Das Stammzelllabor der Zukunft

Forschen in einer automatisierten Testumgebung

  • Abb. 1: In dem vollautomatisierten Stammzelllabor befindet sich ein zentraler Roboterarm, der Kulturgefäße zwischen den Stationen transportieren kann. Darüber hinaus stehen Laborgeräte zur Prozessierung und Qualitätssicherung der Zellkulturen zur Verfügung.Abb. 1: In dem vollautomatisierten Stammzelllabor befindet sich ein zentraler Roboterarm, der Kulturgefäße zwischen den Stationen transportieren kann. Darüber hinaus stehen Laborgeräte zur Prozessierung und Qualitätssicherung der Zellkulturen zur Verfügung.
  • Abb. 1: In dem vollautomatisierten Stammzelllabor befindet sich ein zentraler Roboterarm, der Kulturgefäße zwischen den Stationen transportieren kann. Darüber hinaus stehen Laborgeräte zur Prozessierung und Qualitätssicherung der Zellkulturen zur Verfügung.
  • Abb. 2: Zur automatisierten Qualitätskontrolle der Kulturen ist ein Hochgeschwindigkeitsmikroskop integriert. A: Der Roboter belädt den Mikroskoptisch mit einer Zellkulturplatte. B: Das Mikroskop nimmt die gesamte Fläche eines Wells in hochauflösenden Einzelbildern auf, die anschließend durch einen Algorithmus zusammengesetzt werden C: Ein Bildausschnitt aus der Gesamtaufnahme zeigt eine MSC-Kultur unter dem Hochgeschwindigkeitsmikroskop.

Stammzellen sind heiß begehrte Forschungsobjekte, doch die Herstellung und Erforschung der Zellen ist aufwendig. Hier wird eine vollautomatisierte Plattform vorgestellt, die Forschern Arbeit abnehmen soll. Im robotergestützten Labor sollen nicht nur die bisher manuell durchgeführten Zellkulturprozesse automatisiert, sondern auch an neuen Konzepten für die Laborautomatisierung geforscht werden.

Stammzellen für neuartige Therapien

Stammzellen zeichnen sich durch zwei Eigenschaften aus: Sie können sich beliebig oft teilen und in viele verschiedene Zellarten des Körpers differenzieren. Aufgrund dieser und vieler weiterer, positiver Eigenschaften gelten sie als vielversprechende Kandidaten für neue Therapieansätze. Mesenchymale Stammzellen (MSC), die aus dem Gewebe erwachsener Menschen gewonnen werden können, eignen sich zum Einsatz in der Zelltherapie, um Gewebe zu regenerieren oder um Immunreaktionen, beispielsweise nach Transplantationen, zu modulieren. Neben MSC stehen vor allem induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) im Fokus der Stammzellforschung. Diese Zellen werden in der Forschung dafür genutzt, um Krankheitsmechanismen zu untersuchen und Therapien an Patienten anzupassen und zu optimieren. In dem Maße, in dem die Stammzellen an Relevanz gewinnen, steigt auch der Bedarf nach qualitativ hochwertigem Zellmaterial. Gleichzeitig unterliegt die Herstellung zahlreichen Herausforderungen. Im Gegensatz zur Herstellung von Biopharmazeutika, in denen gut charakterisierte Zelllinien verwendet werden, werden die Stammzellen meist direkt von Patienten oder Spendern gewonnen. Das Zellmaterial unterliegt dadurch oft großen Schwankungen von Charge zu Charge. Darüber hinaus ist die Vermehrung der Zellen zeitaufwendig und erfordert geschultes Laborpersonal.

Automatisierte Zellherstellung

In den vergangenen Jahren ist in der Biotechnologie ein deutlicher Trend hin zur Automatisierung von Laborprozessen zu verzeichnen. Diese Entwicklung wird sowohl durch den Bedarf nach robusten Hochdurchsatzprozessen getrieben, als auch durch die vielfältigen technischen Weiterentwicklungen. Nicht zuletzt deswegen ist der Einsatz von Automatisierungslösungen attraktiv zur Kultivierung von Zellen für die Stammzellforschung.

