Medizintechnik

Medizintechnik: Software auf dem Prüfstand

Genmaterial, Viren, Bakterien – das menschliche Blut bietet Medizinern fast unendlich viele Informationen für die Diagnose von Krankheiten, die Steuerung von Therapien oder die Aulärung von Kriminalfällen. Die Firma Qiagen N. V. fertigt hochmoderne Testsysteme, die bei der Gewinnung dieser Informationen aus biologischen Proben helfen. Damit stets absolut zuverlässige Ergebnisse geliefert werden, testet Brunel Mitarbeiter Radoslaw Maziarz die Software der Geräte auf Herz und Nieren.

Die Bausteine des Lebens sind mit dem bloßen Auge unlesbar: Die wertvollen molekularen Informationen müssen erst aus biologischen Proben gewonnen und dann analysiert werden. So lassen sich unter anderem Krankheiten frühzeitig und genauer diagnostizieren. Aber auch genetische Mutationen können erkannt und Therapien – beispielsweise von Krebspatienten – dadurch besser gesteuert werden. Die Firma Qiagen N.V., 1984 in Düsseldorf gegründet, ist mittlerweile der weltweit führende Anbieter von derartigen Probenvorbereitungs- und Testtechnologien, also für Verfahren zur Gewinnung und Analyse wertvoller molekularer Informationen. Mehr als 500.000 Kunden setzen die verschiedenen Lösungen des Unternehmens ein, darunter auch Krankenhäuser und Diagnostiklabore. Wie umfangreich die Nutzungsmöglichkeiten sind, wird beim Blick auf eine besondere Dienstleistung von Qiagen deutlich: Auf dem Online-Portal „GeneGlobe“ erhalten die Kunden Zugriff auf 31 Millionen verschiedene molekulare Tests zur Analyse einzelner Gene und gesamter biologischer Signalwege, mit denen Zellen „kommunizieren“. Zu den erfolgreichsten Produkten zählt dabei das modulare Automationssystem QIAsymphony, das den Anwendern ermöglicht, verschiedene Nukleinsäuren wie DNA oder RNA aus biologischen Proben zu extrahieren und zu analysieren.
Als Quelle kommen körpereigene Zellen, aber auch Viren, Bakterien oder Pilze infrage. Um an die charakteristischen Nukleinsäuren zu gelangen, werden diese von den anderen Substanzen wie Zellwänden oder Zellwasser getrennt. Aufgrund der umfassenden Automatisierung und vielfältigen Funktionalitäten des QIAsymphony können die Proben wesentlich schneller aufbereitet werden, als dies von Hand der Fall wäre. Qiagens Verfahren werden nicht nur bei der Diagnose und Therapie von Krankheiten eingesetzt, sondern auch in vielen anderen Bereichen, beispielsweise in der Pharmaindustrie, der Rechtsmedizin oder der Grundlagenforschung.

Automatisierung mehr als 2.000 Mal getestet

„Das System QIAsymphony besteht aus drei Teilen“, berichtet Brunel Mitarbeiter Radoslaw Maziarz, der als Verification Manager die Tests der jeweils neuesten Versionen leitet. Ein Teil läuft unter der Bezeichnung „Sample Preparation“: Hier können bis zu 96 Proben, beispielsweise Blut, gleichzeitig eingegeben werden. Die Substanzen werden je nach Bearbeitungsziel mit verschiedenen Reagenzien vermischt, erhitzt, geschüttelt und ausgewaschen. Dabei werden überflüssige Bestandteile wie Zellwände und Zellwasser entfernt. Bei den Reagenzien handelt es sich um Stoffe, die das Probenmaterial in die Einzelbestandteile auftrennen. „Das Ergebnis des gesamten Vorgangs ist eine Lösung, die aus dem gewünschten Material besteht, meistens DNA oder RNA“, so Maziarz. Optional kann die „Sample Preparation“ mit einem zweiten Teil, dem „Assay Setup“, kombiniert werden. Dabei wird die gewonnene Lösung aus dem ersten Schritt weiterverarbeitet und für die Analyse vorbereitet. Beispielsweise werden erneut Reagenzien – und farbliche Markierungen – hinzugefügt, sodass die Bestandteile in der darauffolgenden Untersuchung sichtbar werden. In diesem dritten Schritt kann schließlich Qiagens „Rotor-Gene Q“ zum Einsatz kommen. Dort werden die Proben analysiert – zum Beispiel, um festzustellen, ob es sich bei den vorgefundenen Nukleinsäuren um das Erbmaterial von bestimmten Krankheitserregern handelt. Darüber hinaus können auch geringfügigste Mutationen in einem DNA-Strang identifiziert werden.

