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Biobanken – Optimierung durch Automation

Biobanken sind Infrastruktur-Einheiten, die eine immer größer werdende Anzahl von überwiegend humanen Proben beherbergen und – mit ihren entsprechenden klinischen Daten vernetzt – der Forschung zur Verfügung stellen. Erweitert wird dieses System der humanen Biobanken durch Biobanken, die Proben tierischen oder pflanzlichen Ursprungs beinhalten und auch dort wieder mit funktionellen Daten verknüpfen. In den vergangenen zehn Jahren  ist nicht nur die Zahl der Biobanken deutlich angestiegen – auch die Zahl der in den einzelnen Biobanken gelagerten Proben hat enorme Ausmaße angenommen. So lagern heute in der UK Biobank eine Million verschiedene Proben von 500.000 Spendern und Spenderinnen im Alter von 40 bis 69 Jahren. In der Biobank Graz lagern fast sechs Millionen Proben von mehr als einer Million Spendern und Spenderinnen, die während der vergangenen 30 Jahre gesammelt wurden.

Die Sammlung und auch die Langzeitlagerung dieser großen Zahl an Proben erfordert ein immer höheres Maß an Automatisierung. Dies ist vor allem notwendig, um die Richtlinien der Qualitätsmanagementsysteme zu erfüllen, die mit manuellen Sammel- und Lagerstrategien bei diesen Probenzahlen nicht mehr umsetzbar sind. Hinzu kommt, dass immer ausgefeiltere Sammel- und Lagerprotokolle entwickelt werden, um die Proben möglichst hochwertig über lange Zeit und für jedwede analytische Anwendung zur Verfügung zu haben.

Die Zunahme an Proben ist verbunden mit einem noch viel größeren Zuwachs an klinischen und wissenschaftlichen Daten zu jeder Probe. Dies hat zur Folge, dass immer komplexer werdende IT-Strukturen entwickelt werden müssen, um nicht nur die lokale Einordnung der Proben während der Lagerung, sondern auch die Vernetzung zwischen Proben und Daten zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Dabei müssen alle ethischen und legalen Erfordernisse zum Schutz der persönlichen Rechte der Spender berücksichtigt werden. Somit sind Entwicklungen auf verschiedensten Ebenen in Biobanken im Gange, um den steigenden Anforderungen gewachsen zu sein.

Automatisierungsentwicklungen

Automatisierungsentwicklungen für die Sammlung und Lagerung von Proben finden sich in fast allen großen Biobanken. Es zeigt sich heute, dass der Weg von manuellen Systemen hin zu automatisierten Systemen zwingend erforderlich ist, um als Biobank internationale Akzeptanz zu erhalten und zu behalten. Nur eine zertifizierte und mit einem Qualitätsmanagement (QM)-System agierende Biobank wird heute als wissenschaftlicher Kooperationspartner ernsthaft in Betracht gezogen.

Unterstützung bei der Sammlung von Flüssigproben

Biobanken, die an Universitäten – besonders Medizinische Universitäten oder Fakultäten – angeschlossen sind, können daraus einen großen Nutzen für die Probensammlung ziehen. Die Anbindung an die klinischen Zentrallabors der entsprechenden Universitätskliniken ermöglicht einen direkten Zugang auf Flüssigproben (vor allem Blutproben) und – über die entsprechenden LIMS-Systeme – auch den direkten Zugriff auf die entsprechenden klinischen Daten. Der Transport dieser Proben von der Einzelklinik, in der die Blutabnahme erfolgt, hin zum Zentrallabor ist in den Universitätskliniken durch die klinische Routine optimiert. Somit können angeschlossene Biobanken hier durch eine direkte Anbindung eine optimale Probenqualität erhalten.

An dieser Stelle entscheidet das Probenmanagement einer Biobank über die weitere Handhabung der Proben auf Ebene der Biobank und damit über die Qualität der Probe für die Wissenschaft. Eine manuelle Probenaufteilung kann trotz aller Bemühungen eines effektiven QM-Systems eine gleichbleibende Qualität nicht auf Dauer garantieren, so dass eine Automatisierung zwingend erforderlich ist. Dafür stehen schon seit langem hochautomatisierte Pipettierroboter zur Verfügung, die hier zum Einsatz kommen.

Neuerungen bei der automatisierten Sammlung von Flüssigproben

Trotzdem bleibt meist ein manueller Schritt offen, nämlich die aliquotierten Proben aus dem Pipettierroboter in ihre entsprechenden Lagersysteme zu überführen. Dieser Schritt, der gerne in der Kette des Probenhandlings übersehen wird, kann sich entscheidend auf die Qualität der Proben auswirken, da unterschiedlich lange Zeiten zwischen Aliquotierung und Einfrieren gerade bei Flüssigproben wie Serum und Plasma entscheidende Qualitätsunterschiede nach sich ziehen können.

Die Biobank Graz ist diesem kritischen Schritt aktiv entgegengetreten und hat zusammen der Firma Hamilton, einem Hersteller von Pipettierrobotern einen neuen Typ von Robotern entwickeln lassen, der so bisher auf dem Markt nicht zur Verfügung steht. Das Novum an diesem neuen Pipettierroboter ist, dass in das System des Gerätes zwei Bereiche integriert wurden, die Einzelproben auf minus 15 °C einfrieren und lagern können. Damit kann der Pipettierroboter nach dem Aliquotieren einer Probe jedes einzelne Aliquot direkt auf minus 15 °C einfrieren, ohne dass längere Stehzeiten bei Raumtemperatur zu Qualitätseinbußen führen.

