Laborautomatisierung beschleunigt Sars-CoV-2 Diagnostik
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Die erste Wissenschaftlerin der Welt revolutioniert heute die Biotechnik. Sie heißt Agamede und hat Covid-19 den Kampf angesagt. Der gleichnamige Roboter wurde am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (ICHB PAN) unter Beteiligung der Technologie-Partner Mitsubishi Electric, Perlan Technologies und Labomatica für Anwendungen in der Laborautomatisierung entwickelt.
Inhalt
- Agamede gegen Covid-19
- Laborautomatisierung mit Künstlicher Intelligenz
- Laborroboter urspünglich für Epicell entwickelt
- 15.000 Tests an einem Tag auswerten
- Robotik, Steuerung und Software aus einer Hand
- Antike und Futurismus
- Reinraum Labor im neuen Look
Agamede gegen Covid-19
Tausende von Einzelproben kann der Laborroboter täglich testen. Mit Agamede soll die Diagnostik von Sars-CoV-2 deutlich beschleunigt werden. Zudem soll sie helfen, neue Medikamente zu erforschen, kosmetische Rezepturen zu kreieren und individualisierte Therapien für Krebspatienten zu entwickeln – auf Basis modernster Automatisierungslösungen und Künstlicher Intelligenz (KI).
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Agamede gilt als die erste Wissenschaftlerin der Geschichte. Homer hat sie in der Ilias im 12. Jh. v. Chr. beschrieben als eine, die mit der Heilkraft aller Kräuter vertraut war und diese richtig zu mischen verstand. Agamede ist die Namenspatronin für die am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (ICHB PAN) entwickelte Laborautomatisierung.
Laborautomatisierung mit Künstlicher Intelligenz
Das Besondere an Agamede ist nicht die Automatisierung der Labor Arbeit an sich, sondern die Integration von Automatisierung und KI, die zur Dateninterpretation mittels der Gene Game Software von Labomatica eingesetzt wird. Diese Kombination macht das automatisierte System zu einem geschlossenen Kreislauf. Darin bereiten Laborroboter Experimente vor, lesen Ergebnisse zu einer bestimmten Zeit ab und interpretieren Daten zur Vorbereitung des nächsten Versuchszyklusses. Der Bediener muss nur seine Fragen definieren, die Versuchsanlage entwerfen und den Betrieb der automatisierten Anlage überwachen – und zwar rund um die Uhr.
Der entscheidende Durchbruch bei diesem neuartigen Laborroboter ist, dass keine Person am Ende eines Zyklusses mehr benötigt wird, welche die subjektive Analytik der Ergebnisse vornimmt und die nächsten Versuchsreihen plant. „Agamede hingegen interpretiert dank des Moduls für Künstliche Intelligenz die Experimente ohne menschliche Beteiligung, basierend auf mathematischen Modellen“ betont Radosław Pilarski, PhD, Erfinder und Chefingenieur des Systems.
„Agamede kann von zentralen Diagnoselabors, Pharmaunternehmen in der Medikamentenentwicklung, Onkologielabors auf der Suche nach personalisierten Therapien für Patienten, aber auch in F&E Abteilungen von Unternehmen für chemische und Bio Technologien zur Optimierung der Bio Prozesse eingesetzt werden“ ergänzt Herr Pilarski
Laborroboter urspünglich für Epicell entwickelt
Schon 2015 hat das ICHB PAN mit der Entwicklung des Laborroboters begonnen. Die Laborautomatisierung wurde ursprünglich für ein Projekt vom Epicell Konsortium (Institut für Bioorganische Chemie PAS, Institut für Humangenetik PAS und drei Krankenhäuser aus Poznañ) entwickelt, welches vom Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung (NCBiR) im Rahmen des „Strategmed“ Programm Prävention und Behandlung von Zivilisationskrankheiten gefördert wurde.
Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung optimierter Medien für Anwendungen zur automatisierten Gewinnung von Kardiomyozyten mit therapeutischem Potenzial aus induzierten pluripotenten Stammzellen (Ipscs), welche zuvor innerhalb der Prozesse der Differenzierung von Muskelzellen bzw. Myozyten gewonnen werden.
