Entwicklung eines Betriebssystems (OS) für das Life-Science-Labor von heute

Wenn Sie dies lesen, befinden Sie sich wahrscheinlich auf einem Desktop-Computer, Tablet oder Telefon.

Wir nehmen das komplexe Innenleben dieser Geräte oft als selbstverständlich hin, aber was sie leisten, ist unglaublich, da sie die Eingabe und Ausgabe einer Vielzahl von Software und Hardware verwalten.

Und im Mittelpunkt steht das Betriebssystem (OS), eine wichtige Software, die mit der Zentraleinheit (CPU), der Festplatte, dem Speicher und anderer Software kommuniziert und diese integriert, damit Ihr Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Außerdem können Sie als Benutzer mit Ihrem Computer, Tablet oder Telefon kommunizieren und Aufgaben über eine einfache visuelle Oberfläche ausführen, ohne die Sprache Ihres Geräts sprechen zu müssen.

Die Grundfunktion ist zwar dieselbe, aber nicht alle Betriebssysteme sind gleich aufgebaut: Das Betriebssystem von Apple bietet eine visuell beeindruckende Oberfläche, bei der Einfachheit und Integration im Vordergrund stehen. Im Fall des Betriebssystems von Microsoft stehen hohe Leistung, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund.

In den letzten Jahren haben mein Team und ich uns eine Welt vorgestellt, in der ein Betriebssystem in einem Life-Science-Labor existieren könnte. Anstatt für jedes Instrument ein anderes Programm zu verwenden, konnten alle Instrumente und Geräte über eine einzige Softwareschnittstelle aufgerufen und gesteuert werden, ohne vorher über die Besonderheiten ihres Innenlebens Bescheid zu wissen, was die Laborautomatisierung auf ein neues Niveau brachte. Diese Möglichkeit würde das Experimentieren für Mitarbeiter aller Erfahrungsstufen zugänglich machen und auf labor-, abteilungs- und organisationsweiter Ebene enorm viel Zeit sparen.

Im folgenden Blog werden wir uns eingehender mit der Laborautomatisierung, den aktuellen Einschränkungen automatisierter Instrumentierung und der Frage befassen, wie unsere Mission — der Aufbau eines „Laborbetriebssystems“ — die nächste Generation der biowissenschaftlichen Forschung hervorbringen kann.

Die Grundlagen und Vorteile der Laborautomatisierung

In den letzten Jahrzehnten hat die Anzahl ausgeklügelter automatisierter Instrumente für die Handhabung und Analyse von Flüssigkeiten zugenommen, sodass Wissenschaftler mit leistungsstarken Werkzeugen ausgestattet sind, mit denen sie unser Verständnis der Welt um uns herum verbessern können.

Es gibt 3 Kernkomponenten der Laborautomatisierung, die dies ermöglichen:

• Robotersysteme: Robotersysteme können eine Vielzahl von routinemäßigen Laboraufgaben ausführen, darunter die Handhabung von Flüssigkeiten, die Probenvorbereitung, die Plattenhandhabung und die Testverarbeitung. Diese automatisierten Systeme sind mit präzisen Mechanismen und Sensoren ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, kleine Flüssigkeitsmengen zu manipulieren, Reagenzien präzise zu dosieren und sich wiederholende Pipettierschritte mit hoher Präzision durchzuführen. Sie können rund um die Uhr mit minimalem Zeitaufwand arbeiten, was das Experimentiertempo beschleunigt und die Produktivität erhöht.
• Gerätesoftware: Robotik-Hardware ist unverzichtbar, aber ohne Software nutzlos, die ihr sagt, was zu tun ist und dem Benutzer ein Portal zur Steuerung bietet. Automatisierungssoftware ermöglicht die Steuerung und Koordination verschiedener Instrumente und Geräte im Labor. Sie ermöglicht den Entwurf und die Ausführung komplexer Versuchsprotokolle, die Planung von Aufgaben und die Überwachung der Geräteleistung.
• Datenmanagement- und Analysesysteme: Datenmanagement- und Analysesysteme erleichtern das Speichern, Abrufen und Analysieren von experimentellen Daten, die mit einigen Instrumenten generiert wurden, und erleichtern es Wissenschaftlern, große Informationsmengen zu verwalten und zu interpretieren. Je nach Plattform kann ein Datenverwaltungssystem ein einfaches „One-Trick-Pony“ oder ein Komplettlösung für den gesamten Datenlebenszyklus.

