalkach Petriego. 24 pipety na ramieniu robota dostarczają do małych kultur pożywkę oraz przeznaczone do badania substancje. W ten sposób można dobrać różne składy roztworów dla poszczególnych pipet. Każda komora testowa wyposażona jest w czujniki zawartości tlenu, wartości pH i oporu elektrycznego. Poszczególne komory testowe są w regularnych odstępach czasu fotografowane od dołu przez soczewkę mikroskopu.

Rozwój w kierunku automatyzacji

INCYTOИ to start-up o akademickich korzeniach. Założyciele firmy wcześniej zajmowali się badaniami na uniwersytecie. Tam wykorzystywali silniki innych producentów do budowy pierwszych prototypów swojego urządzenia. Gdy okazały się one nieodpowiednie, zastąpiono je modelami firmy FAULHABER, które przekonywały kompaktową konstrukcją i niezawodnością komponentów. Gdy postanowiono dalej rozwijać system w celu przygotowania do produkcji seryjnej, szukanie dostawcy napędów nie było już konieczne.

Wyznaczono jednak nowe cele dla tego obszaru: – Chcieliśmy pracować z jak najmniejszą liczbą różnych typów silników – opisuje początkową sytuację Matthias Moll, kierownik działu rozwoju. – Chcieliśmy również uprościć system okablowania. Szukaliśmy takiego napędu, w którym elektronika jest już zintegrowana. Do tamtej pory napędy umieszczano w elemencie sterującym ramienia robota, co oznaczało, że w ruchomym elemencie potrzebnych było wiele połączeń kablowych.

Ponadto silniki powinny być wyposażone w funkcję zgłaszania błędów, na przykład jeśli przegrzanie wywołuje lub grozi wywołaniem mechanicznej blokady.

W połączeniu ze zintegrowanym kontrolerem ruchu serii CxD, bezszczotkowy serwomotor 2232…BX4 spełnia te nowe oraz wszystkie pozostałe wymagania techników z INCYTOИ – cechują go wysoka wydajność w niezwykle kompaktowej konstrukcji, niewielka masa i objętość, jak również kompatybilność pozwalająca na użytek laboratoryjny. W analizator CYRIS FLOX wbudowanych jest sześć silników. Trzy poruszają głowicą pipetującą w ramieniu robota w trzech osiach. Odpowiadają za precyzyjne przesuwanie pipet nad komorami do mikromiareczkowania i ustawianie ich tuż nad nimi w celu dozowania roztworu. Czwarty silnik napędza 24 tłoki ssące, które transportują do 200 µl pożywki w sterylnych końcówkach pipety. Dwa silniki poruszają mikroskopem po stoliku XY pod próbkami komórek. Zdjęcia poszczególnych komór testowych są robione od dołu przez przezroczyste płytki do mikromiareczkowania.
 
Precyzja i niezawodność nieprzerwanej pracy

– Aby móc później śledzić rozwój poszczególnych komórek w czasie, soczewka musi zawsze znajdować się dokładnie w tym samym miejscu pod komorą testową – mówi Matthias Moll, objaśniając trudności związane z tym etapem. – Za pomocą silników FAULHABER możemy precyzyjnie ustawić stolik z dokładnością do dwóch mikrometrów.

Dla porównania: grubość włosa ludzkiego wynosi od 50 do 70 mikrometrów. Silnik napędzający tłoki głowicy pipety również musi działać bardzo precyzyjnie. Uzyskanie prawidłowych wyników testów możliwe jest jedynie wtedy, gdy ilość cieczy dokładnie odpowiada specyfikacji.

W systemach CYRIS FLOX precyzja to stałe zadanie. Dlatego ważna w zastosowaniach silników jest powtarzalność. W okresie badania dokładny ruch musi być wykonywany wielokrotnie, w krótkich odstępach czasu i bez odchyleń. 

– Od napędów pracujących w trybie ciągłym oczekujemy najwyższego możliwego poziomu niezawodności – podkreśla kierownik działu rozwoju. – Dopiero wtedy możemy stworzyć warunki do długiego czasu »odejścia«.

W świecie automatyzacji laboratoriów tak określa się czas, w którym test może być przeprowadzany bez ingerencji człowieka. 

– Dzięki CYRIS FLOX czas ten można wydłużyć z kilku minut do godzin lub dni. Wysoko wykwalifikowani naukowcy i technicy laboratoryjni mogą w tym czasie wykonywać inne prace. Wydajność pracy laboratorium wzrasta, koszty eksploatacji spadają, a urządzenie szybko się zwraca.

Źródło: Faulhaber