Mit Heißluftsterilisation
Serie CB-S
Wissenswertes über CO2-Inkubatoren
Definition
Was ist ein CO2-Inkubator?
Ein CO2-Inkubator ist ein Begasungsbrutschrank, der zur In-vitro-Zellkulitivierung verwendet wird. Als Zellkultur wird das Anzüchten und Vermehren lebender Zellen außerhalb eines Organismus unter kontrollierten Bedingungen bezeichnet. Zellkulturen bilden oft die Basis klinischer und biotechnologischer Forschung. Im CO2-Inkubator wird durch eine möglichst naturgetreue Atmosphäre das Zellwachstum ermöglicht. Dabei müssen Temperatur, Feuchte und der CO2-Gehalt exakt den Anforderungen der Zellkulturen entsprechen.
Aufbau
Aufbau und Funktion eines CO2-Inkubators
Ein CO2-Inkubator verfügt über einen Innenraum, der von der Umgebung völlig abgekapselt ist, um eine definierte Atmosphäre im Gerät zu erzeugen. Damit während der Wachstumsphase ein Blick auf die Proben geworfen werden kann, verfügen die meisten CO2-Inkubatoren zusätzlich zu der regulären Tür über eine Glastür, die zusätzlich vor Kontamination schützt.
Der Innenraum ist aus rostfreien Materialien wie Edelstahl gefertigt und sollte so wenig scharfe Kanten und Schlitze aufweisen wie möglich, um Kontaminationsverstecke zu vermeiden. Gerade in den sensiblen Bereichen der Zellkultivierung kann bereits ein einziger Keim die Arbeit von Wochen zerstören.
Das einströmende CO2-Gas läuft durch einen Sterilfilter und muss sich im ganzen Innenraum gleichmäßig verteilen, da die Proben meist auf Einschüben in unterschiedlicher Höhe positioniert sind. Die Herausforderung besteht darin, im gesamten Innenraum für Homogenität zu sorgen, sodass für alle Proben eine gleichmäßige CO2-Konzentration bei konstanten Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnissen sichergestellt ist.
Anwendungsgebiete von CO2-Inkubatoren in Medizin, Pharmazie und Co.
CO2-Inkubatoren werden oft in der medizinischen Forschung und der pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Aber auch in anderen Bereichen, in denen das Zellwachstum unter absolut keimfreien Bedingungen stattfinden muss, sorgen CO2-Inkubatoren für sterile Kultivierungsbedingungen.
CO2-Inkubatoren für die Herstellung von Tissue Engineered Products (TEP)
Tissue Engineered Products (deutsch: biotechnologisch bearbeitete Gewebeprodukte) sind biologische Arzneimittel, die biotechnologisch bearbeitete Zellen oder Gewebe enthalten oder aus ihnen bestehen. Sie dienen der Regeneration, der Wiederherstellung oder zum Ersatz menschlichen Gewebes.
Bei der Gewebezüchtung, dem Tissue Engineering, werden dem Menschen Körperzellen entnommen, um sie im Labor zu größeren Zellverbänden anwachsen zu lassen, um damit krankes Gewebe, zum Beispiel Haut, Knorpel oder Knochen, bei einem Patienten zu ersetzen oder zu regenerieren.
CO2-Inkubatoren für die In-vitro-Fertilisation
In-Vitro-Fertilisation (IVF) beschreibt eine Methode zur künstlichen Befruchtung in der humanen Reproduktionsmedizin. Ziel dieser Anwendung ist das Verschmelzen von Ei- und Samenzelle in einer Petrischale mit Zellkulturmedium.
Befruchtung und Entwicklung der menschlichen Embryonen beginnen in einem CO2-Inkubator. Nach zwei bis drei Tagen können die Embryonen zurück in den Uterus gesetzt werden. Die optimalen Werte im Brutraum liegen bei etwa 37°C, 5 oder 6 Vol.-% CO2 und Feuchtewerten um die 95%.
Damit es nicht zu Verwechslungen kommt, beschriftet das Personal die Petrischalen genau. Die Innenglastüren der CO2-Inkubatoren ermöglichen zusätzlich eine ständige Überwachung der Petrischalen.
