ベンチからベッドサイドまで: 自動化による研究開発ラボの変革

May 15, 2023

何世紀にもわたって、科学者たちは、進化し続ける一連の機器に囲まれながら、研究室で苦労して働いてきました。 1990 年代のベンチトップ自動化デバイスの導入により、生産性と発見が飛躍的に向上し、2000 年代と 2010 年代に可能になったコンピューター化されたネットワークによって強化されました。 ほとんどの製薬会社にとって、そこは現在も研究開発ラボであり、健康の進歩に重要な発見に貢献してきた遠心分離機や液体処理ステーションが驚くほど備え付けられています。 しかし、ほとんどの研究室は、科学者が可能な限界に到達することを可能にする高度な自動化、小型化、統合をまだ実現できていません。

製薬業界の幹部は、「研究費はどこに消えたのか?」と疑問に思っているかもしれません。 研究開発費の急激な増加は中程度の利益しか確保していない。米国では、研究開発費は2001年の400億ドルから2019年には800億ドルと倍増したが、同時期に開発された新薬の数はわずかしか増加しなかった（図表1）。

逆説的ですが、増加した研究開発予算のかなりの部分が人件費の上昇に吸収され、スキル不足により全体の生産能力が制限されています。

実験台からベッドサイドまでの時間を短縮することは、大きな可能性を秘めています。 私たちの経験では、製薬会社は、重要な自動化を含む一連の包括的な手段を導入することにより、500 日以上早く医薬品を市場に投入し、開発コストを 25% 削減できる可能性があります。 研究室のオーケストレーション、ロボット工学、および液体処理技術における重要なブレークスルーは、現在、これらの相反する圧力から抜け出す軌道を示し、研究室の自動化を戦略的優先事項として提示し、一連の業界パートナーシップ、投資の加速、進歩を生み出しています。

自動化は特効薬や万能の解決策ではありませんが、完全な自動化は研究開発ラボに多くの利点をもたらします (補足記事「手動の R&D ラボと完全に自動化された研究開発ラボの違い」を参照)。 具体的には、以下を含むすべての主要な検査室 KPI の改善に貢献する大きな可能性を秘めています。

手動の R&D ラボと自動化された R&D ラボを区別する重要な特性がいくつかあります。

医薬品の研究開発において依然として標準的な現状の研究室で一般的なプロセスは非効率であり、改善の余地が多く残されています。

一方、将来の主要な研究開発業務の自動化されたビジョンでは、より効率的なプロセスが採用されます。

今日、技術的なブレークスルー、テクノロジーの統合と互換性の向上、デジタル システムのサポートの進歩が重なり、自動化オプションの検討がよりアクセスしやすく、より緊急になっています。 自動化が採用され、科学的プロセスに統合された場合にのみ成功する可能性があることを考えると、関与する科学者の経験とニーズが意思決定の指針となるはずです。 この記事の残りの部分では、医薬品の研究開発における自動化を成功させるための 4 つの優先事項について概説します。これらはすべて検査室の KPI に貢献します。

研究開発プロセスは、単一バイアルの使用から、科学者が 96 回、384 回、さらには 1,536 回の実験を並行して実施できるハイスループットのマイクロタイター プレートに徐々に移行してきました。 これらのプレートはスループットを最大 100 倍増加させるだけでなく、必要なサンプル材料と試薬の量を最大 90 パーセント削減することができ、限られた患者サンプルから可能な実験の数を拡大します。 また、材料のより正確な取り扱いが可能になり、生物学的プロセスの速度が向上し、他の場所で同じ結果を再現することが可能になります。

チップベースの液体処理技術の物理的限界に基づく最大 384 ウェルも、現在は超えています。 音響液体処理における最近の進歩は、ウェルの代わりに個々の液滴を含むガラスのスライドである液滴マイクロアレイなどのまったく新しいフォーマットを予感させます。 これらにより、何万もの反応が並行して発生することが可能になります。 ラボオンチップの一部としての液滴マイクロ流体工学などの追加の画期的なテクノロジーにより、高速で連続的な実験への道がさらに開かれています。

研究室自動化の物理的に目に見える部分は、対応する記録のデジタル化と自動化なしには不可能です。 ユーザーフレンドリーなワークフロージェネレーターを備えた、ラボ情報管理システム (LIMS) や電子ラボノート (ELN) などのデジタル記録管理システムは、現在、最新のラボインフラストラクチャに不可欠な部分となっています。 テスト記録を作成し、テスト結果を紙に書き出す時間や、手書きの記録を同僚がチェックして間違いがないことを確認する時間を節約できます。 デジタル記録管理システムにより、ワークフローの管理が向上し、適応性と柔軟性のある研究構造が構築されます。これは、研究が発見に基づいて進化する際の中心的な要件です。

