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Life Sciences InnovationsProbenmanagement

Effektive Lösungen für die Lagerung und den Abruf von Proben
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Life Sciences Innovations: Probenmanagement
Das vergangene Jahrzehnt brachte beträchtliche Veränderungen in der Wirkstoffforschung mit sich; neue Entdeckungen sowie Technologien treiben den Wandel immer weiter voran. Aktuelle Entwicklungen ermöglichen das Design hochspezifischer Bibliotheken mit neuartigen Kleinmolekülverbindungen. Die Wissensexplosion auf dem Gebiet biologischer Strukturen und der Molekularbiologie durch Genomik und Proteomik hat die Wirkstoffforschung und die Forschung an therapeutisch nutzbaren Zielwirkstoffen revolutioniert. Heutzutage spielen zellbasierte Assays in zahlreichen Protokollen eine wichtige Rolle. Um maximale Effizienz und beschleunigte Hit-to-Lead-Prozesse (Weiterentwicklung von Hits zu Leitverbindungen) zu erreichen, wird im Hochdurchsatz-Screening schon seit einiger Zeit dazu tendiert, beim Testen von Verbindungen immer mehr zellbasierte und biochemische Assays durchzuführen, und zwar mit immer geringeren Probenmengen im Mikroliterbereich.
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Dynamischer Wandel der Anforderungen

Durch die wachsende Vielfalt an Verbindungen und Zielen bei Screenings und Tests werden die Anforderungen an das Probenmanagement zusehends komplexer. Angesichts der explosionsartigen Zunahme an Probenzahl und -vielfalt gewinnt das Probenmanagement enorm an Bedeutung – und zwar sowohl im Hinblick auf eine effektive Probenlagerung als auch im Hinblick auf eine effiziente Identifikation und Abrufbarkeit der gelagerten Proben. Probleme durch nicht mehr brauchbare Proben oder Probleme bei der Nachverfolgung und Identifikation von Proben können viel Zeit und Geld kosten und die medizinisch-chemischen Teams genauso betreffen wie die Wirkstoffforscher. Glücklicherweise haben Fortschritte in Gerätedesign und Technologie hocheffiziente Lösungen für das Probenmanagement hervorgebracht, die eine nahtlose Integration in die Arbeitsabläufe im Labor ermöglichen und die Effizienz steigern.

Optimiertes Probenmanagement

Das breite Spektrum unterschiedlicher Materialien, die langfristig gelagert werden müssen, erfordert eine Vielzahl unterschiedlicher Lagerungsbedingungen. So beträgt die optimale Lagerungstemperatur für Kleinmolekülverbindungen -20 °C, während biologische Proben wie Proteine, Antikörper oder Assay-Reagenzien bei höchstens -80 °C in Ultratiefkühlschränken gelagert werden müssen, um die potenzielle biologische Aktivität auf ein Minimum zu reduzieren. Für die Tiefkühllagerung von Zellen sind in der Regel noch niedrigere Temperaturen von höchstens -130 °C erforderlich, um den Zellabbau komplett zum Stillstand zu bringen. In diesem Bereich ist Flüssigstickstoff seit langem bewährt und wird auch weiterhin für die sichere Langzeitlagerung genutzt.

Zum Schutz der Viabilität wertvoller Proben sowie zur Aufrechterhaltung der Probenqualität werden effektive Geräte und Systeme für die Lagerung benötigt. Diese müssen beispielsweise eine gleichbleibende Temperatur im gesamten Aufbewahrungsschrank oder Dewar-Gefäß gewährleisten. Ebenso dürfen bei der Entnahme von Proben nur minimale Temperaturschwankungen auftreten, und die Proben dürfen auf keinen Fall den normalen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden. Wichtige Voraussetzungen für eine hohe Leistungsfähigkeit von Tiefkühllagergeräten sind eine effiziente Kompressortechnologie, eine gute Isolierung, eine zweckmäßige Innenaufteilung und Innenausstattung sowie gut schließende Türdichtungen. Bei der Lagerung in Flüssigstickstoff gelten die gleichen Prinzipien: Form, Design und die Dichtungen der Gefäße sind von größter Bedeutung und müssen darauf ausgelegt sein, dass möglichst wenig Stickstoff verdunstet und im Inneren stabile Umgebungsbedingungen herrschen.

