2021/11/3
ラボオートメーション101
Subject Matter（特定分野の専門家）によるインサイドアクセス
生命科学では、多ければ多いほどよい。モデルの質的・量的な概観を得るために、一貫性があり洞察に満ちた膨大なデータを得ることは非常に重要である。しかし、大規模なデータセットで実験を行うには、手入力によるミスが起こりやすいこと、環境制御、時間消費など、多くの課題があります。幸いなことに、ラボの自動化は研究プロジェクトの取り組みに素晴らしい効果をもたらします。
この用語に馴染みのない人のために説明すると、ラボの自動化は、実験能力と効率を向上させるために新しい技術を統合したものである。概念的には素晴らしいことだが、実際の生活にどのように反映されるのだろうか？
私たちは、Molecular Devices社のグローバル・プロポーザル・マネージャーであるConstantin Radu氏と対談し、最近の共同研究の事例をもとに、ラボオートメーションの無限の可能性について教えてもらった。
自己紹介とモレキュラー・デバイスでの役割について教えてください。
コンスタンチン・ラドゥです。モレキュラーデバイスのオートメーション＆カスタマイゼーションチームでグローバル・プロポーザル・マネージャーを務めており、4年以上勤務しています。
モレキュラー・デバイスに入社する前は、長年この業界で様々な業務に携わってきました。私のキャリアはメモリアル・スローン・ケタリングがんセンターで、ラボ・マネージャー兼オートメーション・サイエンティストとして、様々なスクリーニング・キャンペーンの実施とモニタリングから始まりました。長年にわたり、私はオートメーション・プラットフォームの運営、保守、使用について多くの経験を積んできました。この経験により、科学的ワークフローに関する専門的な見識と、それらのワークフローを自動化するためのロジスティクスを理解することができました。
私の役割は、科学者によって開発されたアッセイを扱い、エンジニアリングの観点からそれらを管理する方法を見つけ出すことでした。これらのアッセイはマイクロタイタープレートで開発されました。何千ものプレートで約40万もの低分子をスクリーニングしなければなりませんでした。私の対物レンズは、これらのアッセイを大規模なプラットフォームで実行する方法を見つけ出すことでした。
このような革新的なプロジェクトは、モレキュラー・デバイセズでの私の現在の職務に大きく貢献しています。私の役割は、お客様のアプリケーション要件をコンサルティングして理解し、ワークフローがどのようなものか、現在および将来的にどのようなスループットを達成したいかを判断することです。そして、実験器具、実験用ロボット、ソフトウェア・ソリューションなど、お客様の特異性に応じたソリューションを提案します。
なぜ科学者はワークフローを自動化したがるのか？
ワークフローを自動化する理由はたくさんあるが、上位6つの理由は以下の通り：
- データ取得の一貫性
- 柔軟性
- ヒューマンエラーの削減
- ラボの安全性向上
- 離席時間の増加
- スループットの向上
データ収集の一貫性は一つのポイントである。例えば、48時間から96時間プレーティングを行い、6時間ごとにデータを収集するとしよう。一晩中ラボで待機することは現実的ではない。その代わりに、自動化システムが解決策を提供する。自動化インキュベーターにプレートを出し入れし、予定された時点でイメージングや測定を行う。
自動化システムのロボットアームは疲れないが、人間は疲れる。ある時間にプレートを読み上げたり画像化したりするのを忘れることもある。エンドツーエンドでは、データ収集に一貫性がなくなる。
自動ワークフローのもう一つの利点は、離席時間の増加である。実験が自動化されたプラットフォーム上で実行されている場合、科学者はその時間をより生産的に活用し、常にベンチの前にいるのではなく、助成金を書いたり、科学論文に取り組んだり、他の研究関連の側面に集中することができる。
このような改善は、最終的には、より短い時間で、より発表可能な結果を導き、スループットを向上させ、そして、結局のところ、科学者の通貨であり、共同研究や資金増加の鍵である論文を加速させることができる。私は、Memorial Sloan Kettering Cancer Centerにおいて、研究室の自動化がどのようにネットワーキングと資金調達の流れに貢献したかを目の当たりにした。
ラボオートメーションは、様々なタイプのアッセイにどのような付加価値を与えるのか？
