Definition
In einem CO2-Inkubator, auch Begasungsbrutschrank genannt, wird durch eine möglichst naturgetreue Atmosphäre die Entwicklung von Zell- und Gewebekulturen sichergestellt. Diese Kultivierung lebender Organismen heißt in vitro und bildet den Hauptanwendungsfall von CO2-Inkubatoren.
Dieser Prozess kann sich über mehrere Wochen erstrecken. Wachstum und Sicherheit der Proben haben dabei stets höchste Priorität. Um dies sicherzustellen müssen Temperatur, Feuchte und CO2-Gehalt genauestens den Anforderungen der Zellkulturen entsprechen.
Aufbau
Ein CO2-Inkubator verfügt über einen Innenraum, der von der Umgebung völlig abgekapselt ist, um die Atmosphäre im Gerät nicht zu beeinflussen. Damit Laboranten auch während der Wachstumsphase einen Blick auf die Proben werfen können, verfügen die meisten CO2-Inkubatoren neben der regulären Tür meist 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.
Die einströmende Luft läuft durch einen sterilen Filter und muss sich im ganzen Innenraum gleichmäßig verteilen, da die Proben meist auf Einschüben in unterschiedlicher Höhe positioniert sind. Die Herausforderung liegt darin, im gesamten Innenraum für Homogenität zu sorgen, sodass für alle Proben eine gleichmäßige CO2-Zufuhr bei konstanten Klima- und Feuchtigkeitsverhältnissen sichergestellt ist.
Folgende Parameter sind bei der Zellkultivierung entscheidend:
Anwendung
CO2-Inkubatoren kommen am häufigsten in der medizinischen Forschung und der pharmazeutischen Industrie zum Einsatz. Aber auch in anderen Bereichen, in denen das Zellwachstum unter absolut keimfreien Bedingungen stattfinden muss, sorgen CO2-Inkubatoren für sterile Kultivierungsbedingungen.
Weitere Anwendungsgebiete haben wir im Blogbeitrag „5 spannende Einsatzgebiete für CO2-Inkubatoren“ für Sie zusammengefasst!
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.
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 lässt sich der Plaque 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 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 eliminiert.
Zellulare in vitro Systeme in Kombination mit Sensoren finden in der Pharmaindustrie, der Toxikologie und der Grundlagenforschung Anwendung. Eines der bekanntesten Beispiele sind die Enzymsensoren zur Glukose-Messung.
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.-% CO2und 72rpm und 20mm Orbit.
Wie die American Association for Cancer Research AACR18 im Jahr 2017 eindrucksvoll gezeigt hat, wurden im Bereich der Krebsforschung enorme Fortschritte erzielt.
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 Tumor Suppressoren werden CO2-Inkuabtoren mit 37°C und 5 Vol.-% CO2 unter normoxischen Bedingungen eingesetzt. Die Mission der American Association for Cancer Research AACR ist die Prävention und Heilung von Krebs durch Forschung, Weiterbildung, Kommunikation und Zusammenarbeit.
In unseren Case Studies erfahren Sie mehr über die Anwendungsgebiete von CO2-Inkubatoren. Wir haben für Sie alle Case Studies in einem Download zusammengefasst:
Von der "Medizin der Zukunft" bis hin zur erfolgreichen Vermehrung menschlicher Hautzellen
1. Die Medizin der Zukunft
Lesen Sie in dieser Case Study, wie Sie maximale Probensicherheit und minimales Kontaminationsrisiko gewährleisten können.
2. Hauttransplantate retten Menschenleben
In dieser Case Study geht es um die Bebrütung humaner Hautzellkulturen im Inkubator und einer homogenen CO2-Verteilung.
3. Stammzellforschung zur Bekämpfung von Krankheiten
In dieser Case Study werden Lösungen zu reproduzierbaren Wachstumsbedingungen und geringem Kontaminationsrisiko aufgezeigt.
4. Erfolgreiche Vermehrung menschlicher Hautzellen
Lesen Sie in dieser Case Study wie Sie sichere und effiziente Züchtung von Zellgewebe bei maximaler Zeit– und Kosteneinsparung sicherstellen.
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?“
Insgesamt durchläuft der CO2-Inkubator bei der Validierung drei Schritte:
Die wesentlichen Fragen zur GLP:
Was bedeutet GLP für Inkubatoren, Klimaschränke und Vakuumtrockenschränke? Wie kann sie konkret umgesetzt werden? Welche Punkte gilt es zu berücksichtigen? Welche Nachweise und Unterlagen sind wichtig? Und welche Lösungen bietet Ihnen BINDER zur Erfüllung der GLP- Richtlinien?
