Roboter im Labor: Laborautomatisierung

Insbesondere beim Wirkstoff-Screening oder bei der systematischen strukturellen Charakterisierung von Substanzen und Proteinen ist die Laborarbeit von sich ständig wiederholenden Routinetätigkeiten geprägt. Unter Verwendung von Mikrotiterplatten können eine Reihe dieser Untersuchungen parallel nach demselben Muster durchgeführt werden. Eine solche Arbeitsweise erfordert eine hohe Reproduzierbarkeit der einzelnen Arbeitsschritte und ist dabei aufgrund der ständigen Wiederholungen für Menschen häufig ermüdend. Laborautomation als alternative Vorgehensweise ist daher ein Trend, der sich in verschiedenen dieser Forschungsbereiche durchzusetzen beginnt.

Der alte Ansatz, dass ein Chemiker gezielt eine Substanz über einen erarbeiteten Syntheseweg herstellt, um ein bestimmtes Produkt als potentiellen Wirkstoff zu erhalten, das er dann gezielt auf eine bestimmte Fragestellung bezogen testet, ist längst nicht mehr die allgemein zutreffende Arbeitsweise. Vor allem bei der modernen Suche nach Wirkstoffen für Medikamente in den großen Pharmafirmen geht es heutzutage um die Synthese und Charakterisierung von Tausenden von Substanzen in möglichst kurzer Zeit. Diese große Zahl an potentiellen Medikamenten muss dabei für eine ebenfalls große Zahl an Krankheiten getestet werden. Um die resultierende Anzahl an Untersuchungen bewältigen zu können, spielt der Einsatz von Laborautomatisierungssystemen eine immer wichtigere Rolle.

Für die Herstellung einer großen Zahl potentieller Wirkstoffmoleküle bedient man sich seit einigen Jahren häufig der Methoden der Kombinatorischen Chemie, die aus einer Art Baukasten von Grundbausteinen versucht, eine möglichst große Zahl neuer Moleküle zusammenzusetzen. Diese neuen Verbindungen müssen dann in Substanzbibliotheken organisiert werden. Große Substanzbibliotheken können Hunderttausende oder sogar Millionen von Einzelsubstanzen enthalten, deren Synthese, Charakterisierung und Archivierung einen einzelnen Chemiker oder eine Arbeitsgruppe ohne entsprechende Hilfsmittel überfordern würde.

An dieser Stelle setzt die Laborautomatisierung ein. Bereits die Synthese zum Aufbau der Substanzbibliothek aus den vorgegebenen Grundbausteinen lässt sich nach bestimmten Regeln automatisieren und von einem Roboter durchführen. Der Vorteil liegt darin, dass Laborroboter eine große Zahl an Reaktionsansätzen parallel nach demselben Muster bearbeiten können. Auf diesem Weg lassen sich beispielsweise in Messreihen mehrere Katalysatoren miteinander vergleichen, Ausbeuten und Synthesewege optimieren, Proben nach speziellen Anforderungen reproduzierbar herstellen oder ganze Substanzbibliotheken nach bestimmten Syntheseregeln aufbauen. Ein entsprechend ausgebautes System kann gleichzeitig noch die chromatographische Aufreinigung, Isolierung und Charakterisierung der Produkte als Arbeitsschritte übernehmen.

Der Grundbaustein für eine automatisierte Reaktionsführung sind üblicherweise Mikrotiterplatten, die eine bestimmte Anzahl an Vertiefungen (wells) aufweisen, in denen die Reaktionen durchgeführt werden. Bereits in den 50er Jahren wurden die Grundlagen für die 96-well-Platten gelegt. Inzwischen werden diese zunehmend durch 384- oder sogar 1536-well-Platten ersetzt, die eine entsprechend größere Anzahl an Vertiefungen bei gleicher Plattengröße bieten. Dadurch, dass auf einer Platte eine Vielzahl von Reaktionen parallel getestet werden kann und die Platten durch automatische Systeme einfach zu handhaben sind, basieren die meisten Laborautomatisierungslösung auf der Verwendung von Mikrotiterplatten. Selbst die Archivierung von Proben erfolgt aufgrund von Vorteilen bei der Lagerung häufig auf diesen Platten, obwohl auch Systeme verfügbar sind, die einfache Probenröhrchen handhaben können. Die Archivierung von Proben ist jedoch nur der Anfang (oder das Ende) der Möglichkeiten eines automatisierten Labors.

