products4engineers

Nauwkeurige celanalyse in onderzoek medicatie

15 July 2021 • Herman de Haan • Faulhaber Benelux BV
In de systemen van CYRIS FLOX is precisie een continue vereiste (afbeeldingen: Faulhaber)

Welke medicijnen kunnen kanker overwinnen? Met welke dosis wordt het gewenste effect bereikt?

Series van proeven met celculturen geven antwoord op dit soort vragen. Dat maakt dit een van de meest belangrijke onderzoeksmethoden voor medisch onderzoekers.

CYRIS FLOX is een geautomatiseerd proefsysteem dat het werk in het laboratorium aanzienlijk vereenvoudigt. In het systeem zorgen motoren van FAULHABER ervoor dat de culturen gedurende de proefperiode de juiste hoeveelheid voedingsstoffen en medicatie krijgen. Ook wordt de ontwikkeling van de cellen nauwkeurig gevolgd, zonder menselijke tussenkomst.

De grens van het haalbare

Levens redden, ziektes genezen, symptomen behandelen: iedere dag helpen moderne medicijnen miljoenen mensen. Maar het is nog lang niet zo dat we overal het juiste middel voor hebben. En door het coronavirus is nog eens extra duidelijk geworden dat er continu nieuwe ziektes bij komen. Dat betekent dat er ook continu nieuwe medicijnen nodig zijn. En hier wordt dan ook voortdurend aan gewerkt. Een belangrijke doelstelling hierbij is effectiviteit en veiligheid, en het liefst tonen onderzoekers die al aan voordat ze gaan testen op mensen.

Deze laatste fase met klinisch onderzoek is essentieel. Maar voordat het zover is, kunnen laboratoria al veel uitvinden over de effectiviteit van een nieuw farmaceutisch middel. De effecten treden namelijk vooral op in de cellen van het menselijk lichaam. Daarom kan een celcultuur tot op zekere hoogte fungeren als substituut voor het uitproberen van de medicatie op proefpersonen. 

Wanneer giftig?

Márton Nagy, biotech-ontwikkelaar van het bedrijf INCYTOИ in München: “We kunnen bijvoorbeeld nagaan vanaf welke grenswaarde een stof giftig wordt voor de cellen. En dat is trouwens niet alleen mogelijk bij medicijnen, maar ook bij potentiële gifstoffen in de omgeving. We voegen een bepaalde hoeveelheid van de stof toe aan onze voedingsoplossing met de celcultuur, en dan observeren we hoe de cellen hierop reageren. Vervolgens verhogen we de dosis stapsgewijs. Op basis van bepaalde meetgegevens en optische waarnemingen met een microscoop, kunnen we bepalen vanaf welk punt de cellen het moeilijk krijgen. Deze waarde kunnen we omrekenen naar het lichaamsgewicht van een persoon.

In de praktijk wordt de toegestane grenswaarde voor één dosis dan vastgelegd als een fractie van deze kritieke waarde.” In de farmacie worden veel proeven uitgevoerd met kankercellen. Met kankercellen is het doel echter anders: het gaat er immers om welke medicatie, en in welke dosis, hun reproductie tegengaat of de cellen zelfs volledig vernietigt.

De celobservatie is een gelaagd proces, dat relatief veel tijd vraagt. Eén enkele proef duurt gemiddeld drie dagen. Gedurende deze periode worden talloze individuele metingen uitgevoerd, en de cellen worden herhaaldelijk met korte tussenpozen gefotografeerd. Deze beelden kunnen vervolgens worden gecombineerd tot een 'timelapse', die het verloop van de celgroei laat zien. Daarnaast volgen de metingen de ontwikkeling van het zuurstofgehalte, de pH-waarde en de elektrische weerstand van de cellaag.

Fysieke eigenschappen geven informatie Deze waarden worden beïnvloed door het metabolisme van de cellen. Gezonde cellen verbruiken bijvoorbeeld meer zuurstof dan cellen die lijden onder de (bij)werking van een medicijn dat aan de cultuur is toegevoegd. De pH-waarde gedraagt zich soortgelijk: het metabolisme produceert zure stoffen, zodat de pHwaarde over het algemeen uitslaat naar zuur. Een minder sterke verzuring is dus een teken dat het metabolisme niet op volle kracht draait. De mate van afwijking geeft inzicht in de werking van het medicijn. Dan is er nog de impedantie, dus de elektrische weerstand. Die neemt juist toe als er meer cellen zijn. Een vertraagde toename geeft aan wat voor werking de medicatie heeft op de cellen.

Automatisering onderzoeksprocessen

Tot nu toe was er voor dit soort proeven veel handmatig werk vereist. Automatisering van de diverse onderzoeksprocessen was slechts beperkt mogelijk. INCYTOИ brengt hier verandering in met CYRIS FLOX, een volledig automatisch laboratoriumapparaat dat meerdaagse proeven uit kan voeren zonder menselijke tussenkomst. Het apparaat documenteert ook de uitkomsten.

