Análisis celular con precisión

¿Qué medicación puede vencer al cáncer? ¿Qué dosis alcanza el resultado deseado sin efectos secundarios? ¿A partir de qué límite la medicación beneficiosa se vuelve tóxica? Hoy en día estas cuestiones se responden a partir de series de pruebas con cultivos de células. Estos métodos están entre los más importantes de la investigación médica.

Con el sistema de pruebas automatizado CYRIS ^®FLOX, el trabajo en los laboratorios es mucho más sencillo. Aquí, los motores de FAULHABER garantizan que a los cultivos se les suministren nutrientes y medicación durante la duración del ensayo y que se realice un seguimiento estrecho del desarrollo de las células sin necesidad de intervención humana.

El límite de la viabilidad

Rescatar vidas, curar enfermedades, aliviar síntomas; eso es lo que los medicamentos modernos hacen millones de veces día tras día y, aún así, estamos lejos de tener una medicina para cada afección. Es más, el coronavirus nos ha hecho profundamente conscientes de que hay nuevas enfermedades que se incorporan a la lista de las que ya conocemos. Por ello, siempre hay una necesidad de nuevos medicamentos, y el desarrollo de los mismos es igualmente continuo. Estas medicinas deberían ser, sin duda, eficaces y seguras, y lo ideal sería que lo fueran antes de probarlas en humanos. Esta última fase, la fase de ensayo clínico, es fundamental. Sin embargo, también se puede aprender mucho ya en la fase de laboratorio acerca de los efectos de un producto farmacéutico porque estos efectos se producen mayormente en las células del cuerpo humano. Por ello, un cultivo de células puede servir de sustituto de las "pruebas" del medicamento.

"Podemos determinar, por ejemplo, el valor límite por encima del cual una sustancia se convierte en tóxica para las células", explica Márton Nagy, desarrollador biotecnológico en la compañía INCYTOИ ^® con sede en Múnich. "Esto es válido no solo para los medicamentos, por cierto, sino también para, por ejemplo, las potenciales toxinas ambientales. Ponemos una determinada cantidad de la sustancia en la solución nutriente que contiene el cultivo y observamos cómo responden las células. A continuación, se aumenta gradualmente la cantidad. Basándose en determinados datos de medición y en el seguimiento óptico con un microscopio podemos identificar el punto crítico para las células. Este valor se puede adaptar al peso corporal de una persona. En la práctica, el valor límite aceptable para una dosis se define generalmente como una fracción de este valor crítico". En la investigación farmacéutica se realizan muchas pruebas utilizando células cancerosas. Sin embargo, con estas células cambian las tornas. Aquí, el objetivo es determinar qué medicamento y qué cantidad consigue inhibir su reproducción o total destrucción.

La observación de estas células es un proceso a varios niveles y, sobre todo, que lleva mucho tiempo. Un solo ensayo lleva una media aproximada de tres días durante los cuales se realizan numerosas mediciones independientes, y las células se fotografían repetidamente a intervalos cortos. Las secuencias de imagen se pueden combinar para crear una película de secuencia acelerada que muestra el curso del crecimiento de la célula. Se examinan tres magnitudes físicas durante las mediciones: contenido en oxígeno, valor pH y resistencia eléctrica de la capa de células.



Las cantidades físicas proporcionan información

Los valores de estas cantidades se ven afectados por el metabolismo de las células. En estado saludable, por ejemplo, las células consumen más oxígeno que cuando ya sufre el efecto (secundario) de la medicación que se haya introducido. El valor pH se comporta de manera similar: dado que el metabolismo celular produce sustancias ácidas, el valor pH normalmente entra dentro del rango ácido. Si esto ocurre en un grado limitado, el metabolismo está alterado. El grado de desviación proporciona información acerca del efecto de la medicación. Por otro lado, la resistencia eléctrica (impedancia) aumenta con el número de células. Así, un aumento retrasado muestra el nivel de afección de las células.

Hasta el presente estas series de pruebas requerían mucho trabajo manual. Los distintos pasos se podían automatizar solo parcialmente. Con CYRIS ^®FLOX, INCYTOИ ^® ha creado un dispositivo totalmente automático que puede realizar el ciclo de pruebas de varios días sin intervención humana y puede, además, documentar totalmente los resultados.




