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LABORAUTOMATION

„Dann geht alles wie von selbst“

23.03.2005 | Autor / Redakteur: Helmut Bruckner* / Gerd Kielburger

Abb.1: Die bei einem Kunden installierte Power Processor- Variante mit Stockyard.
Abb.1: Die bei einem Kunden installierte Power Processor- Variante mit Stockyard.

Für den Anwender ist Automatisierung nicht nur angenehm, die Vermeidung von Handgriffen mindert auch die Gefahr von Kontaminationen und Fehlern.

Für den Anwender ist Automatisierung nicht nur angenehm, die Vermeidung von Handgriffen mindert auch die Gefahr von Kontaminationen und Fehlern. Die im Folgenden vorgestellten Modelle bieten jede Menge Anregungen, wie sich Arbeitsabläufe im Labor schneller, sicherer und exakter abwickeln lassen.

Automatisierte Systeme sind aus vielen Laboratorien nicht mehr wegzudenken. Entwickler solcher Systeme müssen weit in die Zukunft blicken und Trends frühzeitig erkennen. Gerade in den Labors der großen Pharmafirmen hat das Probenaufkommen in den letzten Jahren fast exponentiell zugenommen, so dass die Unternehmen gezwungen sind, in ihren Labors einen hohen Automatisierungsgrad zu realisieren. Die Möglichkeiten der Automatisierung sind vielfältig. Sie reichen von der einfachen Probenvorbereitung bis zur komplett automatisierten Analyse und Lagerung der Proben in „Automationstraßen“.

Ganzheitliche Lösung

Der nach dem Baukastenprinzip aufgebaute Power Processor von Beckman Coulter übernimmt nahezu alle Handgriffe beim Umgang mit Proben im Laborbetrieb. Dieses System greift damit weit über Automatisierungskonzepte hinaus, die sich auf die sogenannte präanalytische Probenvorbereitung beschränken. Der Power Processor standardisiert die Arbeitsschritte Zentrifugierung, Entstöpselung und Aliquotierung der Proben. Diese werden den einzelnen Analysegeräten über das System zugeführt und dort automatisch be- und entladen. Die Teströhrchen können zur Weiterverarbeitung an manuelle Arbeitsplätze aussortiert und gegebenenfalls - wenn Wiederholungsuntersuchungen (Re-Runs) erforderlich sind - erneut in den Analyseprozess eingeschleust werden.

Die ermittelten Ergebnisse werden in der Regel automatisch validiert. Mit der Überführung der Probenröhrchen zur Lagerung in den gekühlten Stockyard schließt sich der Kreis. Von hier können die Proben jederzeit für weitere Untersuchungen wieder abgerufen werden. Da der Power Processor auch die manuelle Beladung der angeschlossenen Analysatoren erlaubt, können auch Messungen von Notfall- oder pädiatrischen Proben vorgenommen werden. Durch die freie Kombinierbarkeit der einzelnen Komponenten lässt sich das System flexibel an die jeweiligen Erfordernisse anpassen. An den Power Processor können auch Geräte von Fremdanbietern angebunden werden.

Einsatz in Automationsstraßen

„Screeninglabors mit hohem Probenaufkommen haben mit Automationsstraßen den Anfang gemacht. Die Flexibilität dieser Geräte ist jedoch schnell ausgeschöpft. Meist ist eine Rekonfiguration oder Erweiterung bei sich ändernden Gegebenheiten nicht möglich“, beschreibt Sabine Drecker, Leiterin Marketing und Administration bei BioTek Instruments, die Problematik. Die Firma sieht die Zukunft eher im Markt von kleineren Assayvolumina und einer offenen Architektur der Automations-Plattform. Neue Gerätegenerationen oder Pipettoren können in solch ein System integriert werden.

Der für Automationsstraßen und andere Anwendungen entwickelte Elx405 HT-Washer von BioTek Instruments löst Probleme, die jedem Anwender geläufig sind: Die Dispensier- und Absaugnadeln von Microplate-Washern verstopfen leicht. Sie gründlich zu reinigen ist lästig und kostet Zeit. Auch müssen die Geräte, abhängig von der Art und Häufigkeit der Anwendung (z.B. Elisa-Test), mit unterschiedlicher Frequenz und Intensität den Spülprozeduren unterworfen werden. Um diese Schwierigkeiten zu minimieren wurde jetzt ein Waschkamm mit speziellem Design entwickelt, der mit jeweils 192 Nadeln ausgestattet ist.

