Biotecnologia: l’unione fa la forza contro il Covid
Mitsubishi Electric ha fornito robot, PLC e software per un sistema di automazione da laboratorio dedicato alla diagnosi del Covid 19. Un progetto interdisciplinare che ha unito robotica, informatica, design industriale, matematica, biologia e chimica.
Il sistema robotico Agamede è stato progettato per accelerare considerevolmente la diagnosi del Covid 19. Grazie alla combinazione fra intelligenza artificiale (AI) e automazione, il sistema può analizzare 15.000 singoli campioni al giorno. Fra le altre applicazioni spiccano la ricerca di nuovi farmaci, lo sviluppo di terapie antitumorali personalizzate e l’elaborazione di formule cosmetiche. Questo sistema di automazione da laboratorio è stato sviluppato dall’Institute of Bioorganic Chemistry della Polish Academy of Sciences (IBCH PAS), e ha potuto contare su una triplice collaborazione: Mitsubishi Electric, Labomatica e Perlan Technologies.
Oltre ad automatizzare le comuni attività di laboratorio, il sistema robotico Agamede genera infatti un’esclusiva configurazione “a circuito chiuso”. Ciò significa che sono i robot a predisporre le prove, leggere i risultati al momento opportuno e interpretare i dati sfruttando il software Gene GameTM di Labomatica, per preparare in autonomia il successivo ciclo sperimentale. Gli operatori devono solo impostare il quesito, progettare il sistema sperimentale e verificare la correttezza di sequenze e operazioni. Agamede è quindi in grado di eseguire analisi ed elaborarne i risultati per 24 ore al giorno.
Quando AI e automazione si integrano per combattere il Covid
L’integrazione di AI e automazione in una soluzione ad elevata produttività è un importante passo in avanti. La maggior parte degli attuali sistemi automatizzati ad alto rendimento infatti richiede ancora che un operatore consulti i risultati, e pianifichi la successiva batteria di esperimenti dopo il completamento del ciclo. Agamede lo fa di default. “Il modulo AI consente ad Agamede di interpretare le prove senza interventi da parte dell’uomo, ma basandosi unicamente su modelli matematici” spiega Radosław Pilarski, PhD, inventore e ingegnere capo del sistema. “Questa soluzione può essere impiegata da laboratori diagnostici centrali, aziende farmaceutiche per lo sviluppo di medicinali, laboratori oncologici in cerca di terapie mirate per i pazienti, o anche reparti R&D di aziende chimiche e biotecnologiche per ottimizzare i bioprocessi.”
Il primo progetto riguardava la cardiologia
L’IBCH PAS ha iniziato a sviluppare Agamede nel 2015, destinandolo all’inizio a Epicell, un progetto finanziato dal National Centre for Research and Development (NCBiR) nell’ambito del programma “Prevenzione e trattamento delle malattie della civiltà” – Strategmed. Il progetto voleva sviluppare mezzi specifici per la coltura dei cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC).
Il consorzio Epicell riunisce l’IBCH PAS, l’Institute of Human Genetics PAS e tre ospedali di Poznan. Partendo da un solido know-how, ha condotto studi per lo sviluppo futuro di metodi per trasformare le iPSC, e adattarle agli scopi della medicina rigenerativa. In particolare, la prima applicazione allo studio è stato l’impianto mirato nel cuore di pazienti che hanno subito un infarto miocardico, per riportare la gittata cardiaca ai livelli precedenti. L’ostacolo principale era il numero di esperimenti richiesti per formulare il corretto mix di modulatori epigenetici a piccole molecole. Una ricetta con dieci componenti e dieci diverse concentrazioni, ad esempio, richiede 10.000.000 di esperimenti. “Agamede ci ha messi in condizione di cercare la giusta miscela di composti in un sistema di soluzioni multidimensionale, arrivando allo sviluppo del mezzo di riprogrammazione Epicell One” spiega il Prof. Wojciech T. Markiewicz, responsabile del progetto.
