Die Automatisierung von Arbeitsabläufen bietet nachweislich große Vorteile gegenüber manuellen Verfahrensschritten, wenn innerhalb einer kurzen Frist ein hoher Durchsatz und reproduzierbare Ergebnisse benötigt werden¹. In industriellen und klinischen Laboren, in denen eine hohe Produktivität von höchster Bedeutung ist, ist Automatisierung weiter verbreitet, aber auch akademische Labore können von der Umstellung auf automatische Prozesse profitieren. Sie erleichtern den Weg von den Forschungsergebnissen hin zur Vermarktung, verbessern die Reproduzierbarkeit und steigern die Effizienz des Forschungspersonals.

Mühevolle Arbeit

Die manuelle Durchführung wichtiger Aufgaben bei der Zellkultivierung kann stundenlange eintönige und mühsame Tätigkeiten erfordern; mögliche Folgen sind Ermüdung oder sogar ein RSI-Syndrom. Darüber hinaus benötigen lebende Zellen spezifische Umgebungsbedingungen, die in allen Kultivierungsphasen – Zellwachstum, Zellgewinnung, Aussaat und Analyse – konstant gehalten werden müssen. Das Laborpersonal muss demnach mit größter Präzision arbeiten. Jeder Fehler kann kostspielige Folgen hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Ergebnisse haben und ist im Fall von Zelltherapien und Biopharmazeutika möglicherweise eine Gefahr für Patienten. Die Automatisierung von Arbeitsabläufen kann die Kontrolle und Aufrechterhaltung der Umgebungsbedingungen unterstützen, um einen hohen Probendurchsatz zu erzielen und dabei strengen Anforderungen bezüglich der Standardisierung von Zellkulturen gerecht zu werden.

Fallspezifische Abwägung

Trotz der zweifellosen Vorteile im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Durchsatz sind die Kosten, die eine Investition in vollautomatisierte Abläufe erfordert, oft ein heftig diskutiertes Thema. Akademische Forschungseinrichtungen und kleine Forschungs- und Entwicklungsgruppen halten sich aus Sorge über die hohen Kosten – diese werden zum Teil auf 1 Million Dollar aufwärts für vollautomatisierte Systeme geschätzt – und den Platzbedarf der Geräte bei Investitionen in Automatisierung häufig zurück². Zudem schränken die standardisierten Prozesse eines vollautomatischen Systems die Flexibilität ein, oft ein wichtiger Faktor bei der Gewinnung neuer Forschungsergebnisse und der Entwicklung neuer Protokolle. Daher sind die individuellen Anforderungen eines Labors ausschlaggebend dafür, wie das perfekte Gleichgewicht zwischen automatisierten und manuellen Arbeitsabläufen aussieht – unter Berücksichtigung von Faktoren wie Durchsatz, Flexibilität, Kosten und Reproduzierbarkeit.

Skalierbarkeit als Herausforderung

Die Steigerung des Probendurchsatzes durch Automatisierung ist nicht nur der Produktivität im Labor enorm förderlich, sondern unterstützt auch die Skalierbarkeit zellbasierter Arbeitsabläufe bei klinischen oder kommerziellen Anwendungen. Die Umstellungsphase von manuellen auf automatisierte Abläufe ist wahrscheinlich mit einer Lernkurve verbunden, während der die Belegschaft des Labors im Rahmen von Schulungen mit den neuen Instrumenten und Verbrauchsmaterialien vertraut gemacht wird. Die Automatisierung eines Verfahrensschrittes, der sich nicht unmittelbar auf die Zellproben auswirkt, z. B. Pipettieren von Medium oder Pufferlösungen, ist relativ unkompliziert. Beim Handling von Proben muss jedoch die die Genauigkeit jedes Einzelschrittes validiert werden, um sicherzustellen, dass die lebenden Zellen keinen Stressfaktoren ausgesetzt werden. Ferner müssen diese Schritte standardisiert werden, um eine Beeinträchtigung der Viabilität der Zellen oder der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse durch Variationen in der Pipettiergeschwindigkeit oder bei den Pipettenspitzen zu verhindern. Sobald ein automatisierter Arbeitsablauf fertig eingerichtet ist, kann er den Durchsatz steigern und die Effizienz und Produktivität des Labors verbessern.

Schrittweise Lösung

Automatisierte Systeme können sich vorteilhaft auf alle wesentlichen Bereiche der Zellkultivierung auswirken, einschließlich der Züchtung, dem Ausplattieren, den Verdünnungen und allen sonstigen Zellhandlingaufgaben, sodass das Laborpersonal mehr Zeit für andere Dinge hat. Für routinemäßige Arbeitsabläufe wäre eine Vollautomatisierung ideal, aber oft ist die schrittweise Automatisierung mit Pipettiersystemen der deutlich praktikablere Weg, um einen hohen Durchsatz zu erreichen. Dies kann mit jeder beliebigen Maßnahme beginnen, etwa mit dem Wechsel zu elektronischen Mehrkanalpipetten oder der Investition in einen automatischen Plattenfüller.

Mehrkanalpipetten sind mit 4 bis 384 Kanälen verfügbar und geben Anwendern die Möglichkeit, komplette Reihen/Spalten – oder sogar ganze Mikroplatten – gleichzeitig zu befüllen. Elektronische Pipetten bieten zudem eine Vielzahl voreingestellter oder individuell anpassbarer Betriebsmodi und Einstellungen und ermöglichen somit die Auswahl und Speicherung von Pipettierprotokollen und Mischroutinen für den wiederholten Einsatz in unterschiedlichen Phasen des Arbeitsablaufs. Beispielsweise werden im Repeat-Dispense-Modus große Flüssigkeitsmengen angesaugt, die dann in kleinen, definierten Volumen dispensiert werden, sodass weniger Pipettierschritte erforderlich sind. Außerdem können für routinemäßige Anwendungen benutzerdefinierte Programme verwendet werden. Der Automatisierungsgrad, der sich mit elektronischen Mehrkanalpipetten auf einfache Weise und effektiv erreichen lässt, ermöglicht die Anwendung flexibler Protokolle und den Einsatz der Pipette in unterschiedlichen Phasen des Arbeitsablaufs.

Durch Verwendung elektronischer Pipetten mit automatisch einstellbarem Spitzenabstand lassen sich Abläufe noch stärker automatisieren, da sie die Übertragung von Flüssigkeit zwischen Laborgefäßen verschiedener Formate schnell und fehlerfrei ermöglichen. Des Weiteren kann eine roboterassistierte Plattform in Verbindung mit unterschiedlichen elektronischen Pipetten verwendet werden, wodurch sich die Flexibilität von Pipetten mit einem hohen Durchsatz kombinieren lässt. Im Idealfall sollten solche Roboter tragbar und kompakt sein, damit sie problemlos in jedem Labor Platz finden, und überdies eine Option für steriles Arbeiten in einer Sicherheitswerkbank bieten.

Inzwischen ist man sich weitgehend einig, dass sich automatisiertes Pipettieren aufgrund der damit verbundenen Präzision, Reproduzierbarkeit und Kosteneffizienz sowie der hohen Durchsatzraten bei der Entwicklung zellbasierter Produkte zum Industriestandard entwickeln wird³. Elektronische Pipetten können zusammen mit roboterassistierten Plattformen einen schnelleren Umstieg ermöglichen.