Automatisch Schritt für Schritt
Das bekannteste Beispiel für Laborautomatisierung sind die Liquid-Handling-Workstations, bei denen ein Pipettierroboter mit einer oder mehreren Mikrotiterplatten selbstständig vorprogrammierte Versuchsreihen durchführt. Auch wenn diese Arbeitsweise schon seit Jahren Anwendung findet, lassen sich in diesem Bereich immer noch kontinuierliche Verbesserungen erreichen, was sich an den Platten mit immer mehr Wells pro Fläche zeigt. Allerdings erfordern diese Platten eine höhere Präzision bei der Ansteuerung von Plattenpositionen und der Abmessung der Volumina, was eine der Entwicklungsrichtung in diesem Bereich der Automatisierung bestimmt.

Die meisten Liquid-Handling-Workstations sind inzwischen so ausgelegt oder ergänzbar, dass sie auf ihrer Arbeitsfläche, dem Deck, mehrere Platten gleichzeitig unterbringen und damit eine sehr hohe Zahl von Proben bearbeiten können. Falls der Platz nicht ausreicht, können so genannte Stacker die bearbeiteten Platten automatisch in entsprechenden Regalen stapeln und die Pipettier-Roboter mit neuen Platten versorgen.

Eine solche Arbeitsweise erlaubt Hochdurchsatzuntersuchungen bzw. High Throughput Screening (HTS), mit denen man beispielsweise eine große Zahl an potentiellen Medikamentenkandidaten parallel gegen spezielle Krankheiten testen kann. Vor der Einführung der Hochdurchsatzuntersuchungen ging man davon aus, ca. 100 Substanzen an einem Tag testen zu können. Bei Substanzbibliotheken, die weit über hunderttausend Medikamentenkandidaten enthalten können, würde ein solcher konventioneller Ansatz Jahre erfordern. Bereits wenn man davon ausgeht, in derselben Zeit hundert Mikrotiterplatten testen zu können, würde der notwendige Zeitaufwand auf weniger als zwei Wochen zusammenschrumpfen. Ab einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 10.000 Proben am Tag spricht man daher allgemein von Hochdurchsatzmethoden. Bis zu einem gewissen Grad wird diese Geschwindigkeitssteigerung bereits durch den Einsatz von Platten bestimmt, so dass auch ein Mensch mit dieser Arbeitsweise eine höhere Zahl an Proben bearbeiten könnte. Die ständigen Wiederholungen immer gleicher Schritte, die keine geistige Eigenleistung erfordern, können von einem Roboter jedoch mit einer höheren Reproduzierbarkeit durchgeführt - und das 24 Stunden am Tag und 7 Tage die Woche. Außerdem setzen viele Roboter nicht mehr nur eine Pipette ein, sondern verwenden Pipettenköpfe, mit denen sie ganze Reihen auf den Platten oder sogar ganze Platten in einem Arbeitsgang bearbeiten können und so einen echten Geschwindigkeitsvorteil erzielen. Diese so genannten Dispenser vereinigen die Präzision einer Pipetting-Workstation mit der Geschwindigkeit eines Washers, der alle Wells einer Platte durch Überspülen gleichzeitig füllt.

Auch wenn ein Screening mittels Mikrotiterplatten ein gut zu automatisierendes Verfahren ist, können insbesondere bei Hochdurchsatzverfahren weitere Arbeitsschritte schnell zu einem Engpass führen. Arbeitsschritte, die für einen Menschen so einfach sind, dass man sie leicht übersehen kann, spielen bei der Laborautomatisierung oft eine wichtige Rolle. So werden Systeme benötigt, die die Platten mit einer schützenden Abdeckung versehen. Was für einen Menschen ein Routinehandgriff ist, erfordert bei der Automatisierung häufig einen weiteren Baustein wie einen Sealer, sofern die Workstation nicht auch diesen Schritt selbst beherrscht. Auch die Verwendung von Probenröhrchen, in denen die Proben eventuell von außerhalb in ein Labor kommen, erfordert eine Lösung, um diese Behältnisse automatisch zu öffnen und wieder zu verschließen. Sollen Proben für weitere Untersuchungen oder beispielsweise Zentrifugationsschritte abgefüllt werden, fehlt dem System noch ein Autosampler, um diese Aufgabe zu übernehmen. Für die Detektion der Treffer (Hits), ob eine Substanz sich als potentieller Wirkstoff erweist, gibt es spezielle Microplate Reader, die spektroskopische Untersuchungen direkt auf der Platte durchführen können, ohne eine aufwendige Umfüllung in Küvetten zu erfordern.

