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Artikel und Hintergründe zum Thema

Mikrodosiersysteme im Fokus

Laborautomation und Ressourcenmanagement

Das Autorenteam von M2-Instruments und M2-Automation betrachtet den Einsatz automatisierter Mikrodosiersysteme im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit in Laboren.

Der Erdüberlastungstag, auch bekannt als Earth Overshoot Day, markiert den Zeitpunkt, an dem die Menschheit die natürlichen Ressourcen der Erde für das jeweilige Jahr aufgebraucht hat. Ab diesem Tag leben wir praktisch auf Kredit und verbrauchen mehr Ressourcen, als die Erde in einem Jahr regenerieren kann. Diesen Tag erreichten wir dieses Jahr bereits am 1. August. Das ist ein alarmierendes Zeichen dafür, dass wir die natürlichen Ressourcen unseres Planeten überstrapazieren. Deshalb ist eine nachhaltige Nutzung unserer begrenzten Ressourcen von entscheidender Bedeutung. [1, 2]

Begleitet wird dieses Phänomen von einem fortwährenden globalen Bevölkerungswachstum sowie steigender Lebenserwartung und einem damit einhergehenden wachsenden Bedarf an medizinischer Versorgung und Diagnostik. Dies wird insbesondere in den Statistiken zur In-vitro-Diagnostik in der Medizin und im Life-Science-Sektor deutlich: Der weltweite Umsatz belief sich 2010 auf rund 35 Milliarden Euro. Prognosen zufolge soll sich dieser im Jahr 2024 auf über 74 Milliarden Euro erhöhen. [3] Besonders der Point-of-Care-Sektor hat enorm an Bedeutung gewonnen. So belief sich im Jahr 2018 das weltweite Marktvolumen auf etwa 22 Milliarden Euro. 2026 wird sich dieser Wert mit voraussichtlich 47 Milliarden Euro mehr als verdoppelt haben. [4]

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Hierbei stellt sich nun die Frage, welche Auswirkungen diese Entwicklungen auf die zukünftige Arbeit im Labor hat. Ein effektives Ressourcenmanagement ist bei einem stetig wachsenden Arbeitsvolumen eine wesentliche Voraussetzung und von entscheidender Bedeutung. Im Laboralltag überträgt sich dies in eine zwingende Notwendigkeit für einen möglichst reibungslosen Betrieb und effiziente Prozessführung. Ressourcen wie Zeit, Personal, Material, Geräte und Proben sind begrenzt und teils nur unter spezifischen Bedingungen optimal zu verwenden. Wie lässt sich also trotz des gesteigerten Bedarfs ein bewusstes Ressourcenmanagement im Labor umsetzen, um längerfristig auch einen positiven Einfluss auf die Umwelt zu nehmen?

Aspekt Labordiagnostik

Der Schlüssel liegt hier in der Laborautomatisierung. Laborautomatisierung und In-vitro-Untersuchungen stehen in engem Zusammenhang und spielen eine wichtige Rolle in der heutigen medizinischen Diagnostik. Durch die Automatisierung von Laborprozessen können Tests schneller, präziser und effizienter durchgeführt werden. Dies führt zu einer verbesserten Patientenversorgung und ermöglicht eine schnellere Diagnosestellung.

Insbesondere spielt die effiziente Nutzung von Ressourcen im Labor eine entscheidende Rolle. Handhabung und Vorbereitung von Probenmaterial können mitunter äußerst schwierig sein. Gerade beim händischen Dosieren von besonders geringen Flüssigkeitsmengen stellt die Reproduzierbarkeit der abgegebenen Volumina ein deutliches Problem dar. Da das genaue Dosieren von Flüssigkeiten allerdings eine der Hauptaufgaben im Labor ist, wurde schon früh an automatisierten Lösungen gearbeitet. Bereits im Jahr 1951 gab es das erste richtungsweisende Patent, bekannt als Siemens-Elema Minograf-Aufzeichnungsmechanismus (US-Patent 2.566.443) [5]. Dieser präsentierte einen Ansatz zur kontrollierten Abgabe von geringsten Flüssigkeitsvolumen. Seitdem wurden verschiedenste Technologien entwickelt, ein prominentes Beispiel ist die Tintenstrahl- bzw. Inkjet-Technologie. Auf deren Grundlage konnten in dem Bereich Drop-on-Demand piezoelektrische und ventilbasierte Systeme etabliert werden und hielten als wichtiges Hilfsmittel Einzug in den Laboralltag.

