Optimization of a linear robot for pipetting and elimination of microorganisms using cold atmospheric plasma

Abstract

A qualidade do trabalho de laboratório tem sido significativamente melhorada por sistemas que automatizam tarefas manuais repetitivas. A possibilidade de automatizar técnicas de laboratório clínico permite que os investigadores se foquem em procedimentos de alto valor adicionado e garante menos erros humanos nessas tarefas. Portanto, a tecnologia de automatização melhora a produtividade dos laboratórios de investigação médica ao reduzir o tempo gasto em tarefas repetitivas e ao aumentar a sua reprodutibilidade.No Instituto de Biofísica da Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, a aplicação de Plasma Frio Atmosférico (PFA) tem sido analisada, especialmente sobre a sua letalidade em células tumorais, de forma a estudar o seu potencial no tratamento do cancro. A irradiação de PFA em culturas de células é desempenhada por um robot linear recentemente adaptado, o qual revelou uma redução na variabilidade dos resultados e na duração da técnica, quando comparado com o sistema manual anterior.Um dos principais objetivos do presente projeto foi a automatização completa da técnica de pipetagem adapantando o robot linear já em utilização no Instituto de Biofísica da Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra.Para a automatização da técnica de pipetagem, foi desenvolvido um end-effector de acordo com os requisitos, cujo mecanismo de atuação foi baseado num sistema de pinhão e cremalheiras, movido por um servomotor. Vários testes foram realizados para validar o sistema robótico. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de automatização realiza a técnica de pipetagem sem intervenção humana, o que aumenta a produtividade dos investigadores no laboratório.Os resultados dos estudos anteriormente realizados com PFA no Instituto de Biofísica da Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, revelaram uma alta especificdade e letalidade em células tumorais associadas a uma manutenção da integridade de células normais. Portanto, o segundo objetivo desta dissertação foi estudar o efeito da irradiação de PFA em microorganismos, de forma a analisar o potencial do PFA na descontaminação e no combate de infeções, sendo que as infeções, particularmente aquelas causadas por bactérias multirresistentes, aumentam significativamente a mortalidade, morbidade e custos na área da saúde.Relativamente à aplicação do PFA, os ensaios foram realizados em fungos e bactérias. O efeito do PFA não foi tão claro para os dois tipos de leveduras testadas, Candida albicans e Candida parapsilosis, e para o fungo Alternaria alternata, como foi para os restantes microorganismos. No entanto, os testes revelaram um efeito bactericida nas bactérias Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, e uma redução de aproximadamente 99% da população inicial da bactéria Escherichia coli.Para além disso, os resultados foram também interessantes relativamente ao potencial do PFA como um tratamento antimicrobiano para dermatófitos Trichophyton rubrum e Trichophyton mentagrophytes e para o fungo filamentoso Aspergillus fumigatus, que é um dos fungos mais complicados que afetam a espécie humana. Portanto, os ensaios realizados promovem pesquisas futuras para entender o potencial do PFA como um tratamento antimicrobiano.

The quality of laboratory work has been significantly improved by systems that automatize manual repetitive tasks. The possibility to automatize clinical laboratory techniques allows the laboratory operators to focus on high value-added procedures and insures fewer human errors in these tasks. Therefore, the automation technology improves the productivity of medical investigation laboratories by reducing the time spent on repetitive tasks and increasing their reproducibility.At the Biophysics Institute of the Faculty of Medicine of the University of Coimbra, the application of Cold Atmospheric Plasma (CAP) has been analyzed, especially on its lethality in tumor cells, in order to study its potential in cancer treatment. The CAP irradiation to culture cells is performed by a recently adapted linear robot, which showed a reduction in the variability of results and the technique duration when compared with the previous manual system.One of the main goals of the present project was to fully automatize the pipetting technique adapting the linear robot already in use at the Biophysics Institute of the Faculty of Medicine of the University of Coimbra.For the automatization of the pipetting technique, an end-effector was developed according to the requirements, which mechanism of actuation was based on a racks and pinion system moved by a servo motor. Several tests were performed to validate the robotic system. The obtained results showed that the system of automatization performs the pipetting technique without human intervention, which increases the productivity of researchers in the laboratory.The results obtained from the studies with CAP, already performed at the Biophysics Institute of the University of Coimbra, revealed a high specificity and lethality in tumor cells associated with maintenance of the integrity of normal cells. Therefore, the second goal of this dissertation was to study the effect of CAP irradiation on microorganisms, in order to analyze the potential of CAP in decontamination and infections eradication, since infections, particularly those caused by multiresistant bacteria, significantly increase mortality, morbidity, and costs in the health area.Regarding the application of CAP, the assays were performed in bacterial and fungal strains. The CAP effect was not so clear for the two yeasts tested, Candida albicans and Candida parapsilosis, and for the fungus Alternaria alternata as it was for the rest of the microorganisms tested. However, the assays reached the bactericidal effect in bacteria Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus, and a reduction of approximately 99% of the initial population of the Escherichia coli. Furthermore, the results were also interesting relative to the potential of CAP as an antimicrobial treatment for the dermatophytes Trichophyton rubrum and Trichophyton mentagrophytes and for the filamentous fungus Aspergillus fumingatus, which is one of the most difficult fungi that affect the human species. Therefore, the performed assays promote further research to understand the potential of CAP as an antimicrobial treatment.