Deze door artificial intellligence (AI) aangestuurde microscoop, de Nikon Eclipse Ji, kan getest worden in de Leidse laboratoria van de leverancier | Foto: Nikon
Nikon Eclipse Ji | Foto: Nikon
Smart microscopy: waarom het oog gebruiken als het allemaal veel slimmer, makkelijker en sneller kan? En misschien zelfs beter? Artificial intelligence verlegt de microscopische grenzen en biedt alles wat je nodig hebt om cellulaire benchtop microscopie uit te voeren, bijvoorbeeld voor een snelle lead compound-analyse.
Onlangs (juli 2023) verscheen nog een artikel in Nature over de microscopie van de toekomst: onderzoekers van MIT Cambridge en een aantal instituten uit Wisconsin begonnen in het begin van het millennium aan de ontwikkeling van software die microscopie eenvoudiger zou maken.
De aansturing van de nieuwe generatie microscopen overtreft de stoutste verwachtingen van toen. Deze mogelijkheden zijn ook microscopiespecialist Nikon niet ontgaan. De eerste serieuze, door artificial intelligence (AI) aangestuurde microscoop is inmiddels een feit en hij is te bewonderen in de Leidse laboratoria van de leverancier.
Hightech microscoop met kunstmatige intelligentie
Het gaat om Nikons nieuwe Eclipse Ji. De optiek is fameus en verwerkt in vele microscopische instrumenten die al tientallen jaren op de markt zijn. De microscopieleverancier heeft zich gedurende de afgelopen tien jaar gestort op kunstmatige intelligentie.
Het resultaat komt samen in een hightech-instrument dat vrijwel alle stappen van microscopische analyse uit handen neemt. Het toestel is ook buitengewoon veelzijdig in het gebruik van assayplaten.
“Na het kiezen van de juiste assay staan de uitslagen binnen luttele minuten op het scherm”
Droomscenario voor microscopisten
Vrijwel elk type plaat wordt geaccepteerd en het kan optimaal overweg met het meest gebruikte type, de 96-wells plaat. Dit is hoe het werkt:
Het enige dat nodig is, is de machine te activeren en de plaat in te zetten.
Na het kiezen van de juiste assay staan de uitslagen binnen luttele minuten op het scherm.
De lens beweegt zich in hoog tempo boven de plaat en meet alle wells individueel door.
De gegevens worden direct vastgelegd om ze direct na het meten te analyseren via dezelfde software.
Alles bij elkaar genomen een droomscenario voor veel microscopisten!.
Voorgeprogrammeerde assays
De toepassingen van deze AI-microscoop zijn legio; een groot aantal assays is voorgeprogrammeerd. Het gehele voortraject van assay development wordt dus uit handen genomen.
Er zijn assays voor:
cytotoxiciteit
celtelling
intensiteitsmeting van eiwit
cellen en kernen
grootte
morfologie
transfectie efficiëntie
Optionele assays
Als optionele assays zijn er ook nog mogelijkheden voor:
apoptosebepaling
DNA-schade
nucleaire translocatie
autofagie
Deze assays zijn met een druk op de knop te activeren. Ingewikkelde instellingen zijn niet nodig. Je kweekt je cellen, voert de behandeling uit en zet de plaat in de machine – de Nikon Eclipse Ji doet de rest.
Beeldanalyse van cellen met de Nikon Eclipse Ji | foto:Nikon
Gestuurd met artificial intelligence
Lang voordat er een algemene interesse in AI ontstond, stortte Nikon zich al op de AI-technologie gezien de ongekende mogelijkheden die het zou kunnen bieden in de microscopie.
Het bedrijf ontwikkelde meer dan 20 jaar geleden de NIS-Elements software voor haar microscopie-lijn. Momenteel heeft het hier AI-elementen aan toegevoegd (NIS-Elements SE, Smart Experiments).
De software kan zeer goed onscherpte en out-of-focus licht verwijderen en een hoogcontrastbeeld produceren. Ook segmentatie van cellen is een stuk eenvoudiger geworden.
Het resultaat van inbouw van NIS-Elements SE in de Eclipse Ji is dan ook een AI-gestuurd instrument dat zelf bepaalt waar de interessante cellen zich bevinden, hoeveel het er zijn en waar en hoe het de beste beelden kan maken die representatief zijn voor het resultaat.
Vanzelfsprekend organiseert het instrument automatisch de juiste focussering en belichting. En voor wie niet alles uit handen wil geven: alle parameters zijn manueel in te stellen, net als de conventionele systemen van de leverancier.
Testen van lead compounds
Artificial intelligence is de laatste jaren sterk in opkomst in de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Laat de Eclipse Ji nu zeer geschikt zijn voor het high throughput screenen van mogelijke lead compounds in de farmaceutische industrie.
Als experiment werden bijvoorbeeld cellen in een 96-well format uitgezet en getest op het effect van oplopende concentraties staurosporine – een verbinding die tegen schimmels werkt.
Dit experiment volgde de zogeheten ‘Smart Experiment Workflow’. De operator kiest de juiste assay. Daarna verloopt het analyseproces automatisch, inclusief het genereren van een overzicht en preview. De data worden grafisch weergegeven en aansluitend gerapporteerd.
“De Eclipse Ji is zeer geschikt voor het high throughput screenen van mogelijke lead compounds”
Heldere grafische weergave van analyseresultaten | foto:Nikon
Experiment met de Eclipse Ji
Het is slechts een voorbeeld van de diverse mogelijke assays. Gedetailleerder zag het experiment er als volgt uit:
cellen werden na opkweken in een 96-well plaat gekleurd met Hoechst, een fluorescente verbinding die kernen aankleurt.
Vervolgens kregen ze een behandeling met staurosporine, verdund in medium waarin ook ethidium D1 was opgenomen. Deze stof kleurt de kernen van dode cellen.
Na de incubatie werd de plaat in de machine geplaatst en gemeten – dit vrijwel zonder iets in te geven.
Het toestel bepaalde automatisch, geheel zelfstandig het type plaat, de rangschikking van de wells, de positie van de aanwezige cellen, de juiste golflengtes, de belichtingstijd en de autofocus.
Toxiciteit testen in 10 minuten
De metingen lagen al vast. Voor dit specifieke experiment was het ingeven van de monsterinformatie over de concentraties staurosporine alles wat nodig was.
Hierop bepaalde het instrument zelf de benodigde kinetische parameter, in dit geval de EC50: de effectieve drugconcentratie, waarbij 50% van het gewenste effect optreedt. Dit alles weergegeven in heatmaps voor de concentraties en histogrammen voor het aantal dode en levende cellen.
Het geheel nam nog geen tien minuten in beslag. Deze korte procestijd maakt het tot een zeer snelle technologie om toxiciteit te testen van lead compounds in een vroeg stadium van verdere ontwikkeling.
Benchtop AI-microscoop met drie sterke elementen
De Eclipse Ji is gebaseerd op drie sterke elementen:
eenvoudige bediening
snelle, geperfectioneerde en op AI gebaseerde cellulaire beeldweergave
hoge optische kwaliteit
Het instrument, dat een bescheiden omvang heeft en daardoor ook in kleine ruimtes past, heeft een moderne vormgeving en is te zien en te testen in Leiden.
De medewerkers van Nikon geven graag een demo en moedigen geïnteresseerde klanten hun eigen behandelde samples mee te brengen. Op verzoek zou zelfs een instrument op de afdeling geplaatst kunnen worden voor een on-site demo.
