Der Hintergrund für die Wahl dieses Schwerpunkts war, dass die Lagerung und das Management von Proben, aber auch von Reagenzien oder Biostoffen, verbunden mit der Logistik in Laboren eine der Grundlagen für die tägliche Arbeit darstellt. Im Rahmen des Industrieforums der Labvolution wurde das Thema zunächst in einer Podiumsdiskussion erörtert. Die Teilnehmer der Podiumsdiskussion waren dabei so ausgewählt, dass alle Aspekte der Lagerung und Logistik betrachtet werden konnten. So wurden durch Prof. Dr. Willem Wolkers (Tierärztliche Hochschule Hannover) Aspekte der wissenschaftlichen Grundlagen zur Biostabilität, durch Dr. Ulrich Kühn (IC Biomedical) sowie Stefan Mader (SOL Technische Gase) Aspekte der Lagerung in tiefkalt verflüssigtem Stickstoff, durch Christian Froese (PHC/Bereich PHCBI) die Lagerung in Ultratiefkühlgeräten und durch Peter Hochstein (Gold Key Services) die Probenlogistik vertreten. Die Moderation übernahm der Geschäftsführer von Cryondo Dr. Soeren Schumacher.

Im Anschluss wurden in ausgewählten Vorträgen Neuerungen und Innovationen im Probenmanagement, -lagerung und -logistik dargestellt. Themen hier waren die Normung / DIN EN ISO 20387 im Fokus der Vorträge von Bettina Meinung (Universitätsklinikum Jena, QM German Biobank Node) und PD Dr. Jörg Geiger (Universität Würzburg, AK-Leiter Biotechnologie DIN), Softwarelösungen dargestellt von Dr. Norbert Schmeißer (Medeora) sowie Logistik und Disaster Recovery dargestellt von Bernhard Küst (Neumaier Logistics).

Podiumsdiskussion

Zunächst ging es um die Herausforderungen in der Probenlagerung und -logistik während der Corona-Pandemie, denn, wie in allen Bereichen, hatte diese erhebliche Auswirkung auf alle Beteiligten. Dabei stand im Bereich des flüssigen Stickstoffs die Versorgungssicherheit an oberster Stelle, um den Zustand wertvoller Proben in Biobanken zu bewahren. Auch wenn sich die Gaslieferanten vor allem anderen Herausforderungen wie etwa der Bereitstellung von Sauerstoff oder Trockeneis zu medizinischen Zwecken gegenübersahen, konnte durch den Rückgang der Nachfrage von flüssigem Stickstoff bei industriellen Prozessen eine Versorgung von Biobanken und anderen lagernden Einrichtungen gewährleistet werden.

Im Bereich der Ultratiefkühlgeräte ging es in dieser Zeit in erster Linie darum, Ultratiefkühlgeräte für die Lagerung von Corona-Impfstoffen in kürzester Zeit weltweit bereitzustellen. Denn aufgrund der Lipidzusammensetzung der Impfstoffe sowie der damit verbundenen Glasübergangstemperatur zeigten Stabilitätsversuche, die in kürzester Zeit durchgeführt werden mussten, dass die Lagerung für den Impfstoff von BioNTech/Pfizer bei –80 °C notwendig ist. Damit einhergehend wurden enge Temperaturbereiche definiert, die nur Geräte von einzelnen Herstellern erfüllen konnten. Es wurde berichtet, dass in kürzester Zeit ca. 8 000 Ultratiefkühlschränke hergestellt und versendet werden mussten, um die Impfstofflager in Belgien auszustatten.

Im Bereich der Logistik ergab sich in der Corona-Zeit ein Übergang von "normaler" Probenlogistik hin zu Logistik von Corona-Proben. So musste innerhalb kürzester Zeit ein Logistiknetzwerk für den Transport von den Testzentren zum Labor erarbeitet werden. In einem genannten Beispiel konnten so an 2 000 Schulen in Österreich zweimal wöchentlich Proben abgeholt werden.

Alle in der Diskussion sind sich einig, dass aufgrund des Zeitdrucks und der Relevanz viele Projekte sehr gut und in kürzester Zeit umgesetzt wurden, was sich auch nachhaltig auf die Organisation der Unternehmen ausgewirkt hat.

Aspekt Energie

Zentrale Frage im Rahmen der Energiekrise war, ob Proben bei höheren Temperaturen eingelagert werden können, da hier wohl bei einer Temperaturerhöhung von –80 °C auf –70 °C erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden. Einer Berechnung der Universität Düsseldorf zu Folge kann diese Ersparnis mit dem Energieverbrauch eines Haushalts pro Jahr gleichsetzt werden. Sicherlich ist dies immer auch von den verwendeten Kühlgeräten abhängig und im Einzelfall zu bewerten. Grundlegend zur Beantwortung der Frage ist die Integrität der Proben, was von der Art der Probe und der letztlichen Verwendung und der Lagerdauer abhängig ist. Man war sich einig, dass immer der Einzelfall untersucht werden müsse, um letztlich eine verlässliche Aussage machen zu können. Wenn Proben schon lange bei einer bestimmten Temperatur gelagert worden sind und dies als Goldstandard angesehen werde, sollten hieran auch keine Veränderungen stattfinden.