En el núcleo de cada configuración de prueba hay una placa microtituladora hecha de material transparente que tiene 24 pocillos o cámaras de pruebas. Estas contienen las muestras de células en placas de Petri en miniatura. Hay 24 pipetas en un brazo robótico que suministran a los pequeños cultivos una solución de nutrientes y aportan las sustancias que se tienen que someter a prueba. Al hacerlo, se puede seleccionar una composición diferente de la solución para cada pipeta. Cada cámara de prueba está equipada con sensores para medir el contenido de oxígeno, el valor pH y la resistencia eléctrica. Las distintas cámaras de prueba son fotografiadas desde abajo a intervalos regulares a través de una lente de microscopio.

Desarrollo para la automatización

INCYTOИ ^® es una empresa emergente con raíces académicas. Sus fundadores trabajaban anteriormente en la investigación universitaria, donde utilizaban motores de otros fabricantes en los prototipos iniciales de sus dispositivos. Estos motores no resultaron ser los adecuados y se sustituyeron posteriormente por modelos de FAULHABER que convencieron gracias a su diseño compacto y a la fiabilidad de los componentes. Cuando llegó el momento de profundizar en el desarrollo del sistema para prepararlo para la producción en serie, no fue necesario encontrar un proveedor de accionamientos. No obstante, se plantearon nuevos objetivos en este campo: "Queríamos trabajar con los menos motores diferentes posibles", dice Matthias Moll, director de desarrollo al describir la situación inicial. "También queríamos una disposición más sencilla del cableado. Estábamos buscando un accionamiento que tuviera la electrónica integrada. Hasta entonces los accionamientos estaban metidos en un elemento de control del brazo robótico, lo cual hacía que hubiera muchas conexiones de cables en un elemento móvil". Además, los motores debían ser capaces de avisar de averías como, por ejemplo, sobrecalentamientos que causaran o amenazaran con causar bloqueos mecánicos.



En combinación con un controlador de movimiento de la serie CxD, el servomotor sin escobillas 2232...BX4 cumple estos nuevos requisitos de los técnicos de INCYTOИ ^®, además de otros como los de ofrecer un alto rendimiento con un diseño extremadamente compacto, poco peso y volumen y también compatibilidad con el uso en laboratorio. El dispositivo de análisis CYRIS ^®FLOX tiene seis motores integrados. Tres de estos motores mueven el cabezal de pipeteo del brazo robótico en tres ejes. Son responsables de mover las pipetas con precisión sobre las cámaras de pruebas microtituladoras y de colocarse justo sobre las cámaras para descargar la solución. Un cuarto motor mueve 24 pistones de succión que transportan hasta 200 µl de medio de cultivo en puntas de pipeta estériles. Dos motores mueven el microscopio sobre una mesa XY por debajo de las muestras de células. Las fotos de las distintas cámaras de prueba se toman desde abajo a través del material transparente de las placas microtituladoras.

Precisión y fiabilidad en continuo funcionamiento

"Para poder seguir el desarrollo de las distintas células en la película de secuencia acelerada posteriormente, la lente debe estar exactamente siempre en el mismo punto debajo de la cámara de prueba", dice Matthias Moll cuando explica el reto planteado en este paso. "Con la ayuda de los motores de FAULHABER podemos colocar con precisión la mesa a unos dos micrómetros". Para hacerse una idea un cabello humano tiene un grosor de entre 50 y 70 micrómetros. El motor que acciona los pistones del cabezal de pipeteo también debe funcionar con mucha precisión. Solo se pueden obtener resultados válidos de la prueba si la cantidad de líquido corresponde exactamente con los requisitos indicados.



En los sistemas CYRIS ^®FLOX la precisión es una labor continua. La máxima para las aplicaciones de motores es, por lo tanto, repetibilidad. Debe realizarse repetidamente el movimiento exacto durante los días que dure la prueba y a intervalos cortos sin que haya desviación. "Esperamos el nivel más alto posible de fiabilidad de los accionamientos en funcionamiento continuo", subraya el director de desarrollo. "Solo así podemos crear las condiciones para un largo 'tiempo de ausencia'". En el mundo de la automatización de laboratorios es así como llamamos al tiempo durante el cual una prueba puede estar en marcha sin necesidad de intervención humana. "Con CYRIS ^®FLOX este tiempo puede ir desde unos pocos minutos hasta horas o días. Los científicos y los técnicos de laboratorio altamente cualificados pueden realizar otros trabajos mientras tanto. La eficiencia de las operaciones del laboratorio aumenta, los costes operativos disminuyen y el dispositivo se rentabiliza rápidamente.

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