Automatisierte Plattform zur Kultivierung von Stammzellen

 


 
 

Motivation

Die Kultivierung von Patientenzellen ermöglicht die Herstellung von Zellprodukten für ein personalisiertes Wirkstoffscreening oder für den therapeutischen Einsatz als ATMP (Arzneimittel für neuartige Therapien). Die Forschung auf diesen Gebieten entwickelt sich rasant und hat zu vielversprechenden neuen Therapieansätzen geführt. Die Überführung der Forschungsergebnisse in die klinischen Anwendung ist jedoch eine Herausforderung. Denn trotz der sehr hohen Anforderungen an Qualität, Standardisierung und Sterilität werden die Prozesse zur Kultivierung dieser Zellen überwiegend manuell durchgeführt. Es erfordert geschultes Personal, um die komplexen Laborprozesse durch Variation von Parametern und Zeitpunkten an die von Patient zu Patient variierende biologische Dynamik des Zellmaterials (z. B. Wachstumsgeschwindigkeit der Zellen) anzupassen.

 

 
 

Ansatz

Eine Automatisierung der komplexen Laborprozesse erfordert flexible Anlagen mit einer zugehörigen dynamische Leittechnik. Die Besonderheit der adaptiven Leittechnik ist die Feinplanung der Prozessabfolgen paralleler Prozessketten auf Basis der erfassten Messwerte über den Zellzustand. In Zusammenarbeit mit Zellbiologen werden Zellzustände beschrieben und ein Regelwerk entwickelt. Durch eine regelbasierte Auswahl der Folgeprozesse mit einer entsprechenden Parametrisierung  können die im manuellen Prozess hoch individuellen Entscheidungen von Labormitarbeitern in reproduzierbarer Art und Weise abgebildet werden. Damit gelingt es, die individuellen Wachstumsprozesse zu beherrschen.

 

 
 

Projektinfos iCellFactory

Zentrales Element der Forschung im Bereich der automatisierten Kultivierung von patientenspezifischen Zellen am WZL stellt die iCellFactory dar.

Zur Adaption der Laborprozesse und der damit einhergehenden Anpassung an die individuellen Anforderungen patientenspezifischer Zellen verfügt die Anlage über Lösungen zur Online-Überwachung von Zellzuständen. Die aufgenommenen Daten werden anschließend durch Analysetools des zentralen Steuerungssystems (Leitsystem) verarbeitet und der Prozess auf Basis eines hinterlegten wissensbasierten Regelwerks (basierend auf etabliertem Laborprotokoll) adaptiert.

Neben der Möglichkeit den Prozess anzupassen verfügt die Anlage auch über Möglichkeiten die mechanische Konfiguration, sprich die Zusammensetzung der genutzten Laborgeräte, ohne großen Aufwand für den Bediener anzupassen. So ist es möglich, Geräte einfach auszutauschen, hinzuzufügen oder aus der Anlage zu entnehmen. Ein in der Anlage integriertes Kamerasystem erfasst, nach einer Modifikation der mechanischen Konfiguration der Anlage, die Positionen der im Arbeitsraum befindlichen Geräte und gibt diese an eine Simulation weiter. Mit der Simulation werden die neuen Roboterbahnen automatisch berechnet und dem Leitsystem bereitgestellt. Ein aufwändiges, sonst bei flexiblen Anlagen notwendiges Programmieren der Robotersteuerung entfällt. Somit können sich die Mitarbeiter im Labor weiterhin auf ihre Kernaufgaben konzentrieren, während die Anlage sie bei der Bereitstellung von Zellen unterstützt.

Die iCellFactory ermöglicht somit mehrere Funktionen

  • die automatisierte Kultivierung von Zellen
  • die Untersuchung von Laborprotokollen
  • die Bereitstellung eines Testbeds zur Untersuchung von Laborgeräte in einer automatisierter Umgebung

     

 
 

Veröffentlichungen

Wein, S.; Wolff, L.; Malik, A.; Storms, S.; Herfs W.: Concept for Automated Robot Programming Using Image Processing. Advances in Production Research - Proceedings of the 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Aachen, S. 705-714, 2018.

Malik, A.; Meyr, U.; Herfs, W.; Zenke, M.; Wanek, P.: Control of Dynamically Inherent Biological Processes in Cell Technology, 2018 IEEE International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC), Stuttgart, 2018, pp. 1-5.

Brecher, C.; Herfs, W.; Malik, A.; Valest Torres, C. E.; Wein, S.; Wanek, P.; Zenke, M.: Adaptive Automatisierung für die Zellproduktion - Mechatronische Rekonfigurierbarkeit von Produktionsanlagen. In: GIT Labor, 60. Jg., 2016, Nr. 2, S. 27-29.

 

 
 

Kontakt

Ansprechpartner:
Stephan Wein, M.Sc.
Tel.: +49 241 80-27455
E-Mail: s.wein@wzl.rwth-aachen.de