Das Labor der Zukunft

Roboter, Mikrochips und RFID machen Laborarbeit effizienter

Roboter, die Proben selbstständig einfrieren, oder Software, die die zeitraubende Dokumentation der vielen Arbeitsschritte automatisiert - neue Technologien machen die Arbeit in biomedizinischen Laboren effizienter, sicherer und schneller.

Die Arbeit in biomedizinischen Labors ist vielfältig: Laboranten tröpfeln Flüssigkeiten in Reagenzgläser, frieren lebende Zellen in flüssigem Stickstoff ein und versetzen Blut mit Chemikalien, um Krankheiten nachzuweisen. Zentrifugen trennen Blut in seine Bestandteile auf. Bakterien wachsen in Probenschälchen im Brutschrank heran. Viele dieser Analyseschritte werden von Hand erledigt – wie etwa das Umsetzen der Probenröhrchen. Sogar in einem mit moderner Automationstechnik ausgestatteten Labor gibt es heute noch bis zu 80 % Handarbeit. Wer beim Arzt eine Blutprobe abgibt, muss in der Regel ein paar Tage auf den Befund warten. Gerade, wenn es um kritische Dinge wie eine mögliche HIV-Infektion geht, bedeutet das für den Betroffenen oft banges Warten in Ungewissheit.

Dass eine Laboranalyse länger dauert, liegt nicht zuletzt an der aufwändigen Dokumentation. Über jede Probe, über jeden Arbeitsschritt muss akribisch Protokoll geführt werden. Das kostet Zeit und ist fehleranfällig. Um den Laboranten die Arbeit zu erleichtern, Fehler zu reduzieren und die Analysen schneller zu machen, arbeiten Forscher vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, gefördert von der saarländischen Landesregierung, am Labor der Zukunft. Erfolgreich realisiert wurde bereits ein ganzes Bündel an technischen Lösungen, welche die Untersuchungen und vor allem auch die Dokumentation der Proben weitgehend automatisieren.

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Das bedeutet jedoch keineswegs, dass ein Labor seine Technik komplett erneuern oder die Arbeitsabläufe radikal ändern muss. "Wir gehen von den bestehenden Abläufen und Instrumenten aus", sagt IBMT-Projektleiter Daniel Schmitt. "Je nach Bedarf können die Labore die Technologien Stück für Stück implementieren." Dies gilt auch für künftige Neuerungen. So soll demnächst noch eine drahtlose Steckdose für Laborgeräte hinzukommen. Geräte werden dazu mit induktiver Energieübertragung nachgerüstet, die kein Kabel benötigt. Strom wird elektromagnetisch übertragen. Das entschärft ein altes Problem der Labortechnik: Konventionelle Steckverbindungen lassen sich schlecht abdichten und reinigen und sind daher in Laboren in puncto Hygiene problematisch.

Probenröhrchen mit Mikrochips
Die IBMT-Experten haben gemeinsam mit Hochschulen und mittelständischen Unternehmen im Saarland noch weitere Neuerungen konzipiert - etwa die automatische Erfassung der Proben. Dazu werden in die Probenröhrchen aus Kunststoff kleine Mikrochips eingeschmolzen, die alle Informationen wie etwa das Datum, die Herkunft oder den Namen des Patienten sowie Informationen zum Ablauf oder zu Besonderheiten der Probennahme speichern. Früher wurden diese Röhrchen per Hand beschriftet, seit einiger Zeit steckt die Information in einem Barcode, der eingescannt werden kann. Doch für eine vollautomatische Anlage reicht das nicht. Denn die Information auf einem Barcode lässt sich nicht verändern.

Anders der Mikrochip. Steckt man das Röhrchen in die Analysengeräte, wird auf dem Chip automatisch mitgeschrieben, was wann von wem gemacht wurde. Damit enthält das Röhrchen selbst eine lückenlose Historie, ohne dass der Laborant mühsam ein schriftliches Protokoll führen muss. "Für gewöhnlich wird die Probe von einem Protokollzettel begleitet", sagt Schmitt. In anderen Fällen kündigt man die Probe mitsamt allen Informationen per E-Mail an. "Mit dem Chip aber sind Probe und Information unmittelbar verbunden. Nichts kann verloren gehen."