In der relativ jungen, aber stark wachsenden Branche verspricht der Einsatz automatisierter Systeme die Produktvarianz zu reduzieren. Zudem können menschliche Fehler vermieden werden, indem die stark repetitiven Tätigkeiten automatisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Prozesse und Zellchargen in jedem Schritt feinmaschig zu überwachen. Dies ist aus regulatorischer Sicht besonders relevant in allen Bereichen, in denen die Zellen oder die Forschungsergebnisse zur Behandlung von Patienten eingesetzt werden. Weltweit gibt es bereits Ansätze für die Entwicklung vollautomatisierter Plattformen, um Stammzellen parallelisiert oder in größeren Volumina automatisiert herzustellen. Automatisierungslösungen sind dabei meistens mit einer großen initialen Investition verbunden. Forschergruppen oder kleinere Unternehmen haben daher häufig keinen Zugang zu automatisierten Infrastrukturen, um Prozesse zu testen. Daher hat das Fraunhofer IPT nun mit der „Stem Cell Discovery“ eine Infrastruktur errichtet, um die Forschung rund um die Automatisierung von Zellkulturprozessen zu fördern.

Das automatisierte Testlabor

Obwohl die voranschreitende Laborautomatisierung von vielen Seiten als vielversprechende Zukunftstechnologie angesehen wird, gilt es noch einige Herausforderungen zu meistern.

So gestaltet sich zum Beispiel die Vernetzung von Laborgeräten aufgrund der Vielzahl der verfügbaren Standards und Schnittstellen oft schwierig. Zudem ist die Automatisierung von Laborprozessen komplex und bedarf einer engen Zusammenarbeit von Experten aus verschiedenen Disziplinen, wie Maschinenbauern, Informatikern, Biotechnologen und Physikern. Die Anlage ist ein vollautomatisiertes Labor, das mit allen Geräten ausgestattet ist, die für Laborprozesse notwendig sind (Abb. 1). Beispielsweise können MSC in der Anlage vermehrt werden. Dazu stehen ein Inkubator zur Kultivierung und ein Pipettierroboter für den Medienwechsel zur Verfügung. Zudem ist ein Plattenlesegerät sowie ein eigens entwickeltes Hochgeschwindigkeitsmikroskop, das eine ganze Kulturplatte ca. einer Minute mikroskopieren kann, für die automatisierte Qualitätskontrolle integriert (Abb. 2). Am Ende der Kultivierung werden die Zellen enzymatisch abgelöst und mit einer automatisierten Zentrifuge geerntet. Ein zentraler Roboterarm, der auf einer Linearachse montiert ist, transportiert die Kulturgefäße dabei von einer Station zur anderen.

Die verschiedenen Daten und Fähigkeiten der Geräte werden jeweils über ein Softwareframework in die eigens entwickelte Leitebene eingebunden. Die Anlage wird über eine zentrale grafische Benutzeroberfläche bedient, ohne dass Programmierkenntnisse vorhanden sein müssen. Sie soll in Zukunft Forscher dabei unterstützen, ihre manuellen Protokolle zu automatisierten Prozessen zu transferieren und Zellmaterial für die Forschung herzustellen. Darüber hinaus funktioniert sie auch als Versuchsanlage für neue Automatisierungslösungen. Neue Geräte können in der Anlage getestet und validiert werden. Aber auch auf der Software-Seite besteht großer Bedarf an einer automatisierten Infrastruktur, um an innovativen Ansätzen zur Digitalisierung und Vernetzung zu forschen. Aktuelle Fragestellungen sind beispielsweise, wie Prozessdaten sicher und effizient gespeichert und verwaltet werden, wie eine einheitliche Kommunikation und Interaktion mit den Laborgeräten funktionieren kann und wie Prozesse adaptiv gestaltet und an die jeweilige Zellkultur angepasst werden können. Dabei soll die Infrastruktur in Zukunft auch Partnern außerhalb des Instituts zur Verfügung stehen. Über die Zusammenarbeit mit Forschergruppen hinaus soll Unternehmen durch Kooperationen die Möglichkeit eingerichtet werden, eigene Entwicklungen oder Geräte im Kontext der automatisierten Zellkultur zu validieren und weiter zu entwickeln. Eine enge Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen kann so ihren Teil dazu beitragen, der Medizin der Zukunft schon bald ein Stückchen näher zu kommen.

Autoren
Jelena Ochs1, Sven Jung1, Tobias Piotrowski1, Bastian Niessing1, Niels König1, Robert Schmitt1,2

Zugehörigkeiten
1Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, Deutschland
2Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Deutschland

Kontakt 
Jelena Ochs

Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT
Aachen, Deutschland
jelena.ochs@ipt.fraunhofer.de
www.ipt.fraunhofer.de/LSE

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstraße 17
52074 Aachen, Nordrhein-Westfalen
Deutschland

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