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Probenmanagement Abgestempelt – Strichcodes für Proben

| Autor / Redakteur: Neil Benn, Stephen Knight* / Christian Lüttmann

Wo kommt die Probe her? Und wo müssen die Analyseergebnisse hin? Gerade bei großen Probenmengen, wie sie derzeit etwa bei Tests auf Covid-19 anfallen, ist ein unkompliziertes Management von Daten besonders wichtig. Hier können Strichcodes und entsprechende Lesegeräte helfen, auch große Probenmengen leicht und zuverlässig zu verwalten.

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Abb.1: RT-qPCR Tests auf Covid-19 erfordern eine sichere Rückverfolgbarkeit der Probenröhrchen.
Abb.1: RT-qPCR Tests auf Covid-19 erfordern eine sichere Rückverfolgbarkeit der Probenröhrchen.
(Bild: Ziath)

Anfang 2020 wurde die Welt der Pathologie und Infektionsdiagnostik durch die Covid-19-Pandemie vor nie dagewesene Herausforderungen gestellt. Eine der wesentlichen Herausforderungen besteht darin, sehr große Mengen an Patientenproben in unerfahrenen oder unterbesetzten Laboren zu verfolgen. Von Laboren wird gegenwärtig verlangt, den täglichen Probendurchsatz auf das bis zu Zehnfache der normalen Arbeitslast zu steigern.

In den vergangenen 20 Jahren hat sich die Probenverwaltung gegenüber ihren recht einfachen und rudimentären Anfängen im Labor grundlegend verändert. Anfangs funktionierte die klinische Probenverwaltung so, dass die Proben in Röhrchen aufbewahrt wurden.

Damals lagerten viele Labore ihre Röhrchen – selbst in großen Krankenhäusern und Pharmaunternehmen – in gewöhnlichen Tiefkühltruhen, entweder ganz ohne Kennzeichnung oder bestenfalls mit handschriftlichen Etiketten auf dem Rack oder außen am Röhrchen. Besonders fortschrittliche klinische Labore kennzeichneten ihre Proben mit einem 1D-Strichcode seitlich am Rack. Die Datenbanken der gelagerten Proben – soweit überhaupt existent – waren sehr häufig einfache Word-Dokumente oder Excel-Tabellen, obwohl Patientenproben in der Pathologie von Anfang an effektiver verfolgt wurden.

Etiketten als Ausweis für Probenröhrchen

Eine fortschrittlichere Probenverwaltung begann erst mit der Einführung von Röhrchen mit 2D-Codes, die als QR-Codes bekannt sind. Heute können Röhrchen und Proben mithilfe von vielfältigen technischen Systemen zuverlässig verfolgt werden. Die Probenverwaltung wird inzwischen als eigene, ernstzunehmende Disziplin betrachtet, da die Organisationen erkannt haben, dass ihre Proben und deren Metadaten wie Rückverfolgbarkeit sehr wertvoll sind.

Abb.2: Der Data-Paq Mirage Rack Scanner von Ziath hilft bei der Probenverfolgung über Strichcodes.
Abb.2: Der Data-Paq Mirage Rack Scanner von Ziath hilft bei der Probenverfolgung über Strichcodes.
(Bild: Ziath)

Das größte Problem der Probenverfolgung in der gegenwärtigen Krise ist die Verfügbarkeit geeigneter Verbrauchsmaterialien, gefolgt von verfügbaren Instrumenten für die Diagnostik. Angesichts der Notwendigkeit einer Untersuchung von 100.000 Proben täglich in den Ländern Europas ist dies wenig überraschend. Ein Labor, das für diese Untersuchung PCR-Platten mit 96 Wells verwendet, benötigt mehr als 1000 Platten täglich. Und neben Europa müssen auch die USA und Kanada, Australien, Südostasien usw. beliefert werden. Selbst, wenn mehrere Hersteller versuchen, so viele Platten zu gießen, zu sterilisieren, zu verpacken und zu verschicken, stellt das immer noch ein großes logistisches Problem dar. Nimmt man noch die Spitzen für das Liquid Handling und die RT-PCR- und RNA-Extraktionsreagenzien hinzu, die ebenfalls knapp sind, wird das Ausmaß des Problems offensichtlich. Schließlich sind genau die Röhrchen mit 2D-Strichcode, die für die Verfolgung großer Mengen von Proben benötigt werden, gegenwärtig knapp.

Wenn Röhrchen mit 2D-Strichcode kurzfristig nicht verfügbar sind, kann man als nächstbeste Option lineare Strichcodes verwenden. Diese Codes lassen sich zum einmaligen Gebrauch direkt auf die Röhrchen drucken. Vermutlich noch einfacher und schneller lassen sich Proben mit bedruckbaren selbstklebenden Etiketten kennzeichnen. Dazu sind zwei wichtige Lieferanten im Laborbereich Brady und Computype: Beide bieten Drucker, Software zum Entwerfen der Etiketten sowie Verbrauchsmaterialien an. Bei der Kennzeichnung empfiehlt es sich, ein Probeneingangsformular zu erstellen und mehrere Kopien eines eindeutigen Strichcodes auf Etiketten daran anzuhängen. Dies ermöglicht, dass sowohl die Dokumente als auch die Röhrchen identische Kopien des Strichcodes tragen und die Proben im weiteren Verlauf aufgeteilt werden können.