Mit diesem Waschkamm sind außerordentlich schnelle Waschzyklen möglich. Der vergrößerte Durchmesser der verwendeten Nadeln setzt außerdem deren Neigung zu verstopfen deutlich herab. ?Um die den Arbeitsfluss hemmenden Unterbrechungen zusätzlich zu reduzieren, kann ein weiteres Reinigungs-Modul integriert werden: Ein für die Washer-Serie Elx405 ausgelegtes Ultraschallbad, das sich per Knopfdruck aktivieren lässt, erleichtert und beschleunigt die Spülvorgänge.

Software ist ein Schlüssel

Der Editor epMotion von Eppendorf ist ein eigenständiges PC-Programm, das für die Smart Workstations epMotion 5070 und 5075 entworfen wurde. Diese leistungsfähigen Workstations sind präzise arbeitende, bedienerfreundliche Plattformen, die sich für zahlreiche Liquid-Handling-Anwendungen in der täglichen Laborarbeit einsetzen lassen. Mit Hilfe des epMotion Editor können Verfahrensabläufe erstellt, editiert oder überprüft werden, ohne dass die Arbeit am Rechner die Abwicklung anderer Aufgaben mit der Workstation behindert. Sind die am PC entwickelten Methoden fertiggestellt, werden sie auf eine Multi-Media-Card transferiert und können dann von der Workstation abgearbeitet werden. Es entstehen also keine unnötigen Wartezeiten an den Geräten.

Bei dem epMotion Editor wurden die Bedienphilosophie des Motion-Managers und die Bediensoftware des Control-Panels zusammengeführt. So ist für die Anwendung der Software kein eigenes Training notwendig. Das Softwarepaket ist so ausgelegt, dass der Nutzer die Daten der von ihm eingegebenen Anwendungen ohne Umstände archivieren und ausdrucken kann. Durch die Drag-and-Drop-Bedienung des Systems lassen sich alle Operationen intuitiv durchführen. Die Software kann für alle Geräte der epMotion-Serie ohne Einschränkung verwendet werden, ist also geeignet für die Liquid Handling Workstation epMotion 5070 und epMotion 5075 (LH) sowie für die 5075 Vakuumstation (VAC) oder den epMotion Mastercycler (MC).

Die Starplus-Workstation von Hamilton wurde für Labors entwickelt, die einerseits Bedarf an einer maßgeschneiderten Integrationslösung haben, zugleich aber auch die Vorteile eines abgeschlossenen Gesamtsystems nutzen wollen. Die Workstation lässt sich für die zu prozessierenden Anwendungen individuell konfigurieren. Das System erlaubt beispielsweise die Integration von Instrumenten wie Zentrifugen, Thermocyclern und Readern. Alle diese Geräte lassen sich unter dem Deck des Starplus zu einem geschützten und kompakten Gesamtsystem zusammenfassen. Die Abschirmung nach Außen und die kurzen Transportwege erhöhen außerdem die Prozesssicherheit.

Besonders hervorzuheben ist die hohe Flexibilität der gesamten Produktlinie: So kann eine Starlet-Workstation mittels eines Erweiterungsmoduls vor Ort zu einem Starplus-System umgebaut werden. Die Deckkapazität wird dadurch mehr als verdoppelt. Die Skalierbarkeit erlaubt es dem Anwender, mit einer kompakten Workstation in die Automation einzusteigen und das System schrittweise zu erweitern, wenn sich die Bedürfnisse verändern. Die Starplus-Workstation kann für individuelle Erfordernisse auch um Pipettier- und Plattentransport-Module ergänzt werden. Das anpassungsfähige System erlaubt die Auswahl von 4 bis 16 unabhängigen Pipettierkanälen, eines 96er-Kopfes und eines integrierten Greifarms für den Plattentransport. Diese Elemente können auf einem oder zwei parallel arbeitenden Armen untergebracht werden.

