12 вопросов об автоматизации лабораторий

PCR.NEWS и компания «Дельрус» рассказывают о решениях для автоматизации лабораторий на базе роботизированных платформ компании Tecan. Мы решили начать с базовых вопросов, которые опытному пользователю могут показаться наивными. Но те, кто впервые задумался про автоматизацию лабораторной работы и еще не представляют ее возможностей, спрашивают именно об этом.

Для каких задач в биологии и медицине применяются станции «Текан»?

— Бренд Tecan появился на российском рынке в самом начале 2000-х, в нашей стране это первый бренд такого класса в роботизации, — говорит Дмитрий Арапов, руководитель отдела автоматизации лабораторий компании «Дельрус». — Исторически первое его применение, то, с чего мы начинали, — автоматизация пробоподготовки для клинической диагностики. Прежде всего для иммуноферментного анализа, ИФА, ELISA. Затем пришла автоматизация ПЦР, выделение нуклеиновых кислот, подготовка библиотек для секвенирования, анализ единичных клеток и многое другое.

 Дмитрий Арапов

Вот некоторые из возможных применений станций «Текан» — не только в биологии.

  • Выделение нуклеиновых кислот

  • Подготовка библиотек для NGS

  • HLA-типирование

  • Молекулярная гибридизация

  • ПЦР-исследования

  • Мультиплексный анализ BioPlex/Luminex

  • Работы с культурами клеток

  • Микробиологические исследования

  • Фракционирование крови и работа с лейкоцитарной фракцией

  • Биобанкирование

  • Иммуноферментный анализ

  • Гемагглютинационные исследования (РПГА, РНГА, РТГА, РСК, РА)

  • Дозирование пиколитровых объемов

  • Хроматография и масс-спектрометрия.

  • ЯМР и кристаллография

  • Микроэлектронные приложения (например, производство процессоров)

Станция только капает, а всю подготовительную работу делает лаборант?

Нет, не только капает. В автоматизации жидкостного дозирования станции «Текан» могут практически всё. Считывание и печать штрихкодов, детекция уровней и объемов жидкостей, фазовых разделов в двухфазных системах, механических включений (пузырьков, пены, тромбов и т.п.) — это само собой разумеется. Если предстоит центрифугирование, станция может раскапывать реагенты в пробирки, которые находятся в роторном держателе, а не в штативе. Возможно прокалывание крышек флаконов, откручивание и закручивание винтовых крышек. Станция умеет самостоятельно переставлять с места на место предметы весом до 0,4 кг. А может взять предмет, который стоит за пределами рабочей зоны, например в другом приборе.


На рынке есть разные автоматизированные платформы. Почему стоит выбрать Tecan?

Компания Tecan — бесспорный мировой лидер отрасли. На российском рынке нет ни одной компании — производителя автоматизированных станций, которая могла бы сравниться с ней по «весовой категории». Отечественные компании делают лишь первые шаги в области роботизации. При этом Tecan лидирует и по количеству автоматических станций, установленных на территории страны, опережая ближайших конкурентов в несколько раз, и по универсальности — функции станций не ограничены дозированием реагентов для ПЦР или подготовкой библиотек для NGS. К середине 2021 года в России было установлено более 550 станций, успешно автоматизирующих более 130 классов методов и протоколов в самых разных прикладных областях, и эти количества еженедельно увеличиваются.

Ключевым преимуществом автоматических платформ Tecan является их полная «открытость» и отсутствие ограничений к использованию реагентов и расходных материалов западных и отечественных производителей.


Какие преимущества имеет автоматизированное выделение нуклеиновых кислот?

Это одно из основных применений станций «Текан». Вот несколько примеров их возможностей в этой области.

  • Одновременная загрузка на борт от 1 до 1536 образцов объемом от 1 мкл до нескольких десятков миллилитров

  • Максимальная производительность до 12 000 образцов за рабочую смену

  • Время выделения — от 12 минут

  • Типы обрабатываемого материала: цельная кровь, сыворотка, плазма, другие жидкости биологического происхождения, смывы, мазки, соскобы, выпоты, биоптаты, сухие пятная крови, почвенные образцы, растительные ткани, культуры клеток, стволовые клетки, колонии микроорганизмов, единичные клетки, продукты гель-электрофореза, парафиновые блоки, гистологические срезы

У нас нестандартный метод экстракции нуклеиновых кислот, поддается ли он автоматизации?