De kern van de proefopstelling is een transparante microtiterplaat met 24 uitsparingen: de proefkamers. Deze fungeren als kleine petrischaaltjes voor de testmonsters. 24 pipetjes op een robotarm voorzien de culturen van voeding en voegen de stoffen toe die moeten worden getest. Hierbij kan iedere pipet een andere samenstelling van de testoplossing introduceren. Iedere testkamer is uitgerust met sensoren voor het zuurstofgehalte, de pH-waarde en de elektrische weerstand. De afzonderlijke testkamers worden van onderaf met regelmatige tussenpozen gefotografeerd door een microscooplens.

Ontwikkeling voor automatisering 

INCYTOИ is een startup met academische wortels. De oprichters zijn afkomstig uit universitair onderzoek. Hier gebruikten ze motoren van andere fabrikanten om hun eerste prototypes van het apparaat aan te drijven. Deze bleken niet geschikt. De keus viel op FAULHABER als vervanging. De motoren van FAULHABER wisten te overtuigen met hun compacte design en de betrouwbaarheid van de componenten. Toen het systeem werd doorontwikkeld voor serieproductie, hoefden de ontwerpers dus niet op zoek naar een nieuwe leverancier. Wel stelden ze nieuwe doelen op voor hun aandrijvingen. 

Matthias Moll, Head of Development: “We wilden met zo min mogelijk verschillende motortypes werken. En we wilden een eenvoudiger bedradingsschema. Daarom zochten we naar een aandrijving met geïntegreerde elektronica. In ons conceptmodel bevond de elektronica zich in een besturingselement van de robotarm, waardoor er veel kabelverbindingen nodig waren in een bewegend onderdeel.” Daarnaast moesten de motoren foutmeldingen kunnen afgeven, bijvoorbeeld als oververhitting een mechanische blokkade dreigt te veroorzaken of zelfs heeft veroorzaakt.

Servomotor compatibel met laboratoriumdoeleinden

De 2232…BX4 borstelloze DC-servomotor in combinatie met een geïntegreerde Motion Controller voldoet aan deze nieuwe vereisten van de ingenieurs van INCYTOИ. Bovendien levert deze motor ook bijzonder veel kracht in een extreem compacte behuizing, is hij lichtgewicht en is hij uitstekend compatibel met laboratoriumtoepassingen. 

In totaal werkt het CYRIS FLOX analyse-apparaat met zes motoren. Drie hiervan bewegen de pipetteerkop in de robotarm over drie assen. Deze motoren positioneren de pipetten nauwkeurig boven de microtiter-proefkamers en plaatsen ze net boven de kamers om de oplossing in te brengen. Een vierde motor drijft 24 zuigers aan, die tot 200 µl van het cultuurmedium in steriele pipetuiteinden transporteren. Onder de monsters met celculturen drijven twee motoren de microscoop aan op een XY-tafel. De individuele testkamers worden van onderaf gefotografeerd door de transparante microtiterplaat.

Precisie en nauwkeurigheid in continubedrijf 

Matthias Moll legt uit waarom deze stap zo uitdagend is: “Om de ontwikkeling van afzonderlijke cellen later in de timelapse te kunnen zien, moet de lens altijd op exact hetzelfde punt onder de proefkamer staan. Met de motoren van FAULHABER kunnen we de tafel tot op twee micrometer nauwkeurig positioneren.” Ter vergelijking: een menselijke haar is tussen de 50 en 70 micrometer dik. Ook de motor die de zuigers van de pipetkop aandrijft, moet extreem nauwkeurig werken. Valide testresultaten zijn alleen haalbaar als de hoeveelheid vloeistof exact overeenkomt met de specificaties van de proef.

In de systemen van CYRIS FLOX is precisie een continue vereiste. De motortoepassingen staan of vallen dus met de herhaalnauwkeurigheid. Tijdens de gehele duur van het onderzoek moeten de exacte bewegingen met korte intervallen worden uitgevoerd, zonder enige afwijking. Moll: “We verwachten het allerhoogste niveau van betrouwbaarheid van de aandrijvingen in continubedrijf. Alleen dan kunnen we een machine leveren die langere tijd geen toezicht nodig heeft.” 

In de laboratoriumautomatisering is dit een belangrijke factor. “Met CYRIS FLOX kan een opstelling uren of zelfs dagen zonder menselijke tussenkomst werken, in plaats van enkele minuten. In de tussentijd kunnen de wetenschappers en laboratoriumtechnici ander werk doen. Dat maakt het laboratoriumwerk een stuk efficiënter, de lopende kosten gaan omlaag en het apparaat verdient zichzelf al snel terug.”

Gerelateerde blogs en casestudies