Metrology-based quality and process control in automated stem cell production

We present a fully automated production platform for the generation, cultivation and differentiation of induced pluripotent stem cells. Cell culture, the process by which cells are grown outside of their natural environment, is a highly individual process. It can only be performed automatically by employing specialized metrology in combination with adaptive process control. A main motivation for automated versus manually assisted cell production is the increase in throughput and quality. Therefore all devices in the production platform have to be high-throughput capable and deliver reproducible results. Especially by combining high-speed microscopy with intelligent automation, a metrology-based quality and process control could be realized which allows the production of iPS cells on an industrial scale for the first time.

In dem vorliegenden Artikel wird eine vollständig automatisierte Produktionseinheit zur Generierung, Kultivierung und Differenzierung induziert pluripotenter Stammzellen vorgestellt. Das Kultivieren von Zellen außerhalb ihres Organismus, die sogenannte Zellkultur, ist ein sehr individuell ablaufender Prozess. Ihn zu automatisieren erfordert hochspezialisierte Messtechnik in Verbindung mit einer adaptiven Prozesssteuerung. Ein Hauptziel der automatisierten im Gegensatz zur manuell assistierten Zellproduktion liegt in der Steigerung des Durchsatzes sowie der Qualität der produzierten Zellen. Dementsprechend müssen alle Geräte und vor allem die Messtechnik, die in einer solchen Produktionseinheit zum Einsatz kommt, hochdurchsatzfähig und sehr zuverlässig sein. Insbesondere dank eines eigens entwickelten Hochdurchsatz-Mikroskopieverfahrens konnte eine messtechnikbasierte Qualitätskontrolle und Prozesssteuerung für die Produktion von iPS-Zellen in industriellem Maßstab realisiert werden.