帶精密驅(qū)動(dòng)的全自動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備

什么藥物可以擊敗癌癥？用什么樣的劑量可以獲得理想療效，而不會(huì)產(chǎn)生副作用？超過(guò)什么極限值之后，有效的藥物會(huì)產(chǎn)生毒性？在今天，這些問(wèn)題的解答都離不開(kāi)采用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的批量檢測(cè)。它們無(wú)疑是醫(yī)療研究的重要方法。

使用CYRIS ?FLOX自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)室的工作變得更加簡(jiǎn)單。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)AULHABER電機(jī)確保培養(yǎng)液獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)和藥物供給，并對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)變化進(jìn)行密切監(jiān)控，這一切都無(wú)需試驗(yàn)人員的參與。

生命力的極限

拯救生命，治愈疾病，緩解癥狀——先進(jìn)藥物造福于人類，日復(fù)一日，年復(fù)一年。但是距離無(wú)病不可醫(yī)的日子還為時(shí)很遠(yuǎn)。此外，通過(guò)新冠病毒疫情我們深切感受到新疾病帶來(lái)的危害。因此新藥物的研發(fā)工作急不可待。最好是在進(jìn)行臨床試驗(yàn)前，我們就應(yīng)該保證這些藥物的療效和安全性，因?yàn)榕R床試驗(yàn)是至關(guān)重要的最后階段。因?yàn)樗幤返寞熜е饕w現(xiàn)在人體細(xì)胞內(nèi)，因此在很大程度上我們可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行判斷。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)取代普通的藥品試驗(yàn)。

“比如說(shuō)，我們可以測(cè)定某種物質(zhì)在對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性前達(dá)到的極限值，”慕尼黑INCYTOИ ?公司生物技術(shù)研究員Márton Nagy解釋道?！斑@不僅適用于藥物，同時(shí)還可以應(yīng)用在潛在的環(huán)境毒物。我們將一定數(shù)量的這種物質(zhì)加入用于細(xì)胞培養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)液中，并觀察細(xì)胞的反應(yīng)。然后我們繼續(xù)增加用量。通過(guò)獲取特定的測(cè)量數(shù)據(jù)和顯微鏡觀察，我們可以確定該物質(zhì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生危害的極限點(diǎn)。這個(gè)值可以根據(jù)人的體重進(jìn)行換算。在實(shí)踐當(dāng)中，該危險(xiǎn)值極其微小的一部分將被定為允許的劑量極限值?！痹谒幬镅芯款I(lǐng)域，有很多針對(duì)癌細(xì)胞的試驗(yàn)。但是這些試驗(yàn)的目的恰好與上相反。在這里，我們希望尋找到能夠抑制癌細(xì)胞繁殖，甚至完全殺滅癌細(xì)胞的有效藥物及其有效的劑量。

對(duì)細(xì)胞的觀察是一個(gè)多班次、耗時(shí)的過(guò)程。進(jìn)行一次試驗(yàn)平均需要大約三天時(shí)間。在這個(gè)階段，不僅需要執(zhí)行很多不同測(cè)量，還要間隔很短的時(shí)間對(duì)細(xì)胞反復(fù)進(jìn)行拍照。將這些連續(xù)的圖片合并在一起，即形成了一個(gè)慢鏡頭展現(xiàn)細(xì)胞生產(chǎn)過(guò)程的影片。需要測(cè)量的有以下三個(gè)物理指標(biāo)：氧含量、pH值和單層細(xì)胞跨膜電阻。

物理指標(biāo)為我們提供信息

這些參數(shù)值受細(xì)胞新陳代謝的影響。比如說(shuō)，與處于健康狀態(tài)時(shí)相比，細(xì)胞在受藥物副作用影響的時(shí)候消耗的氧量更少。pH值的變化也非常類似：由于新陳代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，因此細(xì)胞的pH值一般會(huì)降低到酸性范圍。如果降低的幅度變小，則說(shuō)明新陳代謝過(guò)程受到了影響。通過(guò)減小的程度可以確定藥物的影響。在另一方面，電阻值與細(xì)胞數(shù)量成正比。如果電阻的提升出現(xiàn)延遲，則說(shuō)明細(xì)胞受到了影響。

到目前為止，完成這類試驗(yàn)需要大量人工操作。不同的步驟僅有一部分可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。INCYTOИ ? 研制的全自動(dòng) CYRIS ?FLOX 設(shè)備不僅可以自動(dòng)完成為期幾天的試驗(yàn)過(guò)程，無(wú)需操作人員干預(yù)，還能全面記錄試驗(yàn)結(jié)果。

該試驗(yàn)裝置的中心有一個(gè)由透明材料制成的微孔板，板上有24個(gè)試驗(yàn)孔。細(xì)胞樣本就保存在這些微小的培養(yǎng)皿內(nèi)。帶有24個(gè)吸管的機(jī)械臂向培養(yǎng)液內(nèi)添加營(yíng)養(yǎng)液以及需要試驗(yàn)檢測(cè)的物質(zhì)。在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)吸管可以吸取成分不同的溶液。每個(gè)試驗(yàn)孔都裝備了用于檢測(cè)氧含量、pH值和電阻值的傳感器。通過(guò)顯微鏡可以定期從試驗(yàn)孔下側(cè)進(jìn)行拍照。

