Automatizarea și inteligența artificială în scalarea proceselor organoide pentru descoperirea de medicamente
Acest interviu cu Vicky Marsh Durban, Director al modelelor relevante pentru oameni la Molecular Devices, analizează modul în care automatizarea, inteligența artificială și tehnologiile avansate de organoizi transformă descoperirea timpurie a medicamentelor.
Pe măsură ce modelele celulare 3D devin din ce în ce mai importante pentru îmbunătățirea relevanței translaționale, cercetătorii se confruntă cu provocări crescânde în ceea ce privește scalabilitatea, reproducibilitatea și controlul calității. Discuția explorează modul în care fluxurile de lucru automatizate, analiza condusă de AI și organoizii pregătiți pentru teste ajută oamenii de știință să genereze date mai fiabile, să ia decizii mai devreme și să accelereze dezvoltarea de noi terapii.
Vicky Marsh Durban își prezintă activitatea, care se concentrează pe dezvoltarea de noi produse pentru culturi celulare avansate și tehnologii de organoizi, ajutând cercetătorii să obțină fluxuri de lucru scalabile și reproducibile pentru modele celulare complexe 3D. De asemenea, ea investighează modul în care integrarea automatizării, sistemelor de control al calității și instrumentelor emergente de AI în fluxuri de lucru poate îmbunătăți generarea și aplicarea organoizilor în descoperirea medicamentelor și cercetarea translațională.
Modelele 3D, cum ar fi organoizii, sunt din ce în ce mai importante deoarece oferă o relevanță umană superioară sistemelor tradiționale de culturi celulare 2D. Această relevanță biologică îmbunătățită permite o mai bună translație a rezultatelor în mediile clinice și, în cele din urmă, către pacienți.
Organoizii pot reproduce procese biologice complexe care au loc în țesuturile umane, capturând interacțiunile celulare heterotipice și alte comportamente multicelulare care sunt dificile sau imposibile de reprodus în culturi monostrat. Astfel, cercetătorii obțin informații mai reprezentative pentru biologia umană mai devreme în procesul de descoperire.
Organoizii din zona mijlocie a creierului cultivați pe sistemul automatizat CellXpress.ai® și imaginați cu ajutorul sistemului ImageXpress® HCS.ai de screening de conținut înalt dezvăluie caracteristici structurale caracteristice, inclusiv un neuroepiteliu organizat radial în jurul unei lumeni centrale, cu tipuri celulare distincte vizualizate prin etichetare cu anticorpi fluorescenți.
Provocările scalării fluxurilor de lucru cu organoizi sunt semnificative. Organoizii sunt de obicei obținuți fie din celule stem pluripotente induse (iPSCs), fie din țesuturi derivate de la pacienți. Fiecare sursă prezintă provocări unice în scalabilitate. În cazul organoizilor derivați din iPSC-uri, diferențierea poate dura săptămâni sau chiar luni. În această perioadă, celulele necesită schimbări multiple ale mediilor, condiții de cultură strict controlate și o manipulare atentă din cauza sensibilității lor mari la variațiile de mediu.
Organoizii derivați din pacienți aduc un alt set de dificultăți, fiind adesea cultivați în matrice hidrogeli, care pot fi foarte vâscoase și mai dificile de gestionat decât culturile lichide standard. Pe măsură ce procesele se extind, proprietățile fizice ale acestor matrice creează provocări suplimentare pentru consistență și automatizare.
Automatizarea ajută la standardizarea multor etape manuale implicate în cultura celulară. Fluxurile de lucru tradiționale depind în mare măsură de intervenția operatorului pentru schimbările de mediu, manipularea celulelor și alte manipulări de rutină, creând oportunități de variabilitate. Majoritatea laboratoarelor au experimentat situații în care un anumit om de știință dezvoltă o expertiză excepțională cu un sistem model specific.
Așadar, automatizarea combinată cu software-ul condus de AI, cum ar fi sistemul CellXpress.ai, permite organizațiilor să capteze acea expertiză și să o aplice constant în fiecare cultură. Asigurându-se că celulele sunt manipulate exact în același mod de fiecare dată, sistemele automatizate îmbunătățesc semnificativ reproducibilitatea și reduc variabilitatea dependentă de operator.
Sistemul automatizat CellXpress.ai susține oamenii de știință prin automatizarea fluxurilor de lucru exigente în cultura celulară, facilitând obținerea de rezultate mai consistente și reducând timpul petrecut în laborator.
Inteligența artificială poate juca un rol major în îmbunătățirea calității culturii atunci când este integrată cu sisteme automatizate de imagistică. Capturând continuu imagini pe parcursul procesului de cultură, cercetătorii pot antrena modele de învățare automată pentru a identifica anomalii și inconsistențe care pot indica probleme emergente.
Aceste sisteme folosesc seturi mari de date istorice pentru a recunoaște modele care ar putea să treacă neobservate. În unele cazuri, AI poate detecta schimbări subtile care sunt greu de identificat vizual. Aceasta permite semnalarea timpurie a potențialelor probleme, îmbunătățind controlul calității și reducând riscul experimentelor eșuate mai târziu în fluxul de lucru.
Sistemul ImageXpress® HCS.ai de screening de conținut înalt se distinge prin capacitatea sa de a captura rapid imagini clare ale modelelor celulare complexe, de a obține date detaliate cu ajutorul unui software intuitiv și de a oferi informații profunde prin analiza condusă de AI.
Monitorizarea, imagistica și jurnalele de evenimente sunt componente esențiale ale oricărei platforme automate de cultură. Fiecare imagine, eveniment și etapă a procesului contribuie la un record istoric care poate fi folosit pentru a investiga rezultate neașteptate. Dacă o cultură eșuează sau produce rezultate diferite de așteptări, cercetătorii pot urmări întregul proces înapoi la început și pot identifica ce s-a schimbat.
Fără înregistrări detaliate, devine extrem de dificil să se determine cauza principală a variabilității. Monitorizarea și înregistrarea evenimentelor susțin, prin urmare, îmbunătățirea continuă, permițând echipelor să identifice problemele, să înțeleagă de ce au apărut și să prevină reapariția lor.
Capacitatea de a genera modele complexe 3D la scară sprijină screening-ul de înaltă capacitate utilizând sisteme biologic relevante mult mai devreme în procesul de descoperire a medicamentelor. Aceasta permite cercetătorilor să evalueze eficacitatea și toxicitatea folosind modele mai predictive înainte de a fi investite resurse semnificative.
Dacă un candidat demonstrează o eficiență slabă sau o toxicitate neașteptată, aceste probleme pot fi identificate mai devreme, permițând echipelor să întrerupă programele inadecvate mai devreme. Această abordare de tip „fail fast” îmbunătățește eficiența, reduce costurile și ajută organizațiile să își concentreze resursele asupra celor mai promițătoare oportunități terapeutice.
Organoizii pregătiți pentru teste oferă cercetătorilor loturi standardizate de organoizi care pot fi utilizate direct din stocarea congelată.
