Das Robotersystem AGAMEDE, das am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit Mitsubishi Electric, Labomatica und Perlan Technologies entwickelt wurde, beschleunigt die Diagnose von SARS-CoV-2. Dank fortschrittlicher Automatisierungstechnologie mit künstlicher Intelligenz kann das System 15 Proben pro Tag testen. Technologie; Es könnte auch in anderen Anwendungsbereichen wie der Erforschung neuer Medikamente, personalisierten Krebsbehandlungen und sogar der Entwicklung kosmetischer Formeln eingesetzt werden.
Als erste Wissenschaftlerin der Geschichte war AGAMEDE die Inspiration für den Namen des Laborautomatisierungssystems, das am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde. Während die Automatisierung von Laborprozessen gängige Praxis ist, hat das AGAMEDE-Robotersystem begonnen, durch die Kombination von Automatisierung und künstlicher Intelligenz (KI) eine einzigartige Closed-Loop-Experimentumgebung zu bieten. Die Roboter, die die Experimente vorbereiten, lesen die Ergebnisse zu bestimmten Zeiten mit der Software Labomatica Gene GameTM aus, interpretieren die Daten und bereiten selbstständig den nächsten Experimentzyklus vor. Somit bleibt den Forschern nur die Aufgabe, die Fragestellung zu definieren, das experimentelle System zu entwerfen und den reibungslosen Betrieb des Systems zu überwachen. Der Roboter AGAMEDE hingegen arbeitet 24 Stunden am Tag, um zu experimentieren und die Ergebnisse zu melden.
Die Kombination aus künstlicher Intelligenz und Automatisierung in einem System, das Ergebnisse mit hoher Geschwindigkeit erzeugen kann, ist ein Durchbruch. Bei den meisten automatisierten Hochgeschwindigkeits-Ausgabesystemen muss ein Bediener die Ergebnisse ablesen und die nächste Reihe von Experimenten planen, nachdem ein Zyklus abgeschlossen ist. AGAMEDE hingegen kann dies selbstständig ohne menschliches Zutun tun.
„Dank des Moduls für künstliche Intelligenz interpretiert AGAMEDE Experimente ohne menschliches Eingreifen nur auf der Grundlage mathematischer Modelle“, sagte der Erfinder und Chefingenieur des Systems, Prof. DR. Radoslaw Pilarski setzte seine Worte wie folgt fort: „Das System; Es kann in zentralen Diagnoselabors, pharmazeutischen Unternehmen, die Medikamente entwickeln, und onkologischen Labors, die patientenindividuelle Therapien erforschen, sowie in den F&E-Abteilungen von Chemie- und Biotechnologieunternehmen zur Optimierung von Bioprozessen eingesetzt werden.“
Es wurde für das EPICELL-Projekt entwickelt
Die AGAMEDE-Arbeiten begannen 2015 innerhalb des Gremiums von IBCH PAS. Das System wurde hauptsächlich für das EPICELL-Projekt entwickelt, das vom National Research and Development Center im Rahmen des STRATEGMED-Programms „Prevention and Treatment of Modern Age Diseases“ finanziert wird. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines optimierten Mediums für die Kardiomyozytenkultur. Die größte Herausforderung in dieser Studie war die Anzahl der Experimente, die erforderlich waren, um eine geeignete Mischung aus epigenetischen Modulatoren mit kleinen Molekülen zu entwickeln. Beispielsweise erfordert eine Formel mit zehn Inhaltsstoffen und zehn verschiedenen Konzentrationen 10 Millionen Experimente. An dieser Stelle wurde AGAMEDE eingesetzt, um in einem mehrdimensionalen Lösungssystem nach der richtigen Kombination von Komponenten zu suchen. Dadurch wurde der Inhalt des Reprogrammiermediums EPICELL One verbessert.
Es kann 15 Tests pro Tag durchführen.
Mit der Feststellung, dass IBCH PAS seit seiner Gründung an RNA- und DNA-Nukleinsäuren arbeitet und dass sie über alle für SARS-CoV-2-Diagnoseverfahren erforderlichen Geräte und Einrichtungen verfügen, sagte IBCH/PAS-Direktor Prof. Marek Figlerowicz; „Unser Institut hat als erstes in Polen einen Test zum Nachweis von SARS-CoV-2 entwickelt. Kurz darauf entschieden wir uns, die Automatisierungsfähigkeiten von AGAMEDE mit unseren Tests zu kombinieren und entwickelten ein schnelles Diagnoseprotokoll, mit dem wir 15 Proben pro Tag testen konnten. Obwohl wir kein akkreditiertes diagnostisches Labor haben, haben wir ein unglaubliches Ergebnis erzielt, denn eine Person kann höchstens mehrere hundert Proben an einem Tag analysieren. Mit AGAMEDE konnten wir 15 Tests durchführen“, sagte er.
