Jak do tego doszło?

W 2009 r. dr Mateusz Adamski prowadził badania kliniczne nad immunogenetyką udaru mózgu w SUNY Downstate Medical Center w USA. W owym czasie brak automatycznych metod izolacji komórek był kluczowym ograniczeniem w jego i wielu innych naukowców badaniach. Niezależnie od swojej aktywności na uniwersytecie rozpoczął wówczas pracę nad półautomatycznym rozwiązaniem z dr. inż. Patrykiem Gumannem. Po opracowaniu prototypowego urządzenia (już z nadanymi patentami w UE i Polsce) w 2015 r., wraz z adwokatem patentowym Maciejem Czarnikiem, założyli start-up Spark-Tech.

Firma została stworzona w celu opracowania własnego wynalazku do izolacji limfocytów. Dla powyższego uzyskała finansowanie w ramach pierwszego etapu programu EU SME Instrument na badania wykonalności (70 tys. euro). W następnym etapie projekt został nagrodzony certyfikatem Seal of Excellence w tym samym programie. Uzyskany certyfikat umożliwił zespołowi ubieganie się o finansowanie NCBR. W ramach ukończonego projektu NCBR o nazwie STBS (Spark Tube Biobanking System) o wartości ponad 2,3 mln euro zbudowano prototyp urządzenia do automatycznego izolowania krwi wymagającego – jeśli chodzi o czynności laboratoryjne wykonywane ręcznie – jedynie przetransportowania zamkniętych próbek krwi do wirówki. Dodatkowo w ramach projektu STBS zbudowano prototyp automatycznego biobanku działającego w temperaturze -80°C, wyposażonego w innowacyjny moduł do stopniowego schładzania wyizolowanych komórek. Oprócz robotów system STBS dysponuje tworzywami laboratoryjnymi dedykowanymi do urządzenia, które są produkowane z wykorzystaniem technologii wtrysku wysokociśnieniowego. Osiągnięcie tych celów umożliwił dynamiczny w ostatnim czasie rozwój algorytmów sztucznej inteligencji.

Jak to wygląda obecnie w laboratoriach biotechnologicznych?

Proces izolacji i krioprezerwacji materiału biologicznego wymaga wykonywania licznych procedur w sposób manualny przez specjalistów w danej dziedzinie. Przez względy bezpieczeństwa prace te muszą odbywać się w laboratorium o standardzie BSL 2/3. Procedury są czasochłonne, złożone i wymagają przeszkolonego personelu z co najmniej 3-5 letnim doświadczeniem. W związku z tym istnieje kilka głównych problemów, które wymagają rozwiązania, w tym: niska wydajność ze względu na manualny charakter procedur, wysokie koszty i zależność od wykwalifikowanego personelu, duże ryzyko błędów ludzkich i brak powtarzalności procedur, ryzyko biozagrożenia związane z bezpośrednim kontaktem z próbkami biologicznymi oraz wygórowane koszty zwiększania wydajności tych procedur. Rosnące zapotrzebowanie na izolację i krioprezerwację komórek podkreśla potrzebę znalezienia bardziej wydajnych i opłacalnych rozwiązań dla tych problemów.

Ogromny postęp w biotechnologii dostarczył nam świetnych narzędzi do badania i leczenia, jednak etapy pozyskiwania i przechowywania materiału biologicznego do badań i lecznictwa nadal opierają się o żmudne i czasochłonne procedury manualne, dodatkowo wymagające zaangażowania doświadczonych pracowników. Wiąże się to z ograniczoną przepustowością warunkowaną dostępnym personelem i dużymi kosztami. Tak jest w przypadku izolacji komórek, np. limfocytów z krwi. Do zaawansowanych badań używa się wyizolowanych populacji komórek najczęściej po ich zakonserwowaniu w niskich temperaturach. Tak zabezpieczone próbki są następnie badane w centralnym laboratorium lub wykorzystywane do transplantacji. Przeważająca metoda izolacji to wirowanie na gradiencie stężeń, a następnie kontrolowane mrożenie pozyskanych populacji komórek. Jest to procedura ręczna wymagająca czasu i doświadczenia.

Jakie obecnie są potrzeby rynku?

Kluczowe problemy, które ograniczają rozwój medycyny personalizowanej, to limitowany dostęp i wysoki koszt izolacji komórek oraz biobankingu dla pacjentów i dostawców usług medycznych. Niskie tempo przetwarzania oraz manualna obróbka w izolacji komórek i biobankingu stanowią ryzyko hamujące innowacje, które mogłoby zmniejszyć dostęp pacjentów do nowych terapii opartych na komórkach. Dlatego inwestycje w zakładanie i rozwijanie biobanków są niezbędne.

