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2024-03-12 21:02:04
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フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT、Petra Nolis 著
MIR LIFT プロセスは、生細胞を最大 100 Hz の高速でマイクロタイター プレート (MTP) に次々と移送します。 クレジット: Fraunhofer ILT、アーヘン、ドイツ
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MIR LIFT プロセスは、生細胞を最大 100 Hz の高速でマイクロタイター プレート (MTP) に次々と移送します。 クレジット: Fraunhofer ILT、アーヘン、ドイツ
生きた細胞培養の検査は、個別化医療、医薬品開発、臨床研究にとってますます重要になってきています。 アーヘンに拠点を置くフラウンホーファー研究所のレーザー技術 ILT と生産技術 IPT は、AI 支援のハイスループットプロセスを開発し、特定の細胞タイプを自動的に分離できるようになりました。
いわゆる LIFTOSCOPE を使用すると、研究室は、レーザー誘起前方移動 (LIFT) でマイクロタイター プレートに細胞を移すために、毎秒数十個の生細胞を位置特定、特定、分析できます。 で アナリティカ 2024 2024年4月9日から12日にミュンヘンで開催されるフラウンホーファー研究機構は、ホールA3、ブース407で革新的なプロセスを初めて一般公開します。
多能性幹細胞は個別化医療の鍵です。 血液から分離されたら、 組織サンプル、さまざまな組織の細胞タイプを増殖するために使用できます。 これらの培養細胞培養により、個別の薬物検査や不耐症検査を体外で実行できるため、高度に個別化された治療法を選択するための強力なツールとなります。 しかし、日常の臨床診療で個別化された治療を確立するには、医学は隔離するための効率的な方法を必要とします。 多能性幹細胞。
さらに、製薬研究では、いわゆる高生産細胞をポリクローナル培養物から分離する方法を模索しています。 創薬 そして、細胞の活力や分裂能力を損なうことなく、それらをモノクローナル培養物に移すことができます。 パンデミックの間、診療所はまた、患者サンプルから（免疫）細胞を分離および分析するために利用可能な方法が、検査室の能力の限界に達していることを認識する必要がありました。
フラウンホーファー研究所レーザー技術 ILT および生産技術 IPT 研究者の革新により、細胞の分類と分離が完全に自動的に行われるため、効率が大幅に向上しました。 LIFTOSCOPE は、高速カメラとフラッシュ光源を備えた市販の倒立顕微鏡に AI 支援の高スループットプロセスを統合します。 LIFTOSCOPE は 3 つのハイテク プロセスを 1 台のデバイスに組み合わせて、マイクロ秒以内に細胞を識別し、90% 以上の高い生存率で細胞をマイクロタイター プレートに移します。
AI とレーザーを使用して完全に自動化された細胞選択
プロジェクト チームは、フラウンホーファー ILT で開発された特許取得済みの MIR LIFT プロセスを顕微鏡のビーム経路に直接統合しました。 接続されたカメラ システムは、1 秒あたり 100 枚の高解像度画像を配信します。 フラウンホーファー IPT で開発された AI は、セマンティック セグメンテーションを使用してこの画像データ内の目的の細胞タイプを識別し、多能性幹細胞、高生産細胞、免疫細胞を認識するようにトレーニングできます。
AI は細胞の正確な位置と重心も決定します。 MIR LIFT プロセスでは、フラウンホーファー ILT で開発されたホルダー内のマイクロタイター プレート上に、最大 100 Hz の高周波速度で次々に移送されます。 「細胞の種類に応じて、すべての細胞がこの手順で最大 100% 生存します」とバイオファブリケーション グループの責任者であるナディーン ノットロット博士は説明します。彼女はプロジェクト マネージャーのリチャード レンシングとともにフラウンホーファー ILT の共同開発プロジェクトを監督しています。
LIFT プロセス自体は驚くほどシンプルです。 数マイクロジュールのパルスエネルギーを伴う 9 ナノ秒の短いレーザー パルスは、標的細胞の直下の液体培地を刺激して蒸気泡を形成するのに十分です。 すでに酵素によって結合が解除されている細胞は、泡によって一時的に持ち上げられます。