Die Energieeffizienz und die Herausforderungen der Produktion von flüssigem Stickstoff wurden ebenfalls diskutiert. Tiefkalt-verflüssigter Stickstoff wird in energieintensiven Prozessen in Luftzerlegungsanlagen hergestellt, so dass sich die Gashersteller nach Alternativen umschauen. So wurde von der Akquisition eines Werks in Indien berichtet, welches energieautark Gase herstellt. Auch wenn hier andere Themen wie etwa die Abschätzung von Kapazitäten und Produktionsmengen aufgrund der nicht vorhersagbaren Sonneneinstrahlung schwierig sind, ist dies ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung. Weitere Beispiele sind etwa die Erzeugung von Strom mittels Wasserkraft, um sich von anderen Energiequellen zu entfernen.

Auch wurde das Thema des kompletten Stromausfalls diskutiert, wobei die Lagerung in flüssigem Stickstoff den großen Vorteil hat, dass bei Systemen mit guter Haltezeit die Kühlung auch über Wochen sichergestellt ist. Hinsichtlich der Ultratiefkühlgeräte wurde erwähnt, dass mit der Nutzung von Gasen zur Aufrechterhaltung der Temperatur bzw. der Verwendung eines Notstromaggregats ebenfalls eine Aufrechterhaltung der Kühlung erreicht werden kann. Gegen Ausfall des Kühlkompressors gibt es Systeme mit Redundanzkompressoren, so dass hier die Temperatur bei –70 °C gehalten wird. Es wurde die Bedeutung von derartigen Überlegungen bis hin zu Havarie-Konzepten für eine risikominimierte Lagerung unterstrichen.

Aspekt Nachhaltigkeit und zukünftige Entwicklungen

Die damit angestoßene Diskussion nach energieeffizienteren Lösungen für Lagerung und Logistik bildete dann den letzten Teil der Diskussion. Angefangen mit den Herausforderungen in der Logistik wird klar, dass zwar auf der einen Seite neuartige Technologien zur Reduktion des Energiebedarfs beitragen, dennoch stellen die intelligente Organisation von Fahrten und eine effiziente Mischung von Transportmöglichkeiten den Hebel dar, eine nachhaltigere Logistik zu ermöglichen. So wird bspw. berichtet, dass manche Strecken in der Innenstadt von Aachen zur Probenabholung zu Fuß erfolgen, deutschlandweite Transporte werden zum Teil mit dem Zug erledigt. Auch wurde auf Themen wie etwa nachhaltig produzierte Verpackungen mit besseren Isoliereigenschaften oder auch die Temperatur während des Versandes hingewiesen. Gerade für Proben, die nur eine kurze Zeit unterwegs sind, könnten höhere Transporttemperaturen als der vorgegebenen Lagertemperatur zukünftig in Betracht gezogen werden. Wie oben jedoch schon bei der Lagerung erwähnt, ist dies immer bezogen auf den Einzelfall auszutesten und zu validieren.

Hinsichtlich der Lagerung in flüssigem Stickstoff wurde ebenfalls darauf verwiesen, dass es bei der Lagerung bzw. den Tanks zwar noch einige Möglichkeiten der Verbesserung gibt, jedoch es vornehmlich auch um Prozesse geht. Es wurden die Prozesse der Befüllung sowie des Probenhandlings genannt. Bei der Befüllung regeln neuartige System es so, dass hier etwa die Füllleitungen nicht kontinuierlich mit flüssigem Stickstoff gefüllt sind, sondern diese erst bei Nachfüllbedarf eines Tanks befüllt werden – einhergehend damit werden dann auch die anderen Tanks befüllt. Ein großes Thema der Zukunft wird hier das automatisierte sog. "Cherry Picking" werden. Als Aufrüstlösung können Tanks damit ausgestattet werden, so dass durch eine optimierte und gekühlte Entnahme ein Aufwärmen von Racks und Austausch mit warmer Luft vermieden werden können.

Das Thema halb- oder vollautomatisiertes Probenhandling findet sich auch bei Ultratiefkühlgeräten wieder. Darüber hinaus wird hier für die nächste Gerätegeneration erwartet, dass der Energieverbrauch von –80 °C-Kühlgeräten von derzeit etwa 8 kWh pro Tag auf nur noch 5 kWh pro Tag reduziert werden könnte. Dies eröffnet dann weiter die Möglichkeit, energieffizientere Geräte mit mechanischer Kühlung unter –80 °C zu nutzen, die für manche Anwendungen Vorteile haben können. Es wurde darauf hingewiesen, dass der Umgang mit Abwärme von Geräten ein oft unterschätztes Thema ist und aktuelle Gerätegenerationen diese bereits zur Erwärmung der Türdichtung nutzen. Zukünftige Generationen würden vollisolierte Innentüren und spezielle Rack-Systeme für halbautomatisierte oder automatisierte Lagerung und Probenhandling bieten.

