用它让实验室中运送“液体”更有保障!

   自动化那些事        

在今天的研究和临床基因组学实验室中,样品制备是实验的瓶颈,特别是在高通量的下一代测序(NGS)方面。越来越多的基因组实验室正在考虑液体处理自动化,以使测序工作流程更高效、更经济。问题仍然是它的适宜性和投资回报。


在将机器人引入生物实验室之前,需要仔细考虑一些问题。在这里,研究者描述了先进的和自己动手(DIY)机器人液体处理器的最先进技术,并提供了一个对基因组测序实验的实验室自动化的动机、含义和要求的实际回顾。本文以“Unlocking the efficiency of genomics laboratories with robotic liquid-handling”为题于2020年10月20日发布于《BMC Genomics》杂志上。


用它让实验室中运送“液体”更有保障!


研究背景


自2003年第一个人类基因组完成以来,基因组学科学和医学的范围真正实现了多样化。在下一代测序(NGS)测序技术出现后,DNA测序的成本大大降低,使得全世界的科学家都能更方便地进行测序。事实上,到2012年,有1000个人类基因组被完全测序,到2020年,这个数字上升到100万以上。这个队列包括来自世界各地的参与者,并揭示了重要的基因组变异,为研究和精准医学提供了重要的机会。今天,全基因组和全外显子组测序(WGS,WES)正在成为学术、医疗和工业实验室的常规做法。


尽管与测序技术相关的成本整体下降,超过了摩尔定律的预期,但在这一过程中,以人为本的阶段仍然存在重大障碍。实验室中的样品制备步骤可能相当耗时、繁琐和重复,通常被认为是DNA测序的瓶颈。


考虑到人工处理有可能使操作一次只能扩展到十几个样本,这个时间相当长。虽然工作流程的某些部分,如核酸提取,已经实现了自动化,但准备提取的试剂和板子仍然主要依靠人工。除了重复性和容易出错之外,这也转化为基因组学实验室重要的时间和成本低效率。这些或许可以解释为什么许多实验室仍然难以达到承诺的1000美元基因组。


为了进一步简化和降低测序成本,实验室自动化可能是解决方案。尤其是液体处理的自动化,将以一种具有成本效益的方式提高高通量实验室的性能。事实上,对基因组测序的成本明细分析显示,该总成本的15%与传统临床实验室的实验室人员有关。当对拥有Hamilton Microlab STARlet的实验室进行相同类型的成本分析时,用于自动样品制备的实验室工作人员的工资下降到只占总成本的4%。


除了成本之外,机器人还可以不知疲倦地、准确地执行繁琐重复的任务,与人工处理液体相比,呈现出巨大的优势。这不仅有助于削减与人工相关的成本,也意味着高技能的生命科学家不必再花长时间移液。显然,库制备的自动化本身就可以为科学家们节省宝贵的时间,他们可以将这些时间投入到更有成效、更能激发智力的工作中。而且,结果将是一致的,质量更高。

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图为癌症基因组的下一代测序工作流程的时间框架


实验室自动化对生命科学来说并不新鲜。多年来,大型制药公司一直使用液体处理机器人进行高通量药物的发现和开发。机器人允许在短时间内对数百万种化合物进行筛选,以确定一种候选药物。


机器人可以分发体积小和精确的高度脆弱和宝贵的生物活性样品。制药业的测试也可以很容易地用于自动化编程,因为这些都是需要重复应用的设置协议。工业规模的基因组实验室也采用了自动化来提高生产力。


自动分配技术使用几种方法,分为基于提示的和非基于小费的分配技术。

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图为液体分配技术分为基于尖端的和非尖端的分配技术


机器人液体处理设备包括手持设备和工作站.一段时间以来,自动注射器和吸管一直是生命科学中的常见做法。

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图为不同种类的液体处理机器人


自动化液体处理系统必须满足高通量、高精度和高精度的一般要求,特别是在低体积的情况下,才能在生命科学实验室中得到应用。此外,市场上的这类机器人还具有多种其他特性,使它们或多或少适合实验室的某些需要。因此,在确定最合适的自动液体处理工作站时,必须考虑一些模式,并与实验室的具体要求进行权衡。


自动液体处理球经历了三个主要阶段的演变。第一代液体处理工作站是由奇根、热费雪等知名公司推出的,主要是为促进制药业的运作而建造的。


制药公司和拥有高现金流的大型dna测序服务实验室很容易投资于最先进的设备。对于预算低得多的小型学术或临床实验室来说,现实情况不太可能类似。这就是最近的低成本机器人液体处理系统出现的地方。