Covid: si possono verificare 15.000 campioni al giorno
A marzo 2020, con la pandemia tutto è cambiato. Dedicato fin dalla fondazione agli acidi nucleici RNA e DNA, l’IBCH PAS ha dirottato tutte le infrastrutture sulla diagnosi del SARS-CoV-2. Come spiega il Prof. Marek Figlerowicz, direttore dell’IBCH PAS, l’istituto polacco aveva sviluppato un test per il rilevamento del virus. Applicando da subito agli esami le funzioni di automazione di Agamede, ha messo a punto un protocollo diagnostico che consente di verificare 15.000 campioni al giorno. Questo, almeno, è il potenziale, perché in quanto ente scientifico l’IBCH PAS non dispone di un laboratorio di diagnosi accreditato. Un risultato incredibile se si conta che con il metodo tradizionale manuale, un tecnico può analizzare al massimo qualche centinaio di campioni al giorno.
L’impiego di robot, PLC e software
Mitsubishi Electric ha fornito i controllori logici programmabili (PLC), il software MELFA Basic e un robot industriale antropomorfo a braccio lungo, componente cardine del sistema. Gli strumenti robotici integrati consentono di svolgere esperimenti su microscala con micropiastre da 96 a 384 pozzetti, replicando il lavoro di un tecnico di laboratorio che utilizza ininterrottamente gli strumenti di analisi. La procedura si svolge in conformità con i protocolli sperimentali inseriti dall’operatore nel software di gestione. L’applicazione include anche incubatori per colture cellulari industriali, erogatori di piastre e puntali, stazioni di pipettaggio, etichettatrici, lettori di codici a barre, sigillatori per piastre, lettori per misure in fluorescenza e spettrofotometri. Una delle specificità di Agamede è quella di essere dotato di un microscopio confocale automatico a quattro canali di fluorescenza per High-Content Analysis (HCA). Questo strumento fotografa e analizza milioni di cellule e strutture tissutali con efficienza e qualità. Il dispositivo è completato da un dispenser acustico che rilascia quantità di liquido nell’ordine dei nanolitri (milionesimi di millilitro) a intervalli rapidissimi. In questo modo, è possibile condurre esperimenti sfruttando un catalogo di oltre 115.000 composti chimici.
Esperti di campi diversi capaci di comunicare sullo stesso piano
“Il contributo di un’azienda di respiro globale come Mitsubishi Electric è stato preziosissimo” afferma Roman Janik, coordinatore delle soluzioni per il settore life science in Polonia, che sottolinea anche le tempistiche strettissime del progetto. “Abbiamo dovuto correre contro il tempo per sviluppare una soluzione in grado di ridurre quanto prima il carico di lavoro dei tecnici. Siamo riusciti a raggiungere un volume settimanale di 100.000 campioni, che comunque è scalabile”. Tomasz Scholz, Robotics Engineer di Mitsubishi Electric, aggiunge: “L’impresa sarebbe stata ardua anche senza il fattore tempo. Agamede è un progetto interdisciplinare che unisce più mondi: robotica, informatica, design industriale, matematica, biologia, chimica. Come in molti altri progetti, la sfida principale era stabilire un obiettivo ben preciso e la via per raggiungerlo. Il segreto è stato trovare un linguaggio tecnico comune, che permettesse a esperti di campi diversi di comunicare sullo stesso piano e chiarire le loro aspettative. Spesso è stato difficile colmare il gap tra l’universo accademico, che ragiona in termini astratti, e quello industriale, che invece segue un modello fisso”.
Un completo restyling anche estetico
Il risultato di questo sforzo congiunto è un sistema non solo funzionale, ma anche interessante dal punto di vista estetico. La pianificazione ha tenuto conto dello spazio fisico a cui era destinato il sistema. La camera bianca, che garantisce una coltura cellulare asettica e nella maggior parte dei laboratori non ha finestre, è stata sottoposta a un completo restyling. Le ampie finestre, opportunamente sigillate, offrono un’illuminazione ottimale, mentre i pannelli in vetro consentono di osservare e controllare costantemente il sistema senza indossare le apposite tute. Il lavoro è ulteriormente semplificato dalle videocamere e dagli schermi in 4 K ad alta risoluzione, utili per monitorare
Agamede e gli esperimenti da qualsiasi parte del mondo.