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Biorep公司使用生物流體灌注系統自動進行細胞分泌分析
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摘要: 行業:生命科學,醫學/醫療器械產品:LabVIEW,CompactRIO,報告生成工具包,實時模塊,TouchPanelModule,FPGA模塊,NISoftMotion開發模塊,PID控制工具包挑戰:增進細胞分泌分析的處理能力和可重復性,這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細胞的分析。
Abstract:
Key words :

行業:
生命科學, 醫學/ 醫療器械

產品:
LabVIEW, CompactRIO, 報告生成工具包, 實時模塊, Touch Panel Module, FPGA模塊, NI SoftMotion開發模塊, PID控制工具包

挑戰:
增進細胞分泌分析的處理能力和可重復性,這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細胞的分析。

解決方案:
使用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO 硬件,創建一個自動生物流體灌注(Perifusion) 系統。它能實現全面的環境控制,刺激不同細胞類型,并在符合可編程協議的情況下能夠自動收集分泌物。

"只用了3個月,我們VI設計組的克里斯•佛朗達(Chris Fronda)就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復雜的自動化醫療儀器。"


Biorep技術股份有限公司(Biorep Technologies Inc.)需要設計一種設備用來隔離胰臟中特定細胞(胰島細胞)。隔離過程非常復雜,需要超過20 種不同的裝置,其中5種需高度自動化。在目前,這些自動化裝置是使用不同的平臺與可編程語言來完成的,比如,一種語言用于控制器、另一種用于觸摸屏、第三種語言用于電機驅動、第四種語言用于步進器驅動。隨著公司的發展,這樣的設計方式造成了很多問題。由于采用了多種語言環境,所以需要不同的學習曲線,冗長的程序說明文件,而且不同平臺間需要不同的通訊協議,非常沒有效率。

考慮到NI的產品在近年來有著非常巨大的發展,能夠滿足我們的功能需求,我們決定采用功能強大的LabVIEW圖形化系統設計軟件來實現所有的自動化裝置。這樣,絕大部分的自動化裝置都能夠在一個軟件平臺上完成,所以工程師只需要學習一種語言,并且也能簡化設備的工作流程。此外,LabVIEW還提供了先進的軟件調試工具,并使設備具備了遠程調試功能,幫助我們縮短調試時間,并避免長途旅行,換算下來相當于節省了超過10,000美金的成本。 LabVIEW平臺的使用,對我們的效率和開發能力造成了很大的影響。

只用了3個月,我們VI設計組的克里斯•弗朗達(Chris Fronda)就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復雜的自動化醫療儀器,其中包括多軸運動控制 (步進電機)、精準的培養箱溫度控制和復雜的液體處理功能(電子閥數組控制)。VI設計組使用LabVIEW Real-Time模塊與LabVIEW FPGA模塊開發了軟件架構。公司還使用LabVIEW NI SoftMotion模塊(圖1)實現了系統的仿真,在虛擬原型上模擬真實的運動軌跡,這使我們在花費成本制造實體原型之前,就先將設計進行可視化和最優化,并幫助我們評估不同的設計理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO,VI設計組將開發時間從預計的12個月縮短至3個月,并且不用開發定制的控制軟件與驅動程序。

圖 1. SolidWorks下的 XY 機械結構

起初,我們開發Biorep生物流體灌注系統(圖2)是為了測試試管內胰島能力的。之后,系統功能得以不斷擴充,還可以可測定來自胰腺源祖干細胞 ( pancreatic progenitor stem cells) 的分化細胞的分泌物。

圖 2. Biorep生物流體灌注系統

在研究細胞對刺激物的反應時(例如在糖尿病研究中細胞對藥物或葡萄糖的反應),灌注對批次培養(batch incubation)有非常大的好處。在生物流體灌注系統中,會有刺激物不斷注入,研究中的細胞或細胞群所分泌的代謝物沖走。而在過去的批次培養中,這些代謝物會累積從而影響研究結果。

也有一些其它更先進的方法,例如動態量測,但它們并不實用,所以實驗室仍然使用批次培養的方法。Biorep技術股份有限公司(Biorep Technologies Inc.)與邁阿密大學糖尿病研究機構(Diabetes Research Institute at the University of Miami)開發的自動的生物流體灌注系統,可以簡化實驗流程。它能實現全面的環境控制,刺激不同細胞類型,并在符合可編程協議的情況下能夠自動收集分泌物(圖3及圖4)。經過測試,我們的生物流體灌注系統被證明是非常有價值的,可以在器官移植前,在試管內測試人類胰島的生存能力。

圖 3. 協議監測界面

圖 4. 容器定位界面

目前,已有數個實驗室定期采用該系統來研究胰島細胞的激素分泌。然而,Biorep 生物流體灌注系統并不僅限于用在胰島分泌的研究。它還可用來測定其他類型細胞的分泌,包括諸如干細胞這類的單細胞。此外,它更成為了醫藥產業藥物研發過程中不可或缺的一部分。

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