Das Labor der Zukunft

Papierlos und vernetzt

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Langsam aber sicher erobert Software jeden Aspekt unseres Lebens und reduziert dadurch die Notwendigkeit, Daten auf Papier festzuhalten. Es wurden Schreibmaschinen durch Laptops ersetzt, Briefe durch E-Mails, Papiertickets durch QR-Codes und Bücher durch eReader, so dass Papierlosigkeit nichts Neues ist - wir haben in allen Branchen Papier durch Software ersetzt. In der Wissenschaft aber wird Papier immer noch (zu häufig) verwendet. Hier stößt es bereits an seine Grenzen, da es die steigende Datenflut nicht mehr bewältigen kann.
 

Entdeckungen und Papier
In der Wissenschaft wird zunehmend Software eingesetzt, angefangen bei der Geräteverwaltung, bis hin zu automatisierter Bildanalyse und Bioinformatik, um nur einige Anwendungsbereiche zu nennen. Geräte, die Daten auf Papier ausdrucken, sind ein seltener Anblick geworden. Doch obwohl die Labore digitalisiert werden, verlassen sich die meisten Wissenschaftler immer noch auf ihre Notizbücher aus Papier, um den wichtigsten Teil der wissenschaftlichen Forschung, den Prozess der wissenschaftlichen Entdeckung, zu dokumentieren. Selbst in den renommiertesten Forschungszentren der Welt sind immer noch Wissenschaftler anzutreffen, die den Ausdruck eines Diagramms zurechtschneiden und in ihr papierenes Laborjournal kleben - ein Diagramm, das wahrscheinlich von einem Super-Computer erstellt wurde. Der Grund für die Wichtigkeit der Aufzeichnung des wissenschaftlichen Entdeckungsprozesses ist, dass man nicht wissen kann, welche Bedeutung ein Experimente für die Zukunft hat. Daher ist es wichtig, so viele Einzelheiten wie möglich zu protokollieren. Durch die Dokumentierung der Arbeit und der durch sie gewonnenen Daten können Gedankengänge zurückverfolgt werden, um nachzuvollziehen, wie es zu bestimmten Schlussfolgerungen kam und ob die Daten, die uns dazu geführt hatten, auch anders interpretiert werden können. Da dieser Prozess immer noch weitestgehend auf Papier festgehalten wird, überrascht es nicht, dass mehr als 54% aller wissenschaftlichen Studien aufgrund unzureichender Informationen nicht reproduziert werden können, denn jedes Jahr gehen 17% der erzeugten wissenschaftlichen Daten verloren.

Die Tatsache, dass sich die Menge der wissenschaftlichen Daten alle drei Jahre verdoppelt, verschärft das drängende Problem der papierbasierten Laborjournale noch. Das bedeutet, dass wir mit der Einführung elektronischer Laborjournale beginnen müssen, um den Wissenschaftlern zu helfen, ihre wissenschaftliche Forschung zu organisieren, den prozentualen Anteil verlorener Daten zu reduzieren und die Daten sicher mit anderen zu teilen. Offen gesagt: Computer sind viel besser darin als wir, systematisch große Datenmengen zu organisieren.

Die derzeitige Situation
Es gibt mehr als 70 Anbieter elektronischer Laborjournale auf dem Markt, aber nur 8% der Wissenschaftler verwenden elektronische Laborjournale. Bevor die Mehrheit der Wissenschaftler dazu bereit sein wird, elektronische Laborjournale anzunehmen, muss sich etwas verändern: sie müssen interoperabel werden. Das bedeutet, dass das elektronische Laborjournal in der Lage sein muss, die verschiedensten Datenformate zu erkennen und sie in probater Weise darzustellen. Sie müssen also Daten in beliebige andere Formate exportieren können, so dass Wissenschaftler unterschiedliche Instrumente nutzen können, um mit denselben Daten arbeiten zu können. Es gibt eine steigende Zahl wissenschaftlicher Geräte, die ein wachsendes Datenvolumen produzieren, und die einzige Möglichkeit, Interoperabilität gewährleisten zu können, ist eine gemeinsame Anstrengung der Wissenschaftsgemeinde. Die Lösungen, die in Zukunft zu wissenschaftlichen Standardwerkzeugen werden, müssen offene Quellplattformen sein, zu denen alle Interessierten der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit benutzerdefinierten Plug-ins und Add-ons [Zusatz-/Hilfsprogrammen] beitragen können.

