Die Kraft des integrierten Labors

Apr 09, 2023

Dave Dorsett, leitender Softwarearchitekt bei Astrix, ist ein sehr erfahrener Leiter in der F&E-Informatik mit einer umfangreichen Erfolgsbilanz in der Zusammenarbeit mit hochrangigen wissenschaftlichen und IT-Führungskräften in den Bereichen Architektur, Design,...

Die Technologie hat nahezu jeden Aspekt unseres täglichen Lebens verändert und die Art und Weise, wie wir Wissenschaft betreiben, rasch neu definiert. Der durch den enormen Zustrom innovativer Technologien verursachte digitale Umbruch hat sowohl zu einer zunehmenden Abhängigkeit von Technologie als auch zu einer beschleunigten digitalisierten Wissenschaft geführt. Das Aufkommen des Internets der Dinge (IoT), der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) bildet die Grundlage für intelligente Automatisierung und Big-Data-basierte Erkenntnisse.

Diese und andere digitale Technologien sind in der Lage, die Produktivität zu steigern und den Betrieb in das Labor der Zukunft zu verwandeln. Die Laborkonnektivität ist der Schlüssel zur Erschließung von Erkenntnissen, die durch diese digitale Revolution ermöglicht werden und zum nächsten wissenschaftlichen Durchbruch führen. Dennoch haben viele wissenschaftsbasierte Organisationen Schwierigkeiten, diese Tools zu nutzen.

Die digitale Transformation von Forschung und Entwicklung verkörpert die Prinzipien der Digitalisierung, alle papierbasierten Prozesse zu beseitigen, jedoch im Rahmen einer Neubewertung des gesamten Arbeitsprozesses. Anstatt nur den aktuellen Stand der Datengenerierung und -erfassung in elektronische Form zu übertragen, konzentriert sich die digitale Transformation auf umfassendere Fragen, z. B. darauf, welche Daten von wem für welche Zwecke verwendet werden und ob es einen direkteren Weg gibt, das wissenschaftliche Ziel zu erreichen. Dies macht es ausdrücklich funktionsübergreifend und eröffnet Möglichkeiten zur Verbesserung der allgemeinen betrieblichen Effizienz und Produktivität in den größeren Geschäftsprozessen.

Das Konzept des integrierten Labors ist eine vollständig digitale Laborumgebung, in der manuelle Arbeit entfällt, Materialien und Proben transparent verwaltet werden und Arbeitsprozesse über alle Instrumente hinweg verbunden sind und nahtlos über alle zur Unterstützung der Arbeit erforderlichen Betriebssysteme ablaufen. Diese digitalen Arbeitsabläufe führen zu einer insgesamt verbesserten Datenqualität durch Automatisierung und explizite Konnektivität – die Betriebssysteme teilen wichtige gemeinsame Metadaten und stellen ihre Daten offen und nach Bedarf für die Nutzung durch andere Systeme bereit. Ein Merkmal dieser Art von Daten wird als FAIR1 bezeichnet. Die vier Grundprinzipien von FAIR-Daten sind: Auffindbarkeit, Zugänglichkeit, Interoperabilität und Wiederverwendbarkeit. Daten, die in die Laborumgebung hinein- und herausfließen, müssen den FAIR-Prinzipien entsprechen, um den Vorteil der „Datenbereitschaft“ aus dem digital integrierten Labor der Zukunft zu nutzen.

Getrennte Systeme sind dadurch zu einem großen Problem im Labor geworden. Die Verwaltung gemischter digitaler und nicht digitaler Prozesse mithilfe von Wissenschaftlern zur Datenübertragung verringert die betriebliche Effizienz und wirft Fragen zur Qualität und Vollständigkeit der Daten auf. Um die Herausforderungen zu meistern, die sich aus der fortgesetzten Nutzung nicht-digitaler Prozesse ergeben, müssen moderne Labore von heute den grundlegenden Datenfluss neu untersuchen.

