帶精密驅(qū)動的全自動細胞培養(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，而不會產(chǎn)生副作用？超過什么極限值之后，有效的藥物會產(chǎn)生毒性？在今天，這些問題的解答都離不開采用細胞培養(yǎng)技術(shù)的批量檢測。它們無疑是醫(yī)療研究的重要方法。

使用CYRIS ^?FLOX自動檢測系統(tǒng)，試驗室的工作變得更加簡單。在整個試驗過程中，F(xiàn)AULHABER電機確保培養(yǎng)液獲得足夠的營養(yǎng)和藥物供給，并對細胞的生長變化進行密切監(jiān)控，這一切都無需試驗人員的參與。

生命力的極限

拯救生命，治愈疾病，緩解癥狀——先進藥物造福于人類，日復(fù)一日，年復(fù)一年。但是距離無病不可醫(yī)的日子還為時很遠。此外，通過新冠病毒疫情我們深切感受到新疾病帶來的危害。因此新藥物的研發(fā)工作急不可待。最好是在進行臨床試驗前，我們就應(yīng)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(xiàn)在人體細胞內(nèi)，因此在很大程度上我們可以通過試驗對其進行判斷。也就是說，我們可以通過細胞培養(yǎng)技術(shù)取代普通的藥品試驗。

“比如說，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)加入用于細胞培養(yǎng)的營養(yǎng)液中，并觀察細胞的反應(yīng)。然后我們繼續(xù)增加用量。通過獲取特定的測量數(shù)據(jù)和顯微鏡觀察，我們可以確定該物質(zhì)對細胞產(chǎn)生危害的極限點。這個值可以根據(jù)人的體重進行換算。在實踐當(dāng)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。

對細胞的觀察是一個多班次、耗時的過程。進行一次試驗平均需要大約三天時間。在這個階段，不僅需要執(zhí)行很多不同測量，還要間隔很短的時間對細胞反復(fù)進行拍照。將這些連續(xù)的圖片合并在一起，即形成了一個慢鏡頭展現(xiàn)細胞生產(chǎn)過程的影片。需要測量的有以下三個物理指標(biāo)：氧含量、pH值和單層細胞跨膜電阻。

物理指標(biāo)為我們提供信息

這些參數(shù)值受細胞新陳代謝的影響。比如說，與處于健康狀態(tài)時相比，細胞在受藥物副作用影響的時候消耗的氧量更少。pH值的變化也非常類似：由于新陳代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，因此細胞的pH值一般會降低到酸性范圍。如果降低的幅度變小，則說明新陳代謝過程受到了影響。通過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(shù)量成正比。如果電阻的提升出現(xiàn)延遲，則說明細胞受到了影響。

到目前為止，完成這類試驗需要大量人工操作。不同的步驟僅有一部分可以實現(xiàn)自動化。INCYTOИ ^? 研制的全自動 CYRIS ^?FLOX 設(shè)備不僅可以自動完成為期幾天的試驗過程，無需操作人員干預(yù)，還能全面記錄試驗結(jié)果。

該試驗裝置的中心有一個由透明材料制成的微孔板，板上有24個試驗孔。細胞樣本就保存在這些微小的培養(yǎng)皿內(nèi)。帶有24個吸管的機械臂向培養(yǎng)液內(nèi)添加營養(yǎng)液以及需要試驗檢測的物質(zhì)。在這個過程中，每個吸管可以吸取成分不同的溶液。每個試驗孔都裝備了用于檢測氧含量、pH值和電阻值的傳感器。通過顯微鏡可以定期從試驗孔下側(cè)進行拍照。

自動化研發(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。那時候，他們采用其它制造商的電機來制作此試驗設(shè)備的原型。由于不符合應(yīng)用需求，它們后來被替換為FAULHABER電機。憑借緊湊的設(shè)計和可靠的部件，新電機的質(zhì)量得到了證實。在準備投入量產(chǎn)前的研發(fā)過程中，他們也不再需要尋找其它驅(qū)動產(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類型，”研發(fā)經(jīng)理Matthias Moll在介紹最初情況時說道?！拔覀円残枰雍唵蔚慕泳€布置。我們所尋求的驅(qū)動裝置應(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械臂的控制裝置內(nèi)，這樣一來，移動部件上就增加了很多電纜接頭?！贝送?，電機應(yīng)該能夠報告故障，比如說，如果出現(xiàn)過熱導(dǎo)致或者可能導(dǎo)致機械阻斷時。

2232…BX4無刷伺服電機與CxD系列內(nèi)置運動控制器組合，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)計極為緊湊，重量輕，體積小以及適合試驗室應(yīng)用的優(yōu)點。CYRIS ^?FLOX分析設(shè)備內(nèi)一共安裝了六臺電機。其中三臺用于在三個軸向移動機械臂上的吸管頭。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(zé)驅(qū)動24個吸液活塞，將200 μl培養(yǎng)液輸送到無菌吸管內(nèi)。最后兩臺電機在位于細胞樣本下方的定位滑臺上移動顯微鏡。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行拍照。

持續(xù)工作模式下的精準度和可靠性

“為了之后能夠通過慢鏡頭觀察細胞的變化，顯微鏡頭必須精確的移動到試驗孔下方的規(guī)定位置，”MatthiasMoll在介紹完成這步操作的難度時說道?！袄肍AULHABER電機我們可以將滑臺的定位精度控制在兩微米以內(nèi)?！蔽覀兛梢宰鲆粋€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(jié)果，溶液的吸入量必須精確無誤。

對于CYRIS ^?FLOX設(shè)備來說，保證精確度是一項永久的使命。因此對于電機應(yīng)用來說重復(fù)性至高無上。在整個試驗階段內(nèi)需要頻繁執(zhí)行的運行過程必須得到精確無誤的重復(fù)?！膀?qū)動裝置在持續(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)理的他強調(diào)指出?！爸挥羞@樣我們才能實現(xiàn)更長的‘walk-away time’?！痹谠囼炇易詣踊夹g(shù)盛行的今天，我們用這個術(shù)語來表示無人為干預(yù)情況下試驗過程可持續(xù)的時間?！袄肅YRIS^?FLOX設(shè)備，這個時間可以從幾分鐘延長到若干小時，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間完成其它工作。試驗操作效率的提高和運營成本的降低，也加快了設(shè)備的投資回報?！?/p>