Głównym problemem dla klientów B2B2C jest brak automatyzacji, który blokuje powszechne stosowanie spersonalizowanych terapii opartych na izolacji komórek i biobankingu. Przy ręcznych procedurach tempo przetwarzania zależy przede wszystkim od personelu, którego koszty wynagrodzeń rosną, a dostępność na rynku jest bardzo ograniczona. Ze względu na trendy społeczne i pandemię oczekuje się dalszego wzrostu presji na sektor biologiczny w zakresie zasobów ludzkich, co jest uznawane za główną przeszkodę (WHO Workforce 2030).

Zbieranie materiału od pacjentów stanowi poważne wyzwanie w badaniach populacyjnych, ponieważ ręczne procedury w ograniczonej liczbie laboratoriów wymagają od pacjentów częstych podróży na długie dystanse i zwolnień z pracy lub innych obowiązków. To prowadzi do dużej liczby wypisów i wysokich kosztów badań, z uwagi na ceny transportu pacjentów i wynagrodzenia personelu za ręczne zbieranie materiału w dużych obszarach geograficznych. FDA przewiduje, że do 2025 r. zatwierdzi 10-20 terapii komórkowych rocznie, co podkreśla wagę znalezienia rozwiązań dla tych wyzwań.

Terapie komórkowe, które wymagają manualnego izolowania komórek i prowadzenia biobankingu, są szczególnie dotknięte tym problemem, ponieważ są czasochłonne i potrzebują wykwalifikowanego personelu, który rzadko interesuje się monotonnymi i nużącymi pracami. Na polskim przykładzie, liczba wyspecjalizowanych techników laboratoryjnych zmniejszyła się między 2018 a 2020 r., co połączone z rosnącym zapotrzebowaniem na usługi laboratoryjne, może prowadzić do niedoborów w usługach medycznych opartych na manualnych procedurach w kolejnych latach w Europie i na całym świecie. Automatyzacja pomaga w rozwiązaniu tych problemów poprzez zwiększenie efektywności, poprawę bezpieczeństwa i zmniejszenie kosztów, co prowadzi do znacznych oszczędności dla systemu ochrony zdrowia.

Wiele nowoczesnych terapii, w tym terapii przeciwnowotworowych, opiera się na izolowanych komórkach. Przykładem jest terapia CAR-T cell, która wykorzystuje komórki T pacjenta do walki z rakiem. Wysokie koszty produkcji terapii komórkowych i genowych są jednakże rozpatrywane jako ograniczenie wzrostu tego rynku. Obecnie terapie te są limitowane pod względem dostępności i kosztów, dostępne jedynie w dużych ośrodkach medycznych. Rozwiązaniem byłoby szybkie, bezpieczne i autonomiczne zamrażanie materiału komórkowego bez nadzoru specjalisty, np. w lokalnej klinice. Odpowiednio składowany materiał mógłby następnie być przechowywany lub wysyłany do specjalistycznych centrów zajmujących się terapiami i diagnostyką komórkową oraz genową.

Jak wdrożyć automatyzację procesów izolacji i biobankowania krwi w swoim laboratorium?

Firma Spark-Tech proponuje swój najnowszy wynalazek, jakim jest urządzenie STIBS – Spark-Tech Isolation & Biobakning System. Są to dwie autonomiczne jednostki robotyczne – jednostka R1 do separacji komórek oraz jednostka R2 do kontrolowanego mrożenia i automatycznego biobankowania. Mogą być one używane razem lub niezależnie. STIBS może wykonywać wszystkie niezbędne protokoły bez potrzeby nadzoru eksperta i bezpośredniego kontaktu z próbkami biologicznymi, wymaga jedynie zewnętrznego wirowania. Główne korzyści ze stosowania STIBS to:

1) wykorzystanie algorytmów opartych na sztucznej inteligencji do automatyzacji manualnych kroków, takich jak warstwowanie cieczy i odzyskiwanie próbek,

2) włączenie hermetycznie zamkniętych modułów robotycznych, które mogą wykonywać wszystkie kroki procesu, w tym: otwieranie/zamykanie próbek, warstwowanie cieczy, odzyskiwanie próbek po odwirowaniu, mycie komórek i kriokonserwację,

3) wykorzystanie algorytmów nadzoru opartych na sztucznej inteligencji do kontrolowania procesów separacji i kriokonserwacji, z pełnym śledzeniem próbek (z użyciem etykiet 2D i RFID) i projektowaniem eksperymentów oraz bioarchiwizacją zamrożonych próbek.

