Automationssysteme für Klinische Chemie und Immunchemie: Das medizinische Labor als Baukasten

Wer in seiner Kindheit gerne mit Baukästen gespielt hat, weiß, dass man am besten mit einem Basismodell aus Standardelementen beginnt, das dann anschließend ganz nach persönlichen Interessen und Bedürfnissen erweitert werden kann. Auch das Kernlabor für die Klinische Chemie und die Immunchemie lässt sich nach dem Baukastenprinzip aufbauen. Die Basismodule des Labors, mit dem möglichst der Großteil aller benötigten Analyten nachgewiesen wird, sollten aus einer Hand, also von einem Hersteller stammen.
Solche Basismodule stellen vier Firmen in den Tabellen und eine weitere in einem Produktkasten vor.

Tabellarische Übersicht - Konsolidierte Systeme

Tabellarische Übersicht - Systeme für Klinische Chemie (KC) und homogene Immunassays (IA)

Tabellarische Übersicht - Systeme für heterogene Immunoassays (IA)

Alleinstellungsmerkmale/Besonderheiten der aufgeführten Systeme

Produktkasten

Um besondere Anforderungen, die z. B. die Fachabteilungen eines Krankenhauses an das Analysenspektrum stellen, zu erfüllen, kann das Basissystem durch entsprechende Module anderer Hersteller ergänzt werden. Auch die sind in dieser Produktübersicht vertreten: zum einen bei den heterogenen Systemen in der Tabelle Systeme für heterogene Immunoassays und im folgenden Produktkasten. Dort werden ein Mikroskop zur automatisierten Ablesung und Auswertung von Immunfluoreszenz-Assays (IFT) vorgestellt, außerdem ein ELISA-Assay-Kit zum Nachweis von IgG-Antikörpern gegen SARS-CoV-2 aus getrockneten Tropfen von Kapillarblut (dried blood spots). In der ebenfalls dargestellten Workstation läuft der gesamte Workflow der Analyse von der Probe bis zum Resultat ab.
Auch die Urinanalytik zählt zu den Aufgaben des Kernlabors. Ein modulares System dafür inklusive einer durchflusszytometrischen Sedimentanalyse präsentiert ein folgender Produktkasten. Die Verwendung von Nativurin ohne Zentrifugation vereinfacht den Arbeitsablauf deutlich.

Harte Fakten

Die Basisentscheidung für einen bestimmten Hersteller ergibt sich aus vielen Details, die wir in diesem Format gar nicht alle bringen können. Aber die harten Fakten zu den unterschiedlichen Systemen, wie Platzbedarf der Module, Strom- und Wasserverbrauch, Geräuschentwicklung sowie Testdurchsatz pro Stunde, lassen sich hier für die einzelnen Systemkategorien sehr übersichtlich ablesen und vergleichen.
In der Klinischen Chemie basieren die Analysenverfahren auf bereits lange entwickelten Prinzipien, z. B. Photometrie, Potentiometrie, Ionenselektiven Elektroden (ISE). Die Signalablesung erfolgt bei einem Hersteller, dessen Geräte grundsätzlich kein Wasser benötigen, durch Reflektrometrie. Die hier vorgestellten Systeme für homogene Immunoassays basieren auf dem ELISA-Prinzip, die heterogenen auf der Chemilumineszenz (CLIA, CMIA, LOCI). Die Nachweisverfahren wurden von den Herstellern i. d. R. für die verschiedenen Analyten optimiert.

Kontinuierliche Verbesserung

Die Automationskonzepte für das medizinische Kernlabor haben sich über viele Jahrzehnte entwickelt. Mittlerweile kann der gesamte Prozess vom Probeneingang bis zur Archivierung über Probenstraßen vernetzt und ohne manuellen Eingriff ablaufen (siehe Schwerpunktthema Labor­automation). Zwei Firmen (Produktkasten 1, Produktkasten 2) stellen neben ihren Analysesystemen auch ihr Automationskonzept inklusive der Transportschienen für die Primärproben vor. Im Rahmen der Tabellen haben wir hauptsächlich nach der Automation von Teilschritten gefragt, z. B. beim Abfallmanagement oder bei Reinigung und Wartung. Hier ist seit dem letzten tabellarischen Vergleich in TD Heft 2/2016 eine kontinuierliche Weiterentwicklung zu verzeichnen.
Ein Abfallmanagement mit Füllstands-überwachung für die Abfallbehälter gehört zu einem durchgängigen Automationskonzept dazu. Die unterbrechungsfreie Entleerung der Behälter ist ein kleines, aber nicht unwichtiges Detail, das die MTLAs im Labor entlastet.
Die Reinigung und Wartung ist zeit- und personalintensiv. Deshalb laufen viele der erforderlichen Arbeitsschritte automatisch ab, wodurch die Hands-on-Zeiten für das Personal auf ein Minimum reduziert werden. Teilweise erfolgen Reinigung und Wartung kombiniert. Wie lange beide Schritte tatsächlich dauern und wann und in welchen Abständen ein manueller Eingriff erforderlich ist, sollte im Rahmen eines Kaufgesprächs mit den einzelnen Herstellern geklärt werden.
Einige Firmen dokumentieren kontinuierlich alle Gerätemeldungen und werten sie z. B. für prädiktive Aussagen dazu aus, Bauteile frühzeitig (vor einem Defekt) auszutauschen. Anhand dieser Informationen wird dann der Besuch des Technikers terminiert.