Gute Datenverwaltungspraxis
Wenn Sie zu den Menschen gehören, die von papierlosen Technologien begeistert sind, gibt es gute Neuigkeiten. Es existieren viele verschiedene Ansätze und gute Datenverwaltungspraktiken, die sofort einsetzbar sind. Das kann etwas ganz Einfaches sein, beispielsweise dass Sie Ihre Arbeit in einer Excel-Tabelle oder in einem Word-Dokument organisieren und dabei die Ordner und Dateien im Computer systematisch ordnen, vielleicht sogar alles in einer Cloud-basierten Anwendung wie Dropbox speichern, so dass Sie Fernzugriff auf Ihre Dateien haben. Wenn Sie natürlich für ein Unternehmen arbeiten, das rechtlichen Vorschriften unterliegt, sind Datenerzeugung und -speicherung strenger reglementiert. Solche Unternehmen verwenden in der Regel eine Art Labor-Informationsverwaltungssystem. Solche Systeme sind in ihrem Design sehr unflexibel, sie konzentrieren sich auf das Erfassen des Probenstatus und der gesammelten Daten. Das ist natürlich sehr wichtig für Diagnosezwecke, passt aber nicht zur täglichen Arbeit eines Forschers. Wissenschaftler müssen häufig flexibel sein, innovative Ansätze anwenden und sollten in der Lage sein, die Richtung ihrer Forschungsarbeit rasch zu verändern und an neue Forschungsergebnisse anzupassen. Nicht-flexible Labor-Informationsverwaltungssysteme sind daher für einen Wissenschaftler nicht der beste Start.
 
Die Auswahl
In den vergangenen Jahren gingen viele Initiativen und Startups die Entwicklung elektronischer Laborjournale aus einer wissenschaftlicheren Perspektive an: sie wurden einfacher anwendbar und flexibel konzipiert. Die globale Wissenschaftsgemeinde ist begeistert und interessiert sich für solche Systeme aber wie bereits erwähnt haben sich erst 8% der Wissenschaftler dafür entschieden, ein elektronisches Laborjournal zu führen, und diese Zahl hat sich in den letzten Jahren nicht erhöht. Das liegt daran, dass die Auswahl eines elektronischen Laborjournals (ELN) eine wichtige Entscheidung ist, es handelt sich schließlich um das wichtigste wissenschaftliche Werkzeug. Die Tatsache, dass es so viele Anbieter gibt, macht es dem Wissenschaftler nicht leicht, sich zu entscheiden. Daher ist es einfacher, abzuwarten, als sich auf eine Lösung festzulegen, die sich evtl. als nicht optimal herausstellt, denn es besteht immer das Risiko, dass Daten verlorengehen.
 
Auf der anderen Seite nimmt die Zahl von Wissenschaftlern verwendeter cleverer Geräte zu. Sie reichen von elektronischen Pipetten und intelligenten Zentrifugen bis hin zu Thermometern und Kühlschränken. Die meisten neuen Versionen dieser Geräte können an ein Netzwerk angeschlossen werden und Daten in Echtzeit senden. Diese Daten müssen auch gespeichert und gepflegt werden, aber das wichtigste ist, dass sie mit den im Labor durchgeführten Experimenten und erhaltenen Ergebnissen annotiert werden müssen. Das ist nur möglich, wenn der Ablauf der Experimente voll digitalisiert ist, das heißt, dass elektronischeaborjournale eine zentrale Rolle dabei spielen werden, das Internet der Dinge ins Labor zu bringen.
 
Die Hürden
Bevor es zu einem voll automatisierten Labor kommt, in dem jedes Gerät miteinander verbunden ist, gibt es einige Hindernisse auf dem Weg, mit denen die wissenschaftliche Community sich zu befassen hat.
 
