April 2022
Automatisierung von Coronavirus-Tests
Sicherheit und Zuverlässigkeit stehen bei der Bewertung von PCR-Reagenzgläsern im Vordergrund. Femitec aus Neusäß, ein Hersteller für Automatisierungslösungen, hat eine Laborzelle mit zwei kooperierenden Sechsarmrobotern entwickelt – ein Novum in der Labortechnik.
Tests auf das Coronavirus (SARS-CoV-2) werden überall und selbstverständlich durchgeführt. Eine zuverlässige Methode zum Nachweis von Viren ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR); Bei diesem PCR-Test, einem sogenannten Erregernachweistest, wird Sekret aus einem Abstrich aus dem Nasen-Rachen- und Rachenraum der getesteten Person in ein mit Pufferflüssigkeit gefülltes Kunststoffröhrchen getaucht. Die Probe wird in einem Labor analysiert – mit einem sich wiederholenden Handhabungsverfahren: Röhrchen aus der Auffangschale nehmen, schütteln und Barcode-Identifizierung durchführen. Nun wird der Verschluss des Röhrchens abgeschraubt und mit der Pipette genau 0,2 Milliliter Probenmaterial entnommen. Unmittelbar danach wird der Deckel wieder aufgeschraubt und das Reagenzglas wieder in die Schale gestellt. Abschließend wird der Pipetteninhalt in das Reagenzsubstrat gegeben und zur weiteren Laboruntersuchung geschickt. Bei dieser Auswertung kann genetisches Material des SARS-CoV-2-Virus nachgewiesen werden, sofern die Testperson, die das spezifische Probensekret abgegeben hat, infiziert ist. Da dies erst nach Abschluss des Analysevorgangs erkennbar wird, muss davon ausgegangen werden, dass alle Reagenzgläser inklusive Schraubdeckel und Pipetten während des Probenhandlings kontaminiert werden. Hier darf nichts schief gehen, nichts darf abfallen!
Im Testablauf ist ein Null-Fehler-Verfahren unverzichtbar
Selbst wenn ein Labor personell in der Lage wäre, die täglichen Tests manuell abzuwickeln, abzuwickeln und auszuwerten, bleibt der „Unsicherheitsfaktor Mensch“ bestehen: Einerseits reichen zwei Hände kaum aus, um das Probenhandling ohne Zwischenlagerung sicher zu bewältigen . Andererseits ist das ständig wiederholte Ab- und Aufschrauben der Tubenverschlüsse unergonomisch und psychisch ermüdend. Die Schraubverschlüsse, die in den Testzentren manuell aufgesetzt wurden, passen unterschiedlich und lassen sich ggf. verkanten. Und schließlich ist ein Mensch wahrscheinlich nicht per se in der Lage, über Stunden hinweg eine Null-Fehler-Leistung zu erbringen. Bei den Corona-Tests ist dies aber zwingend erforderlich. Einerseits, um Verfahrensfehler und damit falsche Testergebnisse auszuschließen. Zum anderen soll unter keinen Umständen verhindert werden, dass mit Viren kontaminiertes Material in die Laborumgebung gelangt. Beides hätte weitreichende Folgen.
Vollautomatischer Testablauf – ohne Beispiel und „von Grund auf neu entwickelt“.
Der Schlüssel zur Lösung dieser alles andere als trivialen Herausforderung ist die Automatisierung. Der Sondermaschinenbauer Femitec in Neusäß bei Augsburg hat für ein namhaftes Laborunternehmen eine Roboterzelle entwickelt, die diesen Handhabungsprozess kundenspezifisch präzise abbildet und vollautomatisch durchführt. Die Automatisierungszelle ist flexibel erweiter- und umbaubar und für den Dauerbetrieb geeignet. Die Entwicklung begann im Dezember 2020, die Auslieferung der Zelle erfolgte im April 2021. „Wir haben von Grund auf entwickelt“, sagt Raimund Geh, Mitglied der Geschäftsleitung bei Femitec. „Für diese Zelle gab es kein Muster oder Beispiel“, gibt er an. „Eine automatisierte PCR-Test-Analysestation gab es schließlich noch nicht und es war von Anfang an klar, dass das System in jeder Hinsicht hundertprozentig sicher funktionieren muss.“ Es war auch klar, dass die Randbedingungen herausfordernd waren. Denn aus den Prüfstationen kommen Kunststofftuben unterschiedlicher Hersteller, in unterschiedlichen Größen, oft auch mit unterschiedlichen Wandstärken. Beim Anfassen gebe das Material nach, betont Raimund Geh. Darüber hinaus werden die Rohre manuell mit jeweils unterschiedlicher Kraft zusammengeschraubt. Auch der Kunststofffaden kann beschädigt oder uneben sein. Die Herausforderung wurde durch die Wahl eines flexibel steuerbaren Greifers gemeistert, der sich explizit für Anwendungen in der Laborautomation eignet.
Projektentwicklung in Höchstgeschwindigkeit
Nach einer Gesamtentwicklungszeit von nur fünf Monaten wurde die Automatisierungslösung an das Testlabor geliefert. Seitdem funktioniert es reibungslos und stellt ein Novum in Sachen Laborautomatisierungstechnik dar: Einer der beiden installierten Sechs-Achs-Knickarmroboter FD-H5 von OTC DAIHEN nimmt die Kunststoff-Restschläuche parallel aus zwei Trays auf – einem rechts, einer links – wie sie vom Testzentrum ins Labor geliefert werden. Die Anwesenheitskontrolle erfolgt an einer Lichtschranke, das Mischen der Probe an einem Vibrationspad und die Barcodeeingabe, das Öffnen des Schraubdeckels und das Halten des Deckels erfolgen an zwei Stationen parallel. Währenddessen nimmt der zweite Roboter eine Pipette, entnimmt das genau definierte Probenvolumen von 0,2 Millilitern und führt es sehr präzise dem Reagenztablett zur Diagnostik zu. Der erste Roboter setzt die Schraubverschlüsse wieder auf und stellt die Reagenzgläser wieder in die Ablage.
Die beiden Roboter arbeiten kooperativ zusammen und tauschen alle Prozessinformationen in Echtzeit aus. Darüber hinaus kommen insgesamt fünf Greifer zum Einsatz – drei greifen die Tuben, zwei Greifer halten den Schraubverschluss, während eine Dreheinheit die Tube abschraubt bzw. wieder verschließt – und das im Dauerbetrieb.
„Die Zelle hat sämtliche Kontaminationstests seitens des Labors bestanden: Zu keinem Zeitpunkt des Prozesses wird Material mitgerissen und die Absauganlage funktioniert einwandfrei“, resümiert Raimund Geh zufrieden.