Automatisierte Forschung

Stammzell-Kultivierung: automatisiert und doch flexibel

In einem weltweit führenden Pilotprojekt werden in einer automatisierten Anlage, der Stem-Cell-Discovery, mithilfe eines Denso-Roboters VS-087 Stammzellen erforscht und kultiviert. 

Die Stem-Cell-Discovery ist eine voll automatisierte und geschlossene, aber flexibel agierende Plattform für die Kultivierung von Stammzellen. (Bild: Fraunhofer IPT)

In einem Pilotprojekt kultivieren und erforschen Wissenschaftler am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) Stammzellen in einer automatisierten Anlage: Die Stem-Cell-Discovery wird dabei von einem Denso-Roboter VS-087 unterstützt. 

Grundlage des Projekts sind mesenchymale Stammzellen (MSC), die aus dem Gewebe erwachsener Menschen gewonnen werden. Die MSCs sind für die regenerative Zelltherapie hochinteressant, weil sie viele neue Zelltypen bilden können, andere Zellen zum Wachstum anregen und positiv auf das Immunsystem eines Menschen einwirken.

Der Denso-Roboter VS-087 fungiert als flexible Handlingeinheit für alle Transporte innerhalb der Plattform. (Bild: Fraunhofer IPT)

„Die Kultivierung dieser Zellen dauert allerdings lange und ist arbeitsintensiv“, berichtet Michael Kulik, der das Projekt am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT als Gruppenleiter betreut. Menschliche Interaktion allerdings erhöht das Fehlerrisiko und erschwert die Reproduzierbarkeit. Nicht zuletzt sind Zellkulturen lebendes Material, sodass eine Reinraum-Umgebung entscheidend ist und besondere Anforderungen an die eingesetzten Geräte gestellt werden.

Kultivierung der Zellen und Generierung experimenteller Daten
Diese Herausforderungen soll nun die Stem-Cell-Discovery lösen – eine voll automatisierte und geschlossene, aber flexibel agierende Plattform für die Kultivierung von Stammzellen. Die MSCs werden hier vermehrt und erforscht, außerdem werden verschiedene Laborprozesse durchgeführt – von der Kultivierung der Zellen bis zur Generierung experimenteller Daten. Eine zentrale Funktion in der Anlage übernimmt der Denso-Roboter VS-087: Er fungiert als flexible Handlingeinheit für alle Transporte innerhalb der Plattform; so transportiert er Zellkulturen in Multititerplatten und Falcon Tubes zwischen den einzelnen Prozessier- sowie Messgeräten und erlaubt eine hochpräzise Positionierung derselben; diese Genauigkeit ist insbesondere am Mikroskop wichtig, wo das Zellkulturgefäß zusätzlich vom Roboter umgriffen wird, um dieses in die dafür vorgesehene Halterung einzusetzen.

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Die Stem-Cell-Discovery basiert auf dem Zusammenspiel unterschiedlicher Geräte, der VS-087 lässt sich leicht integrieren und programmieren. (Bild: Fraunhofer IPT)

Darüber hinaus übernimmt der Roboter alternativ das „Shaken“ der Kulturen: Hierbei kommt es auf eine gleichmäßige und reproduzierbare Umsetzung an; so schwenkt der Roboter die Zellprodukte stets mit derselben Geschwindigkeit und Bewegung – ein entscheidender Faktor, denn durch ungleichmäßige Bewegung kann es passieren, dass Zellen sich an den Rändern des Gefäßes festsetzen und so zu einem veränderten Wachstum führen.

Alle Geräte über eine Oberfläche steuerbar
Die Forschergruppe entschied sich für den VS-087, weil er sich leicht integrieren und programmieren lässt. Die Stem-Cell-Discovery basiert auf dem Zusammenspiel unterschiedlicher Geräte. „Wir haben eine dienstbasierte, flexibel konfigurierbare Prozess-Software entwickelt, die alle Abläufe kontrolliert und adaptiv auf diese reagieren kann, wie zum Beispiel beim Wachstum der Zellen“, berichtet Sven Jung, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Projekts und für die Programmierung zuständig. Die parametrisierbaren Dienste werden über ein Integration Framework aus allen Geräten extrahiert und ermöglichen eine modulare Ausführung von Prozessschritten – je nach Bedarf. Über eine intuitive Benutzeroberfläche lassen sich die zur Verfügung stehenden Dienste steuern oder zu beliebigen Abläufen zusammenstellen. So sind für den User alle Geräte – vom Mikroskop über den VS-087, von der Liquid-Handling-Unit bis zum Inkubator und verschiedene Magazine – über eine grafische Benutzeroberfläche steuerbar.

Auch der VS-087 ist über das Integration Framework an die Anlage angebunden. Durch die Roboter-Schnittstelle lassen sich die Dienste des Roboters aus der realen Welt abbilden und ermöglichen so eine intuitive Nutzung des Roboters. Der VS-087 wird über den eingebauten RC8 Controller gesteuert. Die Software übernimmt auch die gesamte Überwachung des Roboters, so dass etwaige Prozessschwankungen sofort registriert und behoben werden können. In Zukunft soll die Anlage durch Anwendung statistischer Methoden (BigData and Analytics) zu neuen Erkenntnissen beitragen und die Suche nach innovativen Therapien begünstigen und beschleunigen. 

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