AutoRAPID

AutoRapid entstand aus einem Kooperationsprojekt mit dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Ziel war es, die dort erforschten Messtechniken Deformability Cytometry (DC) und Quantitative Phase Imaging (QPI) weiterzuentwickeln und einen Schritt näher an die Anwendung zu bringen. Durch das effektive Zusammenspiel eines interdisziplinären Teams aus Biologen, Softwareentwicklern, Ingenieuren und Physikern wurde eine automatisierte Plattform realisiert, die viele Herausforderungen im Messprozess adressiert.

Im Rahmen des AutoRapid-Projekts des Fraunhofer IPA in Mannheim wurde eine vollautomatische Plattform zur Durchführung mikrofluidischer Messungen entwickelt. Das Herzstück des Geräts bilden ein mikrofluidischer Chip zur Verformungsanalyse (DC) und eine Optik zur quantitativen Phasenbildgebung (QPI). Damit lassen sich biophysikalische Eigenschaften einzelner Zellen bei einem Durchsatz von bis zu 2.000 Zellen pro Sekunde bestimmen.

Aktuell können aus der induzierten Verformung der Zellen Rückschlüsse auf ihre Steifigkeit gezogen werden. Die Phasenbilder ermöglichen zudem die Bestimmung der Trockenmasse einzelner Zellen. Künftig soll die Plattform – abgestimmt auf die Bedürfnisse der Anwender – um weitere markerfreie Messmodalitäten erweitert werden können.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Analyse von Kleinstproben. Auch bei geringen Zellkonzentrationen und kleinen Probenvolumina von etwa 10 bis 100 µl können Messungen durchgeführt werden. Typische Zellkonzentrationen von etwa  Zellen/ml sind mit dem System gut verarbeitbar.

Die Kernidee des Projekts ist es, komplexe, fehleranfällige und zeitaufwändige Messprozesse zu vereinfachen, zu vereinen und zu automatisieren. Die Verformbarkeit von Zellen ist dabei ein vielversprechender Indikator für ihren Zustand und ihre Reaktion auf die Umwelt. Bestehende Lösungen und alternative Methoden sind oft teuer, schwer zu bedienen oder für große Stichproben nicht geeignet. AutoRapid zielt darauf ab, diese Lücke mit einem geschlossenen System zu schließen, das Probenhandling und Systemparameter zuverlässig und präzise steuert. Dadurch wird eine robuste, reproduzierbare Charakterisierung biophysikalischer Phänotypen auch bei großen Probenmengen ermöglicht.

Methoden wie DC und QPI ermöglichen eine schnelle Erhebung von Zellmerkmalen, ohne dass eine gezielte Markierung mit Antikörpern oder Ähnlichem nötig ist. Das spart nicht nur Zeit und Geld, sondern reduziert auch experimentelle Variablen und erleichtert groß angelegte Studien.

Die beiden Technologien werden in einem System vereint. Dadurch erweitert sich der Parameterraum und die Aussagekraft steigt. Aufgrund der großen Anzahl an Daten und Variablen eignet sich das System zudem besonders für KI-gestützte Analysen.

Durch das Weglassen von Markern wird außerdem eine Inline-Sensorik ermöglicht, da Zellen nicht eigens für die Messung präpariert werden müssen. So könnte das System beispielsweise zur kontinuierlichen Überwachung von Kultivierungsprozessen eingesetzt werden.

Ebenso eignet sich das Verfahren für die Analyse von Probenmaterial, das möglichst unverfälscht verarbeitet werden soll. Dazu zählen beispielsweise Patientenproben, die später in weiteren Prozessen benötigt werden. Bei Anwendungen im Kontext von ATMPs (Advanced Therapy Medicinal Products) könnten die darin enthaltenen Zellen gegebenenfalls sogar wieder in den Patienten eingebracht werden

Viele mikrofluidische Messsysteme werden zunächst in experimentellen Laboraufbauten realisiert. Dort sind Messungen meist zeitaufwändig und stark von manueller Durchführung abhängig. Das verursacht nicht nur hohe Personalkosten und führt zu geringeren Stichprobenumfängen, als für aussagekräftige Versuche erforderlich wären, sondern erhöht auch die Fehleranfälligkeit. Zudem ist der Prozess oft nur unzureichend kontrolliert; Prozesszustände werden häufig lediglich angenommen, statt präzise erfasst und kontrolliert zu werden.

Ziel ist es, die Verlässlichkeit der Messungen zu erhöhen, damit Forscherinnen und Forscher sich stärker auf biologische Fragen statt auf die Technik konzentrieren können.

Daher setzt die AutoRapid-Plattform auf robuste Mikrofluidik, präzise optische Ausrichtung, sensorbasierte Prozesssteuerung, eine benutzerfreundliche Oberfläche und vor allem auf die Möglichkeit, das System je nach Anforderungen der Anwender, um verschiedene markerfreie Messmethoden zu erweitern.

Die im Rahmen des AutoRapid-Projekts entwickelten Lösungen ermöglichen die Einbindung des Messsystems in eine automatisierte Laborumgebung. Dadurch kann beispielsweise die Probenvorbereitung für Medikamententests auch bei großen Stichprobenumfängen in einem Liquid-Handling-System vollautomatisch erfolgen. Die Proben können anschließend automatisiert dem Messsystem zugeführt werden.

Dafür wurde beispielsweise ein spezialisierter Probenport entwickelt, der direkt mit einem mikrofluidischen System gekoppelt werden kann und das Totvolumen zwischen Port und Messpunkt drastisch reduziert. Das dabei gewonnene Know-how konnte bereits in weiteren Automatisierungsprojekten genutzt werden und soll künftig in weitere Automatisierungsvorhaben einfließen.

Auf Basis des aufgebauten Know-hows im Bereich der biomechanischen Charakterisierung von Einzelzellen sowie eines realisierten Funktionsdemonstrators suchen wir nach weiteren interessanten biologischen Fragestellungen, die mit unserem Messsystem untersucht werden können. Gemeinsam mit Partnern möchten wir so Forschung betreiben und unsere Messmethoden weiterentwickeln.