Das Epicell Konsortium vereint die Expertise im Bereich der niedermolekularen epigenetischen Modulatoren und die Erfahrung in der Zellreprogrammierung. Dazu führte es Studien zur künftigen Entwicklung von Methoden zur Transformation induzierter Ipscs für Zwecke der regenerativen Medizin durch, wie eine gezielte Implantation in die Herzen von Patienten nach einem Herzinfarkt. Damit möchte man die Herzleistung vor dem Infarkt wiederherstellen.
Die Anzahl der nötigen Experimente, um einen geeigneten Cocktail aus niedermolekularen epigenetischen Modulatoren zu entwerfen, war eine Herausforderung. Zehn Komponenten des Cocktails und zehn verschiedene Konzentrationen machten 10 Millionen Experimente erforderlich.
„Mit Agamede wurde in einem mehrdimensionalen System von Lösungen nach der richtigen Kombination von Verbindungen gesucht und daraus die Zusammensetzung des Reprogrammierungsmediums 'Epicell One' entwickelt“ erklärt Prof. Wojciech T. Markiewicz, Leiter des Epicell Projekts.
15.000 Tests an einem Tag auswerten
Ende März 2020 änderte sich dann die Situation. Das Institut für Bioorganische Chemie beschäftigt sich schon seit Beginn seines Bestehens mit DNA und RNA- Nukleinsäuren. Dadurch hatte es alle Möglichkeiten, sich mit der Sars-CoV-2-Diagnostik zu beschäftigen.
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„Unser Institut war das erste in Polen, das einen Test zum Nachweis von Sars-CoV-2 entwickelt hat – Medipan", sagt Prof. Marek Figlerowicz, Direktor des ICHB PAN. "Wir beschlossen bald, die Automatisierung von Agamede mit unseren Tests zu kombinieren und entwickelten ein Hochdurchsatz Diagnoseprotokoll, mit dem wir 15.000 Proben an einem Tag testen können. Zumindest ist dies das Potenzial, denn ICHB PAN als wissenschaftliche Einheit verfügt nicht über ein akkreditiertes Diagnostiklabor. Das ist ein sehr gutes Ergebnis, denn bei der manuellen Analytik von Proben kann eine Person höchstens einige hundert Proben bearbeiten".
Robotik, Steuerung und Software aus einer Hand
Mitsubishi Electric, Perlan Technologies und Labomatica waren die Projekt Partner der Laborautomatisierung Agamede. Mitsubishi Electric beteiligte sich mit einem 6-Achs Roboter, SPS Steuerungen und der Melfa Basic Software. Der Industrieroboterist mit seiner langen Armreichweite die zentrale Komponente in der Anlage. Er reproduziert die Arbeit eines Labor Technikers und bedient die Analysegeräte kontinuierlich anhand der vom Bediener in die Steuerungssoftware eingegebenen Versuchsprotokolle.
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Ein integrierter robotergesteuerter Werkzeugsatz erlaubt Experimente im Mikromaßstab auf 96 und 384 Well-Mikrotestplatten. Diese Suite beinhaltet Platten- und Tip-Feeder, industrielle Zellkultur Inkubatoren, Pipettierstationen, Barcode-Scanner, Etikettierer, Plattenversiegler, Spektrophotometer und Fluoreszenz-Reader.
Automatisiertes Konfokalmikroskop
Einen besonderen Platz in der Geräteausstattung nimmt das automatisierte Konfokalmikroskop HCA mit vier Fluoreszenzkanälen ein. Für die Biotec Community ist dieses Mikroskop das Äquivalent des Hubble Teleskops im Mikrokosmos. Es fotografiert und analysiert Millionen von Zellen und Gewebestrukturen in ähnlicher Effizienz und Qualität. Ergänzt wird das Gerät durch einen akustischen Dispenser zum Dosieren von Flüssigkeitsmengen im Nanoliterbereich. Durch das schnelle Dispensieren dieser kleinen Proben reduzieren sich die Kosten für die Forschung und der Durchsatz erhöht sich. Der Dispenser erlaubt die Durchführung von Experimenten mit einer Sammlung von über 115 000 chemischen Verbindungen.