Roboter, SPS und Software von Mitsubishi Electric
Das AGAMEDE-Projekt, das mit Unterstützung der Technologiepartner von Mitsubishi Electric, Labomatica und Perlan Technologies umgesetzt wurde, verwendete den 6-Achsen-Roboter von Mitsubishi Electric, SPS-Steuerungen und die MELFA Basic-Software. Der Industrieroboter mit langem Arm ist die Hauptkomponente des Systems. Mit Hilfe eines integrierten Roboterwerkzeugs kann der Roboter Experimente im Mikromaßstab auf 96- und 384-Well-Mikroassayplatten durchführen und so die Arbeit eines Laboranten imitieren, der ständig Analysegeräte verwendet. Dazu werden Versuchsprotokolle verwendet, die der Bediener in die Steuerungssoftware eingibt.
In der Anwendung wurden auch industrielle Zellkultur-Inkubatoren, Platten- und Spitzenzuführungen, Pipettierstationen, Etikettierer, Barcode-Scanner, Plattenversiegler, Fluoreszenz-Lesegeräte und Spektralphotometer verwendet. Ein automatisches konfokales Mikroskop HCA mit vier Fluoreszenzkanälen als Highlight-Gerät ist im AGAMEDE-System enthalten. Für die Welt der Biotechnologie stellt dieses Gerät das Mikrokosmos-Äquivalent des Hubble-Teleskops dar. Anstelle von astronomischen Objekten analysiert es Millionen von Zell- und Gewebestrukturen, indem es sie mit der gleichen Qualität und Effizienz fotografiert. Das Gerät ist mit einem akustischen Diffusor ausgestattet, der Flüssigkeit im Nanoliterbereich (Millionstel eines Milliliters) abgibt. Die schnelle Abgabe solch kleiner Flüssigkeitsmengen senkt die Forschungskosten und erhöht die Arbeitsgeschwindigkeit. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer Sammlung von über 115 Chemikalien in kurzer Zeit Experimente durchzuführen.
Erfahrung aus der globalen Stärke von Mitsubishi Electric
Roman Janik betonte, dass sie von der internationalen Erfahrung bei der Implementierung eines solch fortschrittlichen Systems profitierten, in dem Roboter und Laborgeräte zum ersten Mal in Polen zusammenarbeiten, Roman Janik, Koordinator für Life Sciences Sector Solutions von Mitsubishi Electric Poland; „Die Unterstützung der globalen Organisation von Mitsubishi Electric, die sich innovativen Projekten verschrieben hat, war bei diesem Projekt äußerst hilfreich. Wir haben alle in kurzer Zeit hart daran gearbeitet, eine Lösung zu entwickeln, die Labortechniker so schnell wie möglich beruhigt, und wir konnten 100 Proben pro Woche liefern. „Das war ein unglaubliches Ergebnis für uns.“
Viele Disziplinen zusammenbringen
Das AGAMEDE-Projekt ist interdisziplinär und bringt die Welten der Robotik, Informatik, Industriedesign, Mathematik, Biologie und Chemie zusammen; Mitsubishi Electric Robotics Engineer Tomasz Scholz, der sagte, dass es auch ohne Zeitdruck ein komplexes Projekt werden würde, setzte seine Worte wie folgt fort: „Die Lösungen, die wir für dieses Projekt verwendet haben, sind innovativ und einzigartig … Wie bei vielen Projekten war die Definition die größte Herausforderung das Ziel und wie wir das Ziel erreichen würden. Die Antwort war, eine gemeinsame Fachsprache zu finden, in der Menschen aus unterschiedlichen Fachgebieten auf Augenhöhe kommunizieren und Erwartungen klären können. Der Brückenschlag zwischen der abstrakt denkenden Wissenschaft und der Industrie, die typischerweise einem festen System folgt, ist oft eine schwierige Aufgabe, aber es ist uns gelungen.“
Neue Wege in der Laborplanung
Prof. DR. Radosław Pilarski betonte, dass man bei der Planung auch Wert auf den Laborbereich gelegt habe, in dem die Anlage platziert wird, und schloss mit den Worten: „Der in den meisten Labors fensterlose Reinraum für die aseptische Zellkultur wird durch Nachgiebigkeit von etablierten Standards getrennt es ein völlig neuer Look. Dank der sorgfältig geschlossenen großen Fenster ist die Umgebung gut beleuchtet. Durch die zusätzlichen Glasscheiben wird sichergestellt, dass die Anlage ohne das Tragen eines Reinraumoveralls unter ständiger Beobachtung und Kontrolle gehalten wird. Darüber hinaus können AGAMEDE und die Experimente dank der hochauflösenden 4K-Monitore und -Kameras, die in der Studie verwendet werden, von überall auf der Welt aus ferngesehen werden.“
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