Grundlagen der Labor-Automatisierung: Insider-Einblicke von unserem Fachexperten
In der Life Science ist mehr auch mehr. Um einen qualitativen und quantitativen Überblick über Ihr Modell zu erhalten, ist es entscheidend, einen großen Datensatz zu erzeugen, der konsistent ist und Erkenntnisse liefert. Es gibt jedoch viele Herausforderungen bei der Durchführung von Experimenten mit großen Datensätzen, darunter die fehleranfällige Natur der manuellen Eingabe, die Umgebungssteuerung und der Zeitverbrauch, um nur einige zu nennen. Glücklicherweise kann die Laborautomatisierung Wunder für Ihre Forschungsprojekte bewirken.
Für diejenigen, die den Begriff nicht kennen, integriert die Laborautomatisierung neue Technologien zur Verbesserung der experimentellen Kapazität und Effizienz. Konzeptionell klingt es großartig, aber wie lässt es sich in das reale Leben umsetzen?
Wir trafen uns mit Constantin Radu, Global Proposals Manager bei Molecular Devices, der uns die endlosen Möglichkeiten der Laborautomatisierung mit Beispielen aus unseren jüngsten Kooperationen eröffnete.
Können Sie sich und Ihre Rolle bei Molecular Devices vorstellen?
Ja, absolut; mein Name ist Constantin Radu. Ich bin Global Proposals Manager im Automatisierungs- und Individualisierungsteam von Molecular Devices und arbeite seit über vier Jahren mit dem Unternehmen zusammen.
Vor Molecular Devices verbrachte ich viele Jahre in der Branche mit verschiedenen Screens. Meine Karriere begann im Memorial Sloan Kettering Cancer Center als Labormanager und Automatisierungswissenschaftler, wo ich verschiedene Screening-Kampagnen umsetzte und überwachte. Im Laufe der Jahre habe ich viel Erfahrung im Betrieb, der Wartung und der Nutzung von Automatisierungsplattformen gesammelt. Die Erfahrung gibt mir fachkundige Einblicke in wissenschaftliche Arbeitsabläufe und das Verständnis der Logistik der Automatisierung dieser Arbeitsabläufe.
Meine Aufgabe war es, mit den von Wissenschaftlern entwickelten Assays zusammenzuarbeiten und herauszufinden, wie sie aus technischer Sicht gehandhabt werden können. Diese Assays wurden in Mikrotiterplatten entwickelt. Wir mussten ungefähr 400.000 kleine Moleküle in Tausenden von Platten screenen. Mein Ziel war es, herauszufinden, wie diese Assays auf großen Plattformen durchgeführt werden können.
Diese Arten innovativer Projekte haben sich mit meiner derzeitigen Position bei Molecular Devices erheblich übersetzt. Meine Aufgabe ist es, die Anwendungsanforderungen unserer Kunden zu konsultieren und zu verstehen, zu bestimmen, wie ihre Arbeitsabläufe aussehen und welchen Durchsatz sie heute und in Zukunft erreichen wollen. Dann schlage ich eine Arbeitslösung für ihre spezifischen Anforderungen vor, einschließlich Laborgeräte, Laborroboter und Softwarelösungen.
Warum sollten Wissenschaftler ihren Arbeitsablauf automatisieren wollen?
Es gibt viele Gründe, Ihren Arbeitsablauf zu automatisieren, aber die sechs wichtigsten Gründe sind:
- Konsistenz in der Datenerfassung
- Flexibilität
- Reduzierung menschlicher Fehler
- Verbesserung der Laborsicherheit
- Verlängerte Wegfahrzeit
- Steigerung des Durchsatzes
Konsistenz in der Datenerfassung ist eine Sache. Nehmen wir an, Sie führen bis 48 96 Stunden lang einen Zeitkurs auf Ihren Platten durch und sammeln alle 6 Stunden Daten. Das Warten im Labor ist die ganze Nacht lang nicht möglich. Stattdessen bietet ein automatisiertes System eine Lösung, bei der die Platten in einen automatisierten Inkubator für das Imaging oder die Messung zu geplanten Zeitpunkten ein- und auskommen.