Übertragung in eine Cloud
Damit alle wissenschaftlichen Daten interoperabel sind, müssen sie sich an einem Ort befinden - in der Cloud. Die Datenspeicherung in einer Cloud bringt Vorteile mit sich, z.B. die Möglichkeit des Fernzugriffs, eine vereinfachte Integration in andere Datensysteme, eine einfachere Wartung und Aktualisierung sowie automatisierte Backups. Die Datenspeicherung in der Cloud wirft jedoch viele Fragen hinsichtlich der Datensicherheit auf. Es gibt verschiedene gesetzliche Auflagen für die Speicherung wissenschaftlicher Daten je nach Standort und Arbeitsgebiet. Daher existieren viele verschiedene Arten, wissenschaftliche Daten in der Cloud zu speichern, und es gibt viele unterschiedliche Cloud-Provider auf dem Markt. Für die wissenschaftliche Grundlagenforschung ist es normalerweise ausreichend, die Daten einfach irgendwo verschlüsselt und mit personalisiertem Zugang gespeichert zu haben. Glücklicherweise gehört das bereits bei praktisch jedem Cldiese Daten gesetzeskonform zu speichern. In den USA z.B. gemäß den Datenschutzbestimmungen des HIPAA (Health Insurance Portability and Accountability Act). Es gibt also etliche Cloud-Provider auf dem Markt, die eine Datenspeicherung auf Servern anbieten, die vielen verschiedenen Normen entspricht. Einige Provider elektronischer Laborjournale bieten bereits Hosting in validierten Systemen an, die alle behördlichen Auflagen erfüllen. Kurzum, der „Umzug” der Wissenschaft in die Cloud ist schon im Gange. Es bestehen einige Bedenken aber da die Sicherheitsstandards für die Clouds immer besser werden, werden sich immer mehr Wissenschaftler dazu entschließen, ihre Daten in der Cloud zu speichern.
 
Dateneigentum
Sobald man Daten in der Cloud abgelegt hat, werden diese Dritten preisgegeben, auch wenn es nur der Anbieter des elektronischen Laborjournals und der derzeitige Cloudspeicher-Provider sind. Es ist daher wichtig, dass die Nutzungsbedingungen Ihres Service-Providers klarstellen, dass Sie keinerlei Rechte oder das Eigentum an Ihren Daten abtreten. Wenn Sie ein Forscher sind, der für eine Forschungsorganisation arbeitet, ist es sehr wahrscheinlich, dass all Ihre Forschungen letztendlich Ihrem Arbeitgeber gehören. Das bedeutet, dass die Institution das Recht haben sollte zu entscheiden, wer Zugang zu den Daten haben und sie verwalten darf. Daher muss ein Software-Design zwei Arten von Rechtssubjekten vorsehen: einerseits die Nutzer, die die Daten verwalten, hochladen und überwachen, und andererseits die Organisationen, denen die Daten gehören und die entscheiden, wie sie gespeichert werden und wie auf sie zugegriffen wird. Die Organisation muss in der Lage sein, jederzeit, auch wenn Sie sie verlassen sollten, Zugriff auf Ihre Forschungen zu haben, und sollte befugt sein, den Zugang zu Ihren Daten zu beschränken.
 
Weitergabe von Daten
Wenn erst einmal jeder Daten in der Cloud speichert, werden Wissenschaftler in der Lage sein, ihre Daten und Ergebnisse viel effizienter untereinander auszutauschen. Dies birgt das Potenzial, die Anzahl durchgeführter Experimente drastisch zu reduzieren, da die Daten bei ihrer Erzeugung in geeigneter Weise annotiert werden. Selbstverständlich können nicht alle Daten mit jedermann geteilt werden. Selbst wenn man in derselben Organisation arbeitet, ist man in der Regel nicht berechtigt, die Daten jedes Projekts einzusehen. Einige Daten können nur mit bestimmten Personen geteilt werden, die in einer geschlossenen Gruppe zusammenarbeiten. Der Wissenschaftler, der den Inhalt eines elektronischen Laborjournals erzeugt und hochlädt, muss jederzeit die absolute Kontrolle darüber haben, wer bestimmte Daten sieht, editiert oder signiert. Elektronisch oder auf Papier. Papier hat viele Vorteile. Man benötigt weder Strom noch Batterie, es ist kostengünstig, einfach in der Anwendung und (in gewissem Maße) transportabel, um nur einige zu nennen. Es gibt viele Orte auf der Welt, an denen Strom und Internetverbindung nicht den ganzen Tag über verfügbar sind. Im Fall von Naturkatastrophen sind wir gezwungen, uns auf Technologien zu verlassen, die keinen Strom oder Computer benötigen und das heißt, dass die einzigen Aufzeichnungen, die wir verwenden können, solche auf Papier sind. Aber speziell in diesem Fall ist es nützlich, so viele Daten wie möglich auf einem Server gespeichert zu haben, der vorzugsweise an verschiedenen Orten der Welt über Sicherheitskopien verfügt. Denn bei der Sicherheit hat Papier auch einen grundlegenden Nachteil - es brennt.
 
Man könnte argumentieren, dass sich durch die Verwendung elektronischer Laborjournale die Umweltbelastung verringert, weil man keine Bäume für die Herstellung von Papier fällen muss. Aber das ist nicht der eigentliche Grund, warum elektronische Laborjournale gut für die Umwelt sind, zumindest bis wir damit aufhören, Bäume zur Stromerzeugung zu nutzen. Ob es Ihnen gefällt oder nicht - auch wissenschaftliche Tätigkeit an sich belastet die Umwelt. All das Plastik, das in Experimenten eingesetzt wird, giftige Reagenzien, Versuchstiere, ...
 
