Automatizing the application of cold atmospheric plasma in tumor cells

Abstract

Na área da investigação médica, uma parcela relevante do tempo que os investigadores passam no laboratório é a realizar tarefas repetitivas que consomem muito tempo e são propensas a erros. A automatização de técnicas e procedimentos de laboratório é importante de modo tornar o tempo dos investigadores mais rentável e centrado em tarefas de investigação de alto valor agregado. A substituição do trabalho humano por trabalho automatizado também pode evitar possíveis erros humanos nos procedimentos, tornando, assim, os processos mais eficientes e rigorosos.No iCBR, no Instituto de Biofísica da Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, o plasma atmosférico frio (PFA) tem vindo a ser sendo aplicado em linhas de celulares tumorais para estudar as suas propriedades no tratamento do cancro. A aplicação de PFA em células de cultura, é realizada nos compartimentos de placas de múltiplos poços. Caracteriza-se por ser uma técnica repetitiva e demorada, realizada usando um sistema totalmente manual.O foco da presente tese foi automatizar completamente a técnica laboratorial de aplicação de PFA em linhas celulares.A automatização da técnica consistiu no desenvolvimento de um robot linear capaz de realizar autonomamente a aplicação do PFA em células, sem intervenção humana, a fim de aumentar a rentabilidade do tempo dos investigadores nos laboratórios e aumentar a reprodutividade das experiências.Foi desenvolvido um robot cartesiano de acordo com todos os requisitos necessários para a sua aplicação e, posteriormente, foram realizados testes para a validação do sistema robótico.Os testes realizados consistiram na aplicação de PFA em três linhas celulares tumorais do endométrio e, seguidamente, ensaios de viabilidade foram realizados para avaliar a viabilidade celular após a exposição das células ao PFA. A irradiação de PFA foi realizada manualmente e, posteriormente, com o sistema robótico desenvolvido para poder comparar os resultados e concluir sobre o uso e influência do sistema robótico neste estudo.Os resultados obtidos mostraram que, com o uso do sistema robótico, o tempo de irradiação de PFA nas linhas celulares é reduzido para metade permitindo a sua realização de forma autónoma, o que sugere que o trabalho dos investigadores no laboratório pode tornar-se mais produtivo. O tempo dos investigadores em laboratório pode, assim, tornar-se mais lucrativo e rentável com o apoio do sistema robótico na realização desta técnica. Além disso, esta tese demonstrou que, o uso do sistema robótico para realizar a irradiação do PFA nas linhas celulares, aparenta reduzir a variabilidade dos resultados sem interferir na influência das propriedades do PFA nas células, o que sugere que o sistema robótico seja mais preciso na aplicação de PFA do que a realização manual da tarefa.Em termos de análise biológica, a viabilidade celular diminuiu em resposta ao aumento do tempo de exposição celular ao PFA, que demonstra o potencial do PFA no tratamento do cancro. Portanto, os resultados obtidos encorajam um aprofundamento na investigação de modo a entender os mecanismos do PFA para estudos in vivo.Ainda, foi possível incentivar o desenvolvimento de soluções robóticas a nível da investigação laboratorial médica e possíveis aplicações clínicas. A interação Humano-Robot pode tornar-se numa sinergia bastante vantajosa na medida em que o tempo dos profissionais se pode tornar mais rentável e as tarefas automatizadas serem realizadas com maior precisão.

In the medical research field, a relevant part of the time that researchers spend in the laboratory is doing repetitive tasks that are highly time-consuming and prone to errors. Automatization of laboratory techniques and procedures is important to make the time of the researchers more profitable and focused on high value-added investigation tasks. The replacement of human labour by automatized labour can also avoid possible human errors in the procedures, making the processes more efficient and rigorous.In the Coimbra Institute for Clinical and Biomedical Research (iCBR), in the Biophysics Institute of the Faculty of Medicine of the University of Coimbra, Cold Atmospheric Plasma (CAP) is being applied in tumor cell lines to study its properties in cancer treatment, namely the tumor cell lines of endometrium. The application of CAP in culture cells, in the compartments of multiwell plates, is a repetitive and time-consuming technique, performed using a completely manual system.The focus of the present thesis was to fully automatize the laboratory technique of CAP application in cell lines.The automatization of the technique consisted on the development of a linear robot capable of autonomously performing the application of CAP in cells, without human intervention, in order to increase the rentability of researchers’ time in the laboratory and improve the reproductivity of the experiments.A cartesian robot was developed according to the requirements and, then, several tests for the validation of the robotic system were performed.The executed tests consisted on applying CAP in three different cell lines of endometrial cancer and, following, performing viability assays to evaluate cell viability after the exposure to CAP. CAP irradiation was performed manually and, posteriorly, with the robotic system, in order to compare the results and conclude about the use of the robotic system in this research.Obtained results showed that, with the use of the robotic system, the duration of the technique of CAP irradiation in cell lines is reduced to half, in an autonomous way, which suggests that the researchers’ work in the laboratory can be more efficient with the support of the robotic system.Furthermore, this thesis demonstrated that the use of the robotic system to perform CAP irradiation in cell lines reduces the variability of results without interfering in the influence of CAP properties in cells, which means that the robotic system is more precise in the application of CAP than the manual system. In terms of the biological analysis, the cell viability decreased in response to the increase of time exposure to CAP, which demonstrates the potential of CAP in cancer treatment. The achieved results promote further research to understand CAP mechanisms for in vivo studies.It was also possible to encourage the development of robotic solutions in medical laboratory research and in other clinical applications. Human-Robot interaction can become an advantageous synergy since researchers’ time becomes more profitable and automated tasks can be performed more accurately.