Betrachtet man beispielsweise die Generierung von Daten, so verbessert der Einsatz von IoT-Technologie (intelligent) die Integrität der Datenerfassung und verknüpft die intrinsischen „Wer, Was und Wo“-Metadaten mit den Instrumentenergebnissen. In diesem zukünftigen Zustand sind alle Laborinstrumente und -geräte mit einem Cloud-Speicher verbunden, wo sie verarbeitet und zur Analyse mit anderen relevanten Unternehmensdaten kombiniert werden können. Dadurch wird die Beziehung zwischen den Instrumentendaten und ihrer Verwendung verbessert, und alle Verbraucher der Ergebnisse erhalten direkten Zugriff auf die primären Instrumentendaten, die zur Unterstützung der Ergebnisse verwendet werden.

Da F&E-Organisationen weiterhin global agieren, ausgelagerte CROs/CMOs-Dienste nutzen und mit externen Partnern zusammenarbeiten, wird die Notwendigkeit eines integrierten digitalen Labors für die Verwaltung des sicheren und konformen bidirektionalen Datenflusses in einer Vielzahl von Unternehmen zwingend erforderlich und Informatikplattformen.

Digitale Konnektivität bildet die Grundlage für die Transformation der Laborproduktivität. In vielen wissenschaftlichen Labors kommt es häufig vor, dass mehrere LIMS-, ELN- und Analyseinstrumente eingesetzt werden, die dupliziert, isoliert und veraltet sind und eine manuelle Bedienung oder Transkription erfordern. Um eine wirklich transformative Laborumgebung zu schaffen, müssen alle Menschen, Prozesse, Systeme und Daten zu einer rationalen, skalierbaren System- und Datenarchitektur verbunden und harmonisiert werden.

„Ein integriertes Labor bietet die digitale Konnektivität, die erforderlich ist, um F&E-Daten effektiver zu machen, indem es sie verfügbar macht, wann und wo sie benötigt werden.“

Der effektivste Ansatz für eine digitale Transformation beginnt mit einer gründlichen wissenschaftlichen Ist-Prozessanalyse. Dabei geht es um die Analyse und Dokumentation der Laborabläufe in der Praxis, einschließlich der aktuellen Systemnutzung in allen aktuellen Laborgeräten und -funktionen. Diese aktuelle Zustandsbewertung bietet eine Karte der „Schmerzpunkte“ – Ineffizienzen, Wartezustände, unnötige Duplizierung von Arbeit und Daten sowie manuelle Erstellung oder Neuerstellung von Daten. Diese Bewertung leitet dann die Entwicklung der optimierten zukünftigen Zustandsarbeitsprozesse, die ausgewählte Prozessverbesserungen umfassen, die in einer Roadmap angeordnet sind. Die Roadmap ist wichtig: Alle Schwachstellen in einem einzigen Schritt zu lösen, ist nicht pragmatisch; Darüber hinaus werden nicht alle Schmerzpunkte unabhängig voneinander sein oder die gleiche Bedeutung haben. In der Praxis sollte die Lösung selbst einiger der größten Probleme ein Grund sein, den Arbeitsablauf neu zu bewerten, um sicherzustellen, dass die nächsten Schritte die besseren sind.

Ohne einen klaren strategischen Plan implementieren Unternehmen oft überstürzt Lösungen, die den zukünftigen Zielen des Unternehmens nicht gerecht werden. Es stehen Tools und Dienste zur Verfügung, die das erforderliche Fachwissen und die Ressourcen bereitstellen, um ein erfolgreiches digitales Transformationsprogramm für Ihr Unternehmen zu analysieren, zu planen und durchzuführen, das letztendlich zu einer gesteigerten Produktivität führt. Die digitale Transformation ist kein klassisches IT-Projekt. Der damit verbundene Aufwand unterscheidet sich von der Implementierung eines Anbietersystems. Die digitale Transformation ist ein Programm, um die Art und Weise, wie Wissenschaft betrieben wird, neu zu überdenken.

Daten sind das wertvollste Gut der modernen Wissenschaft. Der Schlüssel zu datengesteuerter Forschung und Entwicklung ist der Zugang zu den Erkenntnissen, die Daten enthalten. Ein integriertes Labor bietet die erforderliche digitale Konnektivität, um F&E-Daten effektiver zu machen, indem es sie dann und dort verfügbar macht, wo sie benötigt werden. Durch die Digitalisierung können Arbeitsabläufe, die derzeit auf Papier, Excel, PowerPoint und E-Mail ausgeführt werden, überflüssig werden. Die digitale Transformation hingegen identifiziert und stratifiziert Daten auf der Grundlage ihrer Verwendung und entwickelt eine zusätzliche Konnektivität zwischen Daten und den Wissenschaftlern, die sie verwenden, wodurch wissenschaftliche Prozesse „datenzentriert“ werden können. Diese Transformation ermöglicht auch erweiterte Analysen, die Anwendung von Algorithmen und KI/ML, um F&E-Ergebnisse durch deskriptive und prädiktive Modellierung zu automatisieren und zu optimieren.

