Kürzere Durchlaufzeiten bei der DNA-Analyse durch Prozessoptimierung im Labor
Deutschland, (30. August 2007) – Das zur britischen Regierung gehörende Unternehmen Forensic Science Service Ltd., das unter dem Namen The Forensic Science Service® (FSS®) am Markt vertreten ist, führt modernste gerichtsmedizinische Untersuchungen für internationale Vollzugs- und Justizbehörden sowie Privatkunden durch.
In einem typischen Jahr untersucht die FSS mehr als 100.000 Kriminalfälle. An diesen Aufgaben sind circa 2.600 Angestellte in 14 Niederlassungen in Großbritannien beteiligt. iforensic ist die internationale Abteilung von Forensic Science Service Ltd. iforensic erweitert seine weltweiten Aktivitäten für forensische Untersuchungen und arbeitet mit verschiedenen Regierungsstellen in Europa, den USA und in anderen Teilen der Welt zusammen.
Die von FSS durchgeführten forensischen Aufgaben umfassen eine breite Palette wissenschaftlicher Fächer. Die Hauptfunktion ist die Erstellung objektiver, wissenschaftlicher Beweise zur Verwendung vor Gericht. Dies ist üblicherweise eine Folge polizeilicher Ermittlungen, bei denen wissenschaftliche Beweise benötigt werden, um der Polizei bei ihren Ermittlungen zu helfen. Dies kann u.a beinhalten:
· Identifikation von Blut, Samen und anderen Körperflüssigkeiten, Blutgruppenbestimmung bei eingetrockneten Flecken und Vergleich von Proben anhand von DNA-Profilen.
· Identifikation und Vergleich von Textilfasern.
· Identifikation und Vergleich von pflanzlichen und tierischen Materialien - einschließlich Haaren.
· Analyse von Blut- und Urinproben auf Drogen oder Alkohol.
· Analyse von Körperflüssigkeiten und Organen auf mögliche Vergiftungen.
· Identifikation illegaler Drogen.
· Vergleich von Stoffen/Materialien, die zum Verpacken von Drogen verwendet werden.
· Untersuchung von Farben und Glasscherben.
FSS verfügt über eine sehr aktive Forschungs- und Entwicklungsgruppe, die permanent den technologischen Fortschritt im Auge behält, um sicherzustellen, dass jede sachdienliche Technologie eingesetzt wird, um die für die Bearbeitung eingereichter Proben benötigte Zeit zu minimieren, die Qualität der Ergebnisse zu verbessern, das Preis-Leistungsverhältnis zu optimieren und neue, innovative Lösungen für die Anforderungen der Kunden anzubieten. Das aktuelle Produktportfolio von FSS umfasst modernste Fortschritte in der DNA-Interpretation, automatisiertes DNA-Profiling, Software-Lösungen für die Datenanalyse sowie neue Daten-Extraktionssysteme für Mobiltelefone.
FSS ist führend in der Entwicklung des DNA-Profiling seit seiner Einführung als forensische Technik im Jahr 1986 voran. Im Jahre 1995 wurde die Nationale DNA-Datenbank Großbritanniens (UK National DNA Database, NDNAD) als weltweit erste ihrer Art eingerichtet. Die im ersten Jahr des Bestehens eingereichten Proben überschritten sehr schnell den geschätzten jährlichen Bedarf von 135.000 Proben, wodurch ein Rückstand von 100.000 Proben entstand. Es wurde deutlich, dass bei dem gestiegenen Bedarf das ‚T’-Card-System für das Probentracking durch ein verbessertes Verfahren ersetzt werden musste. Das “T” –Card-System beinhaltete einen zentralen Verwahrungsort für die Verfolgung von Proben und Chargen, wobei die relevanten Information von Wissenschaftlern auf den Karten eingetragen wurden. Was das ‘T’-Card-System nicht hatte, war ein ähnlicher zentraler Verwahrungsort für Hinweise auf den Lagerungsort einzelner Proben in den Tiefkühlgeräten. Diese und viele weitere Daten wurden manuell in verschiedenen spezifischen Tabellen, Laborjournalen, Notizbüchern, Formularen und mit den Proben zusammenhängenden Dokumenten eingetragen.
