Arbeitsersparnis im Labor: manuelle und automatisierte Bearbeitung im Vergleich

Einleitung

Die durchflusszytometrische Immunphänotypisierung spielt eine immer wichtigere Rolle in der Primärdiagnostik und Verlaufskontrolle zahlreicher hämatologischer Erkrankungen. Entsprechend hat der Bedarf an konsistenten Testmethoden von hoher Qualität zugenommen. Fortschritte bei den Geräten für die Durchflusszytometrie sowie die breitere Verfügbarkeit von Antikörpern und Fluorochromen haben die Identifikation sowohl von normalen als auch aberranten Zellpopulationen verbessert. Dennoch ist die Automatisierung in der Durchflusszytometrie nicht so schnell vorangeschritten wie in anderen Laborbereichen, und die Probenvorbereitung für die Durchflusszytometrie ist weiterhin ein überwiegend manueller Prozess, der hochqualifizierte medizinisch-technische Laboratoriumsassistenten erfordert.

Die Automatisierung der Probenverarbeitung stellt eine wesentliche Möglichkeit dar, einige der Herausforderungen zu bewältigen, mit denen sich klinische Durchflusszytometrie-Labore konfrontiert sehen: steigende Testzahlen bei gleichbleibendem oder fallendem Budget und Personalstand. Gleichzeitig ermöglicht sie es, die Qualität zu verbessern und das mit manuellen Methoden einhergehende Fehlerpotenzial zu verringern.

Mit dem  CellMek SPS Sample Preparation System lassen sich Waschschritte, Antikörperfärbung, Lyse und Fixierung von Zellproben für die Durchflusszytometrie gänzlich ohne Benutzereingriffe automatisieren. Durch die parallele Ausführung mehrerer programmierbarer Vorbereitungsmethoden und kontinuierliche Ausgabe analysebereiter Proben ermöglicht das System eine On-demand-Verarbeitung.

Das Labor

Das Tampa General Hospital ist ein 1041-Betten-Haus mit regionalem Einzugsgebiet, das zudem als primäres Lehrkrankenhaus des USF Morsani College of Medicine fungiert.

Das Durchflusszytometrie-Labor ist Teil des Spezialtestlabors und führt pro Jahr mehr als 2700 Leukämie- und Lymphom-Immunphänotypisierungen durch. Darüber hinaus gehören quantitative Bestimmungen von Lymphozyten-Untergruppen, Beurteilungen paroxysmaler nächtlicher Hämoglobinurien (PNH), Untersuchungen des fetalen Hämoglobins und weitere molekularbiologische und immunologische Spezialtests zum Leistungsspektrum.

Die Herausforderungen

Bewältigung steigender Fallzahlen bei gleichbleibendem oder fallendem Budget und Personalstand

Durchflusszytometrie-Labore stehen unter dem Druck, schnelle und genaue Testergebnisse zu liefern, auf deren Grundlage Ärzte ihre Patienten entsprechend behandeln können, und dabei gleichzeitig administrative Erwartungen hinsichtlich Produktivität, Personal und Aus- und Weiterbildung zu erfüllen. Dadurch ergibt sich ein dauerhafter Bedarf an optimierten Arbeitsabläufen.

In den USA sind nahezu 10 % der Stellen für hochausgebildete MTLA in der Durchflusszytometrie unbesetzt. Das Arbeitspensum der unbesetzten Stellen wird vom vorhandenen Personal übernommen, wodurch Erschöpfung und Burnout zunehmen und in manchen Fällen auch die Testkapazität eingeschränkt wird.

Trotz der jüngsten Verbesserungen beim Bestellprozess und Arbeitslauf in der Durchflusszytometrie verbringen die MTLA neben der Analyse der Ergebnisse immer noch beträchtliche Zeit mit der manuellen Vorbereitung der einzelnen Proben. Durch die Automatisierung der Probenverarbeitung kann die Arbeitsbelastung gesenkt und können die Testergebnisse schneller bereitgestellt werden, sodass die Patienten schneller ihre dringend benötigte Therapie erhalten.