In der Veterinärmedizin, bspw. bei Rindern, gestaltet sich der Prozess ähnlich. Die Oozyten werden in einer Petrischale mit Spermien zusammengebracht. Die Inkubationszeit beträgt 21 Stunden, in welcher die Spermien die Oozyten befruchten. Am 8. Tag nach der Befruchtung werden die Embryonen vom CO2-Inkubator auf die Empfängertiere transferiert.
CO2-Inkubatoren in der Diagnostik
Die Untersuchung von Zellkulturen spielt bei der diagnostischen Analyse von Krankheitserregern eine wichtige Rolle. Anhand der Ergebnisse lassen sich präzise Hygienenachweise formulieren sowie die Resistenz von Viren gegenüber Biopharmazeutika bewerten. Eine häufig angewandte Methode ist in diesem Zusammenhang die Wischprobe, bei der virusempfängliche Zellkulturen mit Viren konfrontiert und so auf ihre biologische Funktion hin überprüft werden. Für die verschiedenen Prozessschritte wie Auftauen und Umsetzen der Zellen sowie Infizieren der Zelllinien und Färben der Zellkulturen sind CO2-Inkubatoren das richtige Werkzeug. Im Innenraum herrschen bei dieser Anwendung meist 37°C und 5 Vol.-% CO2.
Spätestens nach 72 Stunden werden die Proben ausgewertet. Durch die Blaufärbung des Zellrasens lassen sich die Plaques mit bloßem Auge oder unter dem Mikroskop weiter charakterisieren. BINDER CO2-Inkubatoren sind besonders gut für diagnostische Bestimmungen respektive Virusnachweise geeignet, da sie besonders stabile Inkubationsbedingungen aufrechterhalten. Dazu tragen auch die Innenglastüren für den segmentierten Zugriff bei. Darüber hinaus werden die Risiken von Kreuzkontaminationen und die stille Verschleppung von Kontaminationen durch die automatische 180°C Heisluftsterilisation stets zuverlässig verhindert.
CO2-Inkubatoren zur Entwicklung von Biosensoren
Biosensoren sind Messfühler, die aus einem biologischen Erkennungselement und einem physikalischen Sensor (Transducer) bestehen, die sich in direktem Kontakt befinden. Die biologische Komponente kann aus einem Enzym, einem Antikörper, DNA, Rezeptoren, aber auch aus ganzen Zellen und Gewebeschnitten bestehen. Nach Interaktion des zu testenden Stoffes mit der biologischen Komponente, entsteht zunächst ein biologisch-chemisches Signal, welches durch den Transducer in ein elektrisches oder optisches Signal umgewandelt wird. Biosensoren werden zumeist nach ihrem zugrundeliegenden physikalischen Messprinzip eingeteilt. Es gibt daher elektrochemische Sensoren, optische Sensoren und Ganzzell-Biosensoren. Biosensoren werden zum Beispiel in der Medizin, der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und der Umweltanalytik eingesetzt. Eines der bekanntesten Beispiele sind die Enzymsensoren zur Glukosemessung.
Ein beeindruckendes Beispiel: Kardiomyozyten embryonaler Hühner wurden in Rotationskultur zu Sphäroiden (3D-Architektur) reaggregiert und an Mikroelektroden gekoppelt. Mit Referenzsubstanzen wurde geprüft, inwieweit Aussagen über den Stimulus auf ein lebendes System möglich sind. Die Herstellung der Sphäroiden erfolgte in CO2-Inkubatoren in Petrischalen bei 37°C, 5 Vol.-% CO2 und 72rpm und 20mm Orbit.
CO2-Inkubatoren in der Krebsforschung
CO2-Inkuabtoren spielen eine wichtige Rolle bei der Proben- bzw. Versuchsvorbereitung in allen Bereichen der Krebsforschung, z. B. der Wirkstoffforschung, der Entwicklung von 3D-Invasions, Assays und Biosensoren – vom einfachen Monolayer bis zur Nachbildung von Patiententumoren durch 3D-Zellkulturmodelle (Arzneimittelforschung und Therapieentwicklung).
Abhängig von den Zellkulturen werden in den Bereichen Immunologie und Tumorbiologie (Entstehungsweise von Malignomen) sowohl CO2-Inkuabtoren mit 37°C, 5 Vol.-% CO2 und 95% r.F. bei normoxischen Kulturbedingungen eingesetzt als auch CO2/O2-Inkubatoren mit 37°C, 5 Vol.-% CO2 und hypoxischen 1 Vol.-% O2.