预算规划的另一个重要方面是相关消耗品的成本考虑。虽然工作站和管道设备的成本通常是一次性投资,但不包括维护费用,而像管子、吸管头和平板等可消费的实验室设备的成本则是运行成本。对于构成任何生物实验室一般预算一部分的普通塑料器皿和系统专用的尖尖、管和板,如汉密尔顿牌,要加以区分,因为它们的价格较高。


获得一个液体处理工作站是一个重要的投资和预算可用性是最重要的因素之一,以衡量,因为他们都倾向于昂贵的一面。通常,现有制造商的工作站价格大约在50,000至250,000美元之间。


在生命科学中,特别是在基因组学中,要保证实验的成功和可靠性,需要有高度的精确性和精确性。精度是指管道设备的一致性,而准确性则是指所处理的体积的真实性。


液体处理工作站现在有各种大小和格式.在购置机器人之前,应根据各自的尺寸和实验室现有的长凳空间考虑不同的选择。


液体处理系统的设计是为了提供一系列的吞吐量.这是最直接的实现通过不同的分配速度,可容纳在甲板上的通道数目,以及甲板的大小。


自动液体处理系统的一个重要考虑因素是机器的耐用性,考虑到购买其中之一所需的大量投资。


获得一个液体处理工作站是一个重要的投资和预算可用性是最重要的因素之一,以衡量,因为他们都倾向于昂贵的一面。


制药公司和拥有高现金流的大型dna测序服务实验室很容易投资于最先进的设备。对于预算低得多的小型学术或临床实验室来说,现实情况不太可能类似。这就是最近的低成本机器人液体处理系统出现的地方。


然而,在他们进化的这个阶段,低成本和DIY液体处理系统确实有一些缺点。虽然它们确实执行自动液体处理器的核心功能,但它们通常没有配备高科技模块,以确保最高的吞吐量、易用性、精确性和耐久性。不出所料的是,在这一领域工作多年的最著名的供应商往往拥有使他们的机器如此受欢迎的技术的专利。


液体处理自动化已经在生命科学的各个方面找到了自己的位置。无论是在微生物学、合成生物学、内分泌学还是遗传学中,实验室生物学家越来越信任自动化液体处理工作站来简化他们的方案。知名机构的基因组学实验室也已经涉足液体处理自动化,无论是基因表达、NGS,还是一些疾病的第三代测序。


然而,为了充分发挥基因组学实验室液体处理自动化的效率和准确性的潜力,特别是在最昂贵的技术资源有限的情况下,解决一些遗留问题是很重要的。仍然需要改进的一个方面是蒸发控制,这与基因组学工作流程中的小体积处理特别相关。这种无需用户干预的长自动化协议的理想,仍然受到工作站内部低液量抵抗蒸发的不确定性的限制。虽然已经做了一些尝试来减轻蒸发的影响,但还需要更多的工程工作来克服自动化液体处理中的这个障碍。一种技术是将微孔板的外孔指定为盛放工作试剂的假井,因为正是这些井受到蒸发的影响更大。另一种解决方案是使用传感器监测环境条件,以监测和减少蒸发。显然,这些都是相当基本的技术,并不能真正消除问题。


当涉及到粘稠液体时,自动移液的另一个重要限制就会出现,这在基因组学工作流程中经常发生。传统的液体吸取和分配技术目前还不能适应粘性材料。这是因为目前绝大多数工作站都采用非接触方式进行液体分配,无法提供足够的力来克服粘性液体粘附在移液管尖表面的力。对这一问题的研究揭示了几种更好地处理粘性液体的方法,包括调整点胶发生的距离,甚至包括用于吸液的技术。然而,这些还没有被实施到商业化的基因组学工作站。如果这些限制是一个问题,那么将工作站作为半自动化工作流程的一部分,将再次旨在优化其使用,同时在自动化系统不能显示出令人满意的性能时,手动连接步骤。


实验结论


自动液体处理系统有可能在时间和成本上显著优化基因组测序输出。随着生物实验室的需求越来越明确,这些移液机器人的特性也在不断发展。虽然旨在实现大致相似的功能,但每个工作站都提供了各种不同的重点品质。随着市场上众多机器的出现,实验室的要求最终成为选择自动化时最重要的考虑因素。


通常情况下,必须在这种工作站的价格和其提供的服务之间达成妥协。在这种情况下,实验室的吞吐量将决定预计的投资回报,这再次表明了液体处理自动化需求的特殊性。


参考文献:Houriiyah Tegally, James Emmanuel San, Jennifer Giandhari & Tulio de Oliveira Unlocking the efficiency of genomics laboratories with robotic liquid-handling  BMC Genomics 729 (2020)



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