Personalisierte Medizin

Automatisierung im Labor liefert Ergebnisse für die Medizin der Zukunft

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Die Medizin soll besser auf den Patienten abgestimmt werden – und neue Erkenntnisse aus den Life Sciences könnten das Gesundheitswesen grundlegend verändern. Die Basis-Daten dafür kommen aus Labors, in denen der Aufwand künftig nur noch durch Automatisierung zu bewältigen sein wird. Doch noch sind Komponenten und Prozesse nicht flexibel genug dafür.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Wie eine kleine klinische Studie im Reaktionsgefäß im Labor: So könnte die Untersuchung menschlicher Zellkulturen aussehen, mit der sich genau das Medikament finden lässt, das einem bestimmten Patienten am besten hilft. Diese Idee soll im Start-up Inscreenex GmbH aus Braunschweig umgesetzt werden. Noch stehen die entsprechenden Arbeiten am Anfang: Menschliche Zellen werden gentechnisch so verändert, dass sie auf lange Sicht in einer Kultur überleben können. Lange genug, um an ihnen die Wirksamkeit mehrerer in Frage kommender Medikamente zu testen. Aber damit fängt dann die eigentliche Arbeit erst an.

Automatisierung ist für das Start-up bald ein Thema

„Im Augenblick erledigen wir alles händisch“, sagt Inscreenex-Geschäftsführer und Mit-Gründer Dr. Tobias May. Aber das wird in Zukunft nur noch begrenzt machbar sein. Ein Patient hat viele Organe, jedes Organ mehrere Zelltypen, und jede Krankheit kann Varianten haben, die unterschiedlich auf eine Behandlung reagieren. Und natürlich gibt es mehr als eine Krankheit, für die sich eine personalisierte Therapie lohnen würde. Wenn die Medizin also stärker auf das Individuum abgestimmt werden soll, steigt die Zahl der erforderlichen Zellkulturen um ein Vielfaches, und es wäre technische Unterstützung gefragt, sprich: Automatisierung.

Auch wenn die Umsetzung solcher Pläne für das Start-up im Moment nicht oben auf der Prioritätenliste steht, hat sich May ein wenig bei der Technik umgeschaut. Was Inscreenex brauchen könnte, reicht von Unterstützung bei der Gewebeaufbereitung über die Handhabung der isolierten Zellen und deren Selektion nach Zelltypen bis hin zur Vermehrung in der Kultur. Einige technische Lösungen gebe es für solche Aufgaben schon, sagt May. Die größte Entlastung erwartet er von robotischen Systemen, die bei Inscreenex eines Tages die vielen Schritte der Zellvermehrung übernehmen könnten: Flüssigkeiten handeln, dosieren, Gefäße schütteln, zum Inkubieren stellen, Flüssigkeiten abnehmen und auf andere Gefäße verteilen…

Schneller, sicherer, effizienter: Das zählt auch im Labor

Die größere Anzahl an Proben, die automatisiert bearbeitet werden können, ist aber nur ein Argument für die Automatisierung. Wie in industriellen Anwendungen geht es auch bei Life Sciences, Chemie- und Pharmaindustrie um mehr Sicherheit: Fehler, die Menschen nun einmal machen, können minimiert werden.

Wegen der Schnelligkeit und der Sicherheit hat sich Automatisierung mancherorts schon durchgesetzt: Vor allem beim Hochdurchsatzscreening, wo in der Pharmaindustrie viele Substanzen mit dem immer gleichen Ablauf analysiert werden, oder in der Zentraldiagnostik, wo Proben vieler Patienten auf Inhaltsstoffe oder definierte Zeichen einer Erkrankung hin untersucht werden.

Neue Anforderungen für die Automatisierung im Labor

„Die Anforderungen, die auf die Automatisierung im Labor in Zukunft zukommen, sehen aber anders aus“, sagt Andreas Traube, der am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA die Abteilung Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik leitet. Es gebe inzwischen zwar kleine Geräte wie Pipettierroboter fürs Labor. Aber die Arbeitsweisen würden immer flexibler, es kämen immer wieder neue Schritte hinzu, Veränderungen im Prozess würden häufiger erforderlich. „Dafür ist die Technik, die bisher verfügbar ist, noch nicht ausgelegt“, so Traube. Und da die Gerätschaften, die für das Automatisieren eines Prozesses gebraucht werden, von einer ganzen Reihe verschiedener Hersteller stammen, lassen sich diese auch nicht ohne Weiteres miteinander zu einem ganzen Prozess kombinieren – oder sie würden für die Mitarbeiter viel zu viel Aufwand bei der Einarbeitung bedeuten.

Standards könnten hier Abhilfe schaffen. Ein solcher Standard, der für die Gegebenheiten in Labors erarbeitet wurde, ist der vom Sila-Consortium entwickelte „Standard in Lab Automation“. „Diesen nutzen wir auch in unseren Projekten“, sagt Traube. Allerdings sei der Sila-Standard nicht der einzige, der verfügbar ist, betont der Ingenieur – und vielleicht sei die Beschränkung auf nur eine Möglichkeit der Vernetzung in einem überschaubaren Markt wie der Laborautomatisierung gar nicht sinnvoll.

