Motivation
Die Entwicklung von Therapien und Wirkstoffen in der Humanmedizin erfordert oft eine Vielzahl von Versuchen mit Zellkulturen, welche mit hohen Personal- und Materialkosten verbunden sind. In dem Verbundprojekt LOCAI soll ein neuartiges, einfach zu bedienendes Werkzeug erstellt werden, welches Versuche mit Zellkulturen vollständig autonom plant und durchführt. Damit kann nicht nur die Qualität und Reproduzierbarkeit der Bioprozesse verbessert werden, sondern auch der Einsatz von Zeit und Ressourcen wird effizienter gestaltet. Es wird ein automatisiertes System zur Zellkulturoptimierung entwickelt, das auf der Kombination von Künstlicher Intelligenz (KI) und einer Laborminiaturisierungstechnologie mittels Mikrofluidik basiert. Dieses neue System wird die Echtzeit-Überwachung des Zustands einer Zellkultur beinhalten, die durch Analyse von Bildern mit Hilfe von Algorithmen des Maschinellen Lernens ermöglicht wird. Diese Parameter werden dann an einen anderen Agenten gesendet, der die Pumpen steuert, die wiederum Medium und Reagenzien in die Kultur injizieren. Auf diese Weise erhält man einen geschlossenen Regelkreis, der vollständig durch KI gesteuert wird.
Ziele und Vorgehen
Das beschriebene System nutzt eine Künstliche Intelligenz, die aus zwei Bereichen des Maschinellen Lernens besteht. Im Bereich „Supervised Learning“ werden Mikroskopaufnahmen einer Zellkultur verwendet, um ein neuronales Netzwerk darauf zu trainieren, individuelle Zellen zu erkennen und vom Bildhintergrund zu unterscheiden. „Reinforcement Learning“ ist eine Variante des Maschinellen Lernens, welche sich mit dem Erlernen von optimalem Verhalten in einem System mit unbekannten Dynamiken beschäftigt. Aus den gewonnenen Messungen kann der Algorithmus ein Verhalten bzw. eine Dosierungsanleitung ableiten und mit zunehmender Zeit und Messungen die entsprechende Metrik nach Wünschen maximieren bzw. minimieren.
Innovationen und Perspektiven
In diesem Projekt wird die Anwendung und das Proof-of-Concept für die Herstellung von Zellkulturen durchgeführt. Das System wird für die Aufrechterhaltung und das Wachstum von zwei zentralen Akteuren – der Immunantwort im Körper und dem zentralen Nervensystem (ZNS) – getestet werden, u.a. um Therapien bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson-, Alzheimer- und Huntington-Erkrankung zu analysieren.