In der klinischen Forschung, z. B. bei Forschungsarbeiten mit Onkogenen und Tumorsuppressoren werden CO2-Inkuabtoren mit 37°C und 5 Vol.-% CO2 unter normoxischen Bedingungen eingesetzt.
Richtlinien zum Umgang mit CO2-Inkubatoren
Validierung
Diverse Richtlinien regeln den Umgang mit CO2-Inkubatoren. In der Pharmaindustrie sind die Anforderungen der Guten Laborpraxis (GLP) und der Guten Herstellungspraxis (GMP) in der 21 CFR Teil 11 beschrieben und regeln die Handhabung der Messvorrichtungen, die in definierten Abständen kalibriert und geprüft werden sollten. Ein Datenlogger muss sämtliche Prüfparameter erfassen und an die Software sowie das Speichermedium weitergeben, wo sie verarbeitet und archiviert werden.
Alles Wissenswerte zur GLP finden Sie in unserem Whitepaper: „Die "Gute Laborpraxis": Was steckt dahinter?“
Ab welchem Zeitpunkt ist ein CO2-Inkubator bereit für den Einsatz?
Insgesamt durchläuft der CO2-Inkubator bei der Validierung drei Schritte:
Auswahlkriterien beim Kauf eines CO2-Inkubators
Drei Geräteeigenschaften, durch die das Kontaminationsrisiko sinkt:
- Vermeiden von Kontaminationsverstecken wie Lüfter und Fugen im Innenraum
- Abgerundete Kanten und Ecken zur einfachen Sprüh- und Wischdesinfektion
- Möglichkeit der vollständigen Heißluftsterilisation des gesamten Innenraums
Eine intuitive Menüsteuerung vereinfacht die Prozesse und sorgt für ein barrierefreies Arbeiten. Ebenso wichtig ist eine einfache Demontage der CO2-Inkubatoren, da sie regelmäßig gereinigt und wieder neu bestückt werden müssen. Der Zeitaufwand für diesen Prozess kann je nach Hersteller variieren.
Der Innenraum sollte sich durch Simplizität auszeichnen: einfach, übersichtlich, leicht zu reinigen, wartungsarm. Kontaminationsflächen müssen auf ein Minimum begrenzt sein, um beste Wachstumsbedingungen für Zell- und Gewebekulturen sicherzustellen.
Die Heißluftsterilisation sollte einfach per Knopfdruck erfolgen können. Normkonform ist eine Dekontaminierung des gesamten Innenraumes bei 180 °C für absolute Keimfreiheit.
Eine möglichst hohe Luftfeuchte verhindert, dass die Zellkulturen austrocknen. Ein intelligentes Feuchtemanagement sorgt für hohe Feuchtewerte bei minimaler Verdunstung des Mediums und möglichst ohne Kontaminationsrisiko.
Die wichtigsten Vorteile eines guten Feuchtemanagements:
- Die Verdunstung des Mediums wird durch die hohe Feuchte auf ein Minimum beschränkt.
- Die Feuchtebegrenzung sorgt für trockene Innenwände, wodurch Kontaminationen vermieden werden.
Ziel ist eine völlig homogene Gasverteilung im Innenraum. Ein geeignetes CO2-Begasungssystem sollte stets einen stabilen pH-Wert im Nährmedium gewährleisten, um für optimales Zellwachstum zu sorgen.
Ein intelligent konzipierter CO2-Sensor reagiert schnell auf Änderungen der Gaskonzentration und gewährleistet deren Langzeitstabilität. Zu unterscheiden sind CO2-Inkubatoren, deren CO2-Sensorik sich außerhalb und innerhalb des Brutraumes befinden.
Vorteile des Sensors innerhalb des Brutraums:
- Reagiert schnell auf Schwankungen der CO2-Konzentration.
- Bietet keine Kontaminationsverstecke.
Daher sollte sich die Sensorik im Brutraum befinden, aber gleichzeitig vor hohen Temperaturen geschützt sein.
CO2-Inkubatoren für jeden Anwendungsfall
Modelle
CO2-Inkubatoren gibt es in verschiedenen Außen- und Innenabmessungen sowie mit unterschiedlichen Temperatur-, Feuchte- und CO2-Daten. Sie sollten im Vorfeld stets die Anwendungen analysieren, für die der CO2-Inkubator benötigt wird. In jedem Fall sollte ein CO2-Inkubator zuverlässig Kontaminationen vermeiden, die CO2-Konzentration im Innenraum stabil halten und eine hohe Temperierpräzision aufweisen.