Elektronische Laborjournale können einen Beitrag dazu leisten, die Anzahl doppelt durchgeführter Experimente zu reduzieren, indem die Daten systematisch gespeichert und anderen zugänglich gemacht werden, die darauf aufbauen können. Auf diese Art und Weise können wir mehr Informationen aus Experimenten erhalten und schneller Lösungen erzielen, von denen viele auch einen Beitrag zur Umwelt leisten werden.
 
Es wird eine Weile dauern, bis elektronische Laborjournale voll akzeptiert und in jedem Labor eingesetzt werden. Aber es gibt keinen Grund, warum elektronische und papierbasierte Varianten nicht bereits koexistieren können. Sie können immer noch Notizbücher aus Papier benutzen aber wenn Sie fertig sind, foto-
grafieren Sie die Seite, speichern Sie sie im ELN ab. Wenn das ELN optische Zeichenerkennung unterstützt, wird Ihr Papierjournal durchsuchbar. Wenn Sie eine Ausdruck der Informationen vorziehen, können Sie das elektronische Laborjournal auch verwenden, um den Bericht vorzubereiten, ihn auszudrucken, zu unterzeichnen und zu archivieren. Es gibt bereits einen Mehrwert beim Einsatz elektronischer Laborjournale und je früher wir damit beginnen, sie zu nutzen, desto einfacher wird es sein, im Laufe der Zeit den Übergang zu vollziehen.
 
5 Schritte für die Auswahl
Wenn Sie ein Wissenschaftler sind und noch ein papierbasiertes Laborjournal verwenden, denken Sie wahrscheinlich „das hört sich ja alles gut an, aber wo soll ich anfangen?” Ich schlage Ihnen folgende Schritte vor: 
 
1.Bestimmen Sie Ihre Erwartungen
Zuerst sollten Sie definieren, welchen Teil des wissenschaftlichen Entdeckungsprozesses Sie digitalisieren wollen und was Sie von der Einführung des elektronischen Laborjournals in Ihrem Labor erwarten.
 
2. Prüfen Sie die gesetzlichen Vorschriften
Wenn Sie eine Kurzauswahl treffen, stellen Sie zunächst sicher, dass Sie alle rechtlichen Vorgaben kennen, denen Sie seitens Ihrer Institution und der Lan-
desbehörden unterworfen sind.
 
3. Prüfen Sie Standardlösungen
Nachdem Sie Ihren Bedarf und Ihre Erwartungen definiert haben, sollten Sie eine Schnellsuche unter den bereits verfügbaren elektronischen Laborjournalen starten. Es kann sein, dass Ihre Anforderungen an ein Journal die typischen sind, so dass Sie ein Produkt finden können, das die überwiegende Mehrheit Ihrer Bedürfnisse abdeckt. Normalerweise sind die Vorteile jedes elektronischen Laborjournals leicht zu verstehen und in der Regel auf der Produkt-Webseite gut dokumentiert.
 
4. Probieren Sie die Kurzliste
Stellen Sie eine Kurzliste von Anbietern zusammen, die ihre Anforderungen zu erfüllen scheinen und rechtlich zulässig sind. Die meisten Hersteller bieten direkt auf ihrer Webseite eine kostenlose Demo ihrer Software und Schulungsvideos an, die Ihnen dabei helfen werden, die Software zu verstehen. Nachdem Sie sich die Schulungsvideos angeschaut haben, versuchen Sie, eines Ihrer Experimente nachzubilden und herauszufinden, ob die Software Ihnen erlaubt, alle notwendigen Daten zu erfassen. Denken Sie daran, dass es wahrscheinlich kein elektronisches Laborjournal auf dem Markt gibt, dass haargenau zu Ihrem Prozess passt. Finden Sie daher heraus, wie Sie Ihren Prozess anpassen können, damit er zur Struktur der Software passt.
 
5. Pilot-Experiment
Wenn Sie eine Wahl getroffen haben, führen Sie ein Pilot-Experiment mit dem elektronischen Laborjournal Ihrer Wahl durch. Bewahren Sie außerdem eine papierbasierte Aufzeichnung des Experiments auf und schätzen Sie ein, wo Sie in Ihrem Prozess zusätzliche Arbeit leisten müssen und wo Sie Zeit einsparen. Diese Art von Pilotprojekt wird Ihnen die meisten Details zeigen, die Sie über die Software wissen müssen und es wird wahrscheinlich Fragen aufwerfen, an die Sie zuvor nicht gedacht haben. Fragen, die Sie mit dem Software-Supportteam erörtern können sollten.
 
