Studying Molecular Systems With Digital High-throughput SPR / Studio dei sistemi molecolari con SPR digitale ad alto rendimento
Studying Molecular Systems With Digital High-throughput SPR / Studio dei sistemi molecolari con SPR digitale ad alto rendimento
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Ryan Denomme is the founder and CEO of Nicoya. The Kitchener, Ontario-based company was founded in 2012 after Denomme completed his Master’s in Engineering at the University of Waterloo. The idea for Nicoya came about during Denomme’s post-secondary education where he experienced the frustration faced by researchers unable to access the most advanced technologies due to their overly expensive and complex features. Denomme understood first-hand how this lack of access directly and negatively impacted progress, providing the motivation to innovate and find a way to break down barriers between scientists and the data they needed to make their next big drug discovery.
Speaking to Technology Networks, Denomme highlights the key challenges faced when using “traditional” surface plasmon resonance (SPR), how SPR is being used to aid drug discoveries, and explains the benefits of designing an SPR instrument that integrates digital microfluidics, artificial intelligence, and nanotechnology.
Laura Lansdowne (LL): How is SPR being harnessed to aid drug discovery efforts?
Ryan Denomme (RD): Surface plasmon resonance (SPR) is a key analytical technique that is used throughout the drug discovery process to provide scientists with essential insights into the molecular systems they are studying. SPR is a label-free binding assay capable of measuring real-time binding between two molecules. From this data, scientists can determine the on-rate, off-rate and affinity constant of the interaction. Many techniques can give scientists a measurement of the affinity, but very few can provide insight into the on and off rates. This is critical because the time-resolved binding profiles of an interaction have a significant impact on the selection of a drug candidate. If scientists only measure affinity, they are potentially missing crucial information. In addition to providing the most informative binding data, SPR is also molecule-agnostic and increasingly high-throughput, making it an irreplaceable tool for everything from target discovery to lead optimization.
LL: What would you consider to be the key challenges related to “traditional” SPR?
RD: There are a few key challenges that are holding SPR back from being a ubiquitous analytical technique. One is the lifetime cost of SPR – it’s a substantial capital purchase that requires significant maintenance to keep it running and a dedicated scientist to operate. One of the big drivers of the capital cost and maintenance is the flow injection fluidic systems used in SPR. SPR requires stringent fluid handling to get accurate data. There cannot be any mixing between the buffer and samples as this creates dispersion, flow rates must be high to eliminate mass transport effects, and there cannot be any cross-contamination. This pushes the limits of conventional fluidic handling technology (i.e. pumps, valves, and tubes), and gets exponentially worse as you scale up the instrument throughput to handle more and more samples simultaneously. Relying on these outdated technologies is what drives up the cost, complexity, and sample volume required for analysis, further reducing the scope of applications that can benefit from SPR.
In addition to these issues, the intricacy of assay design and data analysis also imposes a barrier to adoption. Without extensive experience in SPR, it can be challenging to find the right experimental conditions that result in accurate and high-quality binding curves that are needed for SPR. Analyzing large data sets with complex binding models or artefacts is an intimidating task without extensive experience. Even for experienced users, this can take a lot of time and effort, especially because the software is rarely designed to be intuitive and user-friendly.
LL: What is digital microfluidics (DMF) and how can this be coupled with SPR?
RD: DMF is a liquid-handling technology capable of accurately controlling and manipulating discrete nanodroplets with electricity. Fluidics are contained on a microwell plate and individual droplets can be split, mixed, merged, and dispensed to achieve a variety of sophisticated assay protocols.
DMF solves the major limitation of scaling up throughput and automation of SPR technology, which is in the fluidic handling. The complexity of the fluidic system increases exponentially as you scale the number of samples/channels and level of assay automation – affecting the accuracy of the data and the long-term reliability of the instrument. This leads to significant instrument downtime and service costs, and limits applications to only using purified samples.
DMF fluidic handling technology removes the need for any physical pumps, valves, or tubes and replaces them with a low-cost disposable cartridge that is compatible with the standard well-plate form factor. DMF-powered SPR directly addresses the challenges associated with traditional SPR, enabling scientists to steer away from the conventional paradigm of transporting fluids through channels.
At Nicoya, we’ve integrated our proprietary localized surface plasmon resonance (LSPR) sensors into DMF cartridges – creating 16 independently addressable channels on a single cartridge through the use of digital microfluidics. DMF’s superior liquid handling abilities paired with our flexible and customizable software enable researchers to have precise control over interaction time, automatic serial dilutions and data analysis. It also reduces the cost and complexity of the instrument, making it accessible to all scientists.