例えばELISAは、ラボの自動化から多大な恩恵を受け、ハイスループットなマイクロプレートベースアッセイワークフローの一部となります。インキュベーターを必要とする、化合物ライブラリーを用いた生細胞のスクリーニングでは、インキュベーターが変化に非常に敏感であるため、環境制御が大きな課題となる。温度は37℃、5％CO2である必要がある。これらの値が逸脱すると、実験が台無しになりかねない。アッセイ手順そのものが手間のかかるものであることを心に留めておいてほしい。
お客様が基本的なELISAシステムを購入された後、私たちは自動化対応のELISAワークフローを設定し、このようなプロセスに従います：
- 自動ワークフローは、試薬とサンプルを分注する自動リキッドハンドリングから始まった。また、インキュベーション中の温度保持と蒸発を防ぐ自動化ヒートシーラーも使用された。
- プレートはシールピーラーに移され、続いて自動マイクロプレートウォッシャーが96ウェルおよび384ウェルのプレートを同時にプレーティングした。
- ワークフローは、サンプルのターゲット抗原濃度を計算するために使用される吸光マイクロプレートリーダーの吸光度測定を自動的に生成した。
主な収穫は、自動ワークフローによって、非常に複雑な手順であったはずの各ステップが簡単になり、安心感が得られたことである。細胞株開発は、最大で数百万個の細胞の特性解析と分析を行うので、自動化の恩恵を受けることができるもう一つの完璧な例だと思います。私たちは自動クローンスクリーニングワークフローを開発し、すべてのクローンが高標的タンパク質レベルを産生することを保証しながら、シングルセル細胞由来のクローンからシームレスな細胞株開発を可能にした。この統合ソリューションでも、シングルセルプリンティング、イメージャー、マイクロプレートリーダー、自動インキュベーター間の調整が行われた。当社のハイスループット・クローン・スクリーニング・ソリューションの詳細については、当社のウェブサイトをご覧いただきたいが、ELISAの例と同様、最終的には多くの時間とリソースを節約することができる。
Molecular Devicesのオルガノイドイノベーションセンターとの関わりについて教えてください。
私の関与は、Molecular DevicesとCincinnati Children's Center for Stem Cell and Organoid Medicine（CuSTOM）のコラボレーションから始まりました。基本的に、私たちは彼らのニーズと目標を特定するためにアプローチしました。当時、彼らの研究グループはオルガノイド研究のパイオニアでした。彼らは、個別化医療の研究成果を向上させるために、3D細胞培養とオルガノイドスクリーニングのワークフローを自動化したいと考えていました。
彼らが使用していたインキュベーター、アンビエント、ストレージツールといったインストゥルメンテーションは、目新しいものではありませんでした。しかし、私たちの自動ワークフロー手法は、これらの機器間のコミュニケーションを最適化するのに役立ちました。
その後、私たちは新しい顧客に共通する傾向、つまりオルガノイドのような生物学的に関連性のあるサンプルを扱いたいという願望に気づきました。課題は、再現性のある結果を得る方法を知らないことでした。さらに、このような複雑なサンプルを培養し、画像化し、分析するための標準化された手順がありませんでした。
オルガノイド・イノベーション・センター（OIC）の設立により、私たちは特異性アッセイに対応した3D自動ワークフローをリアルタイムで実演し、お客様を支援し始めました。CuSTOMは、細胞の培養から分化、スクリーニングに至るまで、すべてのステップに立ち会うことができました。
スクリーニングの前には、試薬の安定性テストも行いました。新しいバッファーを調製するために一定の間隔で誰かが来る必要があるかもしれないので、バッファーの安定性がどのくらい保たれるかをテストしました。また、指定されたワークフローの使い方や安定性テストの実施方法について、お客様にトレーニングを行いました。
要約すると、OICは、顧客が研究目標や希望する方法論を実現するためのプラットフォームとなった。