Prozessstandardisierung für reproduzierbare Ergebnisse

Die manuelle Probenvorbereitung hängt von den individuellen Kenntnissen und Fähigkeiten des einzelnen MTLA ab und geht daher mit einer gewissen Variabilität einher, die ggf. schwer von anderen probenspezifischen Gründen für Abweichungen zu unterscheiden ist. Variabilität, beispielsweise eine unvollständige Lyse oder Pipettierfehler, birgt die Gefahr widersprüchlicher Ergebnisse.

Die Automatisierung manueller Arbeitsschritte bei der Probenverarbeitung sorgt für eine Standardisierung und macht den Prozess konsistent, verbessert den Workflow und verringert die Zahl der potenziellen Fehlerquellen.

Laborentwickelte Tests (LDTs)

LDTs stellen eine Herausforderung für die Automatisierung dar, denn die Testprotokolle und -eigenschaften werden vom jeweiligen Labor und nicht vom Hersteller bestimmt. Um zu Testergebnissen zu kommen, werden in Laboren häufig Antikörper mehrerer Hersteller und unterschiedliche Antikörper-Panel-Kombinationen sowie verschiedene Verarbeitungs- und Färbeverfahren eingesetzt.

Das CellMek SPS sample preparation system ist voll programmierbar und kann mit benutzerdefinierten Protokollen, Reagenzien und Antikörpern arbeiten, sodass sich die hauseigenen Prozesse jedes Labors automatisieren lassen.

Automatisieren eines LDT

Die Probenverarbeitung für LDTs sowohl zur Immunphänotypisierung von Leukämien und Lymphomen (L&L) als auch für die quantitative Bestimmung von Lymphozyten-Untergruppen (TBNK) wurde mit dem CellMek SPS-Probenvorbereitungssystem und der CellMek Panel Designer-Software automatisiert. Die Inkubationszeiten wurden entsprechend dem jeweiligen Verfahren bestimmt und optimiert, und es wurden benutzerdefinierte Reagenzbezeichnungen verwendet, um nicht von Beckman Coulter hergestellte Reagenzien und Antikörper abzudecken. Die Probenwäsche wurde auf 5 Zyklen eingestellt, als Waschpuffer wurde 2 % FCS in PBS verwendet, um die unspezifische Bindung zu eliminieren, und es erfolgte eine 3-malige Fixierung, um die Unterschiede zwischen dem automatisierten Protokoll und dem manuellen LDT auszugleichen.

Der manuelle Zeitaufwand im Sinne dieser Studie beinhaltet Eingriffe und Prozessüberwachung durch MTLAs.

Abbildung 1. Reduzierung fehleranfälliger Arbeitsschritte und des manuellen Zeitaufwands bei der Probenverarbeitung für einen LDT zur Immunphänotypisierung von Leukämien und Lymphomen mit dem CellMek SPS-Probenvorbereitungssystem* Zentrifugationszeit eingerechnet

Abbildung 2. Effizienzsteigerung mit dem CellMek SPS-System bei einem LDT zur Immunphänotypisierung von Leukämien und Lymphomen

Da die Mindest-Inkubationszeiten fix sind, kann die Verarbeitungsdauer auf dem CellMek SPS-System nicht wesentlich kürzer sein als bei der manuellen Probenvorbereitung. Allerdings ermöglicht die Probenvorbereitung auf dem CellMek SPS-System eine bedeutende Einsparung an manuellem Zeitaufwand, da der Prozess vollständig automatisiert ist und nur minimale Eingriffe durch MLTAs erfordert. Die Automatisierung auf dem CellMek SPS-System reduzierte den manuellen Zeitaufwand bei der Probenvorbereitung von Peripherblut für einen L&L-Immunphänotypisierungs-Assay von 28 auf 2 Minuten und erhöhte damit die für die Analyse oder andere Aufgaben verfügbare Zeit um 118 %.

