05/01/2022
Door Ad Spijkers
Moderne automatiseringstechnologie en kunstmatige intelligentie zorgen voor laboratoriumsysteem dat 15.000 individuele monsters per dag kan testen.
Het Agamede-project is een interdisciplinair project dat de werelden van robotica, informatica, industrieel ontwerp, wiskunde, biologie en scheikunde combineert. Het robotsysteem werd ontwikkeld aan het Instituut voor Bio-organische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IBCH-PAS) in Poznan, samen met Mitsubishi Electric, Labomatica in Poznan en Perlan Technologies in Warschau. Het werd ontworpen om de diagnose van SARS-CoV-2 (Covid-19, corona) aanzienlijk te versnellen.
Dankzij de modernste automatiseringstechnologie in combinatie met kunstmatige intelligentie kan het systeem 15.000 individuele monsters per dag testen. Andere toepassingen zijn het onderzoeken van nieuwe medicijnen, het ontwikkelen van geïndividualiseerde kankertherapieën of zelfs het maken van cosmetische formuleringen.
Laboratoriumrobot
Hoewel het automatiseren van laboratoriumwerk een gangbare praktijk is, combineert het Agamede-robotsysteem automatisering en kunstmatige intelligentie (AI) om een opstelling met gesloten regelkring te vormen. Robots bereiden experimenten voor, lezen de resultaten op een bepaald tijdstip uit en interpreteren de gegevens met behulp van Labomatica's Gene Game software om onafhankelijk de volgende experimentele cyclus voor te bereiden. Operators moeten de vraag definiëren, het experimentele systeem ontwerpen en de juiste volgorde en werking van het systeem bewaken. Agamede kan dan 24 uur per dag experimenten uitvoeren en resultaten opleveren.
De combinatie van AI en automatisering in een systeem met hoge doorloop is een doorbraak. De meeste van dergelijke geautomatiseerde systemen vereisen nog steeds een operator om de resultaten te lezen en de volgende reeks experimenten te plannen nadat een cyclus is voltooid. Agamede kan dit zelfstandig doen.
Dankzij de AI-module interpreteert Agamede de experimenten zonder menselijke tussenkomst, op basis van wiskundige modellen. Het systeem kan worden gebruikt door centrale diagnostische laboratoria, farmaceutische bedrijven in de ontwikkeling van geneesmiddelen, oncologische laboratoria op zoek naar gepersonaliseerde therapieën voor patiënten, maar ook in R&D-afdelingen van chemische en biotechnologische bedrijven om bioprocessen te optimaliseren.
Epicell
Het werk aan Agamede begon overigens al in 2015 op de IBCH PAS. Het systeem is oorspronkelijk ontwikkeld voor het Epicell-project als onderdeel van het Strategmed-programma 'Prevention and Treatment of Civilization Diseases'. Het doel van het project was om geoptimaliseerde media te ontwikkelen voor de kweek van geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide (iPSC) cardiomyocyten.
Eind maart 2020 veranderde de situatie. Sinds de oprichting houdt het IBCH PAS zich bezig met RNA- en DNA-nucleïnezuren, dus het had alle faciliteiten om SARS-CoV-2-diagnostiek aan te pakken. Het instituut was het eerste in Polen dat een test ontwikkelde om SARS-CoV-2 te detecteren. De wetenschappers besloten al snel om de automatiseringsmogelijkheden van Agamede te combineren met deze tests.
Ze ontwikkelden een diagnostisch protocol met hoge doorvoer waarmee Ze 15.000 monsters op één dag kunnen testen. Dit is in ieder geval het potentieel, omdat IBCH PAS als wetenschappelijke entiteit geen geaccrediteerd diagnostisch laboratorium heeft. Toch is dit een goed resultaat, want bij handmatige analyse van monsters kan één persoon hoogstens een paar honderd monsters per dag verwerken.
Robots, PLC en software
Mitsubishi Electric leverde voor Agemede een 6-assige robot, PLC-besturingen en de bijbehorende Melfa Basic software. De industriële robot met zijn lange armbereik is het centrale onderdeel van het systeem. Met behulp van een geïntegreerde set robotgereedschappen kan het microschaalexperimenten uitvoeren op micro-assayplaten met 96 en 384 wells. Dit reproduceert het werk van een laboratoriumtechnicus die continu de analytische apparatuur bedient. Het systeem doet dit volgens de experimentele protocollen die de operator in de besturingssoftware heeft ingevoerd.
De toepassing omvat verder industriële celcultuurincubatoren, plaat- en tipfeeders, pipetteerstations, labellers, barcodescanners, plaatsealers, fluorescentielezers en spectrofotometers. Als bijzonder hoogtepunt is Agamede uitgerust met een geautomatiseerde confocale microscoop HCA met vier fluorescentiekanalen. Voor de biotechnologische gemeenschap is dit instrument het equivalent van de Hubble-telescoop die in de microkosmos is gebracht. De microscoop fotografeert en analyseert miljoenen cellen en weefselstructuren met vergelijkbare kwaliteit en efficiëntie.
Het apparaat wordt aangevuld met een akoestische dispenser die hoeveelheden vloeistof in het nanoliterbereik (10-9 ml) vrijgeeft. Snelle afgifte van dergelijke kleine hoeveelheden oplossing vermindert de onderzoekskosten en verhoogt de doorvoer. Hiermee kunnen experimenten worden uitgevoerd met een verzameling van meer dan 115.000 beschikbare chemische verbindingen.
Werken onder druk
Bij de implementatie van het eerste dergelijke geavanceerde systeem in Polen, waarbij robotica wordt gecombineerd met laboratoriumapparatuur, kon Mitsubishi Electric profiteren van zijn internationale ervaring. De steun van de wereldwijde organisatie was zeer nuttig, mede door de strakke deadline van het project. De organisatie heeft onder tijdsdruk gewerkt om een oplossing te ontwikkelen die de laboranten zo snel mogelijk zou ontlasten. Uiteindelijk ontstond een opstelling die een wekelijkse doorvoer van 100.000 monsters kan leveren, wat schaalbaar is.
Het Agamede-project is een interdisciplinair project dat de werelden van robotica, informatica, industrieel ontwerp, wiskunde, biologie en scheikunde combineert. De oplossingen die de ontwikkelaars er in gebruikten zijn innovatief en uniek. Zoals bij veel projecten was de grootste uitdaging om het doel te definiëren en hoe dit te bereiken.
De sleutel hiervoor was het vinden van een gemeenschappelijke 'technische taal' zodat mensen uit verschillende gebieden van expertise konden op hetzelfde niveau communiceren en hun verwachtingen duidelijk maken. Het was vaak moeilijk om de kloof te overbruggen tussen de academische wereld, die abstract denkt, en de industriële wereld, die typisch een vast patroon volgt.
Foto: Institute of Bioorganic Chemistry, Polish Academy of Sciences (IBCH PAS)