Letztlich führt die Kombination dieser drei Komponenten zu einer automatisierten Geräteeinstellung, die alles von der Probenvorbereitung bis zur Analyse durchführen kann, für viele Labore zu erheblichen Vorteilen, darunter:

• Verbesserte Reproduzierbarkeit: Die Reproduzierbarkeitskrise in den Wissenschaften und die dazu beitragenden Faktoren sind seit langem ein Segen für den Fortschritt der Forschung. Robotersysteme lösen mehrere dieser Probleme, indem sie Aufgaben mit hoher Genauigkeit ausführen, das Risiko menschlicher Fehler reduzieren (aber nicht ausschließen) und die Datenqualität verbessern. Automatisierte Prozesse erleichtern auch die Replikation von Experimenten und ermöglichen es Forschern, zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, die für den wissenschaftlichen Fortschritt und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften unerlässlich sind.
• Langfristige Kosteneffizienz: Die Laborautomatisierung erfordert zwar eine relativ hohe Anfangsinvestition, kann aber langfristig zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Durch die Erhöhung des Durchsatzes und der Produktivität optimiert die Automatisierung die Ressourcennutzung, senkt die Arbeitskosten und minimiert den Bedarf an Reagenzien und Verbrauchsmaterialien. Darüber hinaus reduziert die Automatisierung das Risiko kostspieliger Fehler und Nacharbeiten und verbessert so die betriebliche Effizienz und Wirtschaftlichkeit.
• Sicherheit und Risikominderung: Durch die Minimierung der Exposition gegenüber Gefahrstoffen und Verletzungen durch wiederholte Beanspruchung im Zusammenhang mit manueller Handhabung trägt die Laborautomatisierung dazu bei, Sicherheitsrisiken für das Personal zu minimieren. Automatisierte Systeme können potenziell gefährliche Substanzen handhaben und Aufgaben in kontrollierten Umgebungen ausführen, wodurch das Unfallrisiko verringert und eine sicherere Arbeitsumgebung gewährleistet wird.
• Beschleunigte Entdeckung: Die Automatisierung beschleunigt den Forschungs- und Entwicklungsprozess und ermöglicht es Wissenschaftlern, Experimente schneller durchzuführen. Dank der Fähigkeit, eine große Anzahl von Proben zu verarbeiten und Experimente mit hohem Durchsatz durchzuführen, ermöglicht die Automatisierung eine schnelle Datengenerierung und -analyse. Dieser beschleunigte Arbeitsablauf fördert schnellere wissenschaftliche Entdeckungen, fördert Innovationen und beschleunigt die Umsetzung von Forschungsergebnissen in praktische Anwendungen.
• Standardisierung und Konformität: Die Automatisierung hilft bei der Festlegung standardisierter Protokolle und Verfahren und gewährleistet so die Konsistenz zwischen Experimenten und Labors. Diese Standardisierung ist in regulierten Umgebungen, in denen die Einhaltung strenger Qualitätsstandards und behördlicher Anforderungen erforderlich ist, von entscheidender Bedeutung. Die Automatisierung ermöglicht eine präzise Kontrolle der Versuchsparameter, der Datenerfassung und der Dokumentation und vereinfacht so die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Auditprozesse.
• Verbessertes Datenmanagement: Die Automatisierung lässt sich in ausgeklügelte Softwaresysteme integrieren, um Daten nahtlos zu erfassen, zu analysieren und zu speichern. Dadurch entfällt die manuelle Dateneingabe, es werden Übertragungsfehler reduziert und die Datenintegrität verbessert. Das automatisierte Datenmanagement ermöglicht die Überwachung und Nachverfolgung des Versuchsfortschritts in Echtzeit und gewährleistet so eine effiziente Datenorganisation und einen effizienten Datenabruf und erleichtert datengestützte Entscheidungen.

Einschränkungen des aktuellen Ökosystems für Laborautomatisierung

Die Vorteile der Automatisierung liegen zwar auf der Hand, aber es gibt immer noch Einschränkungen.

Einschränkung #1: Wissenschaftliche Erfahrung und gerätespezifische Ausbildungsvoraussetzungen

Die Arbeit mit aktuellen automatisierten Laborinstrumenten und -geräten erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie manuelle biowissenschaftliche Protokolle entworfen und implementiert werden. Darüber hinaus ist Erfahrung mit der Bedienung, Funktionalität und der zugehörigen Software erforderlich, und vor der Bedienung eines Geräts ist in der Regel eine Schulung durch einen technischen Experten oder eine Rücksprache mit diesem erforderlich. Dieses Wissen und diese Schulung ermöglichen es dem Laborpersonal, fundierte Entscheidungen zu treffen, Probleme zu beheben und die Leistung automatisierter Systeme zu optimieren.

Jedes automatisierte Laborgerät verfügt über einzigartige Funktionen, Protokolle und Softwareschnittstellen. Benutzer müssen eine spezielle Schulung zu dem Gerät erhalten, mit dem sie arbeiten werden, um dessen Funktionen, Einschränkungen und Wartungsanforderungen zu verstehen. Schulungsprogramme, die von Geräteherstellern oder Drittanbietern, die mit der Technologie vertraut sind, angeboten werden, können den Benutzern helfen, Fachwissen für die effektive Bedienung des jeweiligen Geräts zu erwerben. Dies ist jedoch keine langfristige Lösung: Die Auszubildenden werden ihre Ausbildung im Laufe der Zeit vergessen und Fehler machen.