一般的な製薬研究開発のセットアップは、多くの場合、異なるベンダーから提供される数十の異なるデバイスで構成されます。 これは、研究スタッフがデバイス間でプレートを移動したり、あるデバイスから得られた測定結果を別のデバイスに入力したりするなど、デバイスのインターフェイスを手動でブリッジする必要があることを意味します。 このプロセスでは、デバイスの監視とセットアップにかなりの時間を費やすだけでなく、デバイスの実行時間を考慮して毎日のスケジュールを計画する必要がありました。

研究スタッフの不足によりスループットが制限される中、この手動ブリッジを解決することが検査技術の世界において中心的な焦点となっています。 最も重要なことは、機器ループ内の科学者の作業負荷を軽減することで、夜間の人員配置を必要とせずに 24 時間の消灯自動化の可能性を生み出すことです。 このように同じ機器を 24 時間体制で使用すると、スループットが 3 倍になる可能性があります。

したがって、大手ソフトウェア プロバイダーがラボ オーケストレーションまたはデバイス スケジューリング ソフトウェア プラットフォームを提供しているため、データ標準とデバイス通信のこの統合は、ラボ テクノロジーにおけるゲームチェンジャーとして浮上しています。 新しいソフトウェアは、ベンダーに依存しない方法でハードウェアを接続するためのコンサルティングまたはエンジニアリング サービスとともに、さまざまな実験用ハードウェア用のドライバーを提供し、総合的な自動化ソリューションを提供します。

データが中央ダッシュボードに接続されることで、新しい自動化システムはすべてのデバイスを共有分析システムにリンクし、高度な分析と機械学習の新機能と併せて成果を加速できます。 利益には、科学的プロセスの最適化が含まれます。たとえば、ステップ A のどの試薬がステップ D で特定の結果につながったかを判断したり、特定の時間帯で特定のデバイスの使用が平均を下回る理由などの操作効率に関する洞察が得られます。 このようなパターンの監視、修正、特定により、発見プロセス全体の最適化と拡張が可能になります (図 2)。

いくつかの企業が自動化を通じて研究開発ラボのプロセスを変革する可能性を模索する中で、最先端のラボ自動化を実現するには 5 段階のアプローチがあることがわかりました。

ラボテクノロジーの進歩推進の中心となってきたハードウェアベンダーの数は、需要と業界の比較的低い参入障壁に後押しされて、過去 15 年間で 93 社から 206 社へと 2 倍以上に増加しました。1 マッキンゼーのラボ自動化分析によると、 Crunchbase、2021 年 10 月～2022 年 3 月。現在出現している検査技術の大幅に強化された可能性は、新しいアプリケーションを加速するための製薬会社とベンダー間の斬新なパートナーシップを含め、投資と注目の拡大を引き起こしています (補足記事「検査自動化変革の成功へのアプローチ」を参照)。 過去 2 年間だけでも、自動化ソリューションに関するプロジェクトを開始する製薬会社と新興企業の間の提携に関する発表が十数件ありました。2 メディア報道のマッキンゼー分析。 例として、「Codex DNA がファイザーとの早期アクセス協力およびライセンス契約に署名し、mRNA ベースのワクチンおよび生物療法の研究開発におけるファイザーの使用に向けた CodexDNA の新しい酵素的 DNA 合成技術をさらに開発」、GlobeNewswire、2022 年 1 月 10 日を参照。 および「イーライリリー アンド カンパニーは、Strateos, Inc. と協力して遠隔制御ロボット クラウド ラボを開始」、イーライリリー アンド カンパニー、2020 年 1 月 9 日。

検査技術が大きな利益をもたらす戦略的手段として台頭するにつれ、製薬会社の研究科学者は、優先検査技術革新の特定と特定にますます直接関与するようになっています。 この関与により、テクノロジーの進歩の適用性、関連性、適時性がさらに加速されます。

音響液体ハンドリングと実験室オーケストレーションにおける画期的な進歩により、実験室オートメーションははるかに短いサイクルタイムでより大きな研究開発の成功をもたらす最前線に移動しました。 同時に、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のワクチンの高速開発に使用されるmRNAやウイルスベクタープラットフォームなどの新しい技術プラットフォームの準備が整ったことにより、製薬業界のイノベーション能力がさらに加速しています。 これらの発展は、検査技術業界の自動化の急務を促進するのに役立っています。

リタ・カルドーソマッキンゼーのリスボンオフィスのコンサルタントです。クリスチャン・キンシャーデュッセルドルフ事務所のパートナーです。トビアス・ルオフケルン事務所のコンサルタントです。アサン・サイードミュンヘンオフィスのパートナーです。ウルフ・シュレイダーハンブルク事務所のシニアパートナーであり、ジュリアス・ゼッターベルリン事務所のコンサルタントです。