Abbildung 3. Reduzierung der fehleranfälligen Arbeitsschritte und des manuellen Zeitaufwands bei der Probenvorbereitung für die quantitative Bestimmung von Lymphozyten-Untergruppen mit dem CellMek SPS-System

Abbildung 4. Effizienzsteigerung mit dem CellMek SPS im Vergleich zu TQ-Prep bei der quantitativen Bestimmung von Lymphozyten-Untergruppen.

Der derzeitige LDT-Prozess ist halbautomatisiert, Inkubation und Lyse erfolgen auf einer Beckman Coulter TQ-Prep-Workstation. Zudem gibt das CellMek SPS-System derzeit keine Flow-Count-Fluorosphären für die Absolutzählung der Zellen zu, weshalb die Fluorosphären nach der Verarbeitung manuell zu den einzelnen Probenröhrchen gegeben wurden, bevor diese in das Navios-Durchflusszytometer überführt wurden. Trotz dieses manuellen Schritts konnte durch die Automatisierung mit dem CellMek SPS-System der manuelle Zeitaufwand für die Verarbeitung von 4 Proben für die quantitative Bestimmung von Lymphozyten-Untergruppen in Peripherblut von 21 auf 7 Minuten verkürzt und die verfügbare Zeit damit um 28 % erhöht werden.

Diskussion

Insgesamt konnten wir feststellen, dass die Automatisierung unserer LDTs auf dem CellMek SPS-Probenvorbereitungssystem ein überschaubarer Prozess ist, der zu signifikanten Einsparungen beim manuellen Zeitaufwand der MLTAs geführt hat. Die automatisierte Vorbereitung von Durchflusszytometrie-Proben bietet eine erhebliche Chance für die Rationalisierung, Optimierung und Standardisierung von Arbeitsabläufen in Durchflusszytometrie-Laboren.

Quellen

1. Garcia E, Kundu I, Kelly M, Soles R. The American Society for Clinical Pathology 2020 Vacancy Survey of Medical Laboratories in the United States. Am J Clin Pathol. 2021 Dec 1; aqab197. doi: 10.1093/ajcp/aqab197.
2. Brestoff JR, Frater JL. Contemporary Challenges in Clinical Flow Cytometry: Small Samples, Big Data, Little Time. J Appl Lab Med. 2022 Jun 30;7(4):931-944. doi: 10.1093/jalm/jfab176. PMID: 35061902.
3. Fiona E. Craig, Kenneth A. Foon; Flow cytometric immunophenotyping for hematologic neoplasms. Blood 2008; 111 (8): 3941–3967. doi: https://doi.org/10.1182/blood-2007-11-120535

Die Ergebnisse können sich in Abhängigkeit von Benutzerfaktoren, unter anderem dem durchgeführten Protokoll und Assay, unterscheiden. Die Ergebnisse beruhen auf einer vom Tampa General Hospital, USA, durchgeführten Studie, bei der jeweils eine Person entweder für die automatisierte oder die manuelle Vorbereitung zuständig war.

Marci O’Driscoll, MS, MT

Nachdem sie einen Bachelor in interdisziplinären Naturwissenschaften und einen Master in Chemie an der University of South Florida erworben hatte, begann Marci O’Driscoll ihre Forschungslaufbahn am Children’s Research Institute. Im Zuge ihrer Arbeit in verschiedenen Laboren erwarb sie fundierte Kenntnisse in der Entwicklung, Umsetzung und Fehlerbehebung von Versuchen unter Anwendung von biologischen, molekularen und durchflusszytometrischen Methoden. In dieser Zeit entdeckte sie ihre Leidenschaft dafür, die Forschung zum Patienten zu bringen, und absolvierte ihre klinische Laborausbildung am Johns Hopkins All Children’s Hospital. Zurzeit vereint sie ihre Begeisterung für klinische Diagnostik, Forschung und Lehre in einer Tätigkeit als Clinical Scientist und verantwortet in dieser Funktion die Bewertung und Validierung neuer Durchflusszytometrie-Tests im Spezialtestlabor des Tampa General Hospital.