Автоматизация лабораторных исследований и, в частности, экстракции нуклеиновых кислот, набирает актуальность. В условиях острой нехватки времени и квалифицированных рабочих рук во время пандемии COVID-19 были cозданы полностью автоматические системы детекции SARS-CoV-2, которые позволяют просто загрузить образец в прибор и через 70 минут получить ответ [1], или целые мобильные лаборатории, способные без участия персонала собирать образцы с помощью роботизированного манипулятора и анализировать их с производительностью до 150 образцов за 8 часов [2]. Разработана даже автоматическая станция, способная работать в космосе, в условиях невесомости на МКС [3]. Ну а здесь, на Земле, в деле автоматизации пробоподготовки существует огромное разнообразие решений для лабораторий с различной пропускной способностью.

Сначала рассмотрим некоторые преимущества использования таких приборов. В лаборатории не хватает свободных рабочих рук? Ваш лаборант в отпуске или внезапно угодил на больничный? Автоматическая станция всегда на работе и выделит за вас нуклеиновые кислоты для ПЦР и других экспериментальных целей. Нет времени на написание статьи или диссертации? Пока длится протокол прибора, можно успеть написать несколько страниц. Получили неоднозначные результаты эксперимента? Возможно, дело в пробоподготовке.

Станция выделения поможет стандартизировать условия, устранив ошибки, связанные с человеческим фактором. Это, помимо прочего, поможет при публикации в хорошем журнале или даже при защите диссертации, так как повысит достоверность результатов. Например, при сравнении ручного и автоматического выделения РНК коронавируса именно для второго показаны более точные и воспроизводимые результаты [4]. О других несомненных плюсах автоматизации пробоподготовки можно посмотреть в таблице.

Сравнение автоматической и ручной пробоподготовки

Фактор	Автоматическая пробоподготовка	Ручная пробоподготовка
Экономия рабочего времени и трудозатрат	Да	Нет
Необходимость выполнения повторяющихся рутинных действий	Нет	Есть
Воспроизводимость результатов	Высокая	Варьирует
Качество выделенной нуклеиновой кислоты	Высокое	Варьирует
Риск контаминации	Минимален	Высокий
Необходимость обучения персонала	Минимальная. Тренинг при инсталляции прибора	Есть. Важно освоить приемы работы в лаборатории и «набить руку»
Безопасность для персонала	Взаимодействие с токсичными веществами и возможный контакт с ПБА сведены к минимуму	Сотруднику необходимо иметь навыки работы с ПБА и токсичными веществами
Возможность масштабирования	Имеются готовые решения для повышения производительности	Необходимо увеличение численности персонала и рабочих площадей
Стоимость анализа	Зависит от цены станции, пропускной способности лаборатории, стоимости расходников и реагентов	Зависит от зарплаты сотрудника, стоимости расходников и реагентов

Основные методы, используемые в автоматизации пробоподготовки

Существует два основных подхода в экстракции нуклеиновых кислот: жидкостно-жидкостная и твердофазная экстракция [5]. Жидкостно-жидкостная экстракция имеет ряд недостатков, одним из которых является то, что такие методики очень трудно автоматизировать. Протоколы твердофазной экстракции проходят быстрее, менее требовательны к квалификации персонала и обеспечивают хороший выход НК с высокой степенью очистки. Большая часть доступных коммерческих наборов имеют в своей основе именно такие методы [6].

Твердофазная экстракция на основе магнитных материалов является основным выбором для высокопроизводительного и автоматизированного выделения нуклеиновых кислот: она не зависит от центрифуг или другого сложного оборудования, а также значительно сокращает время протокола, поскольку магнитные шарики быстро перемещаются и агрегируют, когда их помещают во внешнее магнитное поле. Обычно используют магнитные частицы на основе Fe₃O₄ или γ-Fe₂O₃, покрытые кремнеземом, амино- или карбоксильными группами. Принцип экстракции нуклеиновых кислот в этом случае прост: после лизиса биоматериала нуклеиновые кислоты адсорбируются на поверхности магнитных частиц при высокой концентрации соли и низком pH, далее происходит отмывка и отбирание магнитных частиц с помощью внешнего магнита, после чего молекулы НК отделяются от частиц при низкой концентрации соли и высоком pH [5].

Основные принципы экстракции нуклеиновых кислот на основе магнитных частиц

Исследования показали высокую эффективность автоматизированной экстракции нуклеиновых кислот с использованием магнитных частиц в сравнении с ручным выделением, например, в случае РНК коронавируса SARS-CoV-2 [7] или вируса диареи крупного рогатого скота (BVDV) [8], а также в случае ДНК беспозвоночных, позвоночных и растений при оценке эффективности пробоподготовки для изучения пищевых взаимоотношений [9].

Проблема выбора подходящей автоматической станции стоит практически перед каждой современной лабораторией независимо от ее размеров или выполняемых задач. Рассмотрим поподробнее два таких прибора — SKYMag NA Extractor и AmMag™ Quatro.

