Dal banco al letto: trasformare i laboratori di ricerca e sviluppo attraverso l'automazione

May 15, 2023

Per secoli, gli scienziati hanno lavorato duramente nei laboratori circondati da una serie di strumenti in continua evoluzione. Negli anni ’90, l’introduzione di dispositivi di automazione da banco ha portato a un’esplosione di produttività e scoperta, potenziata dalle reti computerizzate rese possibili negli anni 2000 e 2010. Per la maggior parte delle aziende farmaceutiche, è qui che si trova oggi il laboratorio di ricerca e sviluppo, straordinariamente attrezzato con centrifughe e stazioni di gestione dei liquidi che hanno contribuito a scoperte vitali per il progresso della salute. Ma la maggior parte dei laboratori non dispone dell’automazione avanzata, della miniaturizzazione e dell’integrazione che possono consentire agli scienziati di raggiungere i limiti del possibile.

I dirigenti dell’industria farmaceutica potrebbero chiedersi: “Dove vanno a finire tutti quei soldi per la ricerca?” I forti aumenti della spesa in ricerca e sviluppo hanno assicurato solo guadagni mediocri: negli Stati Uniti, la spesa in ricerca e sviluppo è raddoppiata a 80 miliardi di dollari nel 2019, dai 40 miliardi di dollari del 2001, ma il numero di nuovi farmaci sviluppati nello stesso periodo è aumentato solo marginalmente (Figura 1).

Paradossalmente, una parte sostanziale dell’aumento dei budget per la ricerca e lo sviluppo è stata assorbita dall’aumento del costo del lavoro, mentre la carenza di competenze ha limitato la capacità complessiva.

La riduzione del tempo dal banco del laboratorio al capezzale rappresenta una promessa significativa. Nella nostra esperienza, le aziende farmaceutiche hanno il potenziale per portare i farmaci sul mercato più di 500 giorni più velocemente e ridurre i costi di sviluppo del 25% implementando una serie completa di leve, inclusa, soprattutto, l’automazione. Scoperte cruciali nell’orchestrazione dei laboratori, nella robotica e nelle tecnologie di gestione dei liquidi stanno ora offrendo una via d’uscita da queste pressioni contrastanti, presentando l’automazione di laboratorio come una priorità strategica e generando una raffica di partnership industriali, investimenti accelerati e progressi.

L'automazione non è una soluzione miracolosa o una soluzione valida per tutti, ma l'automazione completa può apportare numerosi vantaggi ai laboratori di ricerca e sviluppo (vedere la barra laterale "La differenza tra un laboratorio di ricerca e sviluppo manuale e uno completamente automatizzato"). Nello specifico, ha un potenziale significativo per contribuire al miglioramento di tutti i KPI primari del laboratorio, inclusi i seguenti:

Alcune qualità fondamentali distinguono i laboratori di ricerca e sviluppo manuali da quelli automatizzati.

I processi comuni nei laboratori status quo che rimangono la norma nella ricerca e sviluppo farmaceutico sono inefficienti e lasciano molto spazio a miglioramenti:

D’altro canto, la futura visione automatizzata delle principali operazioni di ricerca e sviluppo impiega processi molto più efficienti:

Oggi, una confluenza di scoperte tecniche, una crescente integrazione e compatibilità delle tecnologie e progressi nel supporto dei sistemi digitali hanno reso l’esplorazione delle opzioni di automazione più accessibile e più urgente. Dato che l’automazione può avere successo solo se adottata e integrata nei processi scientifici, l’esperienza e le esigenze degli scienziati coinvolti dovrebbero guidare il processo decisionale. Il resto di questo articolo illustra quattro priorità per l'implementazione di un'automazione di successo nella ricerca e sviluppo farmaceutico, che contribuiscono tutte ai KPI di laboratorio.

I processi di ricerca e sviluppo si sono progressivamente allontanati dall'uso di fiale singole per passare a piastre di microtitolazione ad alto rendimento che consentono agli scienziati di condurre 96, 384 o addirittura 1.536 esperimenti in parallelo. Oltre ad aumentare la produttività fino a 100 volte, queste piastre possono ridurre il volume del materiale campione e dei reagenti necessari fino al 90%, ampliando il numero di esperimenti possibili con campioni limitati di pazienti. Consentono inoltre una manipolazione più precisa dei materiali, il che aumenta la velocità dei processi biologici e rende possibile riprodurre gli stessi risultati altrove.

Anche il limite massimo di 384 pozzi, basato sui limiti fisici della tecnologia di gestione dei liquidi basata sui puntali, è stato ora superato. Le recenti scoperte nella gestione acustica dei liquidi presagiscono formati completamente nuovi, come i microarray di goccioline, che sono vetrini di vetro con singole goccioline anziché pozzetti. Ciò consente a decine di migliaia di reazioni di avvenire in parallelo. Ulteriori tecnologie rivoluzionarie, come la microfluidica delle goccioline come parte di un lab-on-a-chip, stanno aprendo ulteriormente la strada a esperimenti sequenziali ad alta velocità.