Ein sehr innovativer und zukunftsträchtiger Ansatz abseits der "herkömmlichen" Lagerung könnte die Gefriertrocknung und anschließende Lagerung bei Raumtemperatur darstellen. Zwar wird bei der Gefriertrocknung auch Energie aufgewendet, jedoch verbraucht die Lagerung keine. Beispiele, die in diesem Zusammenhang genannt wurden, ist die Gefriertrocknung von tierischen Spermien. Denn hier ist die Konservierung des Erbmaterials wichtig, da durch künstliche Befruchtung mit Mikromanipulator eine Eizelle befruchtet werden kann und das Spermium nicht die volle Funktionsfähigkeit benötigt. Ein anderes Beispiel sind getrocknete Blutprodukte, die etwa in Krisengebieten zur Erstversorgung von Verwundeten genutzt werden könnten, bis diese in einem Krankenhaus mit Blutkonserven behandelt werden können.

Die Vorträge

"Qualität durch Standards – Normen für Biobanken": Normen haben in allen Bereichen einen Stellenwert. Oftmals wird jedoch mit Normen ein Hindernis für innovative Entwicklungen gleichgesetzt. Dabei ist der Ansatz der Normen, einen Rahmen zu bilden, in dem Innovation stattfinden kann, welche reproduzierbar ist. Viele Publikationen legen die Relevanz nahe, in denen die Auswirkung bspw. in Form von fehlender Reproduzierbarkeit zwischen präklinischer und klinischer Forschung gezeigt und dargelegt wird. Da Biobanken heute für die biomedizinische Forschung und Entwicklung die hauptsächliche Quelle für Proben und Daten darstellen, müssen diese hohen Qualitätsansprüchen genügen. Um eine einheitliche und vergleichbare Proben- und Datenqualität zu gewährleisten, wurde eine Reihe von ISO-Normen entwickelt. Durch die ISO-Biobank-Normen ist es möglich, die Eignung von Proben und Daten für einen bestimmten Zweck zuverlässig zu beurteilen und die Qualität von Proben aus verschiedenen Biobanken zu vergleichen.

"Hybride EDC-Lösung zur Erfassung von Bioproben- und Forschungsdaten": Die Verwaltung von Probendaten und die Erfassung von Studiendaten unterscheiden sich hinsichtlich Zielsetzung und Prozessierung voneinander. Daten werden hierfür meistens getrennt erfasst und verarbeitet. Eine gemeinsame Erfassung der Daten ist schwierig. Dennoch gibt es Lösungen, in denen Bioproben- und Forschungsdaten (multizentrisch) gemeinsam dokumentiert werden können. Die vorgestellte Softwarelösung wurde im Rahmen des Clinical Virology Networks genutzt, um durch eine systematische Erfassung von meldepflichtigen und nicht-meldepflichtigen Atemwegsinfektionen ein valides Bild der jeweils epidemiologischen Ausbreitung zu erstellen. In dem Register, in dem jetzt schon mehr als 4,7 Millionen Daten über die letzten zehn Jahre erfasst wurden, können nun sehr gut Erkrankungsherde in Deutschland visualisiert und deren Ausbreitung nachverfolgt werden.

"Temperaturgeführte Probenlogistik und Disaster Management": Je nach zu wählendem Temperaturbereich und Art der Probe können unterschiedliche Verpackungslösungen genutzt werden. Hierbei reicht die Bandbreite von einem Paket mit Kühlakkus und Phase-Change-Materialien zu aktiv auf dem LKW gekühlten Ultratiefkühlgeräten und sog. Dry Shippern mit flüssigem Stickstoff. Wichtig ist natürlich auch die Überwachung der Temperatur während der Fahrten, wobei auch hier je nach Anwendung unterschiedliche Fühler mit Datenloggern verwendet werden. Im Rahmen eines Disaster Managements gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Vorsorge wie etwa die Bereitstellung eines Back-up Freezers, die Aufsplittung der Proben, Notstromaggregate oder auch die Möglichkeit, vorgekühlte Freezer von einem Dienstleister bei Ausfall des eigenen liefern zu lassen.

Zusammenfassung

Insgesamt zeigen die Diskussionen und Vorträge, dass die Branche kontinuierlich nach Möglichkeiten sucht, Lagerung und Logistik von biologischen Proben zu verbessern, nicht zuletzt, um auch zukünftige Krisen besser bewältigen zu können, und dabei ein besonderes Augenmerk auf Energieeffizienz und Nachhaltigkeit legt.

AUTOR
Dr. Soeren Schumacher, M.B.A.
Geschäftsführer
Cryondo GmbH, München
Tel.: 089/540435-72
[email protected]
www.cryondo.de