Mit einem systematischen Zellkultur-Workflow zu einem schnellen Erfolg in der Versuchsdurchführung

Bedingt durch Vielfalt und Komplexität der in modernen Zellkulturprozessen angewandten Verfahren steigt die Nachfrage nach Technologien, die eine Standardisierung, eine genaue Dokumentation, eine höhere Geschwindigkeit und einen reduzierten Arbeitsaufwand ermöglichen. In diesem Whitepaper geht es um Lösungen für einen effizienten und standardisierten Zellkultur-Workflow, die den Erfolg zellkulturbasierter Versuche steigern können.

Steigende Nachfrage nach einem verbesserten Zellkultur-Workflow

Ein effektiver Zellkulturprozess ist grundlegend für erfolgreiche Anwendungen im Bereich der Biowissenschaften und in der Pharmaindustrie – von der Stammzell- und Krebsforschung bis hin zur regenerativen Medizin. Die Möglichkeit, Zellen während des Wachstums, der Proliferation und der Differenzierung in vitro genau beobachten und dokumentieren zu können, ist zur Gewährleistung der Qualität und Reproduzierbarkeit während des gesamten Zellkultur-Workflows von entscheidender Bedeutung. Deshalb führen viele Labore Technologien ein, die eine Standardisierung und eine genaue Dokumentation ermöglichen und gleichzeitig die Geschwindigkeit und die Effizienz steigern.

Unterstützung von Effizienz, Standardisierung und Dokumentation von Zellkulturen

Der Zellkulturprozess umfasst zuallererst die Quantifizierung der Zellproliferation und Zelldichte (Konfluenz) für die Beurteilung der Zellmorphologie. Ein Zellkultur-Workflow, der diese Prozesse effizienter, genauer und standardisierter macht, kann die Reproduzierbarkeit der Anschlussexperimente verbessern:

• Eine Standardisierung stellt sicher, dass Proben unabhängig von der Person, die den Arbeitsschritt durchführt, und zwischen Experimenten vergleichbar sind. Zellen, die unter inkonsistenten Bedingungen kultiviert werden, können Veränderungen ihrer Wachstumsmuster und Genexpression unterworfen