Laborautomation an der Hochschule Albstadt-Sigmaringen

Karteikarten und Zusammenfassungen für Laborautomation an der Hochschule Albstadt-Sigmaringen

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Was ist das Ziel der Laborautomation?

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Weswegen benötigen wir Laborautomation?

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 Wie findet Laborautomation beim High-Throughput-Screening (HTS) Anwendung?

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Wie kann die Erfolgsrate vom HTS verbessert werden (ohne nur den zufälligen Ansatz zu verwenden)?

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Wofür steht das Akronym "ADME"?

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Was sind die Vor- und Nachteile der ADME-Kriterien?

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Welche Alternativen zur HTS gibt es?

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Welche Anforderungen müssen Assays für die HTS erfüllen?

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Wie sieht die Compund-Bibliothek bei einer HTS aus?

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Wo ist Laborautomation vertreten?

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Laborautomation

Was ist das Ziel der Laborautomation?

  • Verbesserung von Wiederholbarkeit und Verlässlichkeit, Sicherheit und Qualität!!
  • Angewendet, um Geld und Zeit zu sparen
  • Qualitätsanforderungen wären ohne Automation nicht einzuhalten
  • Menschliche Fehler lassen sich umgehen, durch Rückverfolgbarkeit
  • Sicherheit der Analyseergebnisse und des Anwenders
  • Ermündende, gefährliche Tätigkeiten können an den Roboter abgegeben werden

Laborautomation

Weswegen benötigen wir Laborautomation?

  • Kostenreduktion (--> ökonomischer Wettbewerb): Probendurchlauf erhöhen, ohne zusätzliche Personalkosten, zu wiederholende manuelle Prozessschritte können zusammengefasst werden, Reduktion der Labor- und Evaluationszeit
  • Zeit/Probe-Verhältnis reduzieren für die Analyse
  • Reduktion der Probenvolumen (es reicht ein geringeres Volumen aus heutzutage)
  • Sicherheitsstandards werden erhöht: Erhöhung der Anwendersicherheit, Erhöhung der Analysenqualität, Rüchverfolgbarkeit der Proben wird gewährleistet (Patientensicherheit), Minimierung des Risikos für menschliche Fehler, Archivierung der Proben wird verbessert
  • Zusammenfassend: Es wird Zeit und Geld gespart, detailliertere Analysen sind möglich und generelle Verbesserung der wissenschaftlichen Qualität und des allgemeinen Fortschritts
  • → Heutzutage bis zu 4000 Proben/Stunde oder 100.000/Tag (1980 noch 10000/Jahr) → Small molecule studies (Pharmaindustrie): bis zu 1.5 Millionen Verbindungen pro Target screening

Laborautomation

 Wie findet Laborautomation beim High-Throughput-Screening (HTS) Anwendung?

  • Kann nicht ohne Laborautomation durchgeführt werden
  • HTS beschreibt die Anwendung von automatisierten Methoden mit dem Ziel, biochemische, genetische oder pharmakologische Tests mit 10.000 bis zu einer Million Verbindungen durchzuführen
  • Ultra-HTS: mehr als 100.000 Proben/ Verbindungen pro Tag
  • Durchzuführen mit 384er, 1536er oder 3072er Platten

Laborautomation

Wie kann die Erfolgsrate vom HTS verbessert werden (ohne nur den zufälligen Ansatz zu verwenden)?

  • Eine bessere Bibliothek muss für das Screening bereitgestellt werden
  • Die Verbindungen (small molecules) müssen vorselektiert werden
  • Bestimmte chemische Eigenschaften werden nach Funktion vorsortiert
  • Für die pharmazeutische Industrie heißt dieses Verfahren ADME: absorption, distribution, metabolism, excretion
  • ADME stellt die chemischen Eigenschaften der Verbindungen in den Vordergrund, welche pharmakokinetische und pharmakologische Eigenschaften in einem Organismus beeinflussen

Laborautomation

Wofür steht das Akronym "ADME"?

Absorption: 

Wie wird die Verbindung von einem Organismus absorbiert? → z.B. Aufnahme durch Zellen im Verdauungstrakt via Membranen, Transporter, etc. Wie lange bleibt die Verbindung im Magen, Darm etc.? Ist sie im Magen (in dessen Säuremilieu) stabil? Welche chemischen eigenschaften muss sie erfüllen, um stabil zu sein?


Distribution: 

Wie ist die Verbindung in verschiedenen Geweben und Organen innerhalb des Körpers verteilt? → Wenn z.B. die Leber das Zielobjekt ist, welches die Verbindung erreichen muss, vor allem via Blutstrom?


Metabolism: 

Wie schnell wird die Verbindung metabolisiert/ verstoffwechselt (also abgebaut)?


