Automatizált nagy átviteli sebességű élő sejtek szortírozása lézerfénnyel és MI-vel

Aktin festékkel festett 3T3 fibroblaszt gömb a LIFT-átvitelhez, lézerrel készített mikrokupákban tenyésztve. © Fraunhofer ILT, Aachen / Aktin festett 3T3 fibroblaszt gömb a LIFT-átvitelhez, lézerrel készített mikrokupákban tenyésztve. © Fraunhofer ILT, Aachen, Németország

A LIFTOSCOPE egyesíti a nagysebességű mikroszkópiát, az MI-alapú elemzést és az élő sejtek és sejtcsoportok lokalizálását a lézer által indukált előre irányuló transzferrel (LIFT). A lézersugarat tükrök segítségével közvetlenül a mikroszkóp fényútjába kötik. A felhasználók váltogathatnak a kamerás megfigyelés és a LIFT folyamat között. © Fraunhofer ILT, Aachen

A MIR LIFT eljárás élő sejteket szállít egymás után, magas, akár 100 Hz-es sebességgel mikrotiterlemezekre (MTP). Annak érdekében, hogy a rendkívül hatékony folyamat gyártótól függetlenül integrálható legyen mikroszkópos platformokba, a Fraunhofer ILT többek között kifejlesztette a képen látható tartót egy hatlyukú MTP-hez. © Fraunhofer ILT, Aachen

A Fraunhofer ILT kutatói a LIFTOSCOPE-t tesztelik, amely az MI által támogatott, teljesen automatikus, nagy átviteli sebességű élő sejtek szortírozására szolgál pulzáló lézerfény segítségével. © Fraunhofer ILT, Aachen / A Fraunhofer ILT kutatói tesztelik a LIFTOSCOPE-t az MI-vel támogatott, teljesen automatikus nagy átviteli sebességű élő sejtek szortírozására pulzáló lézerfény segítségével. © Fraunhofer ILT, Aachen, Németország

A élő sejtkultúrák tesztelése egyre fontosabb a személyre szabott orvoslás, gyógyszerfejlesztés és klinikai kutatás terén. Az Aachen-i Fraunhofer Intézetek, az ILT (Lasertechnológia) és az IPT (Gyártástechnológia), új, KI-alapú magas átviteli sebességű eljárást fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi, hogy automatikusan izolálják a specifikus sejttípusokat. Az úgynevezett LIFTOSCOPE segítségével a laboratóriumok másodpercenként tucatnyi élő sejtet tudnak lokalizálni, azonosítani, valamint mérni és elemezni azok méretét és fókuszpontjait, hogy lézerindukált előre történő transzferrel (LIFT) mikrotiterlemezbe juttassák azokat.

A pluripotens őssejtek kulcsfontosságúak a személyre szabott orvoslásban. Ha sikerül izolálni őket vér- és szövetmintákból, akkor különböző szövetfajták sejttípusait lehet utánozni. Ezek a sejtkultúrák lehetővé teszik egyéni gyógyszer- és intolerancia-tesztek elvégzését a szervezeten kívül, és értékes eszközt jelentenek a magas szintű, személyre szabott terápiák fejlesztésében. Azonban ahhoz, hogy a személyre szabott kezelést a klinikai rutinban bevezessék, hatékony izolációs eljárásokra van szükség a pluripotens őssejtek kivonására. Emellett a gyógyszerkutatásban is keresik azokat az eljárásokat, amelyekkel a magas termelő képességű (High-Producer) sejtek elkülöníthetők a poliklonális kultúrákból, és monoklonális kultúrákba transzferálhatók anélkül, hogy a sejtek vitalitása vagy osztódási képessége sérülne. A járvány idején a klinikák is rájöttek, hogy a sejtek izolálására és elemzésére szolgáló eljárások kapacitásuk határára értek.

A Fraunhofer ILT és IPT intézetek a világ vezető laboratóriumi technológiai, analitikai és biotechnológiai vásárán, az analytica ’24-en (2024. április 9-12.), mutatnak be egy olyan készüléket, amely teljesen automatizált sejtszortírozásnak és izolációnak köszönhetően jelentősen növeli a hatékonyságot. A LIFTOSCOPE egy piaci szokásos invertált mikroszkópot integrál, amely magas sebességű kamerával és vakus fényforrással van felszerelve. A sejtek mikrosekundumok alatt történő azonosításához és több mint 90 százalékos túlélési arány mellett történő mikrotiterlemezbe való transzferéhez három high-tech folyamatot egyesít egy készülékben.

KI és lézer segítségével teljesen automatikus sejtválogatás

A projektcsapat a Fraunhofer ILT-nél kifejlesztett, szabadalmaztatott MIR LIFT folyamatot közvetlenül beépítette a mikroszkóp fényútjába. Egy ehhez csatlakoztatott kamerarendszer száz magas felbontású képet szolgáltat másodpercenként. Ezekben a képadatokban a Fraunhofer IPT-nél kifejlesztett KI a szemantikus szegmentáció alapján azonosítja a keresett sejttípusokat. A KI-t a pluripotens őssejtek, magas termelő képességű sejtek vagy immunsejtek felismerésére lehet betanítani. Emellett a KI meghatározza a sejtek pontos helyzetét és fókuszpontjait. A MIR LIFT eljárás során ezeket a sejteket akár 100 Hz-es sebességgel egymás után átviszik egy mikrotiterlemezbe. »A sejttípustól függően akár 100 százalékban túlélhetik ezt a folyamatot« – magyarázza Dr. Nadine Nottrodt, a Biofabrikáció csoportvezetője, aki a közös fejlesztési projektet a Fraunhofer ILT részéről, Richard Lensing projektvezetővel együtt irányítja.