Glaubenssätze

Wie viel Verschleppung ist tolerabel? Das Pipettieren von Proben und Reagenzien erfolgt mit Einmal-Pipettenspitzen oder mit wiederverwendbaren Ansaugnadeln. Die Einmal-Pipettenspitzen schließen eine Verschleppung ganz aus, bedingen dafür aber eine größere Menge an Festabfall. Die Ansaugnadeln müssen dagegen sorgfältig gespült werden. Ein Hersteller garantiert Verschleppungsfreiheit (< 0,1 ppm). Eine Verschleppung ist v. a. bei Parametern mit sehr hohen Konzentrationen wie HCG oder Antikörpertitern in der Infektiologie ein Problem. Wie es am besten gelöst werden kann, wird aber manchmal wie eine Glaubensfrage diskutiert.
Ein weiterer Punkt, der zu Diskussio­nen führen kann, ist die Verfügbarkeit der Proben z. B. für die Reflextestung oder Wiederholungsmessungen. Zwei Hersteller bilden von jeder Patientenprobe ein internes Aliquot, das über mehrere Stunden gekühlt im Gerät gelagert wird. Dadurch kann die Primärprobe schon wieder für andere Arbeitsplätze freigegeben werden, während das interne Aliquot für Reflex- oder Wiederholungsuntersuchungen schnell zur Verfügung steht. Nachteil dieser Methode ist der relativ hohe Verbrauch an Patientenproben für die Aliquotbildung. Eine Firma hat das gesamte Probenhandling so optimiert, dass die Primärproben auch ohne interne Aliquotierung schnell wieder zur Verfügung stehen.
Smart Metering nennt eine weitere Firma ihr Konzept, möglichst Ressourcen-schonend mit dem Probenmaterial umzugehen. Wenn beispielsweise beim Pipettieren Luftblasen auftreten, wird die Probe in das Primärgefäß zurück pipettiert.

Analysenportfolio

Auch das Analysenportfolio spielt eine Rolle bei der Entscheidung für das Basissystem eines Labors und die ergänzenden Geräte. Denn die unterschiedlichen Fachabteilungen eines Krankenhauses erfordern eine auf sie abgestimmte Analytik.
Mittlerweile wird die Suche nach geeigneten Biomarkern systematisch betrieben. Die Erfolgsquote ist zwar niedrig, aber am Analysenportfolio aller an der Tabelle teilnehmenden Firmen lässt sich ablesen, dass es durchaus positive Ergebnisse zu verzeichnen gibt. So gibt eine Reihe von Assays zur Beurteilung einer Leberfibrose, Parameter der Alzheimerdiagnostik oder der Infektiologie sowie diverse Tumormarker, die zum Teil noch Alleinstellungsmerkmale der Hersteller sind.

Ausblick

Sicher wird in Zukunft die Automation des Workflows im medizinischen Kernlabor weiter optimiert und vor allem auch an den Bedarf angepasst werden. Die Entwicklung von Assays und die Entdeckung neuer Biomarker werden weiterhin Hand in Hand gehen. Die Methode der Wahl für heterogene Immunoassays ist zurzeit die Chemilumineszenz in verschiedenen firmenspezifischen Modifikationen. Diese Methode hat ihr Performance-Limit noch nicht erreicht. Durch die Weiterentwicklung der Technologie sollten sich die Analysezeiten noch zunehmend verkürzen lassen. Auch Multiplex-Immunoassays zur Messung mehrerer Analyten, die für eine bestimmte Fragestellung relevant sind, sind denkbar. Außerdem gibt es Ansätze, die Sensitivität der Assays weiter zu verbessern. Für die derzeit auf dem Markt befindlichen Analyten stellt sich allerdings die Frage, ob eine Verbesserung der Sensitivität überhaupt sinnvoll ist. Wenn man indes an neue Biomarker denkt, die in sehr geringen Konzentrationen im Organismus vorliegen, aber – wenn sie sich denn in gewohnt zuverlässiger Form nachweisen lassen – sehr aussagekräftig sind, dann ist eine ganz neue Diagnostik möglich.
Tatsächlich wurde mit dem single molecule array in den USA eine neue Technologie entwickelt, die dies in Aussicht stellt. Das Prinzip dieses Immuno­assays beruht auf einem zur digital droplet PCR analogen Verfahren auf Protein- oder Nukleinsäure-Ebene, bei dem einzelne Moleküle des nachzuweisenden Analyten für die Antigen-Antikörper-Reaktion in Femto­liter-Kavitäten gefangen und das Signal der Nachweisreaktion digital abgelesen werden kann. Die um einen Faktor 1.000 verbesserte Sensitivität erlaubt den Zugang zu neuen, in sehr niedrigen Konzentrationen im Organismus vorliegenden Biomarkern. So wurde beispielsweise bereits der Nachweis einer Leichtkette des Neurofilaments als Biomarker aus dem Blut etabliert, mit dem sowohl in der Alzheimer- als auch in der Diagnostik der Multiplen Sklerose Aussagen über die Krankheitsaktivität getroffen werden können.   

Dr. Gabriele Egert
Prof. Dr. Rudolf Gruber
Mitglieder der Redaktion