オルガノイドは基礎研究、医薬品開発、精密医療を形質転換する大きな可能性を秘めていますが、オルガノイド医療の可能性を完全に実現するためには、多くの大きなハードルを克服する必要があります。私たちは、拡張可能なハイループットワークフロー（OIC）を開発し、オルガノイド製造の再現性を向上させ、オルガノイドに基づく新規薬剤スクリーニングプラットフォームを開発することで、これらの問題を解決するためにモレキュラー・デバイセズを選びました。
- マグダレナ・カセンドラ博士、CuSTOM研究開発ディレクター。
ラボオートメーション・ソリューションのカスタマイズにおいて、モレキュラー・デバイスが競合他社と異なる点は何でしょうか？
モレキュラー・デバイセズでは、お客様のワークフローを掘り下げ、アプリケーションと最終目標を理解するために時間をかけています。お客様の理想的なワークフローをモデルとしてシミュレーションを行います。OICのラボオートメーションで魅力的なのは、ラボメンバーがオルガノイド研究のために行うマニュアルステップを模倣する能力です。この機能は、そのデモンストレーションをより説得力のあるものにする。また、私たちは、インストゥルメンテーションとワークフローテストの後、報告書を提出します。そうすることで、お客様はこのワークフローが適合しているという安心感を得ることができるのです。
私たちのサービス・エンジニアリングは、24時間365日体制で世界中にカスタマー・サポートを提供しています。さらに、私たちのサービスチームはクラス最高で、インストール後も継続的なサポートを提供しています。
米国を拠点とする企業からタイムリーなグローバル・サポートを受けるのは難しいことです。例えば、私は以前韓国の研究所で働いていましたが、エンジニアリングサポートはドイツから、部品はシンガポールからでした。モレキュラー・デバイスでは、タイムゾーンの違いから生じる遅延をなくすために、熱心に取り組んでいます。
我々の自動化ソリューションのもう一つの顕著な例は、統合されたラボオートメーションシステムによる柔軟性である。私たちは、研究者の科学的ニーズを補うために、モレキュラー・デバイセズのインストゥルメンテーションやその他のサードパーティのインストゥルメンテーションを使用しています。
ラボ自動化の将来は？
自動化は新しいものではなく、1990年代半ばから薬物スクリーニングに使用されてきた。当時の違いは、複数のベンダーが異なるサイズのイメージャーとプレーティングを開発していたことで、全てのラボオートメーションが全てのインストゥルメンテーションに対応していたわけではない。
ラボラトリーオートメーションには大きな可能性と発見の余地がある。次の目標は、ワークフローを実行しながら、あるいは研究者と並んで作業しながら、科学者を支援することができる洗練されたモバイルロボットを通して、ユーザーエクスペリエンスを向上させることである。
私は経験から、自分の細胞の世話をするために、土日にラボに行く必要があることを知っています。COVID-19の制限により、研究者にとって勤務時間はよりフレキシブルでなければなりません。ラボの自動化は、特に新常態においては便利で、毎日、24時間、物理的にラボにいる必要はなくなる。自動化により、立ち去る時間が増えるため、生産性に余裕ができ、自動化されたロボットが力仕事のほとんどを行うため、マルチタスクが可能になる。
自動化対応システム
科学的な疑問やアプリケーションの種類に関わらず、自動ワークフローはより早く答えを導き出します。業界をリードするテクノロジーを柔軟でカスタマイズ可能なワークセルに統合することで、研究者はラボでの時間を大幅に最適化し、他の重要なタスクにリソースを割り当て、発見を加速することができます。
以下のエンドツーエンド・ハイループット・スクリーニング・ソリューションで、ラボオートメーション・ワークフローをご検討ください：
- ハイコンテント細胞スクリーニング
- ハイスループットクローンスクリーニング
- タンパク質およびセル生物製剤
インキュベーター、リキッドハンドラー、ロボットからカスタマイズされたソフトウェアやハードウェアに至るまで、ライフサイエンス業界における35年以上の経験をもとに、高品質の製品をお届けし、ワールドワイドなサポートを提供します。
当社のグローバル・プロフェッショナル・サービス・チームは、強力な人材と革新的なソリューションによってお客様の成功を実現し、お客様のロイヤルティを獲得するよう努めています。博士号レベルのテクニカルサポートから、専門的なトレーニングを受けた認定フィールドサービスエンジニアまで、お客様の研究をサポートする世界クラスのチームを構築し、ライフサイエンスにおける最も重要な疑問の解決に貢献しています。
