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24.01.2017

Stammzellenforschung mit einem Denso-Roboter

Der ›VS-087‹ schwenkt besonders gleichmäßig

In der ›StemCellDiscovery‹, einem Pilotprojekt in Deutschland, werden in einer automatisierten Anlage mithilfe eines Denso-Roboters ›VS-087‹ neue Wege in der Erforschung und Kultivierung von Stammzellen beschritten. Grundlage des Projekte sind mesenchymale Stammzellen (kurz MSC), das heißt reife Stammzellen, die aus dem Gewebe erwachsener Menschen gewonnen werden und sich daher im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen auf ethisch vertretbare Art und Weise isolieren lassen. Diese Stammzellen sind dank ihrer besonderen Eigenschaften für die regenerative Zelltherapie hochinteressant, denn sie können viele neue Zelltypen bilden, andere Zellen zum Wachstum anregen und positiv auf das Immunsystem eines Menschen einwirken.

Ein Denso-Roboter ›VS-087‹ fungiert als flexible Handlingeinheit und transportiert Zellkulturen in Multitierplatten und Falcon Tubes zwischen den einzelnen Prozessier-, sowie Messgeräten. © Fraunhofer IPT

»Die Kultivierung dieser Zellen dauert allerdings lange und ist arbeitsintensiv“, berichtet Michael Kulik, der das Projekt am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT als Gruppenleiter betreut. „Wir arbeiten mit Zellen vieler verschiedener Spender, die natürlich unterschiedliche biologische Merkmale aufweisen. Und bei manuell erstellten Zellkulturen wird die Variabilität oft dadurch verstärkt, dass Handhabungsabläufe unterschiedlich durchgeführt werden.« Menschliche Interaktion erhöht das Fehlerrisiko und erschwert die Reproduzierbarkeit. Nicht zuletzt sind Zellkulturen lebendes Material, so dass eine Reinraum-Umgebung entscheidend ist und besondere Anforderungen an die eingesetzten Geräte gestellt werden.

Diese Herausforderungen soll nun die StemCellDiscovery lösen – eine voll automatisierte und geschlossene, aber flexibel agierende Plattform für die Kultivierung von Stammzellen, das heißt MSCs werden hier vermehrt und erforscht, außerdem werden verschiedene Laborprozesse durchgeführt – von der Kultivierung der Zellen bis zur Generierung experimenteller Daten. Entscheidende Erfolgsfaktoren der Anlage sind die leichte Integrierbarkeit aller Geräte, die gleichmäßige, präzise Reproduzierbarkeit der Abläufe, eine individuelle, modulare Steuerung der Prozesse, höchste Qualität der Zellprodukte, sowie die Integration und Weiterentwicklung der Messtechnik zur Qualitätssicherung und Analyse.

Eine zentrale Funktion in der Anlage übernimmt ein Denso-Roboter ›VS-087‹: er fungiert als flexible Handlingeinheit für alle Transporte innerhalb der Plattform, so transportiert er Zellkulturen in Multitierplatten und Falcon Tubes zwischen den einzelnen Prozessier-, sowie Messgeräten und erlaubt eine hochpräzise Positionierung derselben; diese Genauigkeit ist insbesondere am Mikroskop wichtig, wo das Zellkulturgefäß zusätzlich vom Roboter umgriffen wird, um dieses in die dafür vorgesehene Halterung einzusetzen. Die Flexibilität des Roboters bewährt sich auch bei der Ressourcenbereitstellung, wie dem Transportieren von Pipettenspitzen vom Magazin zur Liquid Handling Unit.

