Des robots prenant le relais pour aider la recherche médicale


Des robots prenant le relais pour aider la recherche médicale

Il a été une prise de contrôle longue et furtive, mais les robots dominent maintenant de nombreux laboratoires de biosciences, en quelques heures, ce qui a pris des jours ou des semaines. Maintenant, la convergence de l'automatisation avec les nanotechnologies, la biomédecine et les algorithmes avancés promet de faire de la robotisation de la recherche médicale beaucoup plus loin.

En mai de cette année, Ross King, professeur d'intelligence mécanique à l'Université britannique de Manchester, a voyagé à l'est pour parler à des étudiants du campus de l'Université de Nottingham à Ningbo, en Chine. Son article intitulé «Les scientifiques du robot: automatiser la biologie et la chimie» a été une justification des théories qu'il et ses collègues proposaient pour la première fois il y a près d'une décennie.

Dans une lettre de 2004 au journal La nature , Ils ont demandé s'il serait possible d'automatiser le processus d'observation, de déduction et de conclusion. Cela utiliserait un système robotique implémenté physiquement qui appliquait des techniques d'intelligence artificielle (AI) pour réaliser des cycles d'expérimentation scientifique.

Rencontrez Adam et Eve, scientifiques de robots

En Chine, comme il l'avait fait plus tôt à l'Université Brunel à Londres, le Prof. King a nommé les deux «scientifiques robots» Adam et Eve, construits à l'Université d'Aberystwyth au Pays de Galles. Ces robots forment des hypothèses, sélectionnent des expériences efficaces pour discriminer entre elles, exécutent les expériences en utilisant des équipements d'automatisation de laboratoire, puis analysent les résultats.

Adam et Eve ont fait des découvertes réelles.

Adam a été développé pour étudier la génomique fonctionnelle de la levure ( Saccharomyces cerevisiae ) et Le robot a réussi à identifier de manière autonome les gènes qui encodent les enzymes locales "orphelines" dans la levure.

Prof. Ross King aux commandes d'Adam the robot, Aberystwyth University

En mode biblique, Adam a été suivi par Eve en utilisant des techniques similaires pour créer une machine chargée d'automatiser et d'intégrer découverte de médicament : Le dépistage, la conformation des impacts et le développement quantitatif de la relation structure-activité (QSAR). Eve utilise de nouveaux écrans de biologie synthétique qui combinent les avantages des tests informatiques, basés sur des cibles et basés sur des cellules.

Le professeur Ross King dit:

Notre attention a porté sur les maladies tropicales négligées, et en utilisant Eve, nous avons découvert des composés de plomb pour le paludisme, Chagas, la maladie du sommeil africain et d'autres conditions.

Origines humbles

Les robots analytiques comme Adam, Eve ou les produits les plus avancés développés actuellement dans des centres d'excellence - tels que l'Institut Fraunhofer pour l'Opération et l'Automatisation des Usines (IFF) à Magdeburg, en Allemagne - sont loin des systèmes robotiques qui sont entrés Laboratoire il y a trois décennies.

L'histoire d'une entreprise leader sur le terrain - Hamilton Robotics - démontre la progression:

  • Des seringues de précision dans les années 1940
  • À travers le premier diluant semi-automatisé en 1970
  • Au premier poste de travail entièrement automatisé pour la préparation des échantillons en 1980.

De tels postes de travail, qui manipulent mécaniquement des échantillons sous contrôle complet de l'ordinateur, répondent à la définition de dictionnaire de base d'un robot comme "une machine capable de mener automatiquement une série complexe d'actions". Leur véritable composant "travail" mécanique ou physique contribue également à la définition originale de «travail forcé» de Karel Čapek dans sa pièce de 1920 R.U.R. . C'est la pièce qui a introduit le mot «robot» dans le monde.

Robots au travail

La manipulation des liquides est l'une des quatre applications centrales de la robotique en laboratoire. Les autres sont:

Manipulation de la microplaque: En utilisant des robots pour déplacer des plaques autour d'une cellule de travail, entre des piles et d'autres dispositifs (manipulateurs de liquides, lecteurs, incubateurs, etc.). Les robots de microplaques avancés intègrent avec des instruments tiers pour créer des cellules de travail qui automatisent les applications et les protocoles à presque tous les niveaux de complexité.

