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Automatisierter Kälteschlaf

08.03.2016

Automatisierte Prozesse, wie sie im Automobilbau üblich sind, findet man in der Pharmaindustrie selten. Der Grund: Die Abläufe sind komplex und erfordern Fingerspitzengefühl. Der CryoMAT ist das erste Gerät, das Zellproben selbstständig bearbeiten und auf kleinem Raum tiefkühlen kann – ohne dass ein Laborant dafür auch nur einen Finger krümmen muss.

Ellbogen aufsetzen, Pipette positionieren, auf den Knopf drücken. Immer derselbe Ablauf, immer dieselben Muskeln, die gefordert sind – dutzende, hunderte Male hintereinander. Laborarbeit kann anstrengend sein und führt nicht selten zu körperlichen Problemen wie dem »Tennisarm«. Bisher gab es wenig Alternativen zur ermüdenden Handarbeit. Doch das kann sich bald ändern.


Automatisiertes Einfrieren der bearbeiteten Zellproben.

Quelle: Fraunhofer IPA

Der CryoMAT, den Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie in Mannheim entwickelt haben, kann Zellproben vollautomatisch katalogisieren, Lösungen pipettieren, durchmischen, umfüllen und einfrieren. Während die Anlage vollkommen autonom arbeitet, haben die Laboranten Zeit für andere Aufgaben – der CryoMAT schickt eine SMS, sobald der Job erledigt ist.

Eineinhalb Jahre haben die Fraunhofer-Forscher an der neuen Technik getüftelt. »Der Kunde, ein skandinavisches Pharmaunternehmen, hatte ganz konkrete Vorstellungen. Er wollte eine vollautomatisierte Anlage, die Zellkulturen bearbeiten und auf die Lagerung in flüssigem Stickstoff vorbereiten kann.

Die Anlage sollte außerdem schnell sein und wenig Platz benötigen«, erinnert sich Christian Reis. Zusammen mit seinem Team hat er technologisches Neuland betreten: »So etwas hatte es bis dahin nicht gegeben. Die Automatisierung ist in Zellkulturlaboren noch lange nicht so weit fortgeschritten wie im Automobilbau. Bei der Entwicklung und Produktion neuer Wirkstoffe sind viele Schritte noch Handarbeit.«

Um die Möglichkeiten der Automatisierung auszuloten, mussten die Fraunhofer-Forscher mehrmals von Mannheim nach Skandinavien reisen, den Mitarbeitern des Pharmakonzerns auf die Finger schauen und die Prozesskette analysieren. »Da war es gut, dass wir sehr interdisziplinär aufgestellt sind«, erklärt Reis. Er selbst ist Biotechnologe, zum Team gehören aber auch Elektrotechniker, Mechatroniker und Physiker. »Man muss die Probleme des Kunden verstehen, wenn man sie lösen will«, resümiert der Wissenschaftler.

Die Anforderungen des Pharmaunternehmens sind hoch: Um neue Wirkstoffe zu gewinnen, nutzen die Spezialisten in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung Zellen, die gentechnisch manipuliert sind. Diese produzieren Enzyme oder Antikörper. Doch nicht jede Zelllinie ist gleich. Winzige Unterschiede entscheiden drüber, wie effektiv die Proteine sind.

Um herauszufinden, welche Zellen sich am besten für die Herstellung bestimmter Enzyme oder Antikörper eignen, muss man deren Wirksamkeit testen und derweil die unterschiedlichen Zellkulturen konservieren. An diesem Punkt kommt die Cryotechnik ins Spiel: Sie erlaubt das Einfrieren lebender Zellen, ohne dass diese dabei Schaden nehmen – bei Bedarf lassen sie sich auftauen und für die Produktion des gewünschten Wirkstoffs nutzen.

Nun ist das Einfrieren von lebenden Zellen nicht ganz trivial. Würde man die Proben einfach in den Tiefkühlschrank stecken, würden sich Eiskristalle bilden, die die Membranen zerstören. Um Schäden zu verhindern, muss die Nährlösung daher zunächst durch Frostschutzmittel ersetzt werden. Erst dann kann man die Temperatur absenken.

Der CryoMAT erledigt all diese Schritte ohne menschliches Zutun: Er erkennt die Barcodes auf den Zellkulturgefäßen, liest sie aus und katalogisiert sie, sortiert die Probengefäße, pipettiert die Proben, füllt sie um, schließt die Gefäße und transportiert sie in den kleinen Tiefkühlschrank bei minus 80 Grad Celsius. Durch eine Plexiglasscheibe kann man zusehen, wie Roboterarme hin- und herfahren, Pipetten aufnehmen und wieder absetzen, Verschlüsse auf- und zudrehen, Mikrotiterplatten mit Proben balancieren und am Ende die Cryogefäße im Tiefkühlschrank versenken. All das geht zügig, koordiniert, reibungslos.

Was man nicht sieht: In der Apparatur steckt jede Menge Tüftelarbeit. »Wir konnten nur zum Teil bestehende Technologien nutzen. Aber es gab zum Beispiel keinen Pipettierautomaten, der mit Volumina von 10 Millilitern und Zellkulturflaschen arbeiten kann, den mussten wir neu entwickeln«, erinnert sich Reis. Eine andere Hürde: In den Probengläschen sanken die Zellen auf den Boden, statt sich gleichmäßig im Frostschutzmittel zu verteilen. Um dieses Problem zu lösen, mussten die Fraunhofer-Forscher einen eigenen Arbeitsschritt einbauen, der Zellen und Flüssigkeiten besser durchmischt.

Doch die Mühe hat sich gelohnt: Der Auftraggeber ist zufrieden und Reis ebenfalls: »Es macht einfach Spaß, wenn man eine Anlage so entwickelt, dass sie beim Kunden gut funktioniert.« (Monika Weiner)

Presse und Öffentlichkeitsarbeit | Marketing
Axel Storz | Telefon +49 621 17207-366 | axel.storz@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer IPA, Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB | Theodor-Kutzer-Ufer 1–3 | CUBEX41 | Haus 41 | 68167 Mannheim

Fachlicher Ansprechpartner
Christian Reis | Telefon +49 621 17207-120 | christian.reis@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer IPA, Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB

Weitere Informationen:

http://pamb.ipa.fraunhofer.de
http://www.ipa.fraunhofer.de/cryomat.html

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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