Im Jahre 1996 entwickelte FSS ein internes, sehr einfaches Labor-Informations- und Management-System (LIMS) auf der Basis eines Tabellenkalkulationsprogramms mit Makros, um die zu den Proben und Chargen erforderlichen Datenexporte und Formulare zu erstellen. Diese computerbasierte LIMS-Anwendung wurde von den IT-Spezialisten der FSS fortlaufend weiterentwickelt und verbessert, um weitere Aspekte des DNA-Prozesses einschließlich druck- und lesbarer Barcodes auf Papier, zusätzliche Felder zur Speicherung von Daten zu den beteiligten Wissenschaftlern, Reagenzien, Chargennummern, Probentypen, Chargennummern der verwendeten Reagenzien und Chemikalien, Probendurchlauf und sogar Daten von den Laborgeräten zu erfassen, wie beispielsweise die in einer Probe enthaltene DNA-Menge.
Die Verlässlichkeit dieser Art der Datenquellen und die zunehmende Notwendigkeit, Proben und Chargen rückverfolgen zu können und gleichzeitig Management-Informationen zu Probendurchlaufzeiten, Anzahl bearbeiteter Proben und Erfolgsquoten zu generieren, überschritt bald die Möglichkeiten der Tabellenkalkulationssysteme. Die Nachfrage nach Probenbearbeitungen war ebenfalls angestiegen.
Auf der Grundlage dieser Anforderungen begann FSS mit der Entwicklung einer Laborautomatisierung und startete so eine neue Ära des forensischen DNA-Profiling. Die Einführung automatisierter DNA-Laborprozesse machte es zum ersten Mal in der Forensik erforderlich, Instrumente für Liquid Handling mit hohem Durchsatz, Robotersysteme und Mikrotiterplatten einzusetzen. Eine der vielen zu überwindenden Herausforderungen war es, eine Lösung zu finden, wie in einer Mikrotiterplattenanordnung Informationen von Proben, die in 1,5 ml-Röhrchen mit jeweils eigenen Strichcodes eingereicht wurden, protokolliert und gespeichert werden sollten, da zu jener Zeit noch nicht jeder einzelne Well mit Strichcodes versehen werden konnte.
Parallel zu der Entwicklung der automatisierten Prozesse startete FSS auch die Entwicklung des ersten forensischen DNA-LIMS. Hierzu wurde ein kommerziell erhältliches Software-Paket verwendet. IT-Entwickler arbeiteten eng mit Wissenschaftlern aus der FSS Forschungs- und Entwicklungsabteilung zusammen, um IT-Lösungen zu entwickeln, die die Chemie des forensischen DNA-Profiling abbildeten. Diese Kombination stellte die weltweit erste DNA-Profilinglinie mit automatisierten Instrumenten dar, mit der ca. 200.000 forensische Referenzproben pro Jahr untersucht werden konnten.
Alle relevanten Komponenten der Automatisierungssysteme waren innerhalb des internen, sicheren Netzwerks von FSS vernetzt und über Serversysteme an das LIMS angeschlossen. Das System war von allen Workstations aus erreichbar, so dass die Eingabe von Daten und der Import von Dateien während der Bearbeitung so effizient wie möglich erfolgen konnte.
Durch das DNA-Expansionsprogramm der britischen Regierung (April 2000 – März 2005) wurden £240 Millionen zur Verfügung gestellt, um die Sammlung und Analyse von DNA-Material zu steigern, wobei der Schwerpunkt auf Massendelikten wie Einbruch und KFZ-Kriminalität lag. Dies erhöhte den Bedarf an DNA-Profiling und die Notwendigkeit, den DNA-Prozess effizienter zu gestalten.