Zellkultivierung und Kontamination
Beim Arbeiten mit Zellkulturen sind Kontaminationen ein weit verbreitetes Problem. Zu ihrer Vermeidung sind eine sterile Arbeitstechnik und ein sorgfältiger Umgang mit den Kulturen unerlässlich. Darüber hinaus spielt der CO2-Inkubator eine wichtige Rolle, denn er bietet nicht nur Zellkulturen sondern auch vielen unerwünschten Mikroben ideale Wachstumsbedingungen. Entsprechend bietet jeder hochwertige CO2-Inkubator mehrere Features zur Vermeidung von Kontaminationen. Die Entscheidung für einen CO2-Inkubator kann jedoch nicht allein auf Basis der Summe technischer Details getroffen werden. Vielmehr müssen die Gesamtsysteme und im Speziellen die Antikontaminationskonzepte miteinander verglichen und bewertet werden. Hierbei zeigt sich, dass komplexe Systeme nicht per se sicherer sind als einfache Systeme. Die zuverlässige Kontaminationsvermeidung sollte mit dem Gerät schnell, einfach und ohne hohe Verbrauchsmaterialkosten zu erreichen sein.
Mehr über Heißluftsterilisation und andere Maßnahmen zur Kontaminationskontrolle in CO2-Inkubatoren finden Sie im Whitepaper "Zellkultivierung ohne Kontamination".
Bei komplexen Kultivierungsansätzen oder individuellen Wachstumsmilieus, beispielsweise unter hypoxischen Bedingungen, braucht es CO2-Inkubatoren mit zusätzlicher Prozesskontrolle. Sie enthalten die notwendigen Features, um auch bei sensiblen Inkubationsaufgaben zu glänzen.
BINDER - Qualität zahlt sich aus
Die laufenden Kosten bestimmen die Wirtschaftlichkeit Ihrer Entscheidung. Sie setzen sich zusammen aus:
- Verbrauchsmaterial und Verschleißteilen
- Reinigungsmitteln
- Personalkosten
Einfache Reinigung spart Zeit und Geld: So kann die fachgerechte Reinigung von unterschiedlichen CO2-Inkubatoren unterschiedlich viel Zeit in Anspruch nehmen, was sich bei mehreren Geräten und kurzen Bestückungsintervallen wiederum enorm auf die Personalkosten auswirkt.
Verbrauchsmaterialien können ebenfalls ein entscheidender Kostenfaktor sein, die Kosten dafür machen bei einigen Herstellern bis zu 1.500 Euro im Jahr aus. Halten Sie die laufenden Kosten gering, indem Sie einen CO2-Inkubator auswählen, der ohne Verbrauchsmaterialien auskommt.
- Keine Kosten für HEPA-Filter
- Keine Kosten für Wasserstoffperoxid-Lösungen
- Keine wiederkehrenden Kosten für UV-Lampen
Nur unter Einbeziehung der laufenden Kosten lässt sich herausfinden, ob sich die Anschaffung eines bestimmten Gerätetyps auch nach Jahren der Nutzung noch lohnt.
Finden Sie den richtigen CO2-Inkubator für Ihre Anwendung
CO2-Inkubatoren sind Begasungsbrutschränke, die immer dann zum Einsatz kommen, wenn das Zellwachstum unter absolut keimfreien Bedingungen stattfinden muss. Sie werden häufig in der medizinischen Forschung und in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.
CO2-Inkubatoren müssen optimale Wachstumsbedingungen für Zellkulturen schaffen und gleichzeitig das Kontaminationsrisiko minimieren. Daher sollten die Geräte leicht zu reinigen sein und kondensationsfrei arbeiten. Weitere wichtige Faktoren, die bei der Wahl eines CO2-Inkubators berücksichtigt werden sollten, sind die Handhabung, das Innenraumkonzept, das Feuchtemanagement und die Art der CO2-Begasung.
Mehr dazu lesen Sie in unserem Buyer's Guide "6 Punkte, die Sie beim Kauf von CO2-Inkubatoren beachten sollten".
BINDER bietet ein breites Spektrum an CO2-Inkubatoren für alle Arten der Zellkultivierung, von Standardanwendungen bis hin zu sensiblen Inkubationsaufgaben.