Excretion: 

Wie schnell scheidet der Organismus die Verbindung/ den Metaboliten wieder aus?


→ Alles auf Basis von Erfahrungswerten aus bisherigen Medikamentenentwicklungen und durch die random approaches

Laborautomation

Was sind die Vor- und Nachteile der ADME-Kriterien?

Vorteile:

  • sehr einfach anzuwenden (Datenbanken bestehen bereits)
  • neue Verbindungen sind entsprechend leicht danach zu charakterisieren
  • Einfach abzuschätzen, ob eine Verbindung die Kriterien erfüllt oder nicht


Nachteile:

  • Tendieren zu hard cut-offs, aber irgendwo muss eine Grenze gesetzt werden (z. B. bzgl. 500 Dalton)
  • Bei den einfachen Eigenschaften kann die Korrelation zur Toxizität oder Bioverfügbarkeit nicht besonders gut sein
  • Es gibt ein gewissen Risiko, gute Verbindungen der weiteren Testung auszuschließen

Laborautomation

Welche Alternativen zur HTS gibt es?

  1. Fokussierter Screen: Screening nur von einer identifizierten Klasse an small molecules (z.B. durch ADME)
  2. Fragmentierter Screen: Nur Teile (z.B. nur der aromatische Teil) einer Verbindung werden gescreent; der Rest ist uninteressant oder nur eine Substanzklasse wird weiter gescreent
  3. Virtual Screen: Über Computersimulation (in silico docking) werden Eigenschaften identifiziert, die im Versuch dann bestätigt werden
  4. Physiologischer Screen: Gewebe oder Tiere werden für den Screen verwendet (i.d.R. nicht für Hochdurchsatz)

Laborautomation

Welche Anforderungen müssen Assays für die HTS erfüllen?

  • Große Anzahl an Verbindungen und pro Verbindung nur n=1 (Auf Wiederholungen wird aus Kosten- Zeit und Kapazitätsgründen verzichtet)
  • Daher müssen die Assays robust, verlässlich, so einfach wie möglich, bezahlbar und relevant sein
  • Test sollte auf ein Kriterium vorselektieren, dass relevant ist für weitere Versuchsgestaltung

Laborautomation

Wie sieht die Compund-Bibliothek bei einer HTS aus?

  • Muss groß genug sein (Kann/ muss bis zu Millionen an Proben erreichen)
  • Jede Verbindung muss stabil und sehr rein sein (Sonst könnte durch Kreuzkontamination der Test falsch positiv ausfallen)
  • Verbindungen können natürlich oder synthetisch sein
  • Bei natürlichen Verbindungen: mehr Arbeit, da sie komplett aufgereinigt werden müssen und es ist schwierig, die benötigte Menge zu erhalten
  • Bei synthetischen Produkten: Reinheit und Menge weniger ein Problem, aber: es kann nicht alles synthetisiert werden!

Laborautomation

Wo ist Laborautomation vertreten?

  • Pharmazeutische industrie (Viel HTS, nicht nur für klassisches Screening, sondern auch für Optimierungsprozesse)
  • Klinische Routinediagnostik
  • Routine in der Veterinärdiagnostik (Probenumfang geringer)
  • Routine in der Umweltdiagnostik (sehr kleiner Umfang)
  • Routine bei Lebensmittel- und Medikamentenanalysen (sehr kleiner Umfang)

Laborautomation

Was sind die Nachteile der Laborautomation?

  • Hohe Anschaffungs- und Wartungskosten (Bei einem Gerät von 200.000 € ca. 5-8.000 €)
  • Hoch qualifiziertes Personal wird benötigt (extra Trainings/Fortbildungen → hoher Zeit und Geldaufwand)
  • Meisten Maschinen sind nicht intelligent und handeln Proben stupide ab, ohne auf bestimmte Eigenschaften/ Veränderungen zu beachten → alle Proben werden gleich behandelt
  • Wenn eine Maschine kaputt geht, ist ein Backup schwer zu organisieren (Service dauert Zeit → Verzögerung)
  • Verlust an Flexibilität → Kommt auf das Setup an (meist jedoch wird einfach Quadratmeterfläche vergrößert; ohne, dass andere Maschinen entfernt werden müssen)
  • Passt die Laborautomation denn in die anderen Prozesse hinein?! (Wenn jetzt z.B. 50.000 proben analysiert werden können, aber aus der Produktion nur 5.000 Proben kommen, ergibt das keinen Sinn; oder die Aufreinigungsabteilung kommt nicht hinterher,...) → Dann müssten alle anderen Abteilungen auch automatisiert werden → hohe Kosten → Ergibt das Sinn?

Laborautomation

Was ist Laborautomation?

Automation: 

Transfer von Aufgaben an eine automatische Maschine, durch einen technologischen Prozess


Laborautomation:

in einer Laborumgebung

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