Скорее всего, да. Портфолио методов выделения у Tecan самое широкое. Большинство автоматических станций работают только с магнитными частицами, в планшетах, с определенными объемами и категориями образцов. У «Теканов» таких ограничений практически нет.

Как уже упоминалось, можно автоматизировать работу с большими объемами образцов — до десятков миллилитров, а при необходимости даже до сотен. Это важно для одного из самых передовых направлений клинической диагностики — неинвазивной пренатальной диагностики (НИПТ), когда в крови беременной женщины исследуется ДНК плода. Понятно, что в этом случае объемы образца должны быть значительными, так как концентрация циркулирующей ДНК плода невелика.

Другая область, где может быть востребована автоматизация выделения ДНК из больших объемов, — криминалистика. Бывает нужно анализировать смывы с поверхностей на месте преступления или другие жидкости. Компания Promega разработала специальный модуль, который интегрируется в станции «Текана» и позволяет выделять ДНК из значительных объемов жидкости с использованием магнитных частиц.

Tecan — единственная компания, которая автоматизировала вакуумную экстракцию нуклеиновых кислот с помощью манифолдов. Колонки помещаются в держатель, в нижней части которого создается разрежение, и за счет этого жидкость прогоняется через сорбент. Однако при использовании манифолда с большим количеством образцов разной густоты могут возникнуть сложности: какие-то колонки забьются, и сток жидкости через них будет замедлен. В других колонках, наоборот, жидкость стечет очень быстро. В условиях одинакового для всех образцов разрежения колонки с жидкими образцами начнут подсасывать воздух, сорбент высохнет, что может привести к деградации нуклеиновой кислоты. Компания Tecan придумала решение: вместо разрежения, которое создается в нижней части пробирки, для неоднородных образцов можно использовать положительное давление, которое прикладывается сверху. Специальный модуль позволяет контролировать давление индивидуально для каждой колонки и снимать его, если жидкость уже стекла, или продолжать нагнетать, если образец густой и жидкость стекает медленно. Пользователь может сделать выбор между классическими манифолдами и модулем положительного давления в зависимости от типа образцов.

В XXI веке ДНК обычно выделяют с помощью магнитных частиц или колонок. Но по желанию клиента можно автоматизировать даже старую добрую методику ручной экстракции, при которой белки и липиды удаляют смесью фенол-хлороформ, а нуклеиновые кислоты остаются в водной фазе. Когда ДНК выделяют из крупных твердых образцов, которые нельзя гомогенизировать, например, из фрагмента кости, — без фенола не обойтись. «Традиционными» методами экстракции ДНК пользуются археологи, палеонтологи или те же криминалисты в бюро судмедэкспертизы. В этом случае для автоматизации важна возможность определять границу раздела фаз (станция «Текан» делает это с помощью ультразвука).


Работу с лейкоцитарной фракцией тоже можно автоматизировать?

Лейкоцитарная фракция (лейкоцитарная пленка, buffy coat) — одна из фракций, которые получаются при центрифугировании крови; она содержит лейкоциты и тромбоциты. Ее используют, в частности, для экстракции ДНК, поскольку в ней концентрируются клетки, имеющие ядро. В современной медицине молекулярно-генетические исследования лейкоцитов находят все больше применений — в онкологии, трансплантологии, диагностике врожденных заболеваний. В частности, для трансплантации нужны данные типирования донора и реципиента по HLA, и для этого удобно использовать лейкоцитарную фракцию. Однако ее отбор из пробирки после центрифугирования требует большой аккуратности. «Пленкой» ее называют не зря — она и выглядит как белая пленка между плазмой и эритроцитарной фракцией. А в биобанках счет таких образцов идет на сотни или тысячи в день: нужно типировать и новые образцы, и старые, которые хранятся давно.