Jak działa STIBS?

STIBS to przełomowa technologia, która umożliwia robotom pracę autonomiczną. Osiąga się to dzięki połączeniu pracy unikalnych komponentów opracowanych specjalnie dla STIBS. Jak to wygląda krok po kroku?

1) Algorytmy oparte na sieciach neuronowych dla analizy obrazu różnych typów komórek zastępują technika laboratoryjnego w wymagającym doświadczenia procesie oceny próbek podczas izolacji komórek.

2) Komponenty robotyczne wykonują wszystkie manipulacje próbkami, ograniczając pracę operatora do ładowania i rozładowywania stojaków z próbkami.

3) Wbudowany Internet Rzeczy (IoT) składający się z czujników optycznych, termicznych, elektrycznych i fal radiowych umożliwia śledzenie próbek od końca do końca i autonomiczne sterowanie procesem separacji i biobankingu bez nadzoru ludzkiego.

4) Kompakcyjność z wewnętrznym standardem BSL2/3 umożliwia mobilność STIBS, eliminuje ryzyko biozagrożenia i redukuje procedury bezpieczeństwa.

5) Oprogramowanie kontroluje wszystkie komponenty systemu, ułatwiając niezależną pracę STIBS oraz umożliwia zdalny dostęp i monitorowanie z chmury.

Więcej o działaniu STIBS w wywiadzie z naszym redaktorem naczelnym Adamem Zalewskim opowiada dr Mateusz Adamski, założyciel i prezes Spark-Tech:

Jakie są główne zalety wynalazku STIBS?

Spark-Tech Isolation and Biobanking System jest pierwszym systemem na rynku umożliwiającym autonomiczną izolację komórek opartą na gęstości gradientowej centrifugacji, kontrolowane zamrażanie komórek i długoterminowe biobankowanie. Składa się on z zestawu urządzeń: robota do izolacji komórek oraz dwóch biobanków, a także dedykowanych materiałów eksploatacyjnych (końcówek pipet, rurek regularnych i Cryo, butelek). STIBS jest wyjątkowy z kilku powodów:

1) Autonomicznie wykonuje żmudne i skomplikowane manualne procedury, w tym warstwowanie płynów i krwi oraz pobieranie próbek po centrifugacji.

2) Jest łatwy w obsłudze przez osoby niezawodowe – wymaga tylko 1 godziny szkolenia.

3) Umożliwia kriokonserwację i biobankowanie różnych typów komórek (np. białych krwinek, komórek macierzystych, komórek rozrodczych).

4) Jest bardzo opłacalny – umożliwia wysokowydajną pracę, redukuje czas pracy o 90% i obniża koszty przy rozszerzaniu skali laboratorium.

Co ponadto oferuje firma Spark-Tech?

Spark-Tech to firma, która koncentruje się na wprowadzaniu innowacyjnych technologii i rozwijaniu dziedzin medycyny i biologii. Jako interdyscyplinarny zespół ceni sobie doskonałość, uczciwość i współpracę. Jego celem jest tworzenie autonomicznych, przyjaznych użytkownikowi i przystępnych cenowo rozwiązań laboratoryjnych wykorzystujących sztuczną inteligencję, robotykę i inżynierię informatyczną tak, aby zwiększyć efektywność i zmniejszyć koszty. Misja start-upu polega na pozytywnym wpływie na świat poprzez dostarczanie wysokiej jakości produktów, które spełniają najwyższe standardy wydajności, bezpieczeństwa i skuteczności klinicznej, a także konsekwentnie przekraczają oczekiwania klientów, pracowników i społeczności. Zespół jest poświęcony dostarczaniu rozwiązań przystępnych cenowo i ustanawianiu nowych standardów w przemyśle badawczym.

Inne obszary działania spółki:

1) tubka – opatentowane rozwiązanie do automatyzacji izolacji krwi,

2) prototypowanie – usługi związane z robotyzacją i automatyzacją do tej pory manualnych procedur laboratoryjnych,

3) badania składu mikrobiomu w oparciu o metodę sekwencjonowania trzeciej generacji (zastosowanie komercyjne w dietetyce oraz naukowe w chowie ptactwa).