Shaken der Kulturen: Hierbei kommt es auf eine gleichmäßige und reproduzierbare Umsetzung an; so schwenkt der Roboter die Zellprodukte stets mit derselben Geschwindigkeit und Bewegung. © Fraunhofer IPT

Darüber hinaus übernimmt der Roboter alternativ das ›Shaken‹ der Kulturen: Hierbei kommt es auf eine gleichmäßige und reproduzierbare Umsetzung an; so schwenkt der Roboter die Zellprodukte stets mit derselben Geschwindigkeit und Bewegung – ein entscheidender Faktor, denn durch ungleichmäßige Bewegung kann es passieren, dass Zellen sich an den Rändern des Gefäßes festsetzen und so zu einem veränderten Wachstum führen.
Die Forschergruppe der StemCellDiscovery entschied sich für den VS-087, weil er sich leicht integrieren und programmieren lässt. Um die manuellen Prozessschritte auf der automatisierten Anlage abbilden zu können, war die Integration verschiedener Geräte in die Anlage notwendig. Die Auswahl der Geräte stand lange vor der Software-Entwicklung fest, so dass vor allem beim Roboter auf eine flexible Integration geachtet werden musste. Nicht zuletzt war die Reinraum-Tauglichkeit ausschlaggebend. Dank der kompakten Bauweise des VS-087 konnte eine platzsparende Anlage eingerichtet werden; der hierfür entwickelten Multifunktionsgreifer kann durch die Roboterkinematik an jeden Ort der Anlage bewegt werden und erlaubt ein Höchstmaß an Präzision.

Die StemCellDiscovery basiert auf dem Zusammenspiel unterschiedlicher Geräte, so dass die jeweilige Integrierbarkeit eine entscheidende Rolle spielt. »Uns war eine hohe Flexibilität des Gesamtsystems wichtig,« berichtet Sven Jung, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Projekts und für die Programmierung zuständig. »Deshalb haben wir eine dienstbasierte, flexibel konfigurierbare Prozess-Software entwickelt, die alle Abläufe kontrolliert und adaptiv auf diese reagieren kann, wie zum Beispiel beim Wachstum der Zellen.« Die parametrisierbaren Dienste werden über ein Integration Framework aus allen Geräten extrahiert und ermöglichen eine modulare Ausführung von Prozessschritten – je nach Bedarf. Über eine intuitive Benutzeroberfläche lassen sich die zur Verfügung stehenden Dienste steuern oder zu beliebigen, komplexen Abläufen zusammenstellen.

So sind für den User alle Geräte – vom Mikroskop über den VS-087, von der Liquid Handling Unit bis zum Inkubator und verschiedene Magazine – über eine grafische Benutzeroberfläche steuerbar. Auch der VS-087 ist über das Integration Framework an die Anlage angebunden. Durch die bereitgestellte Roboter-Schnittstelle lassen sich die Dienste des Roboters aus der realen Welt abbilden und ermöglichen so eine sehr intuitive Nutzung des Roboters. Der VS-087 wird über den eingebauten RC8 Controller gesteuert, die Schnittstellen-Kommunikation basiert auf ORiN2 und der Möglichkeit der Ansteuerung per C#, die sich sehr gut in die Software-Architektur einbetten lässt. Die Software übernimmt auch die gesamte Überwachung des Roboters, so dass etwaige Prozessschwankungen sofort registriert und behoben werden können. Die StemCellDiscovery liefert wertvolle Erfahrungen über innovative Steuerungstechniken im Bereich Laborautomatisierung. Die Plattform ermöglicht dank der serviceorientierten Architektur sowie der flexiblen Handhabung durch den VS-087 eine einfache Umsetzung von verschiedensten Prozessen, so dass künftig neben anderen Zellkulturen auch die Integration von externen Usern mit nur kurzer Vorlaufzeit möglich ist. Dann können standardisierte und validierte Funktionsbausteine zur Verfügung stehen, die für diese Anwender noch mehr Effizienz und Qualität garantieren, um Zellprodukte im industriellen Standard zu produzieren. In Zukunft wird die Anlage durch Anwendung statistischer Methoden (BigData and Analytics) zu neuen Kenntnissen beitragen, welche die Suche nach innovativen Therapien begünstigen und beschleunigen werden.

zusätzliche Links

Mehr über das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT): www.ipt.fraunhofer.de

Unternehmensinformation

Denso Europe B.V. Robotics Department

Waldeckerstr. 9
DE 64546 Mörfelden-Walldorf
Tel.: 06105 2735-150
Fax: -180

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