Identifikation gelagerter Proben

Die Probenidentifikation ist ein zentraler Prozess in jedem wissenschaftlichen Labor. Allerdings bringt die korrekte Probenidentifikation – insbesondere bei der Tiefkühllagerung zahlreicher Proben über längere Zeit – eine Reihe potenzieller Probleme mit sich. Bei falsch identifizierten Proben besteht unter anderem die Gefahr falscher Experimentaldaten. In immer mehr Laboratorien müssen Tausende, wenn nicht gar Millionen von Einzelproben gehandhabt und nachverfolgt werden. Solche Labors benötigen unbedingt eine effektive und hochdurchsatzfähige Methode für die Lagerung und den Abruf von Proben. Probenröhrchen mit zweidimensionalem Code (2D-Code) vereinfachen diese Prozesse, ermöglichen die eindeutige Identifikation der Proben und beseitigen alle Probleme, die sonst mit der Verwendung handgeschriebener Etiketten verbunden sind. Mit Codes lassen sich Proben weitaus schneller und leichter identifizieren, so dass ein Labor seine gesamten Arbeitsabläufe effizienter gestalten und Zeitreserven für mehr Experimente freisetzen kann.

Optimale Lagerungsbedingungen

In der Wirkstoff- oder Impfstoffforschung – von den Anfangsphasen über die sekundären Screenings und Validierungen bis hin zu den klinischen Entwicklungen – müssen Hunderttausende oder sogar Millionen von Verbindungen oder Proben gescreent werden. Dies setzt Einrichtungen voraus, in denen Proben über alle Phasen eines Wirkstoffforschungsprogramms hinweg gelagert werden können – vom anfänglichen Screening über die vorklinischen Phasen bis zur Produktion und Massenfertigung. Eine entscheidende Voraussetzung für die Reproduzierbarkeit von Experimenten ist dabei die Probenintegrität – und diese wiederum hängt unmittelbar von gleich bleibenden Lagerungsbedingungen ab. Eine falsche Lagerung kann sich also fatal auf Forschungs- und Entwicklungsprozesse auswirken.

Kosten durch Probenverluste

Zahllose Laborstunden entfallen auf die Entwicklung wertvoller, oftmals unersetzlicher Proben. Gehen solche Proben verloren, kann dies Wochen oder Monate verlorener Arbeitszeit und damit erhebliche finanzielle Verluste bedeuten. Die Auswahl einer geeigneten Lösung für die Tiefkühllagerung – von Kühl- bzw. Tiefkühllagergeräten über Probenröhrchen bis hin zu Puffern – ist daher von größter Bedeutung, um einen zuverlässigen Schutz der Proben zu gewährleisten.

Probenintegrität

Abbauprozesse und die biologische Aktivität von Verbindungen können die Zuverlässigkeit nachfolgender Experimente, Screenings und Validierungen beeinträchtigen. Während eines Screenings muss die Tür eines Tiefkühllagergeräts in der Regel viele Male zur Probenentnahme geöffnet werden. Dazu kommt die Wärmebelastung durch warme Proben, die ins Gerät hineinkommen. Beides zusammen wirkt sich stark auf die Temperatur im Gerät aus. Dennoch müssen Tiefkühllagergeräte auch bei Wärmebelastung in der Lage sein, gleichbleibend tiefe Temperaturen zu gewährleisten, was eine wirksame Wärmeableitungskapazität voraussetzt. Die heutigen Tief- (-20 °C) und Ultratiefkühllageräte sind auf gleichbleibend tiefe Temperaturen und sehr kurze Temperaturerholzeiten ausgelegt. Dank guter Isolierung, leistungsfähiger Türdichtungen und eines durchdachten Innendesigns können sie die Temperatur selbst bei einem Stromausfall aufrechterhalten.