A LIFT eljárás maga rendkívül egyszerű. Egy kilenc nanosekundumos lézerimpulzus, amely néhány mikrojoule impulzusenergiával rendelkezik, elegendő ahhoz, hogy a célzott sejten közvetlenül a folyékony közegben gőz buborékot hozzon létre. A korábban enzimatikusan feloldott sejtek rövid ideig a buborék által emelkednek. Amint a buborék összeomlik, egy szívóhatás alakul ki, amely beszippantja a sejtet a mikrotiterlemez kultúrájába. »A mintákban a sejtek véletlenszerűen oszlanak el. Ezért rendszerünk egy előre meghatározott rácson halad végig, és átviszi azokat a sejteket, amelyek a fókuszponttól 50 mikrométeren belül találhatók« – magyarázza Lensing. Itt a LIFTOSCOPE a magas precizitású, optikailag felügyelt lézeres folyamat során pontosan irányítja és transzferálja a sejteket. Szükség esetén a folyamat fluoreszcens markerekkel is kombinálható, hogy specifikus sejttípusokat azonosítson. Az eljárás azonban adalékanyagok nélkül is megbízhatóan működik. Ennek két oka van: egyrészt a KI által biztosított precíz lokalizáció garantálja, hogy a sejtek valóban a jet által kerüljenek a mikrotiterlemezbe. Másrészt a Fraunhofer ILT folyamatos fejlesztéseinek köszönhetően sikerült kiküszöbölni az eredetileg szükséges fényelnyelő fémabsorbereket a folyamatból. A rendszerben lévő víz közvetlenül a közép-infravörös lézerrel, 2940 nanométer hullámhosszon van megvilágítva, miközben a mintatartók polimerei ezt a hullámhosszt gyakorlatilag nem vagy alig nyelik el.

Folyamatos mozgás versus stop-and-go folyamat

A projektcsapat célja, hogy a teljesen automatizált sejfelismerést és a LIFT folyamatot magas átviteli sebességgel stabilizálja, és a teljes folyamatidőt egy mikrotiterlemez esetében tíz percre csökkentse. Ehhez a képalkotáshoz és a lézerfókusz pozícionálásához is rendkívül precíz aktorokra van szükség, amelyek biztosítják a szükséges képfelbontást a KI-alapú sejtfelismeréshez és -méréshez, valamint a lézerfókusz 25 mikrométeres pontossággal történő pozícionálását közvetlenül a sejtek alatt. Egy sejt egyedi transzferje mindössze 200 mikrosekundum alatt befejeződik. A LIFTOSCOPE segítségével 10 000 sejt irányítható és transzferálható a mikrotiterlemezbe 100 másodpercen belül.

A Fraunhofer-csapat két különböző stratégiát alkalmazott a sejtkultúra mozgására. »Stop-and-go módban rövid pihenőidőt kell beiktatni a sejtek LIFT-je előtt és után, mert minden megállás hidrodinamikus áramlásokat indít el a mintában, amelyeknek a következő sejtek transzferje előtt le kell csillapodniuk« – mondja Nottrodt. Bár ez a stratégia lehetővé teszi, hogy sokféle sejttípust tartalmazó mintákat szelektáljanak, és ezáltal csökkenti a minták előkészítésének munkáját, a szünetek azonban csökkentik a hatékonyságot. A folyamatos folyamatban, a második megközelítésben, a LIFTOSCOPE a mintatartókat egy, a keresett sejttípustól függően meghatározott rácson halad végig, akár 1600 vonalban, 50 mikrométeres távolságra, és ebben a folyamatos mozgásban minden fókuszba kerülő sejtet átvisz. Ennek az eljárásnak az időelőnye annál nagyobb, minél több sejtet transzferálnak. Már 10 000 transzferált sejtnél a folyamat több mint kétszer gyorsabb, 100 000 sejtnél pedig akár húszszor gyorsabb, mint a stop-and-go módban.

Az új, KI- és lézer-alapú eljárás irányt mutat a teljesen automatizált, rendkívül hatékony élő sejtek izolálásához. Nottrodt szerint a projekt eddigi eredményei azt mutatják, hogy a sejtek LIFT-je szinkronizálható a nagysebességű kamera képfrissítésével – így akár 100 sejtes szekvenciális szelekció is elérhető másodpercenként. A következő lépés a prototípus módszer piaci bevezetésének fejlesztése. »Az érdeklődők a Fraunhofer Társaság közös standján, a Halle A3/407 standnál, szívesen megtekinthetik a LIFTOSCOPE-ot, és részletesebben megismerhetik« – invitálják Nottrodt és Lensing. A személyre szabott orvoslás potenciáljára tekintettel kívánatos, hogy ez a technológia gyorsan bekerüljön az orvosi, gyógyszerészeti és klinikai gyakorlatba.