Das Pipettier-System basiert auf dem flüssigkeitsfreien Air-Displacement-Prinzip. Die Drucküberwachung der Pipettierschritte sorgt für hohe Reproduzierbarkeit und Sicherheit. Werden die flüssigkeitsfreien Pipettierkanäle mit Einweg-Tips kombiniert, sind Kontaminationen praktisch auszuschließen. Die Pipettierkanäle werden mit so hoher Genauigkeit positioniert, dass mit STARplus Mikrotiterplatten bis zum 1536er-Format bedient werden können. Für Dr. Jörg Pochert, Direktor der Pharma- und Biotech-Gruppe bei Hamilton Life Science Robotics ist ein absehbahrer Trend in der Laborautomatik die Nutzung integrierter Systeme: „Die verstärkte Nutzung integrierter Systeme zur Erzeugung und zum Teil auch Auswertung von Resultaten stellt insbesondere an die Steuersoftware hohe Anforderungen: Die Flexibilität soll hoch genug sein zur freien Integration, die Bedienführung muss aber zugleich übersichtlich und anwendernah sein.“

Reader für alle Platten-Formate

Der Envision Turbo aus dem Hause PerkinElmer ist ein Multilabel-Reader, der je nach Anwendung mit bis zu drei Photomultipliern (PMT’s) und zwei Lichtquellen ausgestattet wird. Als Lichtquelle steht ein Laser für die Alpha-Technologie und eine Xenonlampe für Absorption und Fluoreszenz zur Verfügung. Weitere optische Module sind ein bis zwei rote sowie ein blauer PMT, die optimale Detektionsempfindlichkeit bieten. Der blaue PMT ist direkt über der Probe angebracht, so dass kein Licht verloren geht.

Die für die jeweilige Anwendung abgestimmten optischen Module sind aus bis zu vier Filtern aufgebaut: Sie bestehen aus dem üblichen Anregungs- und Emissionsfilter und haben zusätzlich ein bis zwei dichroische Spiegel als Umlenkoptiken. Diese Spiegel haben eine Lichtausbeute von über 90 Prozent, also weit mehr als konventionelle Beamsplitter. Der Einsatz dieser Module erhöht nicht nur die Empfindlichkeit, er erlaubt auch die gleichzeitige Messung von zwei Emissionswellenlängen (Ratio-Messungen) oder die Messung beider Polarisationsebenen (Fluoreszenzpolarisation). Dadurch wird die Messzeit halbiert, ein Filterwechsel erübrigt sich.

Die Bedienung ist einfach, alle verwendeten Filter und optischen Module sind barcodiert und werden von Envision Turbo automatisch erkannt. Der Start Wizard der Software ermöglicht das einfache Erstellen von Methoden. Dazu gehört die automatisierte Feinjustierung von Plattenformaten bis hin zu 1536-Well-Platten. Gain-Optimierung und Anpassung der Detektorhöhe für die maximale Signalintensität erfolgen ebenfalls automatisch. Für hohe Probenzahlen kann das System mit Plattenstackern ausgestattet werden. Das Anbringen von Methoden- und Plattenbarcodes erlaubt die Integration oder Kombination mit anderen marktgängigen Automationssystemen.

Mit seinem Modell Envision Turbo spricht der Hersteller vor allem die pharmazeutische Industrie an. Für diverse Anwender in der Forschung steht mit Envision Xcite auch ein Einstiegsmodell zur Verfügung. „Die Entwicklungen der Zukunft sehen wir in einer weiteren Verbesserung der Software in Richtung One-button-Start, in einer noch intuitiveren Bedienung und in der Integration der Geräte in vielfältige Laborumgebungen“, beschreibt Ronald Edler, Applikationsspezialist bei PerkinElmer die Wünsche der Anwender.

Der Freedom Evolyzer von Tecan ist ein Gerät für die Verarbeitung von Enzyme Immuno Assays (EIA). Basierend auf der Freedom Evo-Plattform ist der Freedom Evolyzer mit einem Sunrise Reader, Columbus Washer und Inkubatoren ausgestattet, die durch ein spezielles Software-Paket zuverlässig gesteuert werden. Ausgelegt für unterschiedliche Durchsatzraten und Batches ist das System in den Größen 100, 150 und 200 sowie mit unterschiedlicher Nadelzahl erhältlich.

