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Moderne Bildanalyse Mikroskopie im „Smart Lab“

| Autor/ Redakteur: Sebastian Tille* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Zeiten sind vorbei, dass Insellösungen Labore dominieren. Die Vernetzung zwischen Systemen schreitet in modernen Laboratorien immer weiter voran. Doch was bedeutet „Smart Lab“ für die Laborplanung und speziell für die Mikroskopie? Dieser Beitrag gibt Antworten.

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Abb.1: Die hochauflösende digitale Bildgebung ermöglicht die Archivierung und den Austausch von Bildaufnahmen mikroskopischer Proben.
Abb.1: Die hochauflösende digitale Bildgebung ermöglicht die Archivierung und den Austausch von Bildaufnahmen mikroskopischer Proben.
(Bild: Leica Microsystems)

Der rasante Fortschritt durch moderne Technologien in der klinischen und biowissenschaftlichen Forschung eröffnet immense neue Möglichkeiten. Es gelingt so, schneller und präziser gewünschte Ergebnisse zu erhalten und beispielsweise die Entwicklung und Ausbreitung von Krankheiten zu erforschen, um diese zu therapieren, früher zu erkennen oder sogar zu verhindern. Ein Großteil dieses Fortschritts ist der zunehmenden Automatisierung von Prozessen und Aufgaben sowie komplexen Systemen für die Erhebung und Auswertung von Daten zuzurechnen.

Ein so genanntes „Smart Lab“ ist der Trend der Zukunft, doch ist der Betrieb eines solchen Labors oft mit höheren Kosten und Investitionen in komplexe Systeme verbunden. Darüber hinaus erschweren die unterschiedlichen Geräte und konkurrierende Formate reibungslose Automatisierungsprozesse und eine übergreifende Zusammenarbeit. Auch das Handling und die Verwaltung von riesigen Datenmengen, stellt die Arbeit im Labor oft vor Herausforderungen.

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Eine gute Laborplanung spart Kosten und Zeit

Ein “Smart Lab“ setzt eine moderne und leistungsfähige Ausstattung voraus. Die Nutzung und Instandhaltung der Geräte kostet Zeit und Geld. Erschwerend kommt hinzu, dass in vielen Forschungsgebäuden die Infrastruktur unzureichend und der Platz begrenzt ist. Die intelligente Konzipierung der Labore hinsichtlich digitaler Infrastrukturen und eine durchdachte Platzierung der einzelnen Geräte wird somit unerlässlich. So sollte bei der Konzeption eines Labors auch die Klimatisierung der Räume in Bezug auf die Nutzung von empfindlichen Messsystemen berücksichtigt werden, da Temperaturschwankungen oder auch Vibrationen durch Luftströmungen beispielsweise bei Mikroskopen die Bildaufnahme, vor allem bei Studien über einen längeren Zeitraum, stark beeinträchtigen können. Geräte, inklusive Stromversorgungen, die erhebliche Wärme oder auch Lärm erzeugen, müssen unter Umständen von anderen empfindlichen Geräten entfernt oder sogar in einem separaten Raum untergebracht werden. Um die Bildqualität von Mikroskopen nicht durch Streulicht zu beeinflussen, sollte das Licht im Labor dimmbar sein oder aber der Mikroskop-Arbeitsplatz mit einem Vorhang abtrennbar sein. Außerdem gilt es mechanische oder akustische Vibrationsquellen zu vermeiden, die sich negativ auf die Probe und damit die resultierenden Untersuchungsergebnisse auswirken könnten. Deshalb werden empfindliche Mikroskop-Systeme häufig in Erd- oder Tiefgeschossräumen und abseits von großen Maschinen, einschließlich Aufzügen, aufgestellt.

Ein weiterer zu bedenkender Punkt ist die Frage nach dem Umgang mit erzeugten Datensätzen, die im Beispiel der Mikroskopie beträchtliche Größen annehmen kann, was die Frage nach der Infrastruktur für den Datentransfer via schnellen lokalen Netzwerken und der weiteren Datenverarbeitung aufwirft. Vorteilhaft ist dann, wenn man Systeme einsetzen kann, die direkt auswertbare Daten liefern. Hier setzt Leica Microsystems auf intelligente Bildgebungsverfahren, wie die Thunder-Imager-Systeme. Diese Instrumente unterstützten Forscher, indem sie schnell und einfach beispielsweise ganze Organismen in 3D und mit feinsten strukturellen Details erfassen und visualisieren können. Eine gelöste Herausforderung dabei ist, die gewünschte Information in den Bilddaten von unwichtigen Informationen oder Einstreuungen aus anderen Bereichen der dreidimensionalen Probe zu unterscheiden.

Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Planungspunkt bei der Ausstattung ist die Vereinbarung von Serviceverträgen mit dem Hersteller schon bei der Anschaffung von Geräten zu Beginn eines Projekts. Viele der aktuellen Förderprogramme, stellen einmalig Geld für ein Forschungsprojekt bereit, aber nicht unbedingt die Zuweisung von Mitteln für wiederkehrende Ausgaben wie Wartungsverträge. Jedoch ist besonders bei Mikroskopen eine regelmäßige Pflege erforderlich, um die Bildqualität und die optimale Funktion der Geräte zu gewährleisten.