Ein Roboterarm im automatisierten System wird nie müde, aber Menschen tun dies. Manchmal vergessen wir, eine Platte zu einem bestimmten Zeitpunkt zu lesen oder ein Bild davon aufzunehmen. Letztendlich ist dies inkonsistent für Ihre Datenerfassung.
Ein weiterer Vorteil bei der Automatisierung von Arbeitsabläufen ist die längere Zeit. Wenn Experimente auf der automatisierten Plattform laufen, können Wissenschaftler diese Zeit produktiver nutzen, um Zuschüsse zu verfassen, an wissenschaftlichen Arbeiten zu arbeiten oder sich auf andere forschungsbezogene Aspekte zu konzentrieren, anstatt ständig vor der Arbeit zu stehen.
Diese Verbesserungen führen schließlich zu vorstellbareren Ergebnissen in kürzeren Zeiträumen – wodurch der Durchsatz erhöht wird – und können Publikationen beschleunigen, die schließlich die Währung eines Wissenschaftlers und der Schlüssel zu Kooperationen und einer erhöhten Finanzierung sind. Ich habe aus erster Hand gesehen, wie die Laborautomatisierung zum Netzwerk- und Finanzierungsfluss im Memorial Sloan Kettering Cancer Center beigetragen hat.
Wie bietet die Laborautomatisierung einen Mehrwert für verschiedene Assay-Typen?
Ein ELISA kannbeispielsweise enorm von der Laborautomatisierung profitieren und Teil eines plattenbasierten Assay-Arbeitsablaufs mit hohem Durchsatz werden. Beim Screening lebender Zellen mit Verbindungsbibliotheken, die einen Inkubator erfordern, wird die Umgebungskontrolle zu einer großen Herausforderung, da der Inkubator hochempfindlich gegenüber Veränderungen ist. Die Temperatur muss bei 37°C mit 5% CO liegen2. Wenn diese Werte abweichen, könnte dies den Versuch ruinieren. Beachten Sie, dass das Assayverfahren selbst arbeitsintensiv ist.
Nachdem die Kunden das ELISA-Basissystem erworben haben, richten wir für sie einen automatisierungsbereiten ELISA-Arbeitsablauf ein und verfolgen einen Prozess, der diesem ähnlich aussehen könnte:
- Der Arbeitsablauf begann mit der automatisierten Handhabung von Flüssigkeiten zur Ausgabe von Reagenzien und Proben. Es handelte sich auch um einen automatischen Heißsiegeler, der die Temperatur aufrechterhielt und eine Verdunstung während der Inkubation verhinderte.
- Die Platten wurden auf Dichtungs-Peeler übertragen, gefolgt von einem automatischen Mikroplatten-Wascher, der gleichzeitig das Waschen von 96- und 384-Well-Platten durchführte.
- Der Arbeitsablauf erzeugte automatisch Absorptionsmessungen in Mikroplatten-Readern, die zur Berechnung der Zielantigenkonzentration der Proben verwendet wurden.
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass der automatisierte Arbeitsablauf bei jedem Schritt des Weges für Leichtigkeit und Sicherheit sorgte, was ein sehr kompliziertes Verfahren gewesen wäre.
Ich bin der Meinung, dass die Zelllinienentwicklung ein weiteres perfektes Beispiel dafür ist, wie wir von der Automatisierung profitieren können, da Sie bis zu Millionen von Zellen charakterisieren und analysieren. Wir haben automatisierte Arbeitsabläufe für das Screening von Klonen entwickelt, die eine nahtlose Entwicklung von Zelllinien aus aus einzelnen Zellen gewonnenen Klonen ermöglichten, während sichergestellt wurde, dass alle Klonen hohe Zielproteinkonzentrationen produzierten. Auch hier umfasste die integrierte Lösung die Koordination zwischen Einzelzellen-Druck, Imager, Mikroplatten-Reader und dem automatisierten Inkubator. Sie können auf unserer Website mehr über unsere High-Throughput-Lösungen für das Screening von Klonen erfahren, aber ähnlich wie beim ELISA-Beispiel sparen Sie letztendlich viel Zeit und Ressourcen.