Durch den Einsatz von automatisierten Mikrodosierrobotern können Dosierprozesse präzise und genau durchgeführt werden. Die Roboter sind in der Lage, kleine Volumina von Flüssigkeiten zu dosieren und gleichzeitig die Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Aus diesem Grund konnten sich automatisierte Prozesslösungen erfolgreich am Markt etablieren und sind in einer Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, dazu zählen unter anderem Assays, PCR-Reaktionen und Zellkulturen.

Mikrodispensier-Roboter vs. händisches Pipettieren: Auf der rechten Seite wird manuell mit einer 10-μl-Pipettenspitze pipettiert. Links dosiert der Mikrodosierroboter „iONE-1200“ von M2-Automation mittels Piezo-Dispenser ein Array mit Tröpfchen von je 300 pl Volumen. © M2-Automation

Im Detail betrachtet bietet die Nutzung von Mikrodosierrobotern für Labore eine Vielzahl von Vorteilen. Im Vergleich zum Menschen können Roboter kontinuierlich und schnell mit einer besonders hohen Reproduzierbarkeit arbeiten. Das erhöht die Produktivität im Labor und sorgt für eine effizientere Durchführung von Experimenten. Die Zeiteinsparung geht mit einem höheren Durchsatz und durch den geringeren Arbeitsaufwand für Laboranten und Laborantinnen auch mit einer Entlastung des Laborpersonals einher.

Des Weiteren machen Mikrodosierroboter eine äußerst präzise Dosierung von Flüssigkeiten und Substanzen möglich. Durch die Verwendung von automatisierten Lösungen können auch hoch sensible Proben und Medien in einer kontrollierten Umgebung gehandhabt werden. Unterhalb von einem Mikroliter "übertrifft" die Mikrodosierung das Pipettieren auch dahingehend, dass menschliche Fehler minimiert werden. Beim Pipettieren von Mikrolitern ist es zudem üblich, dass für jede einzelne Probe immer wieder neue Kunststoff-Spitzen aufgenommen werden müssen, wodurch unzählige Ressourcen wie Erdöl und Energie verbraucht werden. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der Mikrodosierroboter gegenüber dem herkömmlichen Pipettieren: Die Dispensiermodule im Sub-Mikroliter-Bereich sind langlebig und wiederverwendbar. Die Spitzen können nach jedem Dispensiervorgang innen und außen gereinigt werden. Dadurch reduzieren sich die Kosten für Verbrauchsmaterialien im Labor und zeitgleich wird die Umwelt geschont.

Neben der hochpräzisen Abgabe ist die Positioniergenauigkeit ein weiterer Vorteil: Durch moderne Zustellsysteme können Proben mit einem minimalen Abstand dosiert werden. So können verschiedenste Proben auf Flächen von weniger als 1 mm² und in Kanäle mit einer Breite von nur 200 µm dispensiert werden. Hierbei ermöglicht die Wiederholgenauigkeit der Zustellung eine mehrfache Tropfenabgabe. Dadurch werden eine positionsbezogene Behandlung und das hochdichte Drucken von Arrays auf äußerst kleinen Oberflächen möglich.

Ohne diese Präzision ist bspw. die Herstellung innovativer Biosensoren und Biochips sehr schwierig und auch zeitintensiv. Zahlreiche Biomoleküle, wie etwa spezifische Antikörper, werden auch nicht in größeren Mengen eingesetzt, da sie sehr teuer sind. Mikrodosierroboter ermöglichen hier eine effiziente Miniaturisierung durch hohe Präzision und reproduzierbare Dosierung von Kleinstvolumina. Das vereinfacht die Integration komplexer Arbeitsabläufe bestehend aus mechanischen und fluidischen Komponenten auf einem kleinen Chip.