Станция «Текан» умеет отбирать лейкоцитарную фракцию, причем, как опытный лаборант, делает наконечником спиральные движения, чтобы отобрать ее максимально полно.

Используют ли станции «Текан» российские производители наборов реагентов и тест-систем?

Конечно, потому что большие объемы без автоматизации невозможны. Среди клиентов Tecan есть производители наборов для выявления патогенов (в том числе SARS-CoV-2) методом ПЦР, наборов для ИФА-анализов. Автоматизация производственных процессов ставит перед производителем оборудования новые интересные задачи. Например, раскапывание горячего парафина, который надо подогревать во время транспортировки внутри станции, чтобы он не застыл.

Можно ли автоматизировать сложные процедуры, применяемые в научных экспериментах?

Трудно представить эксперимент, который «Текан» не может провести. Можно автоматизировать сортировку клеток методом проточной цитометрии. Можно выращивать клеточные культуры на чашках Петри и в биореакторах, при этом автоматически вносить изменения в состав среды. Можно фотографировать чашки Петри, выполнять ультрафиолетовое или инфракрасное сканирование, считать колонии, оценивать их морфологические признаки, автоматически скалывать и пересевать нужные. Можно печатать мишени для идентификации микроорганизмов методом масс-спектрометрии прямо на борту станции, там же, где микроорганизмы выращивают. Можно отделить от колонии одну бактериальную клетку с помощью акустических волн или производить манипуляции с яйцеклеткой млекопитающего «лазерным пинцетом».

Сейчас в одном из московских научных центров под патронажем Минздрава установлены 12 станций «Текан» для задач различной сложности, от первичного аликвотирования образцов до фагового дисплея. Станций, которые автоматизируют фаговый дисплей, всего три в мире, и одна из них работает в Москве.

— «Фаговый дисплей» — звучит страшно, но с точки зрения методологии там нет каких-то космически сложных манипуляций, — говорит Дмитрий.— Станция действительно огромная и недешевая. В нее интегрирован модуль посева на чашке Петри, модуль для скола, несколько термошейкеров, автоматический промыватель планшетов, автоматический манифолд, автоматический флуоресцентный абсорбционный ридер, автоматическая система подачи на борт чашек Петри, автоматическая система их съема и стандартные дозирующие и переносящие модули. То есть автоматизация полная. Образцы загрузил — и всё, она дальше несколько дней сама работает, главное — из сети не выключать.

Можно автоматизировать различные методы иммунодиагностического анализа, основанные на гемагглютинации. Они считаются архаичными, но до сих пор широко применяются в учреждениях Россельхознадзора, поскольку прописаны в нормативных документах. «Теканы» в этих учреждениях также работают.


Почему «Дельрус»?

Поскольку российские производители не представлены на рынке, компании идут по пути тесного взаимодействия с иностранными производителями, в том числе и по RnD. «Дельрус», как дистрибьютор продукции Tecan, стал центром компетенций международного уровня.

— Были случаи, когда производитель применял наши решения, алгоритмы, программы, — говорит Дмитрий Арапов. — Мы не знаем других примеров, когда российский дистрибьютор лабораторного оборудования настолько плодотворно взаимодействовал бы с поставщиком за рубежом. Из всех наших достижений это, пожалуй, самое главное.

Стоит отдельно упомянуть, что «Дельрус» в рамках работы с продуктами «Текана» предоставляет полностью бесплатную методическую поддержку на весь срок службы приборов. Большое значение имеет также и возможность поставки некоторых модулей и готовых решений в кратчайшие сроки со склада компании.

Как понять, что вашей лаборатории нужна автоматизация?

Вот некоторые из поводов задуматься об этом.

  • Потоки образцов превышают возможности персонала, а расширение штата невозможно

  • Сотрудники заняты рутинными манипуляциями, не хватает времени на обработку и осмысление результатов

  • Слишком высок процент ошибок, точность и воспроизводимость результатов снижает «человеческий фактор»

  • Протоколы работы слишком сложны и нелинейны

  • Происходит перерасход реактивов и пластика

  • Требуются автоматизированные контроль и документирование протоколов работы

Автоматизация: это выгодно или затратно?