Als Ergebnis erkannte FSS im Jahr 2000 die Notwendigkeit, die Automatisierungssysteme weiterzuentwickeln, um die Kapazität zu erhöhen – die Nachfrage war auf rund 300.000 Proben pro Jahr angestiegen, zudem gab es die Anforderung, die automatisierte Verarbeitung über Wattestäbchen hinaus auf andere Probentypen, wie zum Beispiel Kaugummi und Zigarettenstummel zu erweitern, die für forensisches DNA-Profiling typisch sind. Die neu entwickelten Technologien beinhalteten die geänderte Chemie für verschiedene Prozessstufen sowie eine weiterentwickelte Automatisierung, die Proben effizienter und effektiver bearbeiten konnte. Durch die Erweiterung der Probentypen, die verarbeitet werden sollten, mussten auch die Möglichkeiten der Chargen- und Probenverwaltung des LIMS modifiziert werden. Dies bezog sich auch auf die Möglichkeit, die Positionierung von Proben innerhalb einer Charge zu steuern und sicherzustellen, dass Referenzproben und unbekannte (individuelle) Proben immer getrennt bleiben. Zusätzlich war es notwendig, bestimmte Proben innerhalb einer Charge zur Sicherung der Qualität voneinander getrennt zu halten oder andere Proben aufgrund ihres Typs zusammen zu vergleichen. Diese ‘Chargenregeln’ wurden im LIMS entwickelt und gespeichert, wodurch dieses ein neues Niveau der vollständigen Prozesskontrolle erreichte.
Um diese Entwicklung zu ergänzen, erkannte FSS, dass die Automatisierung des DNA-Profilingprozesses zahlreiche Vorteile bringen würde, einschließlich höherer Geschwindigkeit und Effizienz. Der DNA-Profilingprozess schloss nicht nur die technischen Elemente ein, sondern auch die Interpretation der gewonnenen Profile. Um diese Vorteile zu maximieren, startete FSS gleichzeitig ein Programm zur Entwicklung von Interpretationssystemen für DNA-Profile, um die Arbeitsbelastung durch die Interpretationen zu reduzieren, sodass sich das hochqualifizierte Personal auf die Fälle konzentrieren konnte, die eine sachkundige Interpretation durch Menschen erforderten. Im Jahr 2005 führte FSS das FSS-i3 ein, ein professionelles DNA-System mit i-STRess (einem DNA-Interpretationstool), i-ntegrity (einer Applikation für einen vollen Vergleich von Profilen innerhalb einer Charge, die potenzielle Kontaminationen markiert) und i-stream (einem Tool für die Analyse einfacher, gemischter DNA-Profile; in vielen Laboren werden diese Ergebnisse verworfen, obwohl sie nützliche Informationen enthalten, da die Interpretation als “schwierig” gilt). Die Vorteile hiervon waren: höhere Konsistenz bei der Allel-Bestimmung, deutliche Reduzierung der für die Interpretation einer DNA-Datencharge benötigten Zeit, mehr DNA-Profile für die NDNAD, Reduzierung der Kosten pro DNA-Analyse, schnelle Auflösung bei Zwei-Personen-Mischung und Entlastung des Personals, das sich dadurch höherwertigen Aufgaben widmen konnte. FSS-i3 wird fortlaufendaktualisiert, um die Grundlagen zu verbessern.
