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AGAMEDE révolutionne la biotechnologie et combat la COVID-19

Mis au point à l'Institut de chimie bio-organique de l'Académie polonaise des sciences, en collaboration avec Mitsubishi Electric, Labomatica et Perlan Technologies, le système robotique AGAMEDE a été conçu pour accélérer considérablement le diagnostic du SARS-CoV-2. Grâce à une technologie d'automatisation de pointe, combinée à l'intelligence artificielle, le système peut tester 15 000 échantillons individuels par jour. Parmi les autres applications, citons la recherche de nouveaux médicaments, le développement de thérapies anticancéreuses individualisées ou encore la création de formules cosmétiques.

AGAMEDE est considérée comme la première femme scientifique de l'histoire et a donné son nom au système d'automatisation des laboratoires développé à l'Institut de chimie bio-organique de l'Académie polonaise des sciences (IBCH PAS). Si l'automatisation des tâches de laboratoire est une pratique courante, le système robotique AGAMEDE combine automatisation et intelligence artificielle (IA) pour former une configuration unique en "boucle fermée". Ici, les robots préparent les expériences, lisent les résultats à un moment précis et interprètent les données à l'aide du logiciel Gene Game de Labomatica pour préparer indépendamment le cycle expérimental suivant. Cela signifie que les opérateurs n'ont qu'à définir la problématique, concevoir le système expérimental, puis contrôler la séquence et le fonctionnement corrects du système. AGAMEDE peut alors mener des expériences 24 heures sur 24 et fournir des résultats.

La combinaison de l'IA et de l'automatisation dans un système à haut débit constitue une avancée. La plupart des systèmes automatisés à haute cadence nécessitent encore un opérateur pour lire les résultats et planifier les prochaines series de tests après la fin d'un cycle. AGAMEDE peut le faire de manière autonome.

Grâce au module d'IA, AGAMEDE interprète les expériences sans intervention humaine, sur la base de modèles mathématiques", explique Rados┼?aw Pilarski, PhD, l'inventeur et ingénieur en chef de la solution. "Le système peut être utilisé par les laboratoires centraux de diagnostic, les entreprises pharmaceutiques dans le développement de médicaments, les laboratoires d'oncologie à la recherche de thérapies personnalisées pour les patients, mais aussi dans les départements R&D des entreprises chimiques et biotechnologiques pour optimiser les bioprocédés."

Le projet EPICELL

Les travaux sur AGAMEDE ont débuté à l'IBCH PAS en 2015. Le système a été développé à l'origine pour le projet EPICELL, qui a été financé par le Centre national pour la recherche et le développement (NCBiR) dans le cadre du programme STRATEGMED "Prévention et traitement des maladies de civilisation". L'objectif du projet était de développer des milieux optimisés pour la culture de cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC).

Le consortium EPICELL est composé de l'IBCH PAS, l'Institut de génétique humaine PAS ainsi que de trois hôpitaux de Poznañ. Combinant l'expertise des modulateurs épigénétiques à petites molécules et l'expérience de la reprogrammation cellulaire, il a mené des études conduisant au développement futur de méthodes de transformation des iPSC induites à des fins de médecine régénérative. Ils ont notamment étudié l'implantation ciblée dans le cœur de patients après un infarctus. L'idée était de restaurer le débit cardiaque à son état pré-infarctus. La difficulté résidait dans le nombre d'expériences nécessaires pour concevoir un mélange approprié de petites molécules modulatrices épigénétiques. Par exemple, une recette comportant dix composants et dix concentrations différentes nécessite 10 000 000 d'expériences. "AGAMEDE" a été utilisé pour rechercher la bonne combinaison de composés dans un système multidimensionnel de solutions. C'est à partir de là que la composition du milieu de reprogrammation "EPICELL One" a été mise au point", explique le professeur Wojciech T. Markiewicz, responsable du projet EPICELL.

15 000 tests par jour

À la fin du mois de mars 2020, la situation a changé. Depuis sa création, l'IBCH PAS s'occupait d'acides nucléiques d'ARN et d'ADN, il disposait donc de toutes les installations nécessaires pour s'occuper du diagnostic du SARS-CoV-2. "Notre institut a été le premier en Pologne à mettre au point un test de détection du SARS-CoV-2. Nous avons rapidement décidé de combiner les capacités d'automatisation d'AGAMEDE avec nos tests et avons mis au point un protocole de diagnostic à haut débit qui nous permet de tester 15 000 échantillons en une journée. C'est du moins le potentiel, car l'IBCH PAS, en tant qu'entité scientifique, ne dispose pas d'un laboratoire de diagnostic accrédité. C'est un résultat exceptionnel, car lorsque l'analyse des échantillons est manuelle, une personne peut tout au plus traiter quelques centaines d'échantillons par jour", explique le professeur Marek Figlerowicz, directeur de l'IBCH PAS.