In unserer Checkliste zum Thema "Gute Laborpraxis“ wollen wir Ihnen auf diese brennenden Fragen Antworten geben. Außerdem enthält sie die wichtigsten gerätebezogenen GLP-Kriterien.
Kriterien, die es zu beachten gilt:
CO2-Inkubatoren sollten bestmögliche Bedingungen für die zu untersuchenden Zellkulturen schaffen und dabei eine mögliche Kontamination verhindern. Daher sollten Sie sich vor dem Kauf eines CO2-Inkubators folgende Fragen stellen:
Drei Geräte-Eigenschaften, durch die das Kontaminationsrisiko sinkt:
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, reinigungsfreundlich, 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 ausreichende 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:
Ziel ist eine völlig homogene Gasverteilung im Innenraum. Ein geeignetes CO2-Begasungssystem sollte stets einen stabilen pH-Wert im Brutraum 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:
Daher sollte sich die Sensorik im Brutraum befinden, aber gleichzeitig vor hohen Temperaturen geschützt sein.
CO2-Inkubatoren sollten bestmögliche Bedingungen für die zu untersuchenden Zellkulturen schaffen und dabei eine mögliche Kontamination verhindern.
Erfahren Sie in diesem Buyer’s Guide, mehr über diese 6 Punkte, die Sie beim Kauf von CO2-Inkubatoren beachten sollten:
Modelle
CO2-Inkubatoren gibt es in verschiedenen Außen- und Innenabmessungen sowie 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 Kontamination vermeiden, den pH-Wert im Innenraum stabil halten und eine hohe Temperierpräzision vorweisen.
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. Eine vernünftige Kaufentscheidung 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. 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.
Kosten
Die laufenden Kosten bestimmen die Wirtschaftlichkeit Ihrer Entscheidung. Sie setzen sich zusammen aus:
Einfache Reinigung spart Zeit und Geld: So kann die fachgerechte Reinigung von unterschiedlichen CO2-Inkubatoren zwischen einer Minute und ganzen fünf Minuten liegen, was sich bei mehreren Geräten und kurzen Bestückungsintervallen wiederum enorm auf die Personalkosten auswirkt.
Verbrauchsmaterialien können ebenfalls ein entscheidender Kostenfaktor sein, die bei einigen Herstellern bis zu 1.500 € im Jahr ausmachen.
Halten Sie die laufenden Kosten gering, indem Sie einen CO2-Inkubator auswählen, der ohne Verbrauchsmaterialien auskommt.
Nur unter Einbeziehung der laufenden Kosten lässt sich herausfinden, ob sich die Anschaffung eines bestimmten Gerätetyps auch nach Jahren der Nutzung noch lohnt.
Von der "Guten Laborpraxis" bis hin zur sorgfältigen Zellkultivierung
Lesen Sie in diesem Whitepaper, weshalb das Mehraugenprinzip bei der Zulassung so wichtig ist und wie wichtig es ist, alle Unterlagen vollständig einzureichen.
Erfahren Sie in diesem Whitepaper außerdem, welche Rolle computergestützte Systeme bei der Qualifizierung spielen und wie der Prozess im Detail funktioniert.
Im Whitepaper werden die Gesamtsysteme an sich und im Speziellen die Antikontaminationskonzepte miteinander verglichen und bewertet.
Zusammenfassung
Die präzise Aufrechterhaltung der Atmosphäre ist in einem CO2-Inkubator unabdingbar, um die Proben optimal zu schützen. Das Bestückungsmaterial ist in jedem Fall wertvoll und Testphasen sind meist zeitaufwendig. Daher ist die Qualität des CO2-Inkubators enorm wichtig.
Ein weiterer Aspekt: Sie müssen den CO2-Inkubator vor jedem neuen Test einwandfrei reinigen, um eine Cross-Kontamination der neuen Proben auszuschließen. Daher sollte Ihr Gerät leicht zu reinigen sein. Ebenso wichtig ist es, dass Ihr CO2-Inkubator vollkommen kondensationsfrei arbeitet und optimale Wachstumsbedingungen für Ihre Kulturen schafft.
Wenn Sie all diese Kriterien beachten, finden Sie garantiert den richtigen CO2-Inkubator für Ihre Anwendung!
Sie haben Fragen zur Funktion und Anwendung von CO2-Inkubatoren oder möchten sich über die Spezifikationen unserer Geräte informieren?
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