Ausgerüstet mit besonderen Eigenschaften, wie fortlaufendes Beladen und paralleles Probenpipettieren über mehrere Platten, gestattet diese Plattform eine effiziente Nutzung des Systems. Das integrierte ASTM (American Society for Testing of Materials)-Interface gewährleistet einen problemlosen Datenaustausch mit den im Labor verwendeten LIS/LIMS sowie die flexible Abarbeitung von Arbeitslisten. Der Freedom EVOlyzer automatisiert als offenes System handelsübliche EIA-Tests, die in der Diagnostik in Form von auf Mikroplatten basierenden Assays zum Einsatz kommen. Anwender sind also Labore, Kliniken, Blutbanken und ähnliche Einrichtungen.

Die Sicherheit von Bedienpersonal und Patienten wird durch validierte Protokolle gewährleistet, die unerlaubte Änderungen verhindern. Der Hersteller bietet außerdem Trainingskurse zur Bedienung und zum Einrichten von Arbeitsvorgängen an.

Handling von Mikrotiterplatten

Das automatische Handling von Mikrotiterplatten übernimmt der Rapid Stak von Thermo Electron. Die im Name versprochene Schnelligkeit löst das System durch seine außerordentlich kurzen Zugriffszeiten ein: Ein Arbeitszyklus aus Be- und Entladen dauert gerade sechs Sekunden. Die Ladearbeit wird bei einem Fassungsvermögen von bis zu 150 Platten - im SBS-konformen Mikrotiterplatten-Format - bewältigt. Auch die Installation geht - plug and work - schnell und einfach vor sich. Das Platten-Handling wird von Sensoren gesteuert und ist Error-überwacht.

Das System arbeitet als Stand-alone-Gerät, ohne komplizierte PC-Steuerung. Der Anwender füllt die Staks mit den Mikrotiterplatten, stellt sie in den Rapid Stak, drückt die Play-Taste und schon führt der Rapid Stak die Mikrotiterplatten automatisch dem angeschlossenen Gerät zu. Das System arbeitet dabei unabhängig von der Plattform und kann jederzeit auf ein anderes Gerät umgestellt werden. Über eine RS 232 erfolgt die Kommunikation mit dem Multi Drop 384, dem Multi Drop Micro Dispenser und dem Well Wash Ac des Herstellers.

Synthese

Speziell für die Erfordernisse bei der Proteinkristallisation hat Zinsser Analytic das System ProCrys 2002 zur Erstellung von Pufferlösungen in Quellplatten konzipiert. Zuerst werden auf dem System mithilfe einer eigens dafür entwickelten Sortiersoftware die Quellplatten-in diesem Fall Deepwellplatten - mit den Bibliotheksubstanzen gefüllt.

Diese Software berechnet die benötigten Volumina und optimiert gleichzeitig den Arbeitsprozess. Der Anwender erstellt lediglich eine (Excel-)Datei, welche die Barcodes der Quellplatten und die Zielkonzentration der Pufferlösungen enthält. Ein integrierter Plate Sealer verhindert die Verdunstung. Dabei werden die Deepwellplatten nach dem Befüllvorgang an den Plate Sealer übergeben, der die Platten mit einer Folie verklebt. Anschließend werden diese Platten auf der Arbeitsfläche gestapelt.

Die Verteilung des Proteins erfolgt mit einem Nanodispensiergerät, dem HoneyBee von GenomicSolutions. Dieses Gerät wurde speziell für die Sitting-Drop-Technik entwickelt. HonyBee verfügt über bis zu drei Proteinkanäle für schnelles und ökonomisches Verteilen, da zwischendurch kein Waschschritt nötig ist. Dabei sind alle herkömmlichen Plattentypen für die Proteinkristallisation verwendbar.

ProCrys 2002 plaziert die Quellplatten und Kristallisationsplatten auf den Nanodispenser. Dort werden die Kristallisationsplatten mit Pufferlösungen und Protein befüllt. Anschließend gehen die Kristallisationsplatten weiter an den Plate Sealer. Mit dem Vorbereiten von Quellplatten aus Bibliothekssubstanzen und dem Dosieren von Protein im Nanoliterbereich, liegt eine Komplettlösung für die Probenvorbereitung in der Proteinkristallisation vor.

*Dr. H. Bruckner, Redaktionsbüro BioScript,München

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