Im Laufe der Jahre, in denen diese DNA-Linien in Betrieb waren, wurde das LIMS fortlaufend weiterentwickelt. Aus dem Kern-LIMS wurden zahlreiche Systeme entwickelt, die den sich verändernden Anforderungen der operativen Einheiten und der Polizeikräfte Rechnung trugen, die diesen Service nutzten. Die Komplexität des Systems ist mittlerweile an einem Punkt angekommen, an dem eine Änderung der Systeme eine vollständige Bewertung mit Analyse der Auswirkungen erfordert. Test und Validierung jeder Änderung werden gemäß der Auswirkung eingeordnet, die die Änderung voraussichtlich auf die betriebliche Leistung des DNA-Labors haben wird. Keine Änderung wird auf die leichte Schulter genommen; stattdessen führt ein spezielles FSS-Team die Entwicklung von Änderungen, Fehlersuche in der Datenverarbeitung, Validierung von Änderungen und die Verwaltung der Implementierung im Labor gemäß gängigen IT-Industriepraktiken und Richtlinien für die Software-Entwicklung durch.
FSS verbessert die angebotenen Serviceleistungen fortlaufend, um sicherzustellen, dass auch weiterhin die anspruchsvollen Anforderungen nach schnellen und kostengünstigen professionellen Dienstleistungen erfüllt werden können. In den vergangenen Jahren hat FSS viele neue DNA-bezogene Dienstleistungen ins Angebot aufgenommen, unter anderem das Forensic Response Vehicle (FRV) und einen sehr schnellen DNA-Bearbeitungsservice mit einer Umschlagszeit von weniger als 24 Stunden. Jede dieser neuen Dienstleistungen hat für FSS einen beträchtlichen Einsatz von Geld und Engagement bedeutet. Die DNA-Bearbeitungszeit im FRV ist ca. 3 Mal schneller als die bei FSS erreichten Durchlaufzeiten für Routine-DNA-Analysen mit hoher Priorität. Dies wurde dadurch möglich, dass FSS mit ihrem beträchtlichen Fachwissen den DNA-Prozess entwickelt und modifiziert hat, ohne die Integrität des Beweismittels oder die Qualität des resultierenden DNA-Profils zu gefährden.
Das FSS FRV Pilotfahrzeug wurde über die Association of Chief Police Officers (ACPO) in Zusammenarbeit mit der Polizei in England und Wales entwickelt. Alle Beteiligten waren sich darüber einig, dass die schnelle Aufnahme und Analyse von Beweismitteln die Festnahme von Tätern beschleunigen und das Risiko und die Häufigkeit von Wiederholungen deutlich reduzieren kann. Dies wiederum würde zu geringeren Kosten bei der Ermittlung und einer höheren Wahrscheinlichkeit der Verurteilung führen und Vorteile für das Strafrechtssystem als Ganzes mit sich bringen. Die FRVs ermöglichten praktisch eine DNA-Analyse in Echtzeit am Ort des Verbrechens und waren weltweit die ersten Fahrzeuge ihrer Art. Die Entwicklung der FRVs hat für FSS einen beträchtlichen Einsatz von Geld und Engagement bedeutet. Der mobile, schnelle DNA-Profilingprozess stellte das Unternehmen bei der Entwicklung vor einzigartige Herausforderungen. Um die Verarbeitung vor Ort zu ermöglichen, mussten zahlreiche Einrichtungen maßgeschneidert werden. Wie bei der DNA-Verarbeitung im Labor werden auch im FRV verarbeitete Proben über ein LIMS verfolgt. FSS wählte hierfür das Thermo Fisher Scientific Nautilus LIMS aufgrund seiner Funktionalität und Flexibilität und erweiterte dieses System mit FSS-eigenen Funktionen. Feste Chargengrößen wurden durch eine flexiblere Serie von Vorlagen und Arbeitsabläufen ersetzt, um die in unterschiedlicher Anzahl benötigten Proben und demographischen Informationen für jeden einzelnen Fall aufnehmen zu können.
Die FRVs wurden im Jahr 2005 bei der britischen Polizei getestet. Diese 19 Tage dauernde Testphase umfasste nur DNA-Proben, die bei Einbrüchen und bei KFZ-Delikten gesammelt wurden. Insgesamt wurden 92 DNA-Proben verarbeitet, die schnellste innerhalb von 7 Stunden. Von diesen 92 Proben wurden 51% gegen die NDNAD abgeglichen, von denen wiederum 65% einen Treffer ergaben.
