Anwendungsbeispiele in der 2D- und 3D-Zellkulturautomatisierung

Die automatisierte Zell- und Gewebekultur ist mehr als eine einfache Kombination von Biologie und Automation. Eine erfolgreiche Umsetzung eines manuellen Zellkulturprozesses in einen teil- oder vollautomatisierten Prozess kann nur in einem multidisziplinären Team erfolgen. Eine große Herausforderung ist die Aufrechterhaltung der Sterilität in einem vollautomatischen Produktionsprozess über einen Zeitraum von mehreren Monaten. Dies erfordert spezifische In-Prozess-Kontrollen und Reinigungsprotokolle. Die Abteilung Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik des Fraunhofer IPA ist Technologiepionier für Automatisierungslösungen im Bereich der automatisierten 2D- und 3D-Zellkultur und greift auf eine langjährige Erfahrung in der Umsetzung von Zellkulturprozessen auf technischen Anlagen zurück. Dies reicht von Benchtop-Geräten zur Abdeckung von wichtigen Routineschritten in der Zellkultur bis zum Aufbau von vollautomatischen Anlagen zur Kultivierung von embryonalen Stammzellen. Mit der Tissue Fabrik konnte weltweit erstmals eine Produktionsanlage installiert werden, die im Hochdurchsatz eine 2D-Zellkultur mit einem 3D-Aufbau von epidermalen Hautstrukturen verbindet. Dieser Produktionsprozess stellt höchste Anforderungen an das Zellhandling und die Standardisierung einzelner Produktionsprozessschritte. Die Anlage wurde auf ihre Funktionstauglichkeit hin validiert und produziert bis zu 5.000 Hautmodelle pro Monat, die zur Substanztestung eingesetzt werden können. Die wichtigsten "Lessons Learned" aus den eigenen Projekten werden vorgestellt, zusammen mit einem Ausblick auf die wesentlichen Herausforderungen an zukünftige Automatisierungsprojekte von komplexen Zellkultursystemen

Prozessanalyse und automationsspezifische Beschreibung von Zellkulturprozessen

Automatisierungsvorhaben sind komplexe Projekte, die für den Anwender oft schwer zu überblicken sind. Die Auswirkungen und Fehlerquellen möglicher Prozessänderungen sind schwer absehbar, die Möglichkeiten unterschiedlicher Lösungen vielfältig. Dabei stellt sich die Frage nach dem richtigen Startpunkt für die Automatisierung, nach Ausbaumöglichkeiten sowie dem individuell optimalen Automatisierungsgrad. Daher sollte jede Planungsphase mit einer initialen Prozessanalyse starten, in der auch mögliche Prozessadaptionen evaluiert werden. Mit spezifischen Methoden zur Konzeption, Konzeptbewertung und Risikoanalyse kann schnell und sicher die passende Automatisierungslösung identifiziert werden. Hierdurch werden Entwicklungsdauer und -risiko systematisch reduziert. Ein automatisierter Labor- und Produktionsprozess besteht nicht nur aus der Maschine und der Software, sondern in erster Linie aus dem biologischen Assay selbst. Daher müssen mögliche Prozessadaptionen methodisch analysiert, konzipiert und die resultierenden Chancen und Risiken einer Prozessveränderung genauestens abgewägt werden. Hierbei werden insbesondere die kritischen Schlüsselschritte eines Prozesses identifiziert und nach entsprechender Potentialanalyse optimiert. Anschließend erfolgt die Erprobung am realen System, oft im Prototypenstatus. Mit dieser Vorgehensweise kann die höchste Funktionalität der Automationslösung sichergestellt werden

Immediate Drop on Demand Technology (I-DOT): Poster presented Forum Life Science 2015, 9th International Congress and Exhibition, 11-12 March 2015, Garching, Germany

The handling and dosing of cells is the most critical step in the microfabrication of 3D-cell-based assay systems for screening and toxicity testing applications. The use of robotic workstations for liquid handling has increased enormously over the last decades, in order to meet the requirements for high accuracy and high throughput of current bioanalytics. The immediate drop on demand technology (I-DOT) overcomes the challenge of dispensing cells in a small volume precisely and with low shear stress. I-DOT provides a fast and flexible non-contact liquid handling system enabling dispensing cells and liquid without the risk of cross-contamination to a precise volume even in nanoliter range

The biological transformation of the manufacturing industry: Envisioning biointelligent value adding

Since the first industrial revolution manufacturing systems have been considered well-defined socio-technological entities that extract resources from the natural environment in order to create goods for the satisfaction of human needs. Productivity gains stimulated by technological innovations such as electricity and computers are inherent to the system. Whilst digitization depicts the latest paradigm, other technology leaps have virtually been neglected in traditional manufacturing science: biomimetics and biotechnology. In this context, we present the concept of a biointelligent industry outlining the vision of a naturally consistent subsistence strategy. Future industrial activities are expected to no longer extract resources from the environment but apply nature as a manufacturing utility. From a scientific point of view many issues, however, remain unanswered. In this paper we thus present fundamentals of a biological transformation from a manufacturing standpoint based on recent research. Thereby we define this novel field of research, discuss its impact on traditional patterns of thought, provide a selection of technology, process and system examples, and present 10 fields action in terms of future research, industrial investment, policy initiatives, and societal involvement. The paper sets the basis for extensive further research and discussion within the manufacturing community

The cGMP-Dependent Protein Kinase 2 Contributes to Cone Photoreceptor Degeneration in the Cnga3-Deficient Mouse Model of Achromatopsia

Mutations in the CNGA3 gene, which encodes the A subunit of the cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-gated cation channel in cone photoreceptor outer segments, cause total colour blindness, also referred to as achromatopsia. Cones lacking this channel protein are non-functional, accumulate high levels of the second messenger cGMP and degenerate over time after induction of ER stress. The cell death mechanisms that lead to loss of affected cones are only partially understood. Here, we explored the disease mechanisms in the Cnga3 knockout (KO) mouse model of achromatopsia. We found that another important effector of cGMP, the cGMP-dependent protein kinase 2 (Prkg2) is crucially involved in cGMP cytotoxicity of cones in Cnga3 KO mice. Virus-mediated knockdown or genetic ablation of Prkg2 in Cnga3 KO mice counteracted degeneration and preserved the number of cones. Analysis of markers of endoplasmic reticulum stress and unfolded protein response confirmed that induction of these processes in Cnga3 KO cones also depends on Prkg2. In conclusion, we identified Prkg2 as a novel key mediator of cone photoreceptor degeneration in achromatopsia. Our data suggest that this cGMP mediator could be a novel pharmacological target for future neuroprotective therapies