Da viele Assays und andere Untersuchungen nicht nur aus einem Schritt bestehen, sondern mehrere Arbeitsgänge erfordern, kann die Organisation und Programmierung des Gesamtprozesses kompliziert werden und mehrere automatische Einzelkomponenten erfordern. Außerdem bedingen Arbeitsprozesse, bei denen statt einiger hundert gleich mehrere hunderttausend Proben bearbeitet werden sollen, eine entsprechende Logistik. Überhaupt stellt die Verwaltung von Substanzbibliotheken dieser Größenordnungen, die bei großen Firmen auf bis zu zehn Millionen Einzelsubstanzen anwachsen können, ganz spezielle Anforderungen. Daher werden bereits bei der Archivierung Roboter, so genannte Automated Storage and Retrieval Systems, eingesetzt, die als Greifarm die Proben aus entsprechenden gekühlten Probenregalen herausholen und je nach Größe des Gesamtsystems entlang eines Schienensystems transportieren, während eine Computerdatenbank den Bestand verwaltet. Um die Proben bzw. Platten maschinenlesbar zu beschriften, kommen automatische Barcodeleser (Barcode Labeller) zur Anwendung.

Natürlich können nicht nur gelöste Proben archiviert werden, denn Workstations für Proteinkristallographie, die verschiedene Standardverfahren beherrschen, sind ebenso kommerziell verfügbar wie Geräte zur automatischen Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction). Einige dieser Workstations beherrschen außerdem klassische chromatographische Aufreinigungsverfahren wie HPLC.

Laborroboter kommen auch bei automatisierten Synthesesystemen zum Einsatz. Eine entsprechende Workstation kann eine große Anzahl von Reaktionsansätzen simultan bearbeiten und dabei ständig die Reaktionsbedingungen wie z.B. Kühlung oder Erwärmung genau kontrollieren. Einerseits können so Substanzbibliotheken aus der Reaktion vieler ähnlicher Verbindungen hergestellt werden. Andererseits erlauben solche Roboter die einfache Durchführung der gleichen Reaktion unter einer Vielzahl unterschiedlicher Bedingungen, wodurch sich die entsprechende Reaktionsführung und die zugehörige Ausbeute optimieren lassen. Einige Workstations beherrschen bereits mehrere weiterführende Arbeitsschritte und sind so in der Lage, den kompletten Weg von der Synthese über die Aufreinigung bis zur Analyse selbstständig durchzuführen.

Um den vollen Nutzen aus einer Laborautomatisierung ziehen zu können, müssen allgemein möglichst viele dieser Schritte automatisiert werden. Im Idealfall wird auf diesem Weg die vollständige Laborautomatisierung (Walk-away automation) erreicht, bei der alle notwendigen Schritte von Laborrobotern übernommen werden.

Die Stärken der Laborroboter
Der augenscheinlichste Vorteil automatisierter Systeme liegt darin begründet, dass man eine ganze Reihe von Routineprozessen automatisch ablaufen lassen kann. Auf diesem Weg können Zeit und auch Kosten eingespart werden, um mehr Energien in die notwendigen weiterführenden Untersuchungen zu stecken. In der Forschung ist High-Throughput-Screening in der Regel jedoch nur der erste großflächige Test von Substanzen, dem nach Auswahl geeigneter Wirkstoffkandidaten diverse und häufig noch nicht zu automatisierende Forschungsschritte folgen.

Von Vorteil sind auch die hohe Reproduzierbarkeit der Arbeitsschritte und die Vermeidung von menschlichen Fehlern, wie sie bei sich ständig wiederholenden Tätigkeiten auftreten können. Weniger augenfällig ist die Tatsache, dass automatisierte Systeme zusätzlich mit ganz anderen Probenmengen umgehen können. So ist es modernen Pipettierrobotern möglich, Proben im Nanolitermassstab abzumessen und mit winzigen Probenmengen zu arbeiten. Insbesondere bei einer großen Zahl an Tests ist es erstrebenswert, möglichst wenig Substanz für das erste Screening zu verbrauchen.