FSS hat vor Kurzem einen neuen schnellen, laborbasierten DNA-Profilingservice mit einer Umschlagszeit von unter 24 Stunden ins Angebot aufgenommen. Dieser Service steht landesweit allen Polizeikräften zur Verfügung und ermöglicht die schnelle Verarbeitung eingereichter eiliger DNA-Proben. Wie die automatisierte DNA-Analyse mit mehr Routinen und das FRV benötigt auch dieser neue schnelle Prozess ein LIM-System, das die selben Datenfelder und Management-Informationen verarbeiten kann, jedoch auf der Basis einer DNA-Linie, die unterschiedliche Technologie und Dateiformate verwendet.
Die vom FSS eingesetzten LIMSe sind hochgradig funktionelle Lösungen, die für die Unterstützung komplexer Prozesse entwickelt wurden, die an ändernde Anforderungen angepasst werden müssen.
Für FSS stellte die Kundenanpassung einen wesentlichen Teil des Implementierungsprozesses dar. Die Entscheidung fiel daher auf eine LIMS-Plattform, die eine Entwicklerumgebung zur Verfügung stellt, die eher Standard- als firmenspezifische Sprachen unterstützt und die den Einsatz von “Erweiterungen” ermöglicht. FSS verwendet aus diesem Grund das Thermo Scientific Nautilus.
Der Ansatz, den FSS momentan bei der Implementierung eines LIMS verfolgt, ist, sich einen vollständigen Überblick über die Anforderungen des Labors zu verschaffen, um sicherzustellen, dass bei der Überprüfung des Systems alle Überlegungen zusammengetragen sind. Das Paket kann so konfiguriert werden, dass es in der Umgebung, in der es eingesetzt wird, optimale Leistung bietet. Es sollte überlegt werden, welche Ergebnisse benötigt werden und welche Anwendungsmöglichkeiten und Beschränkungen diese Ergebnisse haben. Dies hat Auswirkungen darauf, wo Daten aufbewahrt werden und welche strukturelle Hierarchie im System verwendet wird. Änderungen bei der Probenbearbeitung können durch Erstellung verschiedener Vorlagen und Arbeitsabläufe unterstützt werden, über die der Arbeitsablauf im Labor von der Anmeldung der Probe bis zur Erstellung der abschließenden Berichte überwacht und gesteuert werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Konfiguration des LIMS, um den Laborprozess ohne Programmieren und Codieren wiederzuspiegeln. Der Probenort kann so direkt überwacht werden.
Große Datenmengen können sowohl automatisch als auch manuell leicht im Nautilus LIMS erfasst werden. Die Benutzeroberfläche basiert auf einem Microsoft Windows Explorer-Format und ermöglicht so eine schnelle und intuitive manuelle Eingabe für Prozesse wie zum Beispiel die Probenregistrierung. Daten können dank der in der Software enthaltenen Parsing- und Mapping-Funktionalität durch Importieren und Exportieren von Files automatisch in das System eingegeben werden. Dies ist besonders für die Integration des LIMS mit einem automatisierten Robotersystem nützlich, wodurch die Gefahr von Übertragungsfehlern und korrupten Dateien verringert wird.
Informationen, die sich einmal in der Datenbank befinden, können leicht wiederaufgerufen und entweder über eine festlegbare Ordnerstruktur mit maßgeschneiderten Filtern auf dem Bildschirm angezeigt werden oder über die Berichtstools in kundenspezifischen Berichten als Management-Informationen oder als Datenexport verarbeitet werden.