Lösungen für die Lagerung

Von Tiefkühllagergeräten der neuen Generation wird neben hervorragendem Probenschutz auch Energieeffizienz erwartet. Allerdings gingen gerade die leistungsstarken Kühlsysteme und Temperaturregelungsmechanismen, die für eine sachgemäße Probenlagerung und die Probenintegrität erforderlich sind, bislang mit einem erhöhten Stromverbrauch einher. Doch Fortschritte in der Kompressortechnologie, kombiniert mit Verbesserungen an der elektronischen Steuerung, ermöglichten in den letzten Jahren eine Steigerung der Energieeffizienz um rund 20 %. Dewar-Gefäße für Flüssigstickstoff in der flüssigen und in der Gasphase bieten eine umweltfreundliche, kosteneffektive Methode der Kryokonservierung. Sie zeichnen sich durch einen minimalen Energieverbrauch aus und lassen sich auf die Anforderungen spezifischer Protokolle abstimmen. So können Proben auch langfristig bei unter -130 °C gelagert werden, und die Entnahme der Proben aus den Gefäßen ist ebenfalls problemlos.

Mehr Effizienz

Im Idealfall sollten Proben aliquotiert und als Bibliothek tiefgekühlt gelagert werden, um die Viabilität der Proben sicherzustellen und der Gefahr einer Verschlechterung oder Kontamination der Proben vorzubeugen. Die einzelnen aliquotierten Proben können dann unmittelbar vor dem Experiment wieder aufgetaut werden. Dieses Vorgehen ist jedoch nicht in allen Labors praktikabel, denn aus Kostengründen oder aufgrund von Platzmangel wirft die Einlagerung großer Mengen an aliquotierten Proben mitunter Probleme auf. Werden 2D-Codes verwendet, müssen diese auch bei Proben, die mehrere Gefrier- und Auftauzyklen durchlaufen, lesbar bleiben.

Probenröhrchen, die bereits bei der Fertigung mit einem Code versehen werden, sind dauerhaft gekennzeichnet, so dass eine sichere und zuverlässige Nachverfolgung im Labor möglich ist. Die Probenröhrchen lassen sich mit einem Lesegerät scannen und in automatische Lagerungssysteme integrieren. Die Codes senken die Fehlerrate bei der Probenidentifikation ebenso wie die Gefahr von Kreuzkontaminationen oder Mehrfachverwendungen der gleichen Kennzeichnung und stellen darüber hinaus ein hervorragendes Verfahren zur Bestandsüberwachung dar. Code-Daten verschaffen dem Anwender ein hohes Maß an Sicherheit. Der Inhalt der Probenröhrchen steht praktisch zweifelsfrei fest und die Gefahr, die falschen Proben aufzutauen und damit zu arbeiten, ist nahezu ausgeschlossen. Mit Codes lässt sich die Effizienz im Labor erheblich verbessern, denn erstens werden keine Proben mehr unnötigerweise aufgetaut, was die Viabilität mancher Substanzen beeinträchtigt, und zweitens besteht kein Risiko, dass das falsche Reagenz zu einer Reaktion zugegeben wird, was zu inkonsistenten Daten führen und im schlimmsten Fall sogar gefährliche oder schädliche Wirkungen nach sich ziehen kann. Die Nutzung von Röhrchen mit 2D-Codes im Labor beugt Fehlern beim Probenmanagement vor, verbessert die Sicherheit und trägt zu einem optimierten Laborbetrieb bei.

Probenbeschriftung

Bisher werden Probenröhrchen meist noch handschriftlich mit Codes versehen. Aber angesichts der Lagerungsbedingungen und der Notwendigkeit eines fehlerfreien Systems zur Nachverfolgung dieser Codes kann es zu Problemen kommen, welche die resultierenden Daten im schlimmsten Fall wertlos machen.

