帶精密驅動(dòng)的全自動(dòng)細胞培養設備

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)采用細胞培養技術(shù)的批量檢測。它們無(wú)疑是醫療研究的重要方法。

使用CYRIS ^?FLOX自動(dòng)檢測系統，試驗室的工作變得更加簡(jiǎn)單。在整個(gè)試驗過(guò)程中，FAULHABER電機確保培養液獲得足夠的營(yíng)養和藥物供給，并對細胞的生長(cháng)變化進(jìn)行密切監控，這一切都無(wú)需試驗人員的參與。

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(lèi)，日復一日，年復一年。但是距離無(wú)病不可醫的日子還為時(shí)很遠。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)行臨床試驗前，我們就應該保證這些藥物的療效和安全性，因為臨床試驗是至關(guān)重要的最后階段。因為藥品的療效主要體現在人體細胞內，因此在很大程度上我們可以通過(guò)試驗對其進(jìn)行判斷。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)細胞培養技術(shù)取代普通的藥品試驗。

“比如說(shuō)，我們可以測定某種物質(zhì)在對細胞產(chǎn)生毒性前達到的極限值，”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)還可以應用在潛在的環(huán)境毒物。我們將一定數量的這種物質(zhì)加入用于細胞培養的營(yíng)養液中，并觀(guān)察細胞的反應。然后我們繼續增加用量。通過(guò)獲取特定的測量數據和顯微鏡觀(guān)察，我們可以確定該物質(zhì)對細胞產(chǎn)生危害的極限點(diǎn)。這個(gè)值可以根據人的體重進(jìn)行換算。在實(shí)踐當中，該危險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，有很多針對癌細胞的試驗。但是這些試驗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胞繁殖，甚至完全殺滅癌細胞的有效藥物及其有效的劑量。

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

物理指標為我們提供信息

這些參數值受細胞新陳代謝的影響。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(lèi)似：由于新陳代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，因此細胞的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，電阻值與細胞數量成正比。如果電阻的提升出現延遲，則說(shuō)明細胞受到了影響。

到目前為止，完成這類(lèi)試驗需要大量人工操作。不同的步驟僅有一部分可以實(shí)現自動(dòng)化。INCYTOИ ^? 研制的全自動(dòng) CYRIS ^?FLOX 設備不僅可以自動(dòng)完成為期幾天的試驗過(guò)程，無(wú)需操作人員干預，還能全面記錄試驗結果。

該試驗裝置的中心有一個(gè)由透明材料制成的微孔板，板上有24個(gè)試驗孔。細胞樣本就保存在這些微小的培養皿內。帶有24個(gè)吸管的機械臂向培養液內添加營(yíng)養液以及需要試驗檢測的物質(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)試驗孔都裝備了用于檢測氧含量、pH值和電阻值的傳感器。通過(guò)顯微鏡可以定期從試驗孔下側進(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來(lái)制作此試驗設備的原型。由于不符合應用需求，它們后來(lái)被替換為FAULHABER電機。憑借緊湊的設計和可靠的部件，新電機的質(zhì)量得到了證實(shí)。在準備投入量產(chǎn)前的研發(fā)過(guò)程中，他們也不再需要尋找其它驅動(dòng)產(chǎn)品。但是他們?yōu)榇酥贫诵碌哪繕耍骸拔覀円M可能減少所用的電機類(lèi)型，”研發(fā)經(jīng)理Matthias Moll在介紹最初情況時(shí)說(shuō)道?！拔覀円残枰雍?jiǎn)單的接線(xiàn)布置。我們所尋求的驅動(dòng)裝置應該帶有內置的控制器。在之前的設備上，這些控制器都安裝在機械臂的控制裝置內，這樣一來(lái)，移動(dòng)部件上就增加了很多電纜接頭?！贝送?，電機應該能夠報告故障，比如說(shuō)，如果出現過(guò)熱導致或者可能導致機械阻斷時(shí)。

2232…BX4無(wú)刷伺服電機與CxD系列內置運動(dòng)控制器組合，即可滿(mǎn)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，設計極為緊湊，重量輕，體積小以及適合試驗室應用的優(yōu)點(diǎn)。CYRIS ^?FLOX分析設備內一共安裝了六臺電機。其中三臺用于在三個(gè)軸向移動(dòng)機械臂上的吸管頭。在它們的控制下，吸管精確運行到微孔板正上方，然后向下運行到位，并釋放溶液。第四臺電機負責驅動(dòng)24個(gè)吸液活塞，將200 μl培養液輸送到無(wú)菌吸管內。最后兩臺電機在位于細胞樣本下方的定位滑臺上移動(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孔下方對樣本進(jìn)行拍照。

持續工作模式下的精準度和可靠性

“為了之后能夠通過(guò)慢鏡頭觀(guān)察細胞的變化，顯微鏡頭必須精確的移動(dòng)到試驗孔下方的規定位置，”MatthiasMoll在介紹完成這步操作的難度時(shí)說(shuō)道?！袄肍AULHABER電機我們可以將滑臺的定位精度控制在兩微米以?xún)??！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。驅動(dòng)吸管頭活塞的電機也必須很高的運行精度。為了獲得有效的試驗結果，溶液的吸入量必須精確無(wú)誤。

對于CYRIS ^?FLOX設備來(lái)說(shuō)，保證精確度是一項永久的使命。因此對于電機應用來(lái)說(shuō)重復性至高無(wú)上。在整個(gè)試驗階段內需要頻繁執行的運行過(guò)程必須得到精確無(wú)誤的重復?！膀寗?dòng)裝置在持續工作模式下必須能夠保證最高的可靠性，”身為研發(fā)經(jīng)理的他強調指出?！爸挥羞@樣我們才能實(shí)現更長(cháng)的‘walk-away time’?！痹谠囼炇易詣?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)人為干預情況下試驗過(guò)程可持續的時(shí)間?！袄肅YRIS^?FLOX設備，這個(gè)時(shí)間可以從幾分鐘延長(cháng)到若干小時(shí)，甚至幾天。我們高級科學(xué)家和試驗室技術(shù)人員可以利用寶貴的時(shí)間完成其它工作。試驗操作效率的提高和運營(yíng)成本的降低，也加快了設備的投資回報?！?/p>