Analisi cellulare con precisione

Quale farmaco può sconfiggere il cancro? Quale dosaggio raggiunge il risultato desiderato senza provocare effetti collaterali? Oltre quale limite il farmaco benefico diventa tossico? Oggi, la risposta a queste domande risiede nelle serie di test con colture cellulari che si annoverano tra i metodi di analisi più importanti nella ricerca medica.

Con il sistema di test automatizzato CYRIS ®FLOX, il lavoro nei laboratori risulta molto più semplice. Qui, i motori di FAULHABER assicurano che alle colture vengano fornite sostanze nutritive e farmaci per tutta la durata della sperimentazione e che lo sviluppo delle cellule sia attentamente monitorato, e questo senza intervento umano.

Limite di vitalità

Salvare vite, curare malattie, alleviare i sintomi – questo è ciò che i farmaci moderni fanno un milione di volte, giorno dopo giorno. Tuttavia, siamo ancora lontani dall’avere una medicina per ogni disturbo. Inoltre, il Coronavirus ci ha reso vivamente consapevoli che nuove malattie si stanno costantemente aggiungendo a quelle già conosciute. Nuovi farmaci si dimostrano quindi costantemente necessari e il lavoro di sviluppo su di essi è continuo. Ovviamente questi medicinali dovrebbero essere sia efficaci che sicuri, preferibilmente prima di essere testati sugli esseri umani. Quest’ultima fase – la fase della sperimentazione clinica – è essenziale. Tuttavia, è possibile determinare molto sull’efficacia di un prodotto farmaceutico già in laboratorio, in quanto l’effetto del medicinale si svolge in gran parte nelle cellule del corpo umano. Di conseguenza, una coltura cellulare può fungere da valido sostituto per “testare” il farmaco.

“Possiamo, ad esempio, determinare il valore limite al di sopra del quale una sostanza diventa tossica per le cellule”, spiega Márton Nagy, sviluppatore di biotecnologie presso la società INCYTOИ ® con sede a Monaco di Baviera. “Questo vale, tra l’altro, non solo per i farmaci ma anche, ad esempio, per potenziali tossine ambientali. Una certa quantità della sostanza viene messa nella soluzione nutritiva in cui si trova la coltura, dopodiché si osserva come reagiscono le cellule. La quantità viene quindi aumentata in modo incrementale. Sulla base di alcuni dati di misurazione e del monitoraggio ottico con un microscopio, possiamo identificare il punto in cui diventa critico per le cellule. Questo valore può essere convertito nel peso corporeo di una persona. In pratica, il valore limite consentito per una dose viene quindi generalmente definito come una frazione di questo valore critico”. Nella ricerca farmaceutica, molti test vengono eseguiti utilizzando cellule tumorali. Con queste cellule, invece, si capovolge la situazione: qui l’obiettivo è determinare quale farmaco, e in quale quantità, ne inibisce la riproduzione o le distrugge completamente.

L’osservazione delle cellule è un processo multistrato e, soprattutto, relativamente dispendioso in termini di tempo. Una singola prova richiede in media circa tre giorni. Durante questo periodo vengono eseguite numerose misurazioni individuali e le cellule vengono fotografate ripetutamente a brevi intervalli. Le sequenze di immagini possono essere unite insieme per creare un filmato time-lapse che mostra l’andamento della crescita cellulare. Per le misurazioni vengono esaminate tre grandezze fisiche: il contenuto di ossigeno, il valore pH e la resistenza elettrica dello strato cellulare.

Le quantità fisiche forniscono informazioni

I valori di queste quantità vengono influenzati dal metabolismo delle cellule. In uno stato di salute, ad esempio, le cellule consumano più ossigeno rispetto a quando soffrono già dell’effetto (collaterale) di un farmaco che è stato introdotto. Il valore pH si comporta in modo simile: poiché il metabolismo cellulare produce sostanze acide, il valore pH scende di solito nella gamma acida. Se ciò si verifica in misura ridotta, il metabolismo è stato compromesso. Il grado di deviazione consente di trarre conclusioni sull’influsso del farmaco. La resistenza elettrica (impedenza), d’altro canto, aumenta con il numero di celle. Pertanto, un aumento ritardato mostra quanto siano gravemente colpite le cellule.

Fino ad ora, le serie di test di questo tipo richiedevano una grande quantità di lavoro manuale. I vari passaggi potevano essere solo parzialmente automatizzati. INCYTOИ ® ha creato con CYRIS ®FLOX un dispositivo completamente automatico che può eseguire il test di più giorni senza intervento umano e allo stesso tempo documentarne completamente i risultati.