Im letzten Jahrzehnt haben Unternehmen einen „Cloud-first“- oder „Cloud-only“-Ansatz übernommen. Bei richtiger Anwendung bieten cloudbasierte IT-Lösungen eine flexible, schlanke und kosteneffiziente Infrastruktur, die den Weg für mehr Digitalisierung und damit digitale Transformation ebnet. Der Schlüssel ist Flexibilität. Der Einsatz der Cloud allein kann notwendig sein, um die Flexibilität zu erreichen, die zur Unterstützung der digitalen Transformation erforderlich ist, aber er reicht nicht aus.

Die Cloud-Infrastruktur sollte es Unternehmen ermöglichen, sich mehr auf die Nutzung der Technologie zu konzentrieren als auf die Pflege und Bereitstellung der Technologie selbst. Leider ist dies nicht immer der Fall. Tatsächlich kann die Cloud-Infrastruktur in der realen Welt unflexibler sein als die Verwendung einer On-Premise-Infrastruktur. Diese Ironie ist typischerweise das Ergebnis mangelnder Transformation in der IT-Organisation und kann ein erhebliches Hindernis für die digitale Transformation darstellen.

Die Zusammenarbeit zwischen globalen Standorten und externen Geschäftspartnern erfordert die schnelle und sichere Übertragung enormer Datenmengen im gesamten Unternehmen. Der Bedarf an einer agilen, kosteneffizienten IT-Infrastruktur und der richtigen Technologie zur Unterstützung dieser Bemühungen ist eine entscheidende Voraussetzung für die Verwirklichung des integrierten Labors der Zukunft.

Wie können Sie aus Sicht des Labormanagements die Produktivitätssteigerungen, die die digitale Transformation bietet, voll ausnutzen? Einer der wirkungsvollsten Vorteile des digital integrierten Labors ist die Möglichkeit, Laborabläufe zu visualisieren.

Digitale Konnektivität erleichtert die Zusammenarbeit zwischen Teams, Standorten und externen Partnern zum Austausch wissenschaftlicher Informationen und Daten. Da Enhanced-Reality-Technologien immer verfügbarer und für die Laborumgebung geeigneter werden, kann die Möglichkeit, Ihren Laborbetrieb durch freihändigen oder sprachaktivierten Betrieb auf ein neues Niveau zu heben, die vollständige Datenerfassung verbessern.

Eine der arbeitsintensiveren Aufgaben in jeder Laborumgebung ist die Nachverfolgung und Bestellung von Verbrauchsmaterialien. Eine integrierte Laborumgebung kann es Ihnen ermöglichen, diesen Prozess durch automatisierte RFID-Verfolgung der Verbrauchsmaterialnutzung in Verbindung mit E-Commerce-Plattformen für die Auffüllung dieser Vorräte zu vereinfachen. Dies sind Beispiele für Möglichkeiten zur Verbesserung der Laborproduktivität durch Digitalisierung, was zu optimierten wissenschaftlichen Prozessen und Kosteneinsparungen führt, die sich positiv auf das Endergebnis auswirken.

Die digitale Transformation ermöglicht es F&E-Organisationen, die wissenschaftliche Effizienz durch Arbeitsabläufe zu steigern, die die Arbeit von Wissenschaftlern unterstützen und optimieren. Diese Verbesserungen führen letztendlich zu einer allgemeinen Senkung der Betriebskosten und höheren ROIs, aber die erheblichen Produktivitätssteigerungen führen zu der dramatischsten Veränderung, die durch die digitale Transformation hervorgerufen wird: Innovation.

1. Wilkinson, M., Dumontier, M., Aalbersberg, I. et al. Die FAIR-Leitprinzipien für wissenschaftliches Datenmanagement und -verantwortung. Sci Data3, 160018 (2016). https://doi.org/10.1038/sdata.2016.18.