LL: What benefits result from designing an SPR instrument that integrates DMF, artificial intelligence, and nanotechnology?
RD: Ultimately, the integration of DMF and nanotechnology solves the leading issues inherent in traditional SPR technology. Paired with artificial intelligence, DMF-powered SPR provides a platform which increases hands-off time, decreases complexity, is affordable, and provides robust results in less time. More specifically, there are a number of key benefits that the integration of these technologies brings to SPR:
Speaking to Technology Networks, Denomme highlights the key challenges faced when using “traditional” surface plasmon resonance (SPR), how SPR is being used to aid drug discoveries, and explains the benefits of designing an SPR instrument that integrates digital microfluidics, artificial intelligence, and nanotechnology.
Laura Lansdowne (LL): How is SPR being harnessed to aid drug discovery efforts?
Ryan Denomme (RD): Surface plasmon resonance (SPR) is a key analytical technique that is used throughout the drug discovery process to provide scientists with essential insights into the molecular systems they are studying. SPR is a label-free binding assay capable of measuring real-time binding between two molecules. From this data, scientists can determine the on-rate, off-rate and affinity constant of the interaction. Many techniques can give scientists a measurement of the affinity, but very few can provide insight into the on and off rates. This is critical because the time-resolved binding profiles of an interaction have a significant impact on the selection of a drug candidate. If scientists only measure affinity, they are potentially missing crucial information. In addition to providing the most informative binding data, SPR is also molecule-agnostic and increasingly high-throughput, making it an irreplaceable tool for everything from target discovery to lead optimization.
LL: What would you consider to be the key challenges related to “traditional” SPR?
RD: There are a few key challenges that are holding SPR back from being a ubiquitous analytical technique. One is the lifetime cost of SPR – it’s a substantial capital purchase that requires significant maintenance to keep it running and a dedicated scientist to operate. One of the big drivers of the capital cost and maintenance is the flow injection fluidic systems used in SPR. SPR requires stringent fluid handling to get accurate data. There cannot be any mixing between the buffer and samples as this creates dispersion, flow rates must be high to eliminate mass transport effects, and there cannot be any cross-contamination. This pushes the limits of conventional fluidic handling technology (i.e. pumps, valves, and tubes), and gets exponentially worse as you scale up the instrument throughput to handle more and more samples simultaneously. Relying on these outdated technologies is what drives up the cost, complexity, and sample volume required for analysis, further reducing the scope of applications that can benefit from SPR.
In addition to these issues, the intricacy of assay design and data analysis also imposes a barrier to adoption. Without extensive experience in SPR, it can be challenging to find the right experimental conditions that result in accurate and high-quality binding curves that are needed for SPR. Analyzing large data sets with complex binding models or artefacts is an intimidating task without extensive experience. Even for experienced users, this can take a lot of time and effort, especially because the software is rarely designed to be intuitive and user-friendly.
LL: What is digital microfluidics (DMF) and how can this be coupled with SPR?
RD: DMF is a liquid-handling technology capable of accurately controlling and manipulating discrete nanodroplets with electricity. Fluidics are contained on a microwell plate and individual droplets can be split, mixed, merged, and dispensed to achieve a variety of sophisticated assay protocols.
DMF solves the major limitation of scaling up throughput and automation of SPR technology, which is in the fluidic handling. The complexity of the fluidic system increases exponentially as you scale the number of samples/channels and level of assay automation – affecting the accuracy of the data and the long-term reliability of the instrument. This leads to significant instrument downtime and service costs, and limits applications to only using purified samples.
DMF fluidic handling technology removes the need for any physical pumps, valves, or tubes and replaces them with a low-cost disposable cartridge that is compatible with the standard well-plate form factor. DMF-powered SPR directly addresses the challenges associated with traditional SPR, enabling scientists to steer away from the conventional paradigm of transporting fluids through channels.
At Nicoya, we’ve integrated our proprietary localized surface plasmon resonance (LSPR) sensors into DMF cartridges – creating 16 independently addressable channels on a single cartridge through the use of digital microfluidics. DMF’s superior liquid handling abilities paired with our flexible and customizable software enable researchers to have precise control over interaction time, automatic serial dilutions and data analysis. It also reduces the cost and complexity of the instrument, making it accessible to all scientists.
LL: What benefits result from designing an SPR instrument that integrates DMF, artificial intelligence, and nanotechnology?