Nach langer Lagerung kann die Beschriftung stark verblassen. Außerdem können die Probenetiketten nach mehrmaligem Einfrieren und Auftauen unlesbar werden oder schlicht abfallen. So kann der Anwender nicht mehr nachvollziehen, was sich in einem Probenröhrchen befindet, und greift daher unter Umständen zur falschen Probe. Das kann schwerwiegende Folgen nach sich ziehen, da Studien aus Compliance-Gründen, zur Überprüfung der Daten oder aufgrund von Zweifeln an der Wirkstoffsicherheit sogar wiederholt werden müssen. Daher gilt es, die Lesbarkeit der Probenetiketten unter den üblichen Lagerungsbedingungen unbedingt sicherzustellen. Das heißt, die Etiketten müssen einem breiten Spektrum von Chemikalien und aggressiven Substanzen sowie extrem niedrigen Temperaturen standhalten. Verschiedene Probentypen werden unterschiedlichen Bedingungen und Temperaturen ausgesetzt, je nachdem, was zur Aufrechterhaltung der Probenqualität und -integrität erforderlich ist. Oft durchlaufen Proben, die bei -80 °C oder in Flüssigstickstoff in der Gasphase lagern, zahlreiche Gefrier- und Auftau- bzw. Siede- und Abkühlzyklen.

Mehrfache Vergabe identischer Codes

Jede Probe in einem Labor muss mit einem unverwechselbaren, nur einmal vergebenen Code versehen werden. Dies lässt sich nur erreichen, wenn jeder Mitarbeiter im Labor seine Codes im Lagerungssystem effektiv erfasst und kommuniziert. Bei einem von mehreren Anwendern genutzten und von diesen selbst generierten Codesystem besteht immer die Gefahr, dass mehrere Proben den gleichen Code erhalten, wenn das System nicht akkurat gepflegt und ständig überprüft wird. Das kann zu Verwirrung und Verzögerungen führen, was gerade bei wichtigen Assays besonders fatal ist.

2D-Datenmatrix-Codes

Um solche Probleme auszuschließen, können Probenröhrchen an der Basis mit einem weltweit nur einmal vergebenen 2D-Datenmatrix-Code versehen werden, entweder durch direkte Laser-Ätzung oder durch Einkapselung. So wird die zuverlässige Lesbarkeit der Codes ebenso wie die sichere Nachverfolgbarkeit der Racks und Röhrchen sichergestellt, unabhängig vom verwendeten Lagerungssystem. Die Code-Daten lassen sich problemlos in Probenlagerungsarchive, beispielsweise Datenbanken in Form von Kalkulationstabellen oder LIMS (Laboratory Information Management Systems), übertragen. Die Probenröhrchen kann man sehr schnell scannen, ohne sie dazu aus dem Rack herausnehmen zu müssen, und die Informationen zu den einzelnen Probenröhrchen können decodiert werden. So wird ein schneller und unkomplizierter Abruf der Proben aus dem Lagerungssystem mit sofortiger Identifikation des Röhrcheninhalts möglich. Außerdem können Proben – auch archivierte – in jeder Phase ihres Lebenszyklus nachverfolgt und sicher identifiziert werden.

Fazit

Wirkstoff- und biowissenschaftliche Forschungsprogramme werden immer komplexer und vielseitiger, was einen enormen Aufwand an Kapitalinvestitionen, menschlicher Arbeitskraft und technischem Know-how verlangt. Außerdem müssen GLP- und GMP-Vorschriften strikt eingehalten werden, um die Korrektheit und Reproduzierbarkeit der Daten in allen Programmphasen sicherzustellen. In der Wirkstoffforschung zum Beispiel gefährdet ein Fehler im Probenmanagement unter Umständen die Ergebnisse klinischer Studien, kann Eigentumsrechte verletzen und die Zulassung der Wirkstoffe durch die zuständige Behörde verhindern. Die damit einhergehenden Verzögerungen können zu Verlusten in Millionenhöhe führen. Die Auswahl einer gut geeigneten und effizienten Laborausstattung ist daher von entscheidender Bedeutung.

Dank dieser Fortschritte können Wissenschaftler heute auf die Viabilität und Integrität der Proben über die gesamte Lagerungsdauer hinweg vertrauen und sich der schnellen und korrekten Identifikation sowie der effizienten Abrufbarkeit der Proben aus dem Lagerungssystem sicher sein.

Brian Hewson*) und Tal Murthy

  1. Thermo Fisher Scientific, 22 Friars Dr., Hudson, NH, 03051, USA Tel: 800-343-0206, Fax: 603-595-0106, E-Mail: brian.hewson@thermofisher.com
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