Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zebrafischeier dank Maschinellem Lernen automatisch sortieren

03.09.2018

Zebrafische besitzen fast alle Gene, die Menschen auch haben. Daher eignen sich ihre Eier als Modellorganismus für die Gen- und Wirkstoffforschung. Die Probenvorbereitung erfolgt bislang manuell – ein zeitaufwändiger Prozess. Eine neue Technologie vereinzelt und sortiert die Fischeier mithilfe eines ausgeklügelten Machine-Learning-Algorithmus künftig automatisch. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA demonstrieren die Funktionsweise ihrer Lösung vom 6. bis 8. November auf der Messe VISION in Stuttgart (Halle 1, Stand G42).

Der Zebrafisch, auch Zebrabärbling genannt, ist seit langem ein beliebter Modellorganismus in der Zell- und Molekularbiologie. Die sechs Zentimeter langen Winzlinge entwickeln sich in durchsichtigen Eiern außerhalb des Mutterleibs.


Befruchtetes Fischei mit zwei Zellen.

© Stefan Scholz / Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ

Forscher schätzen den Fisch wegen seiner Transparenz – bis ins frühe Larvenstadium hinein können sie seine Zellen und Organe unter dem Lichtmikroskop beobachten, ohne die Embryonen dabei zu verletzen. Ein geschlechtsreifes Weibchen kann wöchentlich mehrere hundert Eier legen, die sich für die Gen- und Wirkstoffforschung im Labor eignen, etwa für die krebstoxikologische Forschung oder die Untersuchung von Herzkrankheiten.

Das Genom des Zebrafischs stimmt zu 70 Prozent mit dem des Menschen überein, auch wichtige Organsysteme sind identisch – eine ideale Voraussetzung für die biomedizinische Forschung.

Hochdurchsatz-Analyseverfahren etablieren

Diffizil ist jedoch die Probenvorbereitung der Fischeier: Diese müssen von einer Fachkraft einzeln auf ihren Befruchtungszustand untersucht, mikroskopisch klassifiziert und anschließend in einer Mikrotiterplatte abgelegt werden. Um eine Mikrotiterplatte mit 96 Gefäßen zu befüllen, benötigt eine trainierte Laborangestellte etwa zwölf Minuten, die Fehlerrate ist aufgrund der monotonen Tätigkeit erhöht. Forschende des Fraunhofer IPA in Stuttgart wollen diesen Arbeitsvorgang erheblich beschleunigen: Eine neue automatisierte Lösung soll künftig drei Eier pro Sekunde klassifizieren.

Die befruchteten Eier werden in weniger als zwei Minuten in eine 96-Well-Mikrotiterplatte einsortiert. Ziel ist es, ein Hochdurchsatz-Analyseverfahren zu etablieren, das sich in eine vollautomatisierte Anlage integrieren lässt, um den Probendurchsatz zusätzlich zu erhöhen.

Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau des Landes Baden-Württemberg fördert die Entwicklung des Verfahrens im Rahmen des Projekts »Applikationszentrum Labor 4.0 – Das Labor in der Cloud!«.

»Mit unserer Technologie entlasten wir nicht nur Laboranten bei der Aufbereitung der Proben, sondern umgehen den Engpass in der Prozesskette, senken die Personalkosten und beschleunigen beispielsweise die Erforschung von Medikamenten«, sagt Bastian Standfest, Wissenschaftler der Gruppe »Technologie- und Geräteentwicklung« in der Abteilung »Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik« am Fraunhofer IPA.

Gemeinsam mit Gruppenleiter Martin Thoma und den Kollegen Xi Chen und Sascha Getto der Abteilung »Bild- und Signalverarbeitung« entwickelt er den automatisierten Fischeisortierer, der derzeit als Prototyp vorliegt. Herzstück des Sortierers ist ein Kamerasystem, das den Befruchtungszustand in Kombination mit einem Machine-Learning-Algorithmus erkennt.