Il cuore della configurazione del test è una piastra per microtitolazione in materiale trasparente provvista di 24 pozzetti o camere di prova. Questi contengono i campioni di cellule come piastre di Petri in miniatura. 24 pipette su un braccio robotico forniscono alle piccole colture una soluzione nutritiva e alimentano le sostanze che devono essere testate. In tal modo, è possibile selezionare una composizione diversa della soluzione per ogni pipetta. Ogni camera di prova è dotata di sensori per il contenuto di ossigeno, il valore pH e la resistenza elettrica. Le singole camere di prova vengono fotografate dal basso ad intervalli regolari attraverso una lente di microscopio.

Sviluppo per l’automazione

INCYTOИ ® è un’azienda start-up con radici accademiche. I fondatori dell’impresa hanno lavorato in precedenza nella ricerca universitaria. Lì, hanno utilizzato motori di altri produttori per i prototipi iniziali del loro dispositivo. Questi non si sono dimostrati idonei e sono stati successivamente sostituiti dai modelli FAULHABER che hanno convinto con il loro design compatto e l’affidabilità dei componenti. Quando si è trattato dell’ulteriore sviluppo del sistema per preparare la produzione in serie, non è stato quindi necessario trovare un fornitore di azionamenti. Tuttavia, sono stati definiti nuovi obiettivi in quest’ambito: “Volevamo lavorare con il minor numero possibile di tipi diversi di motore”, afferma Matthias Moll, responsabile dello sviluppo, descrivendo la situazione iniziale. “Volevamo inoltre una disposizione più semplice per il cablaggio. Cercavamo un azionamento in cui l’elettronica fosse già integrata. Fino a quel momento essa era alloggiata in un elemento di controllo del braccio robotizzato, il che significava che erano necessari molti collegamenti dei cavi in un elemento mobile”. Inoltre, i motori dovevano essere in grado di segnalare errori, come ad esempio nel caso in cui il surriscaldamento causi o minacci di causare un blocco meccanico.

In combinazione con un controllo di posizione integrato della serie CxD, il servomotore brushless 2232… BX4 soddisfa questi nuovi requisiti dei tecnici di INCYTOИ ® così come tutte le altre esigenze richieste, quali alte prestazioni in un design estremamente compatto, peso ridotto e volume e compatibilità per l’uso in laboratorio. Nel dispositivo di analisi CYRIS ®FLOX sono integrati sei motori. Tre di questi muovono la testa di pipettaggio nel braccio robotizzato su tre assi. Essi sono responsabili dello spostamento delle pipette esattamente sopra le camere di prova della microtitolazione e di posizionarsi appena sopra le camere per scaricare la soluzione. Un quarto motore aziona 24 pistoni di aspirazione, che trasportano fino a 200 µl di terreno di coltura nei puntali delle pipette sterili. Due motori muovono il microscopio su una tavola XY sotto i campioni di cellule. Le foto delle singole camere di prova vengono scattate dal basso attraverso il materiale trasparente delle piastre per microtitolazione.

Precisione ed affidabilità nel funzionamento continuo

“Per seguire lo sviluppo delle singole cellule nel corso del tempo in un secondo momento, la lente deve essere sempre esattamente nello stesso punto sotto la camera di prova”, afferma Matthias Moll mentre spiega la sfida in questa fase. “Con l’aiuto dei motori FAULHABER, possiamo posizionare con precisione il tavolo entro due micrometri”. Per fare un confronto: un capello umano ha uno spessore compreso tra 50 e 70 micrometri. Anche il motore che aziona i pistoni della testa delle pipette deve funzionare in modo molto preciso. Solo se la quantità di liquido corrisponde esattamente alle specifiche possono essere prodotti risultati di prova validi.

Nei sistemi CYRIS ®FLOX, la precisione è un compito continuo. La massima per le applicazioni del motore è quindi la ripetibilità. Il movimento esatto deve essere eseguito ripetutamente per i giorni del test a brevi intervalli e senza deviazioni. “Ci attendiamo il massimo livello possibile di affidabilità dagli azionamenti in funzionamento continuo”, sottolinea il responsabile dello sviluppo. “Solo allora creiamo le condizioni per un lungo ‘walk-away time’”. Nel mondo dell’automazione di laboratorio questo è il termine utilizzato per descrivere il tempo in cui un test può essere condotto senza l’intervento dell’uomo. “Con CYRIS ®FLOX, questo tempo può essere esteso da pochi minuti a ore o giorni. Nel frattempo, scienziati e tecnici di laboratorio altamente qualificati possono svolgere altri compiti. L’efficienza delle operazioni di laboratorio aumenta, i costi di gestione diminuiscono e il dispositivo si ripaga rapidamente”.