Станция пробоподготовки SKYMag NA Extractor S16

Характеристики и преимущества

Прибор SKYMag NA Extractor S16 предназначен для выделения нуклеиновых кислот с использованием магнитных частиц из образцов тканей животных, растений, бактерий, грибов, клеток и т.д. Захват, перенос и высвобождение магнитных частиц происходит с помощью магнитных стержней. При этом, пользователи могут одновременно загружать 16 образцов в 96-луночных планшетах либо меньшее количество — от одного до восьми — в стрипах. Объем образца может составлять от 20 до 1000 мкл в зависимости от задачи.

SKYMag NA Extractor S16 обладает следующими преимуществами:

Быстрое выделение ДНК и РНК
Компактные размеры — станция поместится на любой лабораторный стол или в ламинарный бокс., так как ее ширина всего 208 мм, что меньше листа бумаги
Есть контроль контаминации с помощью УФ-лампы и вентилятора против образующегося аэрозоля
Компания-поставщик обеспечит необходимые сервис и поддержку, а еще подберет подходящий набор реагентов под задачу
Простота в эксплуатации и тихая работа прибора
Сенсорный экран, для удобства работы также может быть подключена мышь
Есть готовые программы для совместимых наборов SkyGen NA Extraction

К числу инженерных преимуществ станции можно отнести оптимизированную конструкцию нагревательной платформы и уникальный механизм магнитного связывания частиц. Нагревательная платформа поддерживает заданную температуру в диапазоне от температуры окружающей среды до 120 °С для лизиса и элюирования. При этом ряды с лизирующим буфером и элюентом разделены для предотвращения испарения элюента из-за нагревания лизирующего буфера. Следовательно, собранный объем раствора нуклеиновой кислоты будет более точным. Магнитные частицы во время работы связываются с нижней частью стержня, что максимизирует количество высвобождаемой нуклеиновой кислоты даже при небольшом объеме элюента.

Для соблюдения требований биологической безопасности, защиты оператора и контроля контаминации реализованы следующие решения: прибор работает в автоматическом закрытом режиме, имеет внутреннюю систему контроля кросс-контаминации и систему ультрафиолетовой стерилизации, что помогает избежать перекрестного загрязнения между рядами и образцами. Кроме того, используются предварительно загруженные реагенты и одноразовые расходные материалы.

Особенности работы со SKYMag NA Extractor S16

Программы для работы представлены приложением для внешних устройств и встроенным программным обеспечением прибора. Приложение служит для редактирования протоколов, генерации QR-кодов, передачи журнала экспериментов и т.д., поддерживается только устройствами на основе Android, при этом синхронизация со станцией происходит с помощью Bluetooth. Программное обеспечение прибора используется для работы по протоколу, УФ-дезинфекции, настройки параметров и др.

В приложении или непосредственно на приборе можно устанавливать такие параметры, как объем жидкости в лунке (от 5 до 1000 мкл), время перемешивания или сушки (от 0 до 99,9 минут), скорость перемешивания (от 1 до 10), температура нагрева лунки (от 37 до 120 °C) и другие. Функцию нагрева имеют только лунки рядов 1 и 5.

При запуске протокола прибор автоматически генерирует и хранит запись в журнале, которую можно экспортировать с помощью USB накопителя или с помощью функции Transmission в мобильном приложении. Журнал может содержать до 1000 записей.

Для включения стерилизации необходимо зайти в меню настроек, установить время и нажать кнопку запуска. Начнется обратный отсчет и после окончания сессии УФ-свет выключится автоматически. SKYMag NA Extractor S16 также имеет встроенный вентилятор, и пользователи могут включать и выключать его в зависимости от своих предпочтений.

Совместимые наборы и расходники

В первую очередь стоит отметить возможность заказа полностью готовых решений для автоматизированного выделения ДНК или РНК из самых различных образцов, от семян растений и клеток животных до ПЦР-продуктов из агарозного геля или смеси – можно выбрать любой из 9 представленных вариантов. В состав набора входит заполненный реактивами 96-луночный планшет, оператору нужно только внести образцы и некоторые реагенты в указанные лунки и дождаться окончания протокола.

Доступны наборы, которые подходят как для автоматизированного выделения на станции, так и для ручного использования с применением магнитного штатива. Во втором случае необходимо самостоятельно внести реактивы и образцы в планшет и уже после этого запустить прибор.

Для работы с наборами на станции необходимо приобрести дополнительно стрипы, планшеты и наконечники для магнитных стержней.

Станция пробоподготовки AmMag™ Quatro

Характеристики и преимущества

Станция предназначена для автоматизированного выделения плазмидной ДНК в больших объемах с использованием технологии магнитного выделения. Система состоит из модулей для выделения и блока-контроллера, к которому можно подключить до четырех модулей. Каждый такой модуль способен обрабатывать до шести образцов, одновременно, а полностью укомплектованная станция выделяет ДНК из 24 образцов. Оптимальный объем образца составляет 50–200 мл бактериальной культуры (0,8–1,5 грамма бактериального осадка).