Durch ein solches Einfriersystem (Abb. 1) im direkten zeitlichen und örtlichen Zusammenhang mit der Probenaliquotierung ist nicht nur eine Steigerung des Erhalts der Probenqualität möglich. Diese Kombination bringt auch eine deutliche Reduktion des Arbeitsaufwandes der Mitarbeiter einer Biobank mit sich. Musste bisher gewährleistet sein, dass sich permanent eine Person der Biobank in der Nähe des Pipettierroboters aufhielt, um anfallende Aliquots direkt einfrieren zu können, so wird dies durch den neuen Roboter übernommen. Da personelle Ressourcen in einer Biobank immer ein kritischer Faktor sind, wird sich der zusätzliche finanzielle Aufwand bei der Anschaffung eines solchen neuen Pipettier-roboters schnell wieder amortisieren.

Neuer Nutzen von alten Paraffinproben

Die Fixierung und Einbettung von Gewebeproben in Wachs (Paraffin) ist schon seit langem eine der häufigsten Methoden, um Proben einer dauerhaften Lagerung zuzuführen. Paraffinproben, die über Jahrzehnte gelagert wurden, können anschließend noch zur Evaluation und Datenanalyse herangezogen werden. Mit heutigen Methoden ist zum Beispiel eine Extraktion von DNA möglich, um mit molekularbiologischen Untersuchungen weitere Analysen durchzuführen.

Die Langzeitlagerung von Paraffinproben eröffnet somit die Möglichkeit, Vergleichsstudien durchzuführen. Solche Studien können beispielsweise die Verwendung unterschiedlicher Medikationen über Jahrzehnte hinweg vergleichen oder aber die Veränderung der Lebensbedingungen an einem Ort mit dem Auftreten von bestimmten Erkrankungen korrelieren. Damit wird ein weites Feld für epidemiologische Forschungen aufgestoßen, das bisher nur sehr lückenhaft genutzt worden ist.

Eine Grundvoraussetzung für solche Studien ist allerdings nicht nur die eindeutige Zuordnung der Proben in den – meist ebenfalls sehr alten – Lagerungssystemen für Paraffinproben, sondern auch die eindeutige Zuordnung der klinischen Daten zu diesen Proben.

Neuerungen bei der automatisierten Lagerung von Paraffinproben

Klassischerweise werden Paraffinproben in den Archiven der Pathologien von (Universitäts-) Kliniken gelagert. Dort befinden sich in geeigneten Räumen spezielle Archivschränke, in denen die Paraffinblöcke gelagert werden. Anfangs ist noch versucht worden, die Proben nach Patient zu sortieren und hinter jedem Block Platz zu lassen, um bei einer neuen Probe des Patienten eine direkte räumliche Zuordnung zu gewährleisten.

Mit zunehmender Zahl an Proben erreicht allerdings jedes Lager irgendwann seine Grenzen. Dann ist eine dichte Lagerung ohne räumliche Zuordnung der Proben eines einzelnen Patienten notwendig. Diese neue chaotische Lagerung erhöht zweifelsohne die Gefahr einer Verschlechterung der Wiederfindungsrate von Proben, wenn nicht ein hohes Maß an Qualitätssicherung in einer solchen Biobank vorliegt.

Entsprechende automatisierte oder semi-automatisierte Lagerungssysteme für Paraffinblöcke sind seit längerem auf dem Markt erhältlich. Allerdings sind oft zwei Faktoren entscheidend, sich gegen solche Systeme zu entscheiden. Diese Systeme sind oft sehr kostenintensiv, und/oder sie erfordern sehr viel Platz. Diese Kombination verhindert oft die Anschaffung einer solchen automatisierten Infrastruktur.

Inzwischen drängen daher verstärkt Systeme in den Biobanken-Bereich, die aus der klassischen Lagersystem-Branche stammen. Mit entsprechenden Anpassungen können auch solche Systeme an den Biobanken-Bereich adaptiert werden. Ein solches Beispiel findet sich in der Biobank Graz. Hier wurde ein semi-automatisiertes Lagerungssystem der Firma YLOG mit automatischen intelligenten Vehikeln verwendet (Abb. 2), um die chaotische Lagerung von Paraffinproben zu einem hochdichten Lager zu optimieren. Zentraler Bestandteil dieses Systems ist eine Lagerungsbox, die im Rahmen einer Masterarbeit an der Technischen Universität Graz entwickelt worden ist (Abb. 2). Mit dieser Box ist die Verwaltung der Paraffinproben in dem hochdichten Lagersystem in der Biobank gerade in die Routine gegangen.

Ausblick

Die Auflistung von Neuerungen im Bereich der Biobanken ist inzwischen sehr lang und wird wohl jedes Jahr erneuert werden können. Das zeigt die Innovationskraft und Entwicklungsfähigkeit dieses Bereiches, vor allem auch für Firmen, die sich in diesem noch immer stark wachsenden Bereich engagieren wollen. Hinzu kommt, dass viele Biobanken inzwischen beginnen, ihre Betätigungsfelder zu erweitern, um vom reinen Probenlieferanten zu einem Forschungspartner zu werden. Experten-Zentren sollen die Forschung – auch die industrielle Forschung – näher an die Probensammlungen und ihre klinischen Daten heranbringen, um somit die Expertisen aller Seiten (akademisch, klinisch und ökonomisch) zu bündeln und synergistisch zu nutzen.

 

Korrespondenzadresse

Univ.-Prof. Dr. Berthold Huppertz
Direktor und CEO der Biobank Graz
Medizinische Universität Graz
Stiftingtalstr. 3.1
8010 Graz, Österreich
berthold.huppertz[at]medunigraz.at
www.medunigraz.at/biobank

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Heft 3/2012

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