Clasificación automatizada de alto rendimiento de células vivas con luz láser e inteligencia artificial

Esferoide de fibroblastos 3T3 teñidos con actina para la transferencia LIFT, cultivados en microcuencas fabricadas con láser. © Fraunhofer ILT, Aachen / Esferoide de fibroblastos 3T3 teñidos con actina para la transferencia LIFT, cultivados en microcuencas fabricadas con láser. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

El LIFTOSCOPE combina microscopía de alta velocidad, análisis basado en IA y localización de células vivas y grupos celulares con la transferencia hacia adelante inducida por láser (LIFT). El láser se acopla directamente en el camino del haz del microscopio a través de espejos. Los usuarios pueden cambiar entre la observación mediante cámara y el proceso LIFT. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

El proceso MIR LIFT transfiere células vivas a placas de microtitulación (MTP) una tras otra a una alta velocidad de hasta 100 Hz. Para poder integrar este proceso altamente eficiente en plataformas de microscopía independientemente del fabricante, el Fraunhofer ILT ha desarrollado, entre otras cosas, el soporte mostrado aquí para una MTP de seis pocillos. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

Investigadores del Fraunhofer ILT están probando el LIFTOSCOPE para la clasificación automatizada de alto rendimiento de células vivas asistida por IA mediante radiación láser pulsada. © Fraunhofer ILT, Aachen / Researchers at Fraunhofer ILT are testing the LIFTOSCOPE for AI-assisted, fully automated high-throughput sorting of living cells by pulsed laser radiation. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Las pruebas en cultivos celulares vivos son cada vez más importantes para la medicina personalizada, el desarrollo de fármacos y la investigación clínica. Un nuevo método de alto rendimiento asistido por IA de los Institutos Fraunhofer de Tecnología Láser ILT y de Tecnología de Producción IPT de Aachen permite aislar automáticamente tipos específicos de células. Con el llamado LIFTOSCOPE, los laboratorios pueden localizar, identificar, medir y analizar su tamaño y puntos focales de decenas de células vivas por segundo, para transferirlas mediante Forward Transfer con láser (LIFT) en placas de microtitulación.

Las células madre pluripotentes son la clave para la medicina personalizada. Si se logra aislarlas a partir de muestras de sangre y tejido, se pueden imitar diferentes tipos de células de diversos tejidos. Estos cultivos celulares permiten realizar pruebas individuales de fármacos y tolerancia fuera del cuerpo y son una herramienta valiosa en el desarrollo de terapias altamente específicas y personalizadas. Sin embargo, para establecer el tratamiento personalizado en la rutina clínica, se necesitan métodos eficientes para aislar las células madre pluripotentes. Además, la investigación farmacéutica busca procedimientos para separar las llamadas células de alto rendimiento para el desarrollo de fármacos a partir de cultivos policlónicos y transferirlas a cultivos monoclonales sin comprometer su vitalidad o capacidad de división. También, los hospitales tuvieron que reconocer durante la pandemia que los métodos disponibles para aislar y analizar células (inmunes) a partir de muestras de pacientes alcanzaban los límites de su capacidad en los laboratorios.

Los Institutos Fraunhofer ILT y IPT presentarán en la feria mundial de tecnología de laboratorio, análisis y biotecnología, analytica ’24, (del 9 al 12 de abril de 2024), un dispositivo que, gracias a la clasificación y aislamiento celular totalmente automatizados, aumenta significativamente la eficiencia. El LIFTOSCOPE integra un proceso de alto rendimiento asistido por IA en un microscopio inverso convencional, equipado con una cámara de alta velocidad y una fuente de luz estroboscópica. Para identificar células en microsegundos y transferirlas a placas de microtitulación con tasas de supervivencia superiores al 90 por ciento, el LIFTOSCOPE combina tres procesos de alta tecnología en un solo dispositivo.

Con IA y láser hacia una selección celular totalmente automatizada

El equipo del proyecto ha integrado directamente en el camino de la luz del microscopio el proceso MIR LIFT, desarrollado en Fraunhofer ILT y patentado. Un sistema de cámaras conectado a él proporciona cien imágenes de alta resolución por segundo. En estos datos de imagen, la IA desarrollada en Fraunhofer IPT identifica los tipos celulares buscados mediante segmentación semántica. La IA puede entrenarse para reconocer células madre pluripotentes, células de alto rendimiento o células inmunes. Además, la IA determina la posición exacta y los puntos focales de las células. En el proceso MIR LIFT, las células se transfieren una a una a la placa de microtitulación a tasas de hasta 100 Hz. »Dependiendo del tipo celular, hasta el 100 por ciento de las células sobreviven a este procedimiento«, explica la Dra. Nadine Nottrodt, líder del grupo de Biofabricación, quien acompaña el proyecto conjunto desde Fraunhofer ILT junto con el director del proyecto Richard Lensing.