AmMag™ Quatro обладает следующими преимуществами:

Высокий выход плазмидной ДНК уровня transfection grade без эндотоксинов
Готовые к использованию наборы, включающие все необходимое (буферы, магнитные частицы, пластик)
УФ-лампа и наличие программируемого протокола деконтаминации
Масштабируемость производительности за счет модульной конструкции
Верифицированные протоколы и валидированные наборы в дополнение к станции
Простой пользовательский интерфейс
Среднее время выделения — 2 часа

Перед запуском прибор проводит сканирование пластика, чтобы удостовериться, что он загружен правильно. Используются герметично упакованные расходные материалы, которые распечатываются непосредственно в процессе протокола пробоподготовки, что поддерживает стерильные условия. Система обеспечивает равномерный отбор образца. Загрузка расходных материалов и подготовка перед запуском прибора занимает меньше 15 минут.

Основные этапы работы с AmMag™ Quatro

Вырастить культуру бактерий
Загрузить бактериальный осадок, реагенты, расходные материалы в прибор и запустить
Отцентрифугировать полученный образец, чтобы удалить оставшиеся магнитные частицы и следы эндотоксинов

Совместимые наборы и расходники

Набор AmMag™ Quatro Plasmid Purification Maxi Kit с элюцией TE буфером
Набор AmMag™ Quatro Plasmid Purification Maxi Kit с элюцией водой

Каждый набор рассчитан на 24 реакции и включает все необходимые буферы, магнитные частицы, наконечники для дозирования и контейнер для сбора отходов.

Таким образом, компания SkyGen предлагает современные решения для автоматизации выделения нуклеиновых кислот с использованием магнитных частиц, подходящие для самых разных задач, – от компактной станции SKYMag NA Extractor S16 до модульной системы AmMag™ Quatro. Применение автоматических приборов необходимо в каждой лаборатории, так как позволяет существенно сэкономить рабочее время и трудозатраты, но в то же время получить ДНК или РНК стабильно хорошего качества и высокой степени очистки, подходящие для постановки ПЦР, секвенирования или других приложений.

Автоматические станции пробоподготовки существенно упрощают проведение экспериментальных работ. Сосредоточьтесь на действительно важных делах и проектах, а рутину доверьте роботам. Большим плюсом также является то, что не нужно искать, где купить расходники и реагентику к ним, ведь все необходимые материалы уже есть в ассортименте компании SkyGen. Для заказа «нового сотрудника» и подбора решений под задачи вашего эксперимента пишите в отдел научный поддержки help@skygen.com.

Литература

1. Tian F et al. A fully automated centrifugal microfluidic system for sample-to-answer viral nucleic acid testing. Sci China Chem. 2020;63(10):1498-1506. DOI: 10.1007/s11426-020-9800-6

2. Xing W et al. A highly automated mobile laboratory for on-site molecular diagnostics in the COVID-19 pandemic. Clin Chem. 2021 Mar 31;67(4):672-683. DOI: 10.1093/clinchem/hvab027

3. Urbaniak C et al. Validating an automated nucleic acid extraction device for omics in space using whole cell microbial reference standards. Front Microbiol. 2020 Aug 21;11:1909. DOI: 10.3389/fmicb.2020.01909

4. Bhargav R et al. Efficacy of nucleic acid extraction by manual versus automated magnetic bead-based method to detect SARS-CoV-2. J Clin Diag Res. 2022 Nov, Vol-16(11): DC13-DC15. DOI: 10.7860/JCDR/2022/58370.17136

5. Li Z et al. Recent advancements in nucleic acid detection with microfluidic chip for molecular diagnostics. Trends Analyt Chem. 2023 Jan;158:116871. DOI: 10.1016/j.trac.2022.116871

6. Li P et al. Solid-phase extraction methods for nucleic acid separation. A review. J Sep Sci. 2022 Jan;45(1):172-184. DOI: 10.1002/jssc.202100295

7. Lim HJ et al. Evaluation of three automated extraction systems for the detection of SARS-CoV-2 from clinical respiratory specimens. Life (Basel). 2022 Jan 4;12(1):68. DOI: 10.3390/life12010068

8. Dong HV et al. Viral RNA extraction using an automatic nucleic acid extractor with magnetic particles and genetic characterization of bovine viral diarrhea virus in Tokachi Province, Japan, in 2016-2017. J Vet Med Sci. 2022 Nov 14;84(11):1543-1550. DOI: 10.1292/jvms.22-0096

9. Wallinger C et al. Evaluation of an automated protocol for efficient and reliable DNA extraction of dietary samples. Ecol Evol. 2017 Jul 7;7(16):6382-6389. DOI: 10.1002/ece3.3197

Реклама
Рекламодатель ООО "Скайджин"

Токен LdtCKF5aM