Robots, automates et logiciels de Mitsubishi Electric

Le projet AGAMEDE a été créé avec les partenaires technologiques Mitsubishi Electric, Labomatica et Perlan Technologies. Mitsubishi Electric a fourni un robot polyarticulé, des commandes PLC et son logiciel MELFA Basic. Le robot industriel, avec son bras à longue portée, est le composant central du système. Grâce à un ensemble intégré d'outils robotiques, il peut réaliser des expériences à l'échelle microscopique sur des plaques de micro-essais à 96 et 384 puits, reproduisant ainsi le travail d'un technicien de laboratoire qui fait fonctionner en permanence l'équipement d'analyse. Il le fait en fonction des protocoles expérimentaux saisis par l'opérateur dans le logiciel de commande.

L'application comprend également des incubateurs industriels de culture cellulaire, des distributeurs de plaques et de pointes, des stations de pipetage, des étiqueteuses, des lecteurs de codes-barres, des scelleuses de plaques, des lecteurs de fluorescence et des spectrophotomètres. En particulier, AGAMEDE est équipé d'un microscope confocal automatisé HCA à quatre canaux de fluorescence. Pour la communauté biotechnologique, cet instrument est l'équivalent du télescope Hubble dans le microcosme. Au lieu d'objets astronomiques, il photographie et analyse des millions de cellules et de structures tissulaires avec une qualité et une efficacité
similaires. L'appareil est complété par un distributeur acoustique qui libère des quantités de liquide de l'ordre du nanolitre (millionièmes de millilitre). La distribution rapide de si petits volumes de solution réduit les coûts de recherche et augmente le débit. Elle permet de réaliser des expériences en utilisant une collection de plus de 115 000 composés chimiques disponibles.

Travailler sous haute pression

"Pour mettre en œuvre le premier système aussi avancé en Pologne - combinant la robotique et les équipements de laboratoire - nous avons bénéficié de notre expérience internationale. Le soutien de l'organisation mondiale de Mitsubishi Electric dédiée aux projets innovants a été très utile", explique Roman Janik, coordinateur des solutions pour l'industrie des sciences de la vie en Pologne. Cependant, il souligne également le délai serré du projet. "Nous avons tous travaillé sous la pression du temps pour développer une solution qui soulagerait les techniciens de laboratoires le plus rapidement possible. Nous avons été en mesure d’atteindre une capacité de test hebdomadaire de 100 000 échantillons, ce qui est notable. C'est un résultat phénoménal !"

Rapprocher plusieurs mondes

Tomasz Scholz, Ingénieur en Robotique chez Mitsubishi Electric, se souvient : "La tâche aurait été compliquée même sans la pression du temps. Le projet AGAMEDE est un projet interdisciplinaire qui réunit les mondes de la robotique, de l'informatique, du design industriel, des mathématiques, de la biologie et de la chimie. Les solutions que nous avons utilisées sont innovantes et uniques. Comme pour de nombreux projets, le plus grand défi a été de définir l'objectif et la manière dont nous allions l'atteindre. La clé du succès a été de trouver un "langage technique" commun afin que des personnes de différents domaines d'expertise puissent communiquer au même niveau et formuler clairement leurs attentes. Il était souvent difficile de combler le fossé entre le monde universitaire, qui pense en termes abstraits, et le monde industriel, qui suit généralement un modèle fixe."

De nouvelles approches pour l’aménagement des laboratoires

Le résultat est un système qui non seulement fonctionne bien, mais qui est également intéressant. "Son design fait référence à la Grèce antique et est un hommage aux débuts de la pensée scientifique dans notre civilisation, notamment aux femmes dans les sciences", explique Rados┼?aw Pilarski, PhD.

Il souligne en outre que l’aménagement a également tenu compte de l'espace du laboratoire dans lequel l'installation a été placée. Une salle blanche pour la culture cellulaire aseptique, sans fenêtre dans la plupart des laboratoires, a reçu un tout nouveau look, rompant avec les normes précédentes. Elle est bien éclairée grâce à de grandes fenêtres soigneusement scellées. Des vitres ont été ajoutées pour permettre une observation et un contrôle constants du système sans avoir à porter de combinaison de salle blanche. Le travail est facilité par des écrans et des caméras 4K à haute résolution qui permettent de surveiller à distance AGAMEDE depuis n'importe quel endroit dans le monde.

 

Mitsubishi Electric www.mitsubishi-automation.fr


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