Die Grenzen der Technik
Obwohl die Laborautomatisierung eine Vielzahl von Vorteilen bietet, gibt es auch noch einige Faktoren, die ihre Verbreitung begrenzen. Bereits vor der Anschaffung eines solchen automatischen Systems müssen diverse Punkte bedacht werden. Oftmals reicht es nicht aus, nur einen Arbeitsschritt zu automatisieren, so dass sich bereits zu Anfang die Frage stellt, welche Aspekte eines Arbeitsprozesses automatisiert werden können und sollen. Eine vollständige Automatisierung aller Schritte ist zwar in vielen Fällen wünschenswert, aber gleichzeitig auch mit hohen Kosten verbunden, die sich zurzeit nur große Laboratorien leisten können. Daher kann es sinnvoll erscheinen, statt einer Komplettlösung das System modular aufzubauen und allmählich den Erfordernissen anzupassen. Bei einem schrittweisen Aufbau muss jedoch sichergestellt sein, dass die Geräte miteinander kompatibel und kombinierbar sind. An dieser Stelle spielt auch die Überlegung eine Rolle, ob man den entsprechenden Arbeitsprozess langfristig in der Form nutzen will, oder ob zu einem späteren Zeitpunkt eine Modifikation des Systems ansteht. Im zweiten Fall stellt eine modulare Lösung einen Vorteil dar, da diese so genannten Workcells häufig leichter und schneller an neue Aufgaben anzupassen und zu konfigurieren sind.

Die Vollautomatisierung eines Labors führt in der Regel zu sehr hohen Anschaffungskosten und einem spezialisierten und damit inflexiblen System, dessen Komplexität und damit verbundene lange Aufbauzeit von Nachteil ist. Auf der anderen Seite sind besonders der Industrie solche standardisierten und fest integrierten Systeme wichtiger als frei konfigurierbare Lösungen.

Trends für die Zukunft
Auch wenn die Laborautomation inzwischen den Kinderschuhen entwachsen zu sein scheint, birgt sie noch immenses Zukunftspotential. Eine der möglichen Entwicklungsrichtungen ist neben der kontinuierlichen Verbesserung und Preissenkung die Miniaturisierung. Der Trend, der mit immer differenzierten Mikrotiterplatten bereits begonnen hat, kann mit Techniken aus dem Bereich der Microarrays und Lab-on-a-chip-Technologien weiter vorangetrieben werden. Auch die Steigerung in Richtung von Ultrahochdurchsatzverfahren, die mehr als 100.000 Proben pro Tag verarbeiten können, stellt eine Entwicklungsrichtung für die Zukunft dar.

Am Ende bleibt ein Kritikpunkt, der häufig im Zusammenhang mit Automatisierung allgemein genannt wird. Gemeinhin bedeutet der Einsatz von Robotern die Einsparung von menschlichen Arbeitskräften, selbst wenn man dabei mit einrechnet, dass auch die Entwicklung und der Betrieb von Robotern eigene Arbeitsplätze schaffen. Obwohl die Laborautomatisierung ständig voranschreitet, werden für weiterführende Analysen und Auswertungen immer noch Wissenschaftler benötigt, und je mehr Versuchsreihen durch automatische System durchgeführt und je mehr Daten dabei zusammengetragen, desto mehr Menschen sind nötig, diese Informationen sinnvoll auszuwerten und zu nutzen. In diesem Sinne bleibt die Hoffnung, dass die Wissenschaft durch eine weitere Technisierung und den Einsatz von Robotern Zeit gewinnt, sich von Routinearbeiten ab- und wichtigen weitergehenden Fragestellungen zuzuwenden.

Roboter sollen heutzutage diejenigen Arbeiten übernehmen, die für Menschen zu gefährlich, zu kompliziert, zu schwer, zu schmutzig oder auch einfach zu stupide sind, und dabei Kosten und Zeit einsparen. Während insbesondere in der Automobilindustrie Roboter inzwischen einen festen Platz in modernen Arbeitsprozessen einnehmen, haben sie sich seit einigen Jahren auch ihren Weg in chemische und biotechnologische Labore gebahnt.