Fragen vor einer Entscheidung
Sie werden hoffentlich ein Produkt finden, das Ihren Bedürfnissen entspricht. Sobald Sie Ihren Favoriten ausgewählt haben, gibt es eine Reihe von Dingen zu überlegen:
 
Preis: gibt es eine kostenfreie Version der Software? Ist der Preis pro Benutzer oder pro Organisation zu entrichten? Sind die Zahlungen monatlich oder einmalig?
 
Cloud: wo werden Ihre Daten gespeichert? Ist eine lokale Installation möglich? Ist ein Fernzugriff möglich und funktioniert dieser auch auf mobilen Geräten?
 
Nutzungsbedingungen und Datenschutz: entspricht das elektronische Laborjournal den notwendigen Standards? Wem gehören die Daten? Wie können Daten zurückgeholt werden?
 
Integration: wenn Sie planen, Laborgeräte in das elektronische Laborjournal zu integrieren, müssen Sie sicherstellen, dass das Design des elektronischen Laborjournals dies zulässt. Dies können Sie tun, indem Sie prüfen, ob das elektronische Laborjournal modular aufgebaut ist, über eine offene Programmierschnittstelle (API) und Entwicklerdokumentation verfügt und welche Art von Integration standardmäßig angeboten wird.
 
Support: achten Sie darauf, dass für Ihr elektronisches Laborjournal ein guter Support erhältlich ist. Es wird eines der Hauptwerkzeuge sein, dass Sie täglich verwenden werden. Wenn etwas schief geht oder wenn Sie neue Geräte integrieren wollen, ist es gut, einen Ansprechpartner zu haben. Vergewissern Sie sich außerdem, dass es viele Bedienungsanleitungen und Schulungsvideos gibt, so dass Sie lernen können, die Software zweckdienlich einzusetzen.
 
Die Rolle wissenschaftlicher Journale
Wissenschaftliche Journale ermutigen Wissenschaftler auch, ihre Rohdaten in öffentlichen Datenbanken oder als Zusatzinformationen zu ihren Forschungsarbeiten zu deponieren. Wenn elektronische Laborjournale erst einmal zum Routinewerkzeug für Wissenschaftler geworden sind, ist es nur eine Frage der Zeit, bis Journale eine Veröffentlichung Ihrer elektronischen Laborjournalaufzeichnungen erforderlich machen werden. Dies würde die Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Daten stark erhöhen. Das würde es Wissenschaftlern erleichtern, mit den von anderen gelieferten Daten zu interagieren und ihre Forschungen auf die nächste Ebene zu bringen. Daten, die so interoperabel gespeichert sind, würden den Informationen höheren Wert verleihen, da sie von verschiedenen Forschern mit dem Ziel bedeutsamere Ergebnisse zu erzielen, gesammelt werden können.
 
Schlussfolgerung
Die Zukunft der Wissenschaft ist papierlos. Es kann ein paar Jahre dauern, bevor alle Geräte miteinander verbunden sind und alles, was wir zu tun haben werden, ist, die Experimente mit einem besonders benutzerfreundlichen Interface zu konzipieren und sie in Bewegung zu setzen, anstatt die meiste Zeit im Labor festzustecken. Aber es muss mit den ersten Schritten in Richtung Labordigitalisierung begonnen werden. Wie weiter oben erwähnt, gibt es bereits viele Schritte, die getan werden können, um wissenschaftliche Daten interoperabel zu machen und auf die papierlose Zukunft vorzubereiten.
 
Kontakt
Klemen Zupancic
BioSistemika
Ljubljana, Slovenien
kzupancic@biosistemika.com
 
Weitere Beiträge zu LIMS: http://www.git-labor.de/
 

Klemen Zupancic

studierte Biomedizin. Seine berufliche Karriere war durch die Entwicklung von Methode für die Diagnose und Behandlung verschiedener Krebsarten geprägt. Er ist auch einer der Gründer von Biosistemica, einem Softwareentwickler für wissenschaftliche Labore. Zupancics wissenschaftlicher Hintergrund, zusammen mit seiner Leidenschaft für das technisch Machbare, ist die treibende Kraft hinter sciNote, einem Software- und Cloudbasierten, kostenfreien Electronic Laboratory Notebook (ELN).

 

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