Systèmes automatisés de recherche biologique: Les robots fournissent une manipulation et une lecture automatisées pour divers aspects de la recherche biologique et biochimique, allant des cytomètres de flux à des applications spécifiques de biologie moléculaire telles que la préparation et la purification de la PCR, la préparation des colonies ou le développement de la culture cellulaire.

Détection de médicaments: La plus récente application robotique traditionnelle permet aux chercheurs d'exécuter une large gamme d'analyses basées sur des cellules, basées sur des récepteurs et basées sur des enzymes généralement utilisées dans le dépistage à haut débit (HTS).

Les robots offrent-ils un avantage?

Les avantages du laboratoire de l'utilisation de la robotique semblent évidents, en commençant par les avantages ergonomiques de l'automatisation des tâches qui seraient fastidieux, répétitifs, nuisibles ou même dangereux pour un être humain.

Un robot ne fait aucune distinction entre le rack inférieur déconcertant à quelques centimètres du sol et l'un haut, pour lequel un humain doit se tenir debout sur une chaise. Les robots peuvent également manipuler en toute sécurité les toxines, les risques biologiques ou opérer dans des zones scellées ou climatisées que nous trouverions insupportables.

Les laboratoires ont d'abord adopté la robotique car il semblait offrir une échappatoire au dilemme "quantité ou qualité" - le besoin constant d'échanger la vitesse de précision.

En revanche, il semblait que les robots pouvaient effectuer des opérations infiniment répétées à un degré suprême de précision qui ne variait jamais et était infiniment contrôlable.

Cependant, dans la pratique, et en particulier avec le dépistage à haut débit, certaines limitations ont commencé à apparaître. Ceux-ci incluaient:

  • Longue conception et temps de mise en œuvre
  • Transfert prolongé de méthodes manuelles à automatisées
  • Opération robotique instable, et
  • Capacités de récupération d'erreur limitées.

En outre, la nécessité de réduire les étapes des processus robotisés a favorisé l'utilisation de tests homogènes moins précis sur les hétérogènes que la plupart des entreprises préfèreraient.

Mise à l'échelle

L'adoption de Allegro au début du 21ème siècle et d'autres technologies basées sur des techniques de ligne d'assemblage ont surmonté plusieurs de ces problèmes en passant les microplaques en ligne vers des modules de traitement consécutifs, chacun d'entre eux n'ayant qu'une seule étape de l'analyse. La vitesse pourrait être multipliée dans le processus en faisant progresser chaque étape, avec la microplaque de 96 puits donnant lieu à 384 et maintenant des plaques de 1,536 puits.

La nouvelle capacité des robots à dépister de telles énormes plaques non surveillées a ouvert la voie au paradigme quantitatif de dépistage à haut débit (qHTS) qui peut tester chaque composé de bibliothèque à de multiples concentrations.

L'efficacité maximale et la miniaturisation ont donné à qHTS la capacité théorique à effectuer des analyses cellulaires et biochimiques dans des bibliothèques de plus de 100 000 composés, testant entre 700 000 et 2 millions de puits d'échantillonnage en quelques heures.

Cependant, peu de sociétés ont réellement besoin d'afficher plusieurs composés à l'interne chaque jour, avec les coûts associés aux consommables tels que les réactifs de dosage, les cultures cellulaires, les microplaques et les pointes de pipet, ainsi que le coût de la gestion des données et de l'analyse.

Lorsque vous ajoutez les frais généraux d'investissement pour l'infrastructure associée, la robotique peut sembler un jouet d'enfant riche.

Robots à louer

Au cours de la première décennie du XXIe siècle, un nombre croissant d'entreprises contractuelles faisant l'objet d'un dépistage à haut débit (HTS) ont offert le développement et le dépistage des analyses, l'analyse de données et d'autres supports de bibliothèque.

