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AI-gesteuerter Roboter beschleunigt medizinische Forschung

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Forscher am RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research in Japan haben ein KI-gesteuertes Robotersystem entwickelt, das Laborexperimente in der regenerativen Medizin durchführen, aus den Ergebnissen lernen und iterative Versuchsreihen durchführen kann, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen.

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In einem Proof-of-Principle stellten die Forscher den Roboter vor die Aufgabe, die Zellkulturbedingungen zu optimieren, um eine maximale Anzahl von Zellen des retinalen Pigmentepithels (RPE) zu erzeugen. Der Roboter verbesserte den Prozentsatz der Stammzellen in einer Kultur, die sich in RPE-Zellen differenzierten, innerhalb von sechs Monaten von 50 % auf etwa 90 %. Die Forscher schätzen, dass Menschen etwa 2,5 Jahre gebraucht hätten, um dasselbe zu erreichen. Die Technologie könnte einen Hinweis darauf geben, in welche Richtung sich die medizinische Laborforschung in den kommenden Jahren entwickeln wird, wenn Roboter mühsame experimentelle Arbeiten erledigen.

Die medizinische Forschung ist eine enorme Herausforderung und kann unglaublich mühsam sein. Biologische Systeme, wie z. B. Zellkulturen, sind häufig unberechenbar und reagieren empfindlich auf kleinste Veränderungen in ihrer Umgebung. Eine kleine Abweichung kann das Ergebnis eines Experiments völlig verändern, was oft zu Frustration und Verwirrung beim Laborpersonal führt.

Ein Beispiel dafür ist die regenerative Medizin, bei der Forscher versuchen, Stammzellkulturen so zu steuern, dass sie sich in bestimmte Zelltypen differenzieren, die dann als Ersatz für erkrankte Gewebe im Körper verwendet werden können. Die Bestimmung der optimalen Kulturbedingungen für eine effiziente Differenzierung ist ein Minenfeld aus verschiedenen Variablen, die alle das Endergebnis beeinflussen können.

Um diese Frustrationen zu beseitigen und den Prozess zu beschleunigen, setzen einige Forscher auf die Leistungsfähigkeit von Robotik und KI. Die neueste Technologie ist ein KI-gesteuerter humanoider Roboter namens Maholo, der seine eigenen Zellkulturexperimente durchführen und aus den Ergebnissen lernen kann. "Wir haben uns für die Differenzierung von RPE-Zellen aus Stammzellen als Modell entschieden, aber im Prinzip wird die Kombination eines Präzisionsroboters mit den Optimierungsalgorithmen autonome Versuche in vielen Bereichen der Biowissenschaften ermöglichen", sagt Genki Kanda, einer der Entwickler des neuen Roboters.

Das Hauptziel der Experimente bestand darin, den Prozentsatz der Stammzellen zu erhöhen, die sich in RPE-Zellen differenzieren. Die Forscher gaben ihre derzeitigen Best-Practice-Protokolle in das System ein, was zu einer Differenzierungseffizienz von 50 % führte. Die KI-Algorithmen arbeiteten an der Optimierung dieses Wertes und optimierten verschiedene Parameter in mehreren Versuchsrunden. In etwas mehr als sechs Monaten hatte der Roboter die Differenzierungseffizienz auf 90 % verbessert, und die Forscher schätzen, dass sie ohne den Roboter 2,5 Jahre dafür gebraucht hätten.

"Der Einsatz von Robotern und künstlicher Intelligenz bei der Durchführung von Experimenten wird für die Öffentlichkeit von großem Interesse sein", so Kanda. "Es ist jedoch ein Fehler, sie als Ersatz zu sehen. Unsere Vision ist, dass die Menschen das tun, was sie gut können, nämlich kreativ sein. Wir können Roboter und KI für die Trial-and-Error-Teilbereiche von Experimenten einsetzen, die wiederholbare Präzision erfordern und viel Zeit in Anspruch nehmen, aber kein Denken erfordern."

Studie in der Zeitschrift eLife: Robotersuche für optimale Zellkultur in der regenerativen Medizin