Software lernt Bewältigung

Radoslaw Maziarz kennt die Software der QIAsymphony so gut wie kaum ein anderer, denn er testet sie bereits seit fast sechs Jahren täglich auf Herz und Nieren. Eingestiegen ist der Elektrotechnikingenieur bei Version 2, mittlerweile wird die fünfte Hauptversion für die Markteinführung vorbereitet. Die Hardware ist dabei nur einmal verändert worden, als das Assay Setup hinzugefügt wurde. Das Wertvollste am System ist jedoch die Software – sozusagen das Gehirn und zentrale Nervensystem des Gerätes. Sie lernt mit jeder neuen Version die Bewältigung zusätzlicher Aufgaben, zum Beispiel die Nutzung weiterer Substanzen oder den Export von Daten für die weitere Bearbeitung. Anwender laden einfach nur die Proben ins Gerät und füllen die gewünschten Reagenzien nach, die ähnlich wie eine Druckerpatrone bequem als Kartuschen erhältlich sind. Dann geben sie auf einem Touchscreen die gewünschten Arbeitsvorgänge ein und der Rest der Aufbereitung läuft vollautomatisch. Seit der Version 4 werden die Proben auch zwischen den beiden Geräteteilen, der Sample Preparation und dem Assay Setup, automatisch weitertransportiert und verarbeitet. Die Bedienung ist für die Anwender jedoch nur deshalb so einfach, weil die Software dahinter umso komplexer ist. Maziarz leitet daher am Qiagen-Standort
Hilden ein vierköpfiges Team, das verschiedene Funktionen kontinuierlich auf bis zu fünf Geräten gleichzeitig testet – zunächst mit Wasser als Testsubstanz, denn Blut- und Gewebeproben sind kostbar. Parallel koordiniert er ein zweites Team in Mumbai, Indien, mit weiteren fünf Testern. „Meine Aufgaben sind die Planung verschiedener Testphasen, die Überwachung der Testaktivitäten und die Steuerung zeitlicher Vorgaben, die wir einhalten müssen“, berichtet Maziarz, der über eine Zertifizierung vom International Software Testing Qualifications Board (ISTQB) verfügt.

 

Bei der Probenvorbereitung ist höchste Präzision gefragt, damit die Ergebnisse der folgenden Analysen nicht verfälscht werden.

 

Die Weiterentwicklung der Programme beginnt oft damit, dass die Forschungsabteilung von Qiagen neue Wünsche von Kunden erhält, bei denen die QIAsymphony-Plattform bereits im Einsatz ist.Das können beispielsweise vereinfachte Schritte bei der Bedienung des Gerätes sein, aber auch die Nutzungsmöglichkeit zusätzlicher Reagenzien. Daraus werden Spezifikationen erstellt, Abläufe definiert und schließlich die Software-Entwickler mit der Umsetzung beauftragt. Anschließend erhalten Maziarz und sein Team die Software und testen, ob diese alle Vorgaben erfüllt. Ein Kontrollgremium, das sogenannte Change Control Board, bewertet dann die Abweichungen und mögliche Verbesserungsvorschläge. „In dem Gremium bin ich als Testmanager auch dabei, um eine Bewertung aus Testsicht abzugeben und um den Aufwand für neue Tests abschätzen zu können“, so Maziarz. „Das ist oft wichtig für die Entscheidung, ob die Ressourcen für eine bestimmteneue Funktionalität bereitgestellt werden oder nicht.“ Auch zwischen den Meetings kümmert er sich um viele solcher Abstimmungsprozesse zwischen den Projektbeteiligten.

6.000 Seiten Papier für garantiert zuverlässige Ergebnisse

Wenn alle geplanten Funktionalitäten für eine neue Version umgesetzt und getestet sind, muss sichergestellt werden, dass sie auch im Zusammenspiel fehlerfrei agieren. In einem solchen Verifikationstest – oder Regressionstest – werden sämtliche Testfälle noch einmal wiederholt. Zurzeit sind das über 2.000. Allein dieser Teil der Entwicklung einer neuen Geräteversion dauert daher fünf Monate, insgesamt testen Maziarz und seine Kollegen zwei Jahre lang, bevor die Marktreife sichergestellt ist. Anschließend folgt noch eine Verifikationsphase mit echten Proben, denn zum grundsätzlichen Nachweis der Gerätefunktionen wird vorläufig nur mit Wasser gearbeitet. Auch die Abläufe und Protokolle müssen anschließend noch verifiziert werden. In der Testphase wird beispielsweise genau dokumentiert, welcher Knopf zu welchem Zeitpunkt auf dem Touchscreen gedrückt wurde. All dies ist nicht nur erforderlich, um den sicheren Einsatz der Systeme beim Kunden zu gewährleisten, sondern auch, um die Zulassung von den zuständigen Behörden zu erhalten. Für den amerikanischen Markt wird eine Genehmigung der Food and Drug Administration (FDA) benötigt, die als besonders kritisch gilt. „Der Dokumentationsaufwand ist enorm. Allein die ausgedruckten Testfälle ergeben schon fast 6.000 DIN-A4-Seiten. Die Verifikation des gesamten Systems umfasst eine ganze Palette an bedrucktem Papier.“ Entsprechend lange dauere es noch einmal, bis die Mitarbeiter der FDA sich durch die Anträge gearbeitet haben – in der Regel ein halbes Jahr. Am Ende lohnt sich der Aufwand aber auf jeden Fall, denn mithilfe der QIAsymphony-Plattform können Labore Diagnosen schnell und präzise stellen. Die Ärzte erhalten so verlässliche Testergebnisse in kurzer Zeit und können den Patienten entsprechend eine bestmögliche Behandlung zukommen lassen. 

 

Text: Axel Kölling
Copyright Fotografie: GfG / Gruppe für Gestaltung