Standard ja – aber Labors müssen offen bleiben für Lösungen aus der Industrie

„Ein einziger Standard würde unter Umständen dazu führen, dass eine Art geschlossenes Umfeld entsteht, in das sich ein Roboter aus der Industrie gar nicht mehr einbinden lassen würde.“ Denn dass große Anbieter aus der Industrie ihre Lösungen kompatibel zu einem Extra-Standard fürs Labor gestalten würden, sei sehr unwahrscheinlich. „Komponenten aus der Industrie einzubinden, könnte aber nützlich sein.“ Abgesehen vom Roboter, der Handlingaufgaben übernimmt, sieht Traube auch Einsatzmöglichkeiten für abgewandelte Flurförderzeuge, die Materialien und Proben selbstständig im Laborumfeld transportieren könnten.

Eine Besonderheit allerdings könnten Anbieter aus der Industrie nicht außer Acht lassen, wenn sie in den Labor-Bereich einsteigen wollen: „Dort arbeiten Mediziner und Naturwissenschaftler, die von ihren Arbeitsmitteln unbedingt eine leichte Bedienbarkeit erwarten.“ Sich lange mit der Programmierung der Geräte zu befassen, sei weder ihre Aufgabe noch ihre Kompetenz und würde der Effizienz der Automatisierung erheblich schaden.

Das gleiche Thema spielt auch eine Rolle, wenn es um die technische Beschreibung der Automatisierungskomponenten geht. Mit Datenblättern komme man da nicht weit – schließlich sei ohnehin meist jede Anwendung anders als die vorangegangene. „Hier wäre es sinnvoll, mehr mit Referenzen zu arbeiten und dem potenziellen Anwender die Möglichkeiten zu nennen, was man mit einer Komponente alles tun kann“, sagt Traube – mit dem Ziel, einem Nutzer, der das händische Arbeiten gewohnt ist, den Übergang zur Automatisierung so einfach wie möglich zu machen.

Eine große Chance bietet laut Traube die mit der Automatisierung einhergehende Digitalisierung. Derzeit arbeiteten Laborautomaten quasi blind, sagt er. Das ließe sich mit Sensoren grundlegend ändern, die im Laborgerät alle Parameter erfassen, die den Prozess beeinflussen können. Die Daten könnte man zur Kontrolle nutzen oder um den Prozess zu optimieren oder die Abläufe vorab zu simulieren – willkommen also im Labor 4.0. „Was wir dafür brauchen, wird recht schnell kommen“, schätzt Traube. In etwa fünf Jahren werde vieles davon zu sehen sein. Nicht disruptiv, aber in Form einer „schnellen Evolution“.

Wo flexible Komponenten für die Automatisierung entstehen

An neuen Komponenten und Ideen für das intelligente Labor der Zukunft arbeiten auch die Partner im Smartlab-Netzwerk, das von dem Beratungsunternehmen Eura AG in Ellwangen geleitet wird. Industrieunternehmen, Forscher und Anwender kooperieren hier in verschiedenen Projekten: Wie könnte man zum Beispiel Objekte im Labor tracken – um das Suchen nach Gerätschaften zu vermeiden? Können Augmented und Virtual Reality die Labormitarbeiter bei der Durchführung von Versuchen unterstützen? Wie lassen sich die Mitarbeiter von Routinetätigkeiten entlasten, um die Versuche vorzubereiten und zu planen?

„Derzeit befassen wir uns vor allem mit Basislösungen, die sich schnell an eine Anwendung anpassen lassen“, berichtet Markus Sebeck, der bei Eura die Arbeiten als Netzwerkmanager seit 2018 koordiniert. Die Partner kennen sich allerdings teilweise schon länger: Im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) wurde der Vorgänger des heutigen Netzwerkes, das Smartlab-Konsortium, vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) von 2015 bis 2018 gefördert. Seit 2019 machen die Partner ohne Förderung weiter, wollen ihr Netzwerk auf- und ausbauen und sind auch offen für neue Partner.

Automatisierung soll schneller und weniger Versuchen das Ergebnis bringen

„Die ersten drei Jahre haben zu vielen Projektideen geführt“, berichtet Sebeck. Daraufhin wurden Fördermittel beantragt, um Laborgeräte zu miniaturisieren, smarte Assistenten zu entwickeln oder Machine Learning in die Datenverarbeitung zu integrieren. Prototypen und Demonstratoren lägen bereits vor. „Diese Ansätze wollen wir weiterentwickeln“, sagt Sebeck. „Wenn wir Ergebnisse schneller und mit weniger Versuchen erzielen können, ist das ein wichtiger Schritt zur personalisierten Medizin.“

Einige der Partner wie auch das Fraunhofer IPA haben sich und ihre Ideen bereits mehrfach bei der Messe Labvolution in Hannover präsentiert. Dort waren wabenförmige Labormöbel zu sehen, mit integrierten und untereinander vernetzten Geräten sowie Personal mit AR-Brille – also ein insgesamt ungewohnter und sehr futuristischer Anblick.