Einschränkung #2: Workflow-Integration

Viele Arbeitsabläufe und Protokolle erfordern mehrere automatisierte Instrumente mit einzigartigen Funktionen, Protokollen und Softwareplattformen. Um einen vollautomatischen, kohärenten Arbeitsablauf zu erstellen, muss das Laborpersonal die Rolle der einzelnen Instrumente verstehen, weshalb eine zusätzliche Schulung erforderlich ist. Da zudem mehrere Plattformen im Spiel sind und es kein einheitliches System gibt, das mit ihnen verbunden ist, sind manuelle Kommunikation und Verarbeitung erforderlich, um eine reibungslose Integration, Datenübertragung und Analyse zu gewährleisten.

Einschränkung #3: Menschliches Versagen

Automatisierte Instrumente eliminieren viele Aspekte menschlicher Fehler im Forschungsprozess, dennoch gibt es mehrere Schritte, die fehleranfällig sind. Die meisten Systeme benötigen spezifische Eingabeparameter oder Konfigurationen, um Aufgaben präzise ausführen zu können. Wenn bei der Einrichtung des Protokolls Fehler auftreten, führt ein Gerät möglicherweise versehentlich die falschen Schritte in einem viel größeren Maßstab aus, als dies bei manueller Ausführung der Fall wäre. Dies kann zu fehlerhaften Daten, erfolglosen Experimenten und einer massiven Verschwendung von Ressourcen, Reagenzien und Verbrauchsmaterialien führen.

Automatisierte Instrumente müssen außerdem regelmäßig kalibriert und gewartet werden, um eine genaue Leistung zu gewährleisten. Wenn die Geräte nicht ordnungsgemäß kalibriert oder gewartet werden, kann dies zu Komplikationen im weiteren Verlauf führen. Wenn (wie oben) ein Fehler unbemerkt bleibt, kann dies zu ungenauen Ergebnissen führen, was erneute Tests erforderlich macht und Ressourcen verschwendet.

Lab OS: Einführung der nächsten Generation der Automatisierung

Zu Beginn dieses Blogs habe ich Sie gebeten, sich ein vollständig vernetztes Labor vorzustellen, das von einem Lab-Betriebssystem gesteuert wird.

Wie Sie an den oben genannten Einschränkungen sehen können, muss die aktuelle Laborautomatisierung modernisiert werden. Die aktuellen automatisierten Systeme mit ihren Robotik-, Software- und Datenmanagementsystemen sind unnötig komplex.

Darüber hinaus ist die „Automatisierung“ dieser Instrumente eine Fehlbezeichnung. Die derzeitigen Instrumente haben im Vergleich zu manuellen Protokollen den Zeitaufwand für die Handhabung erheblich reduziert. Dennoch wird immer noch geschultes Personal benötigt, das sich um sie kümmert, um Fehler zu beheben und sicherzustellen, dass die Protokolle wie vorgesehen ausgeführt werden.

Um die nächste Phase der Laborautomatisierung einzuleiten, haben mein Team und ich bei Genie Life Sciences haben ein vereinheitlichendes Lab-Betriebssystem namens erstellt Genie Albosund ermöglicht die vollständige Realisierung Ihres aktuellen Automatisierungspacks, ohne eine ganz neue Geräteflotte kaufen zu müssen.

Das Betriebssystem ist geräteunabhängig und ermöglicht es Wissenschaftlern und Automatisierungstechnikern, Protokolle für alle angeschlossenen Instrumente und Zubehörteile zu entwerfen, ohne dass eine Schulung in gerätespezifischer Software oder Hardware erforderlich ist. Genie macht die Laborautomatisierung leicht zugänglich, indem es die lästigen Details für Ihr Deck-Layout, Tipps und Einstellungen für die Flüssigkeitsklasse eingibt, um eine saubere und effiziente Handhabung von Flüssigkeiten zu gewährleisten.

Auf diese Weise haben Labormitarbeiter aller Qualifikationsstufen Zugriff auf die Funktionen ihrer automatisierten Instrumente. Die Erstellung von Protokollen kann einfach per Drag-and-Drop erfolgen. Darüber hinaus erfassen virtuelle Probeläufe den Großteil der Absichten eines Forschers, eliminieren Fehler, ohne dass sie Testläufe durchführen müssen, und ermöglichen es Benutzern, Protokolle zu veröffentlichen, um sie besser auszutauschen und zu überwachen.

Vereinbaren Sie noch heute eine Demo um zu erfahren, wie Sie die Automatisierungsfunktionen Ihres Labors der nächsten Generation nutzen können.