„Bei der Implementierung des ersten derartig fortschrittlichen Systems in Polen, das Robotik mit Laborgeräten kombiniert, profitierten wir von unserer internationalen Erfahrung. Die Unterstützung der internationalen Struktur von Mitsubishi Electric, die sich innovativen Projekten widmet, war sehr hilfreich“ sagt Roman Janik, Koordinator der Lösungen für die Life-Science-Industrie in Polen. Erinnert er sich heute an die Projektarbeit, sagt er über den hohen Zeitdruck. „Wir alle arbeiteten unter Zeitdruck, um eine Lösung zu entwickeln, die die Labor Techniker so schnell wie möglich entlastet. Wir waren in der Lage, einen wöchentlichen Durchsatz von 100.000 Proben zu liefern, was skalierbar ist. Das ist ein phänomenales Ergebnis“.
Viele Technologien ergeben eine Innovation
„Der Zeitdruck machte die Aufgabe, die auch ohne ihn kompliziert gewesen wäre, nicht einfacher“, resümiert Tomasz Scholz, Robotikingenieur bei Mitsubishi Electric. "Agamede ist ein interdisziplinäres Projekt. Es verbindet die Tecnologien der Informatik, Robotik, Mathematik, Chemie, Biologie und des Industriedesigns. Die darin verwendeten automatiserten Lösungen sind innovativ und einzigartig."
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Wie bei vielen Projekten bestand die größte Herausforderung darin, das Ziel und die Art und Weise, wie wir es erreichen wollen, zu definieren. Der Schlüssel zum Erreichen des Ziels war es, eine gemeinsame Fachsprache zu finden, damit Menschen aus verschiedenen Branchen auf einer Ebene kommunizieren und ihre Erwartungen deutlich machen können. Es war oft schwierig, die Kluft zwischen der akademischen Welt, die in abstrakten Begriffen denkt, und der industriellen Welt, die meist einem festen Muster folgt, zu überbrücken", so Herr Scholz.
Antike und Futurismus
Das Resultat ist ein Laborroboter, der gut funktioniert und interessant ausschaut. „Die visuelle Identifikation bezieht sich auf das antike Griechenland und ist eine Hommage an die Anfänge des wissenschaftlichen Denkens in unserer Zivilisation und insbesondere an Frauen in der Wissenschaft. Wir fügten dem Plakat futuristische Elemente hinzu, die die mythische Agamede visualisieren. So entstand die Figur einer antiken Skulptur und eines Cyborgs.
Das blaue, leuchtende Gehirn und das Bit-Motiv sind eine Kombination aus menschlichen Denkprozessen und künstlicher Intelligenz. Die Figur soll mit einem humanoiden Roboter assoziiert werden, der kombinatorische Aufgaben löst, die durch das Falten von Würfeln wie bei einem Rubik's Cube symbolisiert werden. Wir platzieren es auf allen Werbematerialien, auch auf Produktverpackungen und Prototypen, die mit Hilfe von Agamede erstellt wurden, erzählt Radosław Pilarski, PhD.
Reinraum Labor im neuen Look
Herr Pilarski betont, dass bei der Planung auch auf den Labor Raum geachtet wurde. Ein Reinraum für die aseptische Zellkultur ist in den meisten Laboren fensterlos und dunkel. Bei diesem Projekt wurden bisherige Standards gebrochen und der Reinraum erhielt mit großen, sorgfältig abgedichteten Fenstern ein völlig neues Gesicht.
Glasscheiben gestatten die ständige Beobachtung und Kontrolle des automatisierten Systems, ohne Reinraumanzüge tragen zu müssen. Die Beleuchtung wurde mit Bühnenscheinwerfern umgesetzt und verleiht der Apparatur einen modernen Akzent. Drei Lichtstrahlen in Weiß, Rot und Blau mischen sich auf der Agamede Apparatur. Reflexionen setzen Akzente, die durch das Spiegeln der Strahlen an Metallelementen entstehen. Die Werkbänke bestehen aus schneeweißem Corian, einem extrem glatten, formbaren Composit. Hochauflösende 4K Monitore und 4K Kameras erleichtern die Arbeit und ermöglichen eine Fernüberwachung sowie Experimente an jedem Ort in der Welt.
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