L'utilisation de tels laboratoires de robotique de contrat est devenue beaucoup plus populaire après avoir arrêté d'exiger des paiements de redevances pour toute découverte. De tels laboratoires s'engagent sur la possibilité d'offrir des délais d'exécution ultra rapides, fonctionnant 24 heures sur 24 et 7 jours sur les stations de travail robotiques HTS de grande capacité.

Certaines entreprises pharmacies et biotechnologiques ont commencé à externaliser le dépistage primaire, en gardant le contrôle secondaire plus élevé et plus exclusif en interne, afin de permettre des taux de réussite plus élevés pour leurs équipes. Cependant, même ces approches deviennent redondantes avec de nouvelles technologies.

Rifle versus shotgun approach

Essentiellement, le dépistage à haut débit est l'approche du fusil de recherche pour la recherche - en utilisant la robotique pour jeter plusieurs milliers de composés chimiques contre un agent pathogène cible pour voir si sa croissance cellulaire accélère, s'arrête ou est éliminée. La capacité est géniale, mais les coûts sont élevés et le ratio unité / succès est faible.

Un paradigme plus sophistiqué compatible avec la robotique est le dépistage de contenu élevé (HCS) - une approche «fusil» qui applique la spécificité moléculaire basée sur la fluorescence et profite de classes de réactifs plus sophistiquées.

Le dépistage de contenu élevé a la possibilité de multiplexer, ainsi que l'analyse d'image couplée à la gestion des données, à l'exploration de données et à la visualisation des données. Tout cela aide les chercheurs à se concentrer sur l'information biologique et génomique et à prendre des décisions beaucoup plus ciblées sur les tests à exécuter.

La technologie la plus récente poursuit encore davantage ce ciblage. Hudson Robotics a récemment annoncé ce qu'il qualifie de dépistage à haute efficacité (HES) pour les petites molécules et les anticorps.

Le dépistage à haute efficacité utilise un algorithme propriétaire pour compiler une liste restreinte d'échantillons de bibliothèque qui seront examinés. Ceci est ensuite transmis à un poste de travail robotique où les molécules sont cueillies à la cerise et filtrées dans l'essai approprié.

Toutes les molécules trouvées actives sont utilisées pour améliorer le modèle et le processus est répété jusqu'à ce que l'utilisateur dispose à la fois d'une liste de molécules actives, ainsi que du modèle final qui peut être utilisé pour rechercher des collections de composés supplémentaires et pour guider la synthèse des analogues optimisés.

Dans les essais préliminaires contre les bases de données connues, Hudson affirme que son dépistage à haute efficacité a constamment identifié la majorité des inhibiteurs connus de dix cibles biologiques différentes après dépistage sous 10% d'une bibliothèque contenant quelque 80 000 molécules diverses.

Futures tendances du robot

Trois décennies après la première utilisation de la robotique par laboratoire, il semble clair que la technologie en est encore à ses balbutiements. Les robots peuvent sembler omniprésents dans la recherche biomédicale d'aujourd'hui, mais ils ont une longue façon d'évoluer.

D'une part, les robots ne peuvent pas facilement coexister avec les humains, ont besoin de travailler dans des zones fermées en toute sécurité. L'Institut Fraunhofer étudie cet aspect et a développé LISA, un prototype d'assistant de laboratoire mobile doté de «peau» tactile et de capteurs de chaleur pour l'empêcher de se heurter aux humains et vice versa.

Rencontrez LISA. C'est celle sur la gauche...

Mais même LISA est susceptible de paraître aussi maladroit que le Wright Flyer une fois que les biomédicaments, l'impression 3D et les nanotechnologies entrent vraiment en jeu. Un aperçu des possibilités est offert par la robotique inchworm initiée par l'Université Columbia.

Des biocombustibles comme ceux-ci, ou les araignées d'ADN développées à l'Université de New York et à l'Université du Michigan, ne sont que des jouets fascinants, si plutôt effrayants, en ce moment. Mais ils indiquent un avenir où la robotique dépasse le laboratoire de recherche dans la salle d'opération - ou même dans le domaine moléculaire.

Humans Need Not Apply (Médical Et Professionnel Video 2024).

Section Des Questions Sur La Médecine: Pratique médicale