Selbstlernendes System

Die befruchteten und unbefruchteten Eier werden zunächst aus einem belüfteten Behälter mit einer rotierenden Spritze aufgesaugt und in eine Transferflüssigkeit verteilt, um im nächsten Schritt in einen Fluidik-Kanal geleitet und dort vereinzelt zu werden. Optische Sensoren prüfen, ob der Vorgang erfolgreich war. Das Kamerasystem detektiert anschließend den Befruchtungszustand mithilfe des Deep-Learning-Algorithmus, der die verschiedenen Zellstadien identifiziert.

»Wir trainieren den Algorithmus durch eine Datenbank mit Bildern von klassifizierten Fischeiern. Dabei definiert er die diversen Merkmale der Zellstadien und trifft so eine Aussage, ob ein Ei befruchtet ist oder nicht«, erläutert Standfest den Prozess. Die befruchteten Eier werden durch einen Druckstoß vom Fluidik-Chip in die Mikrotiterplatte abgelegt. Erste Tests sind vielversprechend, die falsch-positiv-Rate ist gering – unbefruchtete Eier wurden nur in 0,2 Prozent der Fälle als befruchtet klassifiziert. Das Forscher-Team geht davon aus, mehrere tausend Eier pro Stunde einsortieren zu können.

Derzeit arbeiten Standfest und seine Kollegen daran, die Geschwindigkeit des Prozesses zu maximieren, auch der Algorithmus wird optimiert. »Durch die ständige Rückkopplung der neu aufgenommenen Bilder verbessern wir diesen sukzessive, Ziel ist die Entwicklung eines selbstlernenden Systems«, so Standfest. »Es lässt sich auch an weitere makroskopische Sortierprozesse anpassen, etwa zum automatischen Vereinzeln und Klassifizieren anderer Organismen«.

Der aktuelle Aufbau dient als erster Anwendungsfall für ein intelligentes und selbstlernendes System. Diese Plattformtechnologie dient als Einstieg in Biointelligente Systeme und kann zukünftig an verschiedene Anwendungsbereiche angepasst werden. Zusätzlich unterstützt ein solches Vorhaben die Biologische Transformation bzw. die generelle Schnittstelle zwischen Biologie und Technik.

Das Forscherteam präsentiert seine Lösung vom 6. bis 8. November auf der Messe VISION in Stuttgart am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle1, Stand G42.

Weitere Informationen:

https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2018/September/Zebrafisc...

Joerg-Dieter Walz | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt
28.05.2020 | Universität Konstanz

nachricht Forschung zur Vermeidung von Tumorschmerz beim Bauchspeicheldrüsenkrebs
28.05.2020 | Universitätsmedizin Mannheim

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Im Focus: Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase

Im Rahmen des EU-Projekts LEA (Large European Antenna) hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg gemeinsam mit den Unternehmen HPS GmbH und Iprotex GmbH & Co. KG ein reflektierendes Metallnetz für Weltraumantennen entwickelt, das ab August 2020 in die Produktion gehen wird.

Beim Stichwort Raumfahrt werden zunächst Assoziationen zu Forschungen auf Mond und Mars sowie zur Beobachtung ferner Galaxien geweckt. Für unseren Alltag sind...

Im Focus: Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

In lebenden Zellen treiben Enzyme biochemische Stoffwechselprozesse an. Auch in der Biotechnologie sind sie als Katalysatoren gefragt, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen. Forscher haben nun ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen.

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese...

Im Focus: Biotechnology: Triggered by light, a novel way to switch on an enzyme

In living cells, enzymes drive biochemical metabolic processes enabling reactions to take place efficiently. It is this very ability which allows them to be used as catalysts in biotechnology, for example to create chemical products such as pharmaceutics. Researchers now identified an enzyme that, when illuminated with blue light, becomes catalytically active and initiates a reaction that was previously unknown in enzymatics. The study was published in "Nature Communications".

Enzymes: they are the central drivers for biochemical metabolic processes in every living cell, enabling reactions to take place efficiently. It is this very...

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ein wichtiger Schritt zum Neuromorphen Rechnen: richtungsweisende Arbeit aus Dresden

28.05.2020 | Materialwissenschaften

Wieso Radium-Monofluorid den Blick ins Universum fundamental verändern kann

28.05.2020 | Physik Astronomie

Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

28.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics