Con IA y láser para una selección de células totalmente automatizada

Las células madre pluripotentes son la clave de la medicina personalizada. Una vez aisladas de muestras de sangre y tejidos, pueden utilizarse para cultivar tipos celulares de distintos tejidos. Dado que estos cultivos celulares permiten realizar pruebas individuales de fármacos e intolerancias fuera del organismo, constituyen una poderosa herramienta para seleccionar terapias personalizadas altamente específicas. Sin embargo, para establecer tratamientos personalizados en la práctica clínica habitual, la medicina necesita métodos eficaces para aislar células madre pluripotentes. Además, la investigación farmacéutica busca métodos para separar las llamadas células altamente productoras de cultivos policlonales para el desarrollo de fármacos y transferirlas a cultivos monoclonales sin perjudicar la vitalidad celular ni la capacidad de división. Durante la pandemia, las clínicas también tuvieron que reconocer que los métodos disponibles para aislar y analizar células (inmunitarias) de muestras de pacientes están llevando a sus laboratorios al límite de su capacidad.

Los Institutos Fraunhofer de Tecnología Láser ILT y de Tecnología de Producción IPT presentarán un dispositivo en analytica '24. Su innovación aumenta significativamente la eficiencia, ya que clasifica y aísla las células de forma totalmente automática. El LIFTOSCOPE integra un proceso de alto rendimiento asistido por IA en un microscopio invertido comercial equipado con una cámara de alta velocidad y una fuente de luz flash. El LIFTOSCOPE combina tres procesos de alta tecnología en un solo dispositivo para identificar células en microsegundos y transferirlas a placas de microtitulación con unas elevadas tasas de supervivencia superiores al 90 por ciento.

Con IA y láser para una selección celular totalmente automatizada

El equipo del proyecto ha integrado el proceso patentado MIR LIFT desarrollado en Fraunhofer ILT directamente en la trayectoria del haz del microscopio. Un sistema de cámaras conectado a él proporciona cien imágenes de alta resolución por segundo. La IA desarrollada en el Fraunhofer IPT utiliza la segmentación semántica para identificar los tipos celulares deseados en estos datos de imagen, y puede entrenarse para reconocer células madre pluripotentes, células altamente productoras y células inmunitarias. La IA también determina la posición exacta de las células y su centro de gravedad. A continuación, en el proceso MIR LIFT, se transfieren una tras otra a una alta frecuencia de hasta 100 Hz a una placa de microtitulación en un soporte desarrollado en el Fraunhofer ILT. "Dependiendo del tipo de célula, hasta el 100% de las células sobreviven a este procedimiento", explica la Dra. Nadine Nottrodt, directora del Grupo de Biofabricación, que supervisa el proyecto de desarrollo conjunto en Fraunhofer ILT junto con el director del proyecto Richard Lensing.

El proceso LIFT en sí es fascinantemente sencillo. Un breve pulso láser de nueve nanosegundos con unos pocos microjulios de energía es suficiente para estimular el medio líquido directamente debajo de la célula objetivo para formar una burbuja de vapor. La célula, que previamente ha sido liberada enzimáticamente de su unión, es levantada brevemente por la burbuja.

En cuanto la burbuja se desploma, se forma una succión que arrastra la célula al recipiente de cultivo de la placa de microtitulación. "Las células se distribuyen aleatoriamente en las muestras. Por este motivo, nuestro sistema sigue una cuadrícula predefinida y transfiere las células que se encuentran en un radio de 50 micrómetros del punto focal", explica Lensing. De este modo, el LIFTOSCOPE puede controlar y transferir con precisión las células en el proceso láser de alta precisión supervisado ópticamente. Si es necesario, el proceso LIFT también puede combinarse con marcadores fluorescentes para identificar células específicas. Sin embargo, el proceso funciona sólidamente incluso sin aditivos. Esto se debe a dos razones: Por un lado, la localización precisa por parte de la IA garantiza que las células sean realmente capturadas por el chorro y transportadas a las placas de microtitulación. En segundo lugar, Fraunhofer ILT ha conseguido eliminar del proceso los absorbentes metálicos, que eran necesarios inicialmente, mediante el desarrollo continuo del proceso LIFT. Como el proceso utiliza un láser infrarrojo medio con una longitud de onda de 2940 nanómetros, el agua que ya está en el sistema se excita ahora directamente, mientras que los polímeros de los portamuestras no absorben esta longitud de onda o apenas la absorben.

Movimiento continuo frente a proceso de parada y arranque

El equipo del proyecto pretende estabilizar el proceso de reconocimiento celular y LIFT totalmente automatizado en términos de alto rendimiento y limitar a diez minutos el tiempo de proceso para completar una placa de microtitulación. Para ello se necesitan actuadores de alta precisión tanto para la captura de imágenes como para el posicionamiento del foco láser en el ciclo del proceso. Esto garantiza, por un lado, que el proceso alcance la resolución de imagen necesaria para la detección y medición de células con ayuda de IA y, por otro, que asigne y posicione con precisión el foco láser directamente debajo de la célula con una precisión de 25 micrómetros. La transferencia de una sola célula se completa en 200 microsegundos. En 100 segundos se pueden activar 10.000 células con el LIFTOSCOPE y transferirlas a las placas de microtitulación.

El equipo de Fraunhofer aplicó dos estrategias diferentes para mover el cultivo celular. "En el funcionamiento de parada y arranque, debe insertarse una breve fase de reposo antes y después del LIFT celular, ya que cada parada desencadena corrientes hidrodinámicas en la muestra, que primero deben asentarse antes de que pueda transferirse la siguiente célula", informa Nottrodt. Esta estrategia les permite clasificar muestras con muchas células diferentes, reduciendo así el esfuerzo necesario para la preparación de las muestras. Sin embargo, las pausas se producen a expensas de la eficacia. En el proceso continuo -el segundo enfoque- el LIFTOSCOPE escanea los portamuestras en una cuadrícula de hasta 1.600 líneas con una separación de 50 micrómetros, dependiendo del tipo de célula que se busque, y transfiere cada célula que entra en foco en este movimiento continuo. La ventaja de tiempo obtenida con este método aumenta cuantas más células se transfieren. Incluso con 10.000 células transferidas, el proceso continuo es más del doble de rápido, y con 100.000 células ya es 20 veces más rápido que la operación de parada y arranque.

El novedoso proceso basado en IA y láser señala el camino hacia un aislamiento totalmente automatizado y altamente eficiente de células vivas. Según Nottrodt, los avances del proyecto hasta la fecha demuestran que la sincronización del LIFT celular con la frecuencia de imagen de la cámara de alta velocidad -y, por tanto, una tasa de clasificación unicelular de 100 células por segundo- es factible. El siguiente paso es desarrollar el prototipo del proceso para alcanzar la madurez comercial. "Los interesados pueden visitar el stand conjunto de Fraunhofer-Gesellschaft en el pabellón A3/407 de analytica 2024 para conocer más de cerca el LIFTOSCOPE", afirman Nottrodt y Lensing. En vista del potencial de la medicina personalizada, esta tecnología debe abrirse camino rápidamente en la práctica médica, farmacéutica y clínica".