Können Sie Ihre Beteiligung am Organoid Innovation Center von Molecular Devices beschreiben?
Mein Engagement begann mit einer Zusammenarbeit zwischen Molecular Devices und dem Cincinnati Children’s Center for Stem Cell and Organoid Medicine (CuSTOM). Im Grunde genommen haben wir sie angesprochen, um ihre Bedürfnisse und Ziele zu identifizieren. Damals war ihre Forschungsgruppe ein Pionier in der Organoidforschung. Sie wollten ihren Arbeitsablauf für die 3D-Zellkultivierung und das Organoid-Screening automatisieren, um ihre Forschungsergebnisse in der personalisierten Medizin zu verbessern.
Die verwendeten Instrumente – Inkubator, Umgebungstemperatur und Lagerwerkzeuge – waren nichts Neues. Unsere automatisierten Workflow-Methoden halfen ihnen jedoch, die Kommunikation zwischen diesen Instrumenten zu optimieren.
Im Anschluss daran erkannten wir einen gemeinsamen Trend bei unseren neuen Kunden: der Wunsch, mit biologisch relevanten Proben wie Organoiden zu arbeiten. Die Herausforderung bestand darin, dass sie nicht wussten, wie man reproduzierbare Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus gab es kein standardisiertes Verfahren für das Wachstum, das Imaging und die Analyse dieser komplexen Proben.
Mit dem Organoid Innovation Center (OIC) haben wir begonnen, unsere Kunden zu unterstützen, indem wir automatisierte 3D-Arbeitsabläufe für ihre spezifischen Assays in Echtzeit demonstriert haben. CuSTOM konnte jeden Schritt beobachten, von der Zellkultivierung bis hin zur Differenzierung und zum Screening.
Vor dem Screening führten wir auch Stabilitätstests an ihren Reagenzien durch. Es kann sein, dass jemand in bestimmten Intervallen kommen musste, um neue Puffer vorzubereiten. Daher haben wir getestet, wie lange ein Puffer stabil bleiben würde. Darüber hinaus haben wir unsere Kunden darin geschult, wie sie ihre festgelegten Arbeitsabläufe nutzen und Stabilitätstests durchführen können.
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Zusammengefasst wurde die OIC zu einer Plattform für unsere Kunden, um ihre Forschungsziele und gewünschten Methoden zum Leben zu erwecken.
Was unterscheidet Molecular Devices von seinen Mitbewerbern bei der kundenspezifischen Anpassung automatisierter Laborlösungen?
Bei Molecular Devices nehmen wir uns die Zeit, die Arbeitsabläufe unserer Kunden zu analysieren und die Anwendung und das Endziel zu verstehen. Wir demonstrieren eine Modellsimulation ihres idealen Arbeitsablaufs. Was an der Laborautomatisierung auf der OIC faszinierend ist, ist ihre Fähigkeit, die manuellen Schritte nachzuahmen, die ein Labormitarbeiter für die Organoidforschung durchführen würde. Diese Funktion macht diese Demonstration überzeugender. Darüber hinaus stellen wir im Anschluss schriftliche Berichte über unsere Geräte- und Arbeitsablauftests zur Verfügung. Dann können die Kunden sicher sein, dass dieser Arbeitsablauf gut passt.
Unsere Servicetechniker bieten weltweiten Kundendienst 24/7. Darüber hinaus ist unser Serviceteam das beste Team seiner Klasse und bietet nach der Installation kontinuierliche Unterstützung.