Zusätzlich zu den Speicher- und Reportingfunktionen spielt das LIMS eine wichtige Rolle bei der Steuerung und Validierung. Die Kalibrierung von Instrumenten kann vom System überwacht und geplant werden, wobei verhindert werden kann, dass Arbeiten an Robotersystemen durchgeführt werden, die nicht gewartet sind. Die Validierung von Verbrauchsmaterialien, wie zum Beispiel Reagenzien, kann im System gespeichert werden, die wiederum damit bestimmte Reagenzienchargen für die Verwendung im Prozess bestimmen kann. Die Sicherheitsfunktionen der LIMS-Software regeln den Zugriff der Benutzer auf die Daten, die dem Benutzer zur Verfügung gestellt werden. So können unterschiedliche Arbeitsabläufe im System wiedergegeben werden.
Die stärkere Kontrolle und das größere Vertrauen in das System führen zu mehr Effizienz im Prozess, wodurch die Abteilung DNA-Profiling insgesamt effektiver wird. Die Abteilung ist durch Verwendung dieser flexiblen Plattform nun gut aufgestellt und für künftige Entwicklungen in der Gesetzgebung oder bei den Kunden gut vorbereitet.
In der britischen National DNA Database (NDNAD) befinden sich momentan mehr als 4 Millionen DNA-Profile. Jede Woche kommen rund 12.000 Objektproben und ca. 1.000 Tatortproben dazu. Seit der Einführung der NDNAD gab es mehrere Änderungen durch den Gesetzgeber, die die Ausweitung der NDNAD ermöglicht und das Leistungsvermögen von DNA-Untersuchungen bei der Verbrechensbekämpfung verstärkt haben. Die momentane Chance, ein von einem Tatort gewonnenes Profil in der NDNAD-Datenbank wiederzufinden, liegt bereits bei ca. 45%. Weil FSS auf die Forderungen der Kunden nach schneller, kostengünstiger DNA-Berarbeitung reagiert hat, können nun mehr als 1.000.000 forensische DNA-Proben pro Jahr verarbeitet werden, wodurch FSS als Einzelanbieter über die weltweit größte DNA-Kapazität für forensische Untersuchungen verfügt.
Weitere Informationen über Thermo + 49 (0) 6103/408 - 1110. www.thermo.com/informatics
Thermo Scientific ist eine Marke von Thermo Fisher Scientific, dem weltweit führenden Partner der Wissenschaft.
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Thermo Fisher Scientific Inc. (NYSE: TMO) ist der weltweit führende Partner der Wissenschaft. Wir versetzen unsere Kunden in die Lage, die Welt gesünder, sauberer und sicherer zu machen. Mit einem Jahresumsatz von über 9 Mrd. $ und 30.000 Beschäftigten beliefern wir mehr als 350.000 Kunden mit Produkten, die in der Pharma- und Biotech-Industrie, in klinischen und diagnostischen Einrichtungen, Hochschulen und Forschungslabors, in Behörden, der Umweltanalytik und bei der Steuerung von industriellen Prozessen zum Einsatz kommen. Über unsere beiden Hauptmarken, Thermo Scientific und Fisher Scientific, erstellen wir Lösungen für laboranalytische Herausforderungen, vom Routine-Test bis zu komplexen Untersuchungen und Forschungszwecken. Thermo Scientific ist auf Highend-Analysegeräte, Laborausrüstungen, Software, Dienstleistungen, Zubehör und Reagenzien spezialisiert und bietet Komplettlösungen für integrierten Workflow. Fisher Scientific verfügt über ein breit gefächertes Portfolio an Laborausrüstungen, Chemikalien, Verbrauchsmaterialien und Dienstleistungen für das Gesundheitswesen, die wissenschaftliche Forschung und Ausbildung. Damit sind wir in der Lage, unseren Kunden die jeweils günstigsten Konditionen zu bieten. Kontinuierlich arbeiten wir an der Weiterentwicklung unserer Technologien für einen schnelleren Fortschritt in der wissenschaftlichen Forschung, Mehrwertschöpfung für unsere Kunden und Wachstum für unsere Aktionäre und Mitarbeiter. Besuchen Sie www.thermofisher.com.
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