RD: Ultimately, the integration of DMF and nanotechnology solves the leading issues inherent in traditional SPR technology. Paired with artificial intelligence, DMF-powered SPR provides a platform which increases hands-off time, decreases complexity, is affordable, and provides robust results in less time. More specifically, there are a number of key benefits that the integration of these technologies brings to SPR:
- Near instantaneous transition times between buffer and sample (<0.1s), virtually eliminating dispersion
- Decoupling of flow rate and sensor position from dispersion, increasing data quality
- 500X less sample volume required – you can get full kinetics from a 2µl sample volume
- Decoupling of interaction time from sample volume, increasing assay flexibility
- Automated serial dilutions on the cartridge - reducing human error and saving time
- Flexible high-throughput capabilities with many different assay formats available
- Ability to implement end-to-end assay automation
- No clogging, leaking, or contamination as there are no fluidic pathways in the instrumentation
- Flexible fluidic processes enabling on-line, real-time optimization through the use of AI driven experimental design
- Minimal moving parts so extremely low possibility of mechanical failures
- No instrument cleaning or service needed
ITALIANO
Ryan Denomme è il fondatore e CEO di Nicoya. La società con sede a Kitchener, in Ontario, è stata fondata nel 2012 dopo che Denomme ha completato il suo Master in Ingegneria all'Università di Waterloo. L'idea di Nicoya è nata durante l'istruzione post-secondaria di Denomme, dove ha vissuto la frustrazione affrontata dai ricercatori che non sono stati in grado di accedere alle tecnologie più avanzate a causa delle loro caratteristiche eccessivamente costose e complesse. Denomme ha compreso in prima persona come questa mancanza di accesso abbia influenzato direttamente e negativamente il progresso, fornendo la motivazione per innovare e trovare un modo per abbattere le barriere tra gli scienziati e i dati di cui avevano bisogno per fare la loro prossima grande scoperta del farmaco.
Parlando con Technology Networks, Denomme evidenzia le principali sfide affrontate quando si utilizza la risonanza plasmonica di superficie "tradizionale" (SPR), il modo in cui SPR viene utilizzato per aiutare le scoperte di farmaci e spiega i vantaggi della progettazione di uno strumento SPR che integra microfluidica digitale, intelligenza artificiale, e nanotecnologia.
Laura Lansdowne (LL): Come viene sfruttato SPR per aiutare gli sforzi di scoperta di farmaci?
Ryan Denomme (RD): la risonanza plasmonica di superficie (SPR) è una tecnica analitica chiave che viene utilizzata durante il processo di scoperta di farmaci per fornire agli scienziati approfondimenti essenziali sui sistemi molecolari che stanno studiando. SPR è un saggio di legame senza etichetta in grado di misurare il legame in tempo reale tra due molecole. Da questi dati, gli scienziati possono determinare la costante on-rate, off-rate e di affinità dell'interazione. Molte tecniche possono fornire agli scienziati una misurazione dell'affinità, ma pochissime sono in grado di fornire informazioni sui tassi di attivazione e disattivazione. Ciò è fondamentale perché i profili di legame risolti nel tempo di un'interazione hanno un impatto significativo sulla selezione di un candidato al farmaco. Se gli scienziati misurano solo l'affinità, potenzialmente mancano di informazioni cruciali. Oltre a fornire i dati di legame più informativi, SPR è anche molecolare e sempre più efficiente, rendendolo uno strumento insostituibile per tutto, dalla scoperta del bersaglio per condurre all'ottimizzazione.
LL: Quali considereresti le principali sfide legate al SPR "tradizionale"?
RD: Ci sono alcune sfide chiave che trattengono l'SPR dall'essere una tecnica analitica onnipresente. Uno è il costo a vita di SPR: è un acquisto sostanziale di capitale che richiede una manutenzione significativa per mantenerlo attivo e uno scienziato dedicato a operare. Uno dei principali fattori di costo e manutenzione del capitale è rappresentato dai sistemi fluidici a iniezione di flusso utilizzati in SPR. SPR richiede una rigorosa gestione dei fluidi per ottenere dati precisi. Non ci può essere alcuna miscelazione tra il buffer e i campioni poiché ciò crea dispersione, le portate devono essere elevate per eliminare gli effetti del trasporto di massa e non può esserci alcuna contaminazione incrociata. Ciò spinge i limiti della convenzionale tecnologia di gestione dei fluidi (ad es. Pompe, valvole e tubi) e peggiora esponenzialmente man mano che si aumenta il rendimento dello strumento per gestire sempre più campioni contemporaneamente. Affidarsi a queste tecnologie obsolete è ciò che aumenta i costi, la complessità e il volume del campione richiesto per l'analisi, riducendo ulteriormente l'ambito delle applicazioni che possono beneficiare di SPR.