Doch werden weder Automatisierung noch Digitalisierung die Laborarbeit völlig auf den Kopf stellen. „Was wir auf der Messe Labvolution gezeigt haben, ist eine Vision“, erläutert IPA-Experte Traube. „Damit wollten wir zum Nachdenken darüber anregen, was alles möglich ist.“ Im Alltag müssten selbstverständlich die vorhandenen Räume und Strukturen weiter genutzt werden, und neue Geräte müssen sich daran anpassen.

Effizienz im Labor macht neue Ansätze für das Gesundheitssystem finanzierbar

So oder so aber sollen die künftigen, flexiblen Lösungen für die Laborautomatisierung Veränderungen im Gesundheitssystem ermöglichen: Personalisierte Formen der Medizin erfordern Berge an Daten, die nur mit großem Arbeitsaufwand erhoben werden können. Je effizienter die Arbeit im Labor, desto eher lassen sich solche Ansätze im Gesundheitssystem finanzieren.

Die Personalisierung bei der Medikamentenauswahl, auf die Inscreenex abzielt, ist nur ein Beispiel dafür, was in Life-Sciences-Laboren gerade brodelt. Verhältnismäßig wenig ist bisher auch über die Rolle der vielen Mikroorganismen bekannt, die in und auf dem menschlichen Körper leben. Um besser zu verstehen, wie sie an der Entstehung oder Unterdrückung von Krankheiten beteiligt sind, soll ihre Gesamtheit, das Mikrobiom, besser erforscht werden. Die genetischen Vorgaben in den Zellen gelten ebenfalls als zukunftsträchtiges Thema für die Medizin, wie auch das Zusammenspiel der Eiweiße im Körper. Die zu erwartenden Erkenntnisse könnten die Gesundheitsversorgung grundlegend verändern.

Für Inscreenex-Geschäftsführer Dr. May käme eine Weiterentwicklung der Laborautomatisierung in den nächsten fünf Jahren jedenfalls gerade recht. Dann könnte für das Start-up der Abschied von händischen Arbeitsweisen anstehen. „Wenn wir für die Auswahl der Medikamente die tatsächliche Bandbreite an Unterschieden zwischen Patienten erfassen wollen, müssen wir große Probenzahlen untersuchen, und das wird nur automatisiert gehen.“ Daher gibt es für May keinen Zweifel daran, dass Automatisierung im Labor künftig eine größere Rolle spielt.


Weitere Informationen

Über das Start-up Inscreenex:

www.inscreenex.de

Laborautomatisierung am IPA:

http://hier.pro/WUORo

Zum Smartlab-Netzwerk

www.smartlab-netzwerk.de

Über das Sila-Konsortium:

https://sila-standard.com/


Analysen im Labor werden in Zukunft stark zunehmen – händisch wird das nicht mehr zu bewältigen sein
(Bild: BillionPhotos.com/adobe.stock.com)

Personalisierte Medikamentenauswahl

Das Start-up Inscreenex stellt Zellkulturen her, die Patienten und deren Organe repräsentieren. An solchen Kulturen soll sich in Zukunft testen lassen, wie die Zellen auf ein – unter Umständen sehr teures – Medikament reagieren, ob es die gewünschte Wirkung erzielt und mit welchen Nebenwirkungen zu rechnen ist.

Dahinter steht die Erkenntnis, dass längst nicht alle Medikamente, die bei bestimmten Patienten eine erfolgreiche Therapie ermöglichen, auch anderen Erkrankten helfen. Die Wirkung hängt vielmehr von vielen körperlichen Eigenschaften der Menschen ab. Wenn es gelingt, diese zu erfassen, lassen sich Patienten künftig mit relativ einfachen Tests einem Typus zuordnen. Welches Medikament bei welchem Patienten-Typus am besten hilft, würde ebenfalls in Zellkulturen untersucht.

Das Ergebnis: Mediziner könnten eine Patienten mit Erkrankung X dem Typus A, B oder C zuordnen und ihn dann mit dem für seinen Typus empfohlenen Medikamenten behandeln. Derzeit gibt es diese Zuordnung nicht, und so muss der Mediziner ausprobieren, ob ein Medikament einem bestimmten Patienten hilft.


Neues aus Labor und Medizin

Neue Impulse für den Gesundheitsmarkt liefern unter anderem Labormedizin, Molekularpathologie, Mikrobiologie und Life Sciences. Um diese Themen geht es auf der Messe Medica im Medica Labmed Forum 2019.

http://hier.pro/yGSCc

Als Fachmesse für Trends im Labor findet alle zwei Jahre die Labvolution in Hannover statt. Im Jahr 2019 standen dort drei Trends im Zentrum: Automatisierung, Digitalisierung und Big Data. Die nächste Messe findet im Mai 2021 statt.

www.labvolution.de

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