自動(dòng)化研發(fā)

INCYTOИ ? 是一家有學(xué)術(shù)背景的新創(chuàng)企業(yè)。公司創(chuàng)辦人曾經(jīng)從事大學(xué)研究工作。那時(shí)候，他們采用其它制造商的電機(jī)來(lái)制作此試驗(yàn)設(shè)備的原型。由于不符合應(yīng)用需求，它們后來(lái)被替換為FAULHABER電機(jī)。憑借緊湊的設(shè)計(jì)和可靠的部件，新電機(jī)的質(zhì)量得到了證實(shí)。在準(zhǔn)備投入量產(chǎn)前的研發(fā)過(guò)程中，他們也不再需要尋找其它驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。但是他們?yōu)榇酥贫诵碌哪繕?biāo)：“我們要盡可能減少所用的電機(jī)類型，”研發(fā)經(jīng)理Matthias Moll在介紹最初情況時(shí)說(shuō)道。“我們也需要更加簡(jiǎn)單的接線布置。我們所尋求的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該帶有內(nèi)置的控制器。在之前的設(shè)備上，這些控制器都安裝在機(jī)械臂的控制裝置內(nèi)，這樣一來(lái)，移動(dòng)部件上就增加了很多電纜接頭。”此外，電機(jī)應(yīng)該能夠報(bào)告故障，比如說(shuō)，如果出現(xiàn)過(guò)熱導(dǎo)致或者可能導(dǎo)致機(jī)械阻斷時(shí)。

2232…BX4無(wú)刷伺服電機(jī)與CxD系列內(nèi)置運(yùn)動(dòng)控制器組合，即可滿足INCYTOИ ?技術(shù)人員提出的這些新要求。除此之外，它們還具備效率高，設(shè)計(jì)極為緊湊，重量輕，體積小以及適合試驗(yàn)室應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。CYRIS ?FLOX分析設(shè)備內(nèi)一共安裝了六臺(tái)電機(jī)。其中三臺(tái)用于在三個(gè)軸向移動(dòng)機(jī)械臂上的吸管頭。在它們的控制下，吸管精確運(yùn)行到微孔板正上方，然后向下運(yùn)行到位，并釋放溶液。第四臺(tái)電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)24個(gè)吸液活塞，將200 μl培養(yǎng)液輸送到無(wú)菌吸管內(nèi)。最后兩臺(tái)電機(jī)在位于細(xì)胞樣本下方的定位滑臺(tái)上移動(dòng)顯微鏡。由于微孔板采用透明材質(zhì)，可以用顯微鏡從試驗(yàn)孔下方對(duì)樣本進(jìn)行拍照。

持續(xù)工作模式下的精準(zhǔn)度和可靠性

“為了之后能夠通過(guò)慢鏡頭觀察細(xì)胞的變化，顯微鏡頭必須精確的移動(dòng)到試驗(yàn)孔下方的規(guī)定位置，”Matthias Moll在介紹完成這步操作的難度時(shí)說(shuō)道?！袄肍AULHABER電機(jī)我們可以將滑臺(tái)的定位精度控制在兩微米以內(nèi)?！蔽覀兛梢宰鲆粋€(gè)形象的比較：人的一根頭發(fā)的厚度在50和70微米之間。驅(qū)動(dòng)吸管頭活塞的電機(jī)也必須很高的運(yùn)行精度。為了獲得有效的試驗(yàn)結(jié)果，溶液的吸入量必須精確無(wú)誤。

對(duì)于CYRIS ?FLOX設(shè)備來(lái)說(shuō)，保證精確度是一項(xiàng)永久的使命。因此對(duì)于電機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)重復(fù)性至高無(wú)上。在整個(gè)試驗(yàn)階段內(nèi)需要頻繁執(zhí)行的運(yùn)行過(guò)程必須得到精確無(wú)誤的重復(fù)。“驅(qū)動(dòng)裝置在持續(xù)工作模式下必須能夠保證最高的可靠性，”身為研發(fā)經(jīng)理的他強(qiáng)調(diào)指出?！爸挥羞@樣我們才能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的‘walk-away time’。”在試驗(yàn)室自動(dòng)化技術(shù)盛行的今天，我們用這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表示無(wú)人為干預(yù)情況下試驗(yàn)過(guò)程可持續(xù)的時(shí)間?！袄肅YRIS ?FLOX設(shè)備，這個(gè)時(shí)間可以從幾分鐘延長(zhǎng)到若干小時(shí)，甚至幾天。我們高級(jí)科學(xué)家和試驗(yàn)室技術(shù)人員可以利用寶貴的時(shí)間完成其它工作。試驗(yàn)操作效率的提高和運(yùn)營(yíng)成本的降低，也加快了設(shè)備的投資回報(bào)。”