Auch können durch die Verwendung von Aliquoten in Pikolitermengen knapp vorhandene bzw. verfügbare Fluide effizient genutzt werden und in einem Mehrfachansatz mehrere Analysen durchgeführt werden. Gute Beispiele hierfür sind hochdichte Arrays von Peptiden für die Epitopkartierung von Antikörpern oder von menschlichen Proteinen für das krankheitsspezifische Autoantikörper-Screening in Serum- oder Plasmaproben.

Parallelisierung von Analysen

Mittels Mikrodosierung können ganze Arrays in ein Well einer Mikrotiterplatte (MTP) dosiert werden (in diesem Beispiel mit dem Gerät „iFOUR“ von M2-Instruments). So liefert ein Test mit einem 16-x-16-Array pro Well (s. mittleres und rechtes Well) 256 Ergebnisse anstatt nur eines pro Well (s. linkes Well). © M2-Instruments

Durch die Miniaturisierung können viele Ressourcen sowie Platz und Zeit eingespart werden. Somit kann beispielsweise ein Test in einer 96-Well-MTP anstatt eines Ergebnisses pro Well ein paar Hundert Analysemöglichkeiten pro Well liefern. Ausgehend von einer einzelnen Analyse pro Well kann nun ein (bis zu) 20-x-20-Array in ein Well dispensiert werden. Das macht in Summe (bis zu) 400 Analysen pro Well. Durch diese Parallelisierung kann eine wertvolle Probe mit vielen verschiedenen potenziellen Bindungspartnern in einem Ansatz analysiert werden. Die Parallelisierung von Analysen kommt unter anderem zur Anwendung bei der Subtypisierung bakterieller oder viraler Infektionen. Sie vereinfacht so das Screening von Patientenproben. Das ist besonders wichtig bei der diagnostischen Überwachung von Krankheitszuständen und -verläufen. Der gesteigerte Durchsatz und die Parallelisierung von Analysen sorgen für eine höhere Effizienz, wodurch nicht zuletzt wichtige Ressourcen eingespart werden.

Aspekt Gerätematerialien

Es ist sinnvoll, bei der Auswahl von Laborgeräten, so auch bei der Wahl eines Dosierroboters, darauf zu achten, dass das Gerät aus möglichst wenig unterschiedlichen Materialien besteht und nicht lackiert ist. Somit wird im Sinne der Öko-Effizienz gewährleistet, dass solche Geräte nach einer langen Einsatzzeit einfach recycelt werden können.

Fazit

Zusammenfassend bedeutet die Automatisierung im Labor mit Hilfe von Mikrodosierrobotern auch einen Schritt in Richtung eines nachhaltigen Ressourcenmanagements. Durch die Reduzierung des Verbrauchs von Reagenzien und die Minimierung von Glas- und Kunststoffabfällen kann der Einsatz von Mikrodosierrobotern auch zur Schonung der Umwelt beitragen.

Literatur / Quellen
[1] www.wwf.de/earth-overshoot-day
[2] www.umweltbundesamt.de/themen/erdueberlastungstag-ressourcen-fuer-2022-verbraucht
[3] Statista, Industrien & Märkte, In-vitro Diagnostik (IVD), 2023
[4] Statista, Konsumenten & Marken, Personalisierte Medizin, 2023
[5] Elmqvist, R., "Measuring Instrument of the Recording Type", U.S. Patent 2566443 (1951)

AUTOREN: Dr. Susanne Schlegel und Dr. Kai-Henning Lietzau

Dr. Susanne Schlegel
Applikationsspezialistin
M2-Instruments GmbH, Wildau
Tel.: 03375/9212989
[email protected]
www.m2-instruments.com

Dr. Kai-Henning Lietzau
Projektmanager
M2-Automation GmbH, Berlin
Tel.: 030/85611939-0
[email protected]
www.m2-automation.com

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