Proben bei minus 140 °C archivieren
Ein Entwicklungsschwerpunkt der IBMT-Forscher ist seit langem die Biokryotechnik, die Kältetechnik für Labore. Das "Fraunhofer-BioArchiv"  konserviert Lebendproben bei unter -140 °C. Heutzutage frieren Biobanken mit Kryotechnologie Stammzellen, Zellgewebe und sogar ganze Hauttransplantate ein - zum Beispiel für die Behandlung von Brandwunden.

Doch alle haben dasselbe Problem: Öffnet man den Kühlbehälter, um eine Probe einzulagern oder zu entnehmen, dringt Feuchte ein, die sofort gefriert. Nach und nach setzt sich der Behälter zu, bis er schließlich geleert und enteist werden muss. Eine aufwändige Prozedur. Die IBMT-Forscher haben deshalb einen Entnahme-Roboter entwickelt, der die Probenröhrchen über eine Kälteschleuse einführt. So bleiben die Feuchte oder auch Verunreinigungen draußen.

Roboter arbeitet auch bei Kälte zuverlässig
Große Kryobehälter bieten mehreren Tausend Proben Platz. Für Laboranten ist es eine Herausforderung, den Überblick zu behalten. Oft dauert es einige Zeit, bis man die gewünschte Probe findet. Mit dem Roboter geht es schneller. Die Probenröhrchen sitzen im Behälter in einem Gestell und können elektronisch ausgelesen werden. Dank dieser Inventur kann der Roboter stets schnell und zielsicher zugreifen. "Wichtig war für uns, dass unsere Probenröhrchen mit herkömmlichen Gestellen und Geräten kompatibel sind", sagt Schmitt. Zudem mussten die Forscher zunächst Mikrochips testen und finden, die bei diesen tiefen Temperaturen zuverlässig arbeiten und den häufigen Wechsel zwischen Raum- und Tieftemperatur überhaupt aushalten. Wenn Labors dies wünschen, können die Chips um eine Funkfunktion erweitert werden - eine RFID-Antenne, mit der sich die Information per Radiosignal lesen und schreiben lässt. Derzeit wird das Funksignal vor allem verwendet, um die Daten auf den Chips zu verschlüsseln. Das ist wichtig, wenn Informationen über Patienten oder andere sicherheitsrelevante Daten gespeichert sind.

Die Kryotechnik ist nur eine Facette des Labors der Zukunft. Die IBMT-Forscher hatten den Anspruch, das Labor als Gesamtheit zu verstehen und den Workflow in Gänze zu optimieren und zu standardisieren. Deshalb haben sie zusammen mit der Firma Soventec eine leistungsfähige Software entwickelt, welche die Abläufe steuert: das Labormanagementsystem LabOS. Sobald ein Probenröhrchen in eine Lesestation gesteckt wird, zeigt LabOS auf einem Bildschirm die Daten an, die Historie sowie die nächsten Schritte, die zu tun sind. Ganz ohne Zettelwirtschaft!

Noch müssen die Laboranten die Geräte selbst steuern. Doch auch das soll künftig automatisiert ablaufen. Zu diesem Zweck wurde am IBMT in Kooperation mit der Technischen Universität Braunschweig ein Netzwerk-System entwickelt, das alle Geräte mit einer Zentrale verbindet. Dieses "smallCAN"-Bus-System arbeitet nach einem Prinzip, das aus der Vernetzung von elektronischen Komponenten in Autos bekannt ist. Mit ihm kann man sogar via Internet auf einzelne Laborgeräte zugreifen. Damit sich verschiedenartige Geräte an das flotte Netzwerk ankoppeln lassen, haben die Forscher einen Adapter entwickelt, der an die Steuerelektronik geknüpft wird. "Mit smallCAN und LabOS kann das Labor beinahe autark arbeiten und die Testabläufe automatisch abspulen", erläutert Schmitt. Das reduziert den Aufwand für die Dokumentation erheblich. Statt viel Zeit mit dem Ausfüllen von Protokollformularen zu verbringen, können sich die Laboranten dann auf die eigentliche Arbeit konzentrieren.

Nachdruck aus weiter.vorn – Das Fraunhofer-Magazin 3/12.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie im Internet unter http://labor-der-zukunft.com

Tim Schröder
Wissenschaftsjournalist, 26127 Oldenburg,
http://www.schroeder-tim.de

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