激光网3月13日消息，活细胞培养物测试对于个性化医疗、药物开发和临床研究变得越来越重要。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和生产技术研究所 IPT 开发了一种人工智能辅助的高通量工艺，现在可以自动分离特定的细胞类型。
使用所谓的 LIFTOSCOPE，实验室每秒可以定位、识别和分析数十个活细胞，以便通过激光诱导前向转移将它们转移到微量滴定板上。在2024年4月9日至12日在慕尼黑举行的2024年analytica展会上，Fraunhofer-Gesellschaft将在A3展厅407号展位首次向公众展示这一创新工艺。
多能干细胞是个性化医疗的关键。一旦它们从血液和组织样本中分离出来，它们就可用于培养不同组织的细胞类型。由于这些培养的细胞培养物可以在体外进行单独的药物和不耐受测试，因此它们是选择高度特异性个性化疗法的有力工具。然而，为了在常规临床实践中建立个性化治疗，医学需要有效的方法来分离多能干细胞。
此外，药物研究正在寻找方法，将所谓的高产细胞从多克隆培养物中分离出来，用于药物开发，并将它们转移到单克隆培养物中，而不会损害细胞活力或分裂能力。在大流行期间，诊所还必须认识到，从患者样本中分离和分析细胞的可用方法正在将其实验室推向其能力极限。
弗劳恩霍夫激光技术研究所和生产技术研究所研究人员的创新技术显著提高了效率，因为它可以全自动地对细胞进行分选和分离。LIFTOSCOPE将AI辅助的高通量工艺集成到配备高速摄像头和闪光光源的市售倒置显微镜中。LIFTOSCOPE将三种高科技工艺结合在一个设备中，可在几微秒内识别细胞并将其转移到微量滴定板上，存活率高达90%以上。
项目团队已将Fraunhofer ILT开发的专利MIR LIFT工艺直接集成到显微镜的光路中。与其相连的摄像系统每秒可提供100张高分辨率图像。Fraunhofer IPT开发的人工智能使用语义分割来识别该图像数据中所需的细胞类型，并且可以训练以识别多能干细胞、高产细胞和免疫细胞。
人工智能还可以确定细胞的确切位置和重心。在MIR LIFT工艺中，它们以高达100 Hz的高频速率一个接一个地转移到Fraunhofer ILT开发的支架中的微量滴定板上。“根据细胞类型，高达100%的细胞都能在这个过程中存活下来，”生物制造小组负责人Nadine Nottrodt博士解释说，他与项目经理Richard Lensing一起监督Fraunhofer ILT的联合开发项目。
LIFT过程本身非常简单。具有几微焦耳脉冲能量的短 9 纳秒激光脉冲足以刺激目标细胞正下方的液体介质形成蒸气泡。先前已从其键中酶促释放的细胞被气泡短暂抬起。
一旦气泡破裂，就会形成吸力，将细胞冲入微量滴定板的培养容器中。“细胞随机分布在样本中。出于这个原因，我们的系统遵循预定义的网格，并传输焦点半径 50 微米范围内的细胞，“Lensing 解释道。在那里，LIFTOSCOPE可以在高精度、光学监控的激光过程中精确控制和转移细胞。如果需要，LIFT工艺还可以与荧光标记物结合使用，以鉴定特定细胞。然而，即使没有添加剂，该工艺也能稳健运行。
这有两个原因：首先，人工智能的精确定位确保了细胞实际上被射流捕获并运输到微量滴定板中。其次，Fraunhofer ILT通过不断开发LIFT工艺，成功地从工艺中消除了最初需要的金属吸收剂。
由于该工艺使用波长为 2940 纳米的中红外激光器，因此系统中已经存在的水现在被直接激发，而样品载体的聚合物不会吸收该波长或几乎不吸收该波长。
项目团队的目标是在高通量方面稳定全自动细胞识别和LIFT工艺，并将完成一个微量滴定板的工艺时间限制在10分钟以内。这需要高精度的执行器，用于成像和在工艺周期中定位激光焦点。
一方面，这确保了该过程达到人工智能支持的细胞检测和测量所需的图像分辨率，另一方面，它精确地将激光焦点精确地分配和定位在细胞正下方，使其在25微米以内。单细胞转移在 200 微秒内完成。在 100 秒内，LIFTOSCOPE 可以激活 10000 个细胞并转移到微量滴定板上。
Fraunhofer团队采用了两种不同的策略来移动细胞培养物。“在走走停停的操作中，必须在电池LIFT之前和之后插入一个短暂的静止阶段，因为每个停止都会触发样品中的流体动力电流，在下一个电池转移之前，必须首先沉降，”Nottrodt报告说。
这种策略使他们能够对具有许多不同细胞的样品进行分类，从而减少样品制备所需的工作量。然而，停顿是以牺牲效率为代价的。在连续过程中，LIFTOSCOPE根据所搜索的细胞类型，在多达1600条线的网格中以50微米的间距扫描样品载体，并转移在连续运动中聚焦的每个细胞。
通过这种方法获得的时间优势随着细胞转移的越多而增加。即使有 10000 个转移的细胞，连续过程的速度也是原来的两倍以上，而对于 100000 个细胞，它已经比走走停停的操作快 20 倍。
这种基于人工智能和激光的新工艺为全自动和高效的活细胞分离指明了道路。根据Nottrodt的说法，迄今为止该项目的进展表明，细胞LIFT与高速相机的图像频率同步，因此每秒100个细胞的单细胞分选速率是可行的。
下一步是开发原型工艺以达到市场成熟度。“欢迎有兴趣的人士参观Fraunhofer-Gesellschaft在analytica 2024展厅A3/407的联合展台，近距离了解LIFTOSCOPE，”Nottrodt和Lensing说。鉴于个性化医疗的潜力，这项技术需要迅速进入医疗、制药和临床实践。