気泡が潰れるとすぐに吸引力が生じ、細胞がマイクロタイタープレートの培養容器内に流れ込みます。 「細胞はサンプル内にランダムに分布しています。このため、私たちのシステムは事前に定義されたグリッドに従い、焦点から半径 50 マイクロメートル以内にある細胞を移送します」とレンズ氏は説明します。 そこでは、LIFTOSCOPE が高精度で光学的に監視されたレーザープロセスでセルを正確に制御し、移送することができます。 必要に応じて、LIFT プロセスを蛍光マーカーと組み合わせて、特定の細胞を識別することもできます。 ただし、このプロセスは添加剤なしでも確実に機能します。
これには 2 つの理由があります。まず、AI による正確な位置特定により、細胞が実際にジェットによって捕捉され、マイクロタイター プレートに輸送されることが保証されます。 第二に、フラウンホーファー ILT は、LIFT プロセスを継続的に開発することにより、当初は必要であった金属吸収体をプロセスから排除することに成功しました。
このプロセスでは波長 2,940 ナノメートルの中赤外レーザーを使用するため、システム内にすでに存在する水は直接励起されますが、サンプルキャリアのポリマーはこの波長を吸収しないか、まったく吸収しません。
連続的な動きと停止と停止のプロセス
プロジェクト チームは、ハイスループットの観点から完全に自動化された細胞認識および LIFT プロセスを安定化し、1 つのマイクロタイター プレートを完了するまでのプロセス時間を 10 分に制限することを目指しています。 これには、イメージングとプロセス サイクルでのレーザー焦点の位置決めの両方に高精度のアクチュエーターが必要です。
これにより、一方ではプロセスが AI による細胞検出と測定に必要な画像解像度に達することが保証され、他方ではレーザー焦点を細胞の真下に 25 マイクロメートル以内に正確に割り当てて位置決めすることが保証されます。 単一セルの転送は 200 マイクロ秒以内に完了します。 100 秒以内に、10,000 個の細胞を LIFTOSCOPE で活性化し、マイクロタイター プレートに移すことができます。
フラウンホーファーのチームは、細胞培養を移動させるための 2 つの異なる戦略を追求しました。 「ストップ・アンド・ゴー操作では、セルのリフトの前後に短い休止フェーズを挿入する必要があります。停止するたびにサンプル内に流体力学的な流れが引き起こされ、次のセルを移送する前にまず流体力学的な流れが安定する必要があるからです」と Nottrodt 氏は報告しています。
この戦略により、多くの異なる細胞を含むサンプルを選別できるため、サンプル調製に必要な労力が軽減されます。 ただし、一時停止すると効率が犠牲になります。 連続プロセス (2 番目のアプローチ) では、LIFTOSCOPE は、検索対象の細胞の種類に応じて、50 マイクロメートルの間隔で最大 1,600 行のグリッドでサンプル キャリアをスキャンし、この連続的な動きで焦点に当たったすべての細胞を転送します。
この方法によって得られる時間的利点は、転送されるセルが増えるほど大きくなります。 転送されるセル数が 10,000 個であっても、連続プロセスは 2 倍以上高速であり、セルが 100,000 個の場合でも、ストップ アンド ゴー操作よりもすでに 20 倍高速です。
AI およびレーザーベースの新しいプロセスは、完全に自動化された高効率の生細胞の単離への道を示します。 Nottrodt 氏によると、これまでのプロジェクトの進捗状況から、細胞 LIFT と高速カメラの画像周波数の同期、つまり 1 秒あたり 100 細胞の単一細胞選別速度が実現可能であることがわかりました。
次のステップは、市場の成熟に到達するためのプロトタイプ プロセスを開発することです。 「興味のある方は、analytica 2024 のホール A3/407 にあるフラウンホーファーとゲゼルシャフトの共同ブースを訪れ、LIFTOSCOPE を詳しく見ることを歓迎します」とノットロット氏とレンシング氏は述べています。 個別化医療の可能性を考慮すると、このテクノロジーは医療、製薬、臨床現場に迅速に導入される必要があります。
フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT 提供
#レーザー光とAIを使用した生細胞の自動高スループット選別