Das ist beim Kennzeichnen von Platten zu beachten

Um möglichst hohen Durchsatz zu erreichen, bietet es sich an, die Proben auf feste Propylenblöcke oder Deep-Well-Mikroplatten aufzuteilen, die jeweils 96 Wells umfassen. Bei diesen kann ein Etikett mit einem linearen Strichcode, der mit den meisten verfügbaren Automatisierungsplattformen ausgelesen werden kann, an einem Ende bzw. einer Seite angebracht werden. Es ist jedoch wichtig, dass bei wirklich allen Platten einer Charge die Strichcodes am selben Ende bzw. an derselben Seitenwand relativ zur A1-Position angebracht sind. Andernfalls kann es leicht passieren, dass die Platte verkehrt herum in das Deck des Automaten geladen wird.

Gegenwärtig sind 2 ml tiefe Aufbewahrungsplatten problemlos im Handel verfügbar, da sie schon vor der Coronakrise zahlreich in der Agrar- und Bio-Industrie gefragt waren und für die Lagerung von Substanzen, zur Biosynthese und Probenlagerung verwendet werden. Zusammen mit 96-Well-Filterplattentechnologie, wie sie beispielsweise von Millpore, Waters und Porvair Sciences angeboten wird, können diese für den Schritt der RNA- Aufreinigung eingesetzt werden. Alternativ eignet sich Magnetpartikeltrennung, wenn der Liquid-Handling-Automat für diese Technik ausgelegt ist. Der Transfer zu einer 96-Well-PCR-Platte ist immer noch erforderlich, obwohl zur Erhöhung des Durchsatzes auch 384-Well-PCR-Platten verwendet werden können, wenn das eingesetzte Liquid Handling derart kleine Aliquoten unterstützt. Alle diese Blöcke und Platten können mit linearen 1D-Strichcode-Etiketten versehen werden. Um die Proben in den Platten zu verfolgen, muss man die entsprechenden Well-Koordinaten A-H, 1-8 aufzeichnen. Dieses Prozedere ist zwar fehleranfälliger als bei Röhrchen mit 2D-Strichcodes, jedoch preiswerter und gegenwärtig einfacher einzurichten.

PCR-Kits selbstgemacht – Die Lösung gegen Engpässe?

So wie es bei den Verbrauchsmaterialien stellenweise zu Versorgungsengpässen kommt, so sind auch RT-PCR-Reagenzien, ebenso wie RNA-Extraktionskits, momentan außerordentlich stark nachgefragt. Gegenwärtig setzt das Francis-Crick-Institut im Vereinigten Königreich zur Diagnostik deshalb selbst hergestellte Reagenzien ein, die aus proprietären Lösungen von Qiagen, Merck und Roche rückentwickelt wurden. So wird zwar die Versorgung mit den Chemikalien gesichert. Diese Strategie kann aber auch riskant sein, denn es bestehen augenscheinlich keine Qualitätskontrollen oder Garantien der Hersteller dafür, dass es genauso funktioniert wie bei einem herkömmlichen Kit. Das Crick-Covid-19-Consortium hat allerdings seine SOPs für diese Tests auf seiner Website veröffentlicht. Diese wurden für die Automaten Hamilton Star und Starlet für die Aufreinigung sowie für den Automaten Beckman FX für die Extraktion optimiert. Die SOPs müssten allerdings an alle anderen eingesetzten Automaten (Tecan / Perkin Elmer / Agilent usw.) oder kleineren Pipettierstationen (Fortitude, Eppendorf usw.) angepasst werden, um das Protokoll des Crick-Covid-19-Consortiums in beliebigen anderen Laboren zu replizieren.

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Probenvorbereitung im Francis-Crick-Institut

Das vom Francis-Crick-Institut befolgte Protokoll zur Covid-19-Diagnostik umfasst die Probenahme in Form von Abstrichen. Diese werden aus 15-ml-Falcon-Röhrchen in uncodierte 2-ml-Kunststofffläschchen mit Schraubverschluss übertragen. Darauf kommen lineare Strichcodes, die zusammen mit der Probe des jeweiligen Krankenhauses eingehen. Ein Lesegerät scannt die Codes dann im Deck. Bei weniger komplexer Automatisierung sollte es möglich sein, handelsübliche kabelgestützte, kabellose oder Bluetooth-Linearscanner, z.B. von Opticon, für diesen Schritt zu verwenden. Der Automat transferiert anschließend den verarbeiteten Inhalt jedes 2-ml-Fläschchens zu einem Well einer 2 ml tiefen Wellplatte, die bereits mit einem Strichcode an der kurzen Seite versehen ist. Dann erfolgt die automatisierte PCR-Testung auf Erreger von Covid-19.

Das LIMS als digitales Probenarchiv

Natürlich müssen alle diese wichtigen Probenstandortdaten in ein LIMS oder eine Art von Datenbank eingegeben werden, damit die RT-PCR-Ergebnisse direkt den richtigen Patientenproben zugeordnet werden können. Hierfür gibt es viele Systeme und Softwareprogramme. Die Samples-Software von Ziath ist eine der einfachsten und kostengünstigsten. Dieses einfache „Was und Wo“-Programm ist eine anwenderfreundliche, relationale Datenbank, die individuell für die Ver­folgung von Proben mit einer beliebigen Anzahl an Tracking-Tags angepasst werden kann, um die Suche zu vereinfachen. Eine Suchanfrage könnte lauten: „Alle Patienten mit positivem RT-PCR-Befund, über 50, mit Wohnsitz in Cambridge, Vereinigtes Königreich“. Komplexere und komplette Programme wie das von ModulBio sind zu höheren Kosten verfügbar, jedoch kann es entsprechend länger dauern, diese zu erwerben, zu installieren und sich die Kompetenzen zu deren Anwendung anzueignen.

* N. Benn, S. Knight, Ziath Ltd, CB22 3HB Cambridge/UK

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