Prototyp des automatisierten Fischei-Sortierers.
Quelle: Fraunhofer IPA
Zebrafischeier sortieren mit Maschinellem Lernen
Die Eier von Zebrafischen eignen sich als Modellorganismus für die Gen- und Wirkstoffforschung. Die Vorbereitung der Proben erledigen noch immer Fachkräfte von Hand – eine monotone, zeitaufwändige Arbeit. Forscher vom Fraunhofer IPA haben deshalb eine neue Technologie einwickelt, die Fischeier mithilfe eines ausgeklügelten Algorithmus automatisch sortiert.
Zebrafische entwickeln sich in durchsichtigen Eiern außerhalb des Mutterleibs. Genau deshalb schätzen Zell- und Molekularbiologen die sechs Zentimeter langen Winzlinge. Bis ins frühe Larvenstadium hinein können sie ihre Zellen und Organe unter dem Lichtmikroskop beobachten, ohne die Embryonen dabei verletzen zu müssen. Das Genom des Zebrafischs stimmt zu 70 Prozent mit dem des Menschen überein, auch wichtige Organsysteme sind identisch – ideale Voraussetzungen für die biomedizinische Forschung.
Die Fischeier für Untersuchungen vorzubereiten ist jedoch eine Herausforderung: Ein geschlechtsreifes Weibchen kann wöchentlich mehrere hundert Eier legen. Eine Fachkraft muss sie alle auf ihren Befruchtungszustand hin untersuchen und in einer Mikrotiterplatte mit 96 Gefäßen ablegen. Eine trainierte Laborangestellte braucht dazu etwa zwölf Minuten. Die Arbeit ist monoton, die Fehlerrate dementsprechend hoch.
Forscher vom Fraunhofer IPA wollen diesen Arbeitsvorgang erheblich beschleunigen; ein automatisierter Fischei-Sortierer soll künftig drei Eier pro Sekunde klassifizieren: Ein Kamerasystem detektiert den Befruchtungszustand mithilfe eines Algorithmus, der die verschiedenen Zellstadien erkennt. »Wir trainieren den Algorithmus durch eine Datenbank mit Fotos von klassifizierten Fischeiern. Dabei definiert er die diversen Merkmale der Zellstadien und trifft eine Aussage, ob ein Ei befruchtet ist oder nicht«, erläutert Bastian Standfest von der Abteilung Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik. Er entwickelt den automatisierten Fischei-Sortierer zusammen mit Kollegen von der Abteilung Bild- und Signalverarbeitung. Die befruchteten Eier werden in weniger als zwei Minuten in eine Mikrotiterplatte einsortiert.
»Mit unserer Technologie entlasten wir nicht nur Laboranten bei der Aufbereitung der Proben, sondern umgehen den Engpass in der Prozesskette, senken die Personalkosten und beschleunigen beispielsweise die Erforschung von Medikamenten«, sagt Standfest.
»Mit unserer Technologie entlasten wir nicht nur Laboranten bei der Aufbereitung der Proben, sondern umgehen den Engpass in der Prozesskette, senken die Personalkosten und beschleunigen beispielsweise die Erforschung von Medikamenten«, sagt Standfest. Erste Tests sind vielversprechend verlaufen: Unbefruchtete Eier wurden nur in 0,2 Prozent der Fälle als befruchtet klassifiziert. Die Forscher gehen davon aus, mehrere tausend Eier pro Stunde einsortieren zu können.