— У тех людей, которые поняли, что умеет автоматизация, не встает уже вопрос, что «Текан» — это дорого, — поясняет Дмитрий Арапов. — Иногда люди просто не верят, что робот может сделать за полчаса работу, которую 20 человек делали несколько лет, что это уже обкатанная и отработанная методика. Они говорят, что не верят в роботов, потому что в 2001 году купили робота, а он не заработал, как надо. Но это проблемы не роботов, а людей, которые продали робота и не смогли корректно подготовить его к работе.

Что касается выгод, то как-то мы посчитали экономию времени лаборантов на отдельных рутинных операциях, правда, не в КДЛ, а на производстве. Однако даже с учетом непрофильности операций цифры получились впечатляющие. В лабораторной диагностике разница также существенна. Соответственно, экономия времени приводит к реальной экономии в деньгах.

Операция

Рост производительности труда по сравнению с человеком

Фасовка реагентов

в 25–27,5 раза

Откручивание/закручивание крышек и физическая фасовка тары

в 4–5 раз

Комплексные манипуляции из 4–5 последовательных операций при соблюдении условий техпроцесса

в 9–11 раз

 

— Часто нам задают вопрос, что же будет с людьми, работу которых возьмет на себя робот? Нужно ли будет их увольнять? Честно говоря, за много лет работы нашей команды в этой сфере случаев, когда внедрение роботизации приводило к сокращению штата сотрудников можно пересчитать по пальцам одной руки, — говорит Дмитрий Арапов. — Как правило, в результате автоматизации лаборанты и квалифицированные специалисты, наоборот, получают возможность для развития, переходят к другим задачам — тем, которые пока нельзя автоматизировать, к интеллектуальному труду, к исследовательской и поисковой работе.

Отдельно стоит рассмотреть цену ошибки. Среди важнейших применений станций Tecan — выделение нуклеиновых кислот, подготовка к ПЦР и NGS. В каких единицах измерить ущерб, если из-за «человеческого фактора» пропадет уникальный образец ДНК, будет получен неверный результат при тестировании клинического образца на генетическое заболевание или присутствие патогена?

Наиболее подвержены ошибкам при ручной работе методы NGS, и здесь чрезвычайно высока стоимость ошибки, в том числе материальная. Набор на сто образцов может стоить миллионы рублей, и эти миллионы легко потерять, просто перепутав два ряда лунок на стадии раскапки. Роботизация позволяет исключить такие катастрофы.

А что, если ошибется робот?

У робота колоссальная производительность, робот не устает и ничего не путает, но нет такого механизма, который не мог бы сломаться. И есть еще внешние неконтролируемые условия. Могут отключить электричество, ошибку может совершить лаборант — от неверной установки расходных материалов до нестерильного мобильного телефона на столе станции. Если такое случится, не будет ли ошибка громадной, пропорционально объему выполняемой работы?

Конечно, производители станций тоже об этом думают. Если человек на начальной стадии перепутает образцы или перевернет штатив — тут техника бессильна. Но практически все, что происходит на борту станции, контролируется. Станция поймет, что пробирка пустая или в ней мало жидкости, по штрихкоду безошибочно отследит судьбу каждого образца. При экстренном отключении работа будет возобновлена с точки прерывания.

— С каждым новым поколением станции становятся все умнее, — рассказывает Дмитрий Арапов. — В частности, «Теканы» могут друг друга узнавать и перераспределять задачи между разными платформами в рамках одной лаборатории. Они действуют как некая рабочая группа, кластер, и они сами, без участия человека, могут делегировать друг другу задачи. Оценивать, насколько занят один, насколько занят другой, как быстро он освободится, и оптимизировать рабочую цепочку. Это может делать и человек, но у человека не хватает оперативной памяти, чтобы держать в ней подробности о каждом роботе в каждый момент времени.


Партнерский материал

Добавить в избранное

Вам будет интересно