Oltre a questi problemi, la complessità della progettazione del saggio e dell'analisi dei dati impone anche una barriera all'adozione. Senza una vasta esperienza in SPR, può essere difficile trovare le giuste condizioni sperimentali che si traducono in curve di legame accurate e di alta qualità necessarie per SPR. L'analisi di insiemi di dati di grandi dimensioni con modelli o artefatti di associazione complessi è un compito intimidatorio senza esperienza approfondita. Anche per utenti esperti, ciò può richiedere molto tempo e sforzi, soprattutto perché il software è raramente progettato per essere intuitivo e intuitivo.
LL: Cos'è la microfluidica digitale (DMF) e come può essere abbinata a SPR?
RD: DMF è una tecnologia di gestione dei liquidi in grado di controllare e manipolare con precisione nanogocce discrete con l'elettricità. La fluidica è contenuta in una micropiastra e le singole goccioline possono essere divise, miscelate, unite e distribuite per ottenere una varietà di protocolli di dosaggio sofisticati.
DMF risolve il principale limite di aumento della produttività e automazione della tecnologia SPR, che sta nella gestione dei fluidi. La complessità del sistema fluidico aumenta esponenzialmente man mano che si ridimensionano il numero di campioni / canali e il livello di automazione del dosaggio, influenzando l'accuratezza dei dati e l'affidabilità a lungo termine dello strumento. Ciò comporta notevoli tempi di inattività dello strumento e costi di servizio e limita le applicazioni all'uso solo di campioni purificati.
La tecnologia di gestione dei fluidi DMF elimina la necessità di eventuali pompe, valvole o tubi fisici e li sostituisce con una cartuccia usa e getta a basso costo compatibile con il fattore di forma standard a piastre. L'SPR basato su DMF affronta direttamente le sfide associate all'SPR tradizionale, consentendo agli scienziati di allontanarsi dal paradigma convenzionale del trasporto di fluidi attraverso i canali.
In Nicoya, abbiamo integrato i nostri sensori di risonanza plasmonica di superficie localizzata proprietari (LSPR) nelle cartucce DMF, creando 16 canali indirizzabili in modo indipendente su una singola cartuccia attraverso l'uso della microfluidica digitale. Le eccellenti capacità di gestione dei liquidi di DMF abbinate al nostro software flessibile e personalizzabile consentono ai ricercatori di avere un controllo preciso sui tempi di interazione, diluizioni seriali automatiche e analisi dei dati. Riduce inoltre il costo e la complessità dello strumento, rendendolo accessibile a tutti gli scienziati.
LL: Quali vantaggi derivano dalla progettazione di uno strumento SPR che integra DMF, intelligenza artificiale e nanotecnologia?
RD: In definitiva, l'integrazione di DMF e nanotecnologia risolve i problemi principali inerenti alla tecnologia SPR tradizionale. Insieme all'intelligenza artificiale, l'SPR basato su DMF fornisce una piattaforma che aumenta i tempi di consegna, diminuisce la complessità, è conveniente e fornisce risultati affidabili in meno tempo. Più specificamente, ci sono una serie di vantaggi chiave che l'integrazione di queste tecnologie porta a SPR:
Tempi di transizione quasi istantanei tra buffer e campione (<0,1 s), eliminando virtualmente la dispersione
Disaccoppiamento della portata e della posizione del sensore dalla dispersione, aumentando la qualità dei dati
Richiede un volume di campione 500 volte inferiore: è possibile ottenere una cinetica completa da un volume di campione di 2 µl
Disaccoppiamento del tempo di interazione dal volume del campione, aumentando la flessibilità del dosaggio
Diluizioni seriali automatizzate sulla cartuccia: riduzione dell'errore umano e risparmio di tempo
Funzionalità flessibili ad alto rendimento con molti formati di dosaggio differenti disponibili
Capacità di implementare l'automazione del dosaggio end-to-end
Nessun intasamento, perdite o contaminazione in quanto non vi sono percorsi fluidi nella strumentazione
Processi fluidici flessibili che consentono l'ottimizzazione online e in tempo reale attraverso l'uso di un design sperimentale guidato dall'IA
Parti mobili minime, possibilità estremamente bassa di guasti meccanici
Non è necessaria la pulizia o l'assistenza dello strumento
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