El proceso LIFT en sí es sorprendentemente simple. Un pulso láser de nueve nanosegundos de duración y con poca energía en microjulios basta para estimular el medio líquido justo debajo de la célula objetivo para formar una burbuja de vapor. La célula, previamente disuelta en su matriz mediante enzimas, es levantada brevemente por la burbuja. Cuando la burbuja colapsa, se crea una succión que impulsa la célula hacia la placa de cultivo. »Las células están distribuidas aleatoriamente en las muestras. Por eso, nuestro sistema recorre una cuadrícula predefinida y transfiere las células que se encuentran en un radio de 50 micrómetros alrededor del punto de enfoque«, explica Lensing. Allí, el LIFTOSCOPE puede dirigir y transferir las células con precisión en el proceso láser controlado ópticamente. Si es necesario, el proceso LIFT puede combinarse con marcadores fluorescentes para identificar células específicas. Pero el método funciona de manera robusta incluso sin aditivos. Esto se debe a dos razones: por un lado, la localización precisa mediante IA garantiza que las células sean realmente captadas por el chorro y transferidas a las placas de microtitulación. Por otro lado, Fraunhofer ILT ha logrado, mediante un desarrollo continuo del proceso LIFT, eliminar los absorbentes metálicos inicialmente necesarios. Con un láser de infrarrojo medio con una longitud de onda de 2940 nanómetros, se estimula directamente el agua presente en el sistema, mientras que los polímeros de los soportes de las muestras apenas absorben esa longitud de onda.

Movimiento continuo versus proceso de detenerse y arrancar

El objetivo del equipo del proyecto es consolidar la detección automática de células y el proceso LIFT para lograr altas tasas de rendimiento y limitar el tiempo total para una placa de microtitulación completa a diez minutos. Esto requiere una actorización de alta precisión tanto para la imagen como para la posición del foco láser en el ciclo del proceso. Con ella, se garantiza, por un lado, la resolución de imagen necesaria para la detección y medición celular asistida por IA, y por otro, la posición del foco láser con una precisión de 25 micrómetros justo debajo de la célula. La transferencia de una sola célula se completa en 200 microsegundos. Con el LIFTOSCOPE, se pueden dirigir y transferir 10,000 células a las placas en 100 segundos.

El equipo de Fraunhofer ha seguido dos estrategias diferentes para el movimiento de la cultura celular. »En modo de detenerse y arrancar, es necesario hacer una breve pausa antes y después del proceso de LIFT, porque cada parada provoca corrientes hidrodinámicas en la muestra que deben calmarse antes del siguiente traslado de célula«, explica Nottrodt. Aunque esta estrategia permite clasificar muestras con muchas células diferentes y reduce el esfuerzo en la preparación de muestras, las pausas afectan la eficiencia. En el proceso continuo, la segunda estrategia, el LIFTOSCOPE recorre la muestra en una cuadrícula definida por el tipo de célula buscada, con hasta 1600 líneas separadas por 50 micrómetros, y transfiere cada célula que entra en el foco en movimiento continuo. La ventaja temporal de este método aumenta cuanto más células se transfieren. Ya con 10,000 células transferidas, el proceso continuo es más del doble de rápido, y con 100,000 células, ¡20 veces más rápido que el modo de detenerse y arrancar!

El nuevo método basado en IA y láser marca el camino hacia una aislación de células vivas totalmente automatizada y altamente eficiente. Según Nottrodt, el progreso actual del proyecto demuestra que es posible sincronizar el proceso de LIFT con la frecuencia de imagen de la cámara de alta velocidad, logrando una clasificación de células individuales a 100 células por segundo. El siguiente paso será desarrollar el método prototipo hasta su madurez comercial. »Los interesados pueden visitar el stand conjunto de la Sociedad Fraunhofer en Halle A3/407 en analytica 2024 para conocer más detalles sobre el LIFTOSCOPE«, invitan Nottrodt y Lensing. Con miras al potencial de la medicina personalizada, sería deseable que esta tecnología encuentre rápidamente su camino hacia la práctica médica, farmacéutica y clínica.