Die rechtzeitige weltweite Unterstützung von einem in den USA ansässigen Unternehmen kann eine Herausforderung darstellen. Ich habe zum Beispiel früher in einem Forschungslabor in Südkorea gearbeitet, aber die technische Unterstützung kam aus Deutschland und den Teilen aus Singapur – es dauerte mehrere Monate, bis unsere Imager repariert wurden. Bei Molecular Devices arbeiten wir gewissenhaft daran, Verzögerungen zu vermeiden, die sich aus verschiedenen Zeitzonen ergeben.
Ein weiteres herausragendes Beispiel für unsere automatisierten Lösungen ist die Flexibilität mit integrierten Laborautomatisierungssystemen . Wir verwenden Instrumente von Molecular Devices und andere Instrumente von Drittanbietern, die die wissenschaftlichen Bedürfnisse des Forschers ergänzen.
Wie sieht die Zukunft der Laborautomatisierung aus?
Die Automatisierung ist nicht neu; sie wird seit Mitte der 1990er Jahre für das Wirkstoffscreening verwendet. Damals gab es mehrere Anbieter, die Imager und Platten verschiedener Größen entwickelten, sodass nicht jede Laborautomatisierung mit jedem Gerät kompatibel war.
Laborautomatisierung hat ein enormes Potenzial und Raum für Entdeckungen. Das nächste Ziel ist es, die Benutzererfahrung durch hochentwickelte mobile Roboter zu verbessern, die den Wissenschaftlern bei der Durchführung der Arbeitsabläufe oder der Zusammenarbeit mit Forschern helfen könnten.
Ich weiß aus Erfahrung, dass man, um sich um seine Zellen zu kümmern, manchmal samstags und sonntags ins Labor gehen muss. Aufgrund der COVID-19-Beschränkungen müssen die Arbeitszeiten für Forscher flexibler sein. Die Laborautomatisierung ist vor allem in der neuen Normalität praktisch, sodass Sie nicht täglich und rund um die Uhr im Labor sein müssen. Die Automatisierung wird dank der erhöhten Gehzeit Raum für Produktivität schaffen und Ihnen das Multitasking ermöglichen, da die automatisierte Robotik den Großteil der schweren Aufgaben übernimmt.
Erkunden Sie automatisierungsbereite Systeme
Unabhängig von der vorliegenden wissenschaftlichen Frage oder Anwendung kann ein automatisierter Arbeitsablauf Antworten schneller liefern. Durch die Integration führender Technologien aus der gesamten Branche in eine flexible, anpassbare Arbeitszelle können Forscher ihre Zeit im Labor erheblich optimieren und Ressourcen für andere kritische Aufgaben freisetzen, wodurch die Entdeckung beschleunigt wird.
Erkunden Sie automatisierte Arbeitsabläufe im Labor in einer End-to-End-Screening-Lösung mit hohem Durchsatz für Folgendes:
- High-Content-Screening von Zellen
- High-Throughput-Screening von Klonen
- Protein- und Zellbiologie
https://main--moleculardevices--hlxsites.hlx.page/service-support/lab-automation-solutions
Von Inkubatoren, Liquid-Handlern und Robotersystemen bis hin zu benutzerspezifisch angepasster Software und Hardware – und mit über 35 Jahren Erfahrung in der Life-Science-Industrie – Sie können darauf zählen, dass wir Ihnen Qualitätsprodukte liefern und weltweit technische Unterstützung bieten.
Unsere Global Professional Services-Teams streben danach, Kundenbindung zu gewinnen, indem sie ihren Erfolg mit befähigten Mitarbeitern und innovativen Lösungen befähigen. Von unserem Doktortitel-Level Technical Support bis hin zu unseren fachlich geschulten und zertifizierten Field Service Engineers haben wir ein Team von Weltklasse aufgebaut, das die Forschungsaktivitäten unserer Kunden unterstützt, damit sie bei der Beantwortung der wichtigsten Fragen der Life Science helfen können.