Moderne Technologien maximieren Produktivität

Laboranten arbeiten mit mehreren unterschiedlich komplexen Instrumenten und Systemen, oft mit relativ wenig Zeit, um die Feinheiten der Bedienung jedes einzelnen zu erlernen. Die Automatisierung einfacher Prozesse und die Bereitstellung intuitiv zu bedienender Software mit verbesserter Benutzerfreundlichkeit kann dazu beitragen die Effizienz der Laboranten zu maximieren und mehr Zeit zu schaffen, um sich auf andere Prioritäten zu konzentrieren. In einem intelligent gestaltetem Labor schalten sich beispielsweise Geräte automatisch aus, wenn sie ihre Funktion erfüllt haben. Licht und Klimaanlagen können sich selbst regulieren und anpassen. Einige Labore investieren mittlerweile in automatisierte Laborassistenten, um die Durchlaufzeiten zu verkürzen und den Mitarbeiter zu ermöglichen, ihre Fähigkeiten dort einzusetzen, wo sie am dringendsten benötigt werden. Dieser Trend veranlasste Leica zur Entwicklung von PAULA, dem Personal Automated Lab Assistant. Er unterstützt Forscher bei der vereinfachten, automatisierten Überwachung von Zellkulturen und sendet sogar eine Benachrichtigung über Ereignisse an entfernte Anwender, wie beispielsweise das Erreichen eines definierten Zellwachstums.

Die Wissenschaftler und Forscher sind diejenigen, die den digitalen Wandel im Labor vorantreiben, indem sie die bestehenden Mikroskopie-Technologien bis an die Grenzen des Möglichen bringen. Neue Trends, wie der Nutzen von lebenden Proben, insbesondere in Bereichen der Krebsforschung, Neurowissenschaften sowie der Erforschung von Infektionskrankheiten, ermöglichen es ihnen, biologische Veränderungen in Echtzeit zu sehen und besser zu verstehen, wie z.B. ein Organismus auf ein Virus reagiert oder wie gut- oder bösartiges Zellwachstum begründet ist und beeinflusst werden kann.

Durch den Einsatz moderner Technologien werden Wissenschaftler und Forscher in Zukunft mehr Zeit für noch schwierigere Fragen haben. Generell gibt es einen starken Trend hin zu intelligenten Assistenzsystemen, sei das bei der Datenaufnahme, der Verfügbarmachung von Daten oder dem Auffinden von Daten und dem Entdecken von darin enthaltener Information.

Datenaustausch treibt Forschung voran

So wichtig Automatisierungsprozesse, neue Technologien und die intelligente Konzipierung der Labore ist, bleibt eine bedeutende Hürde der Mangel an Kooperation zwischen den führenden Akteuren. Ein verstärkter Austausch mit Partnern und Nutzern schafft es nicht nur, Vertrauen aufzubauen, sondern auch bestehende Produkte und Ansätze zu verbessern, um sich wandelnden Bedürfnissen stellen zu können. Es müssen Rahmenbedingungen geschaffen werden, die einen zentralen Dialog und eine Zusammenarbeit fördern, wie beispielsweise bei Kollaborationen im so genannten Open-Source-Bereich, bei dem u.a. auch die Standardisierung von Formaten und Prozessen diskutiert und vorangetrieben wird. Standards für die Beschreibung von Bildinhalten und Aufnahmeparametern über Metainformationen erleichtern die Auffindbarkeit, Zusammenführung und einheitliche Auswertung wissenschaftlicher Bilder und damit am Ende die übergreifende Zusammenarbeit.

Hierfür müssen sich zunächst Hersteller und Forscher an dem orientieren, was sie in Bezug auf offene Zusammenarbeit und Formatstandardisierung erreichen wollen. Einige Mikroskop-Hersteller unterstützen z.B. das OME-Format zum Speichern von Bilddaten, das es Wissenschaftlern ermöglicht, diese systemübergreifend zu verwenden. Das ist noch nicht perfekt und es wird noch einige Zeit dauern, bis ein universaler Standard etabliert ist, der die gesamte Bandbreite an Daten abdeckt. Aber es stellt einen Anfang für den Übergang zu mehr Datenaustausch dar.

Die Lösung: Das intelligent konzipierte Labor

Das Smart Lab der Zukunft leitet eine neue Phase der Wissenschaft ein. Es beinhaltet nicht nur die Investition von moderner Technologie, sondern auch eine gut durchdachte Planung von Raum und Fördergeldern sowie die Pflege für eine Langlebigkeit der erworbenen Geräte. Das vernetzte Labor, in dem zunehmend Prozesse wie die Auswertung von großen Datenmengen automatisiert wird, vereinfacht die tägliche Arbeit mit dem Ziel, in Zukunft die Forschung weiter voranzutreiben und eine stärkere Zusammenarbeit zwischen den führenden Akteuren auszubauen.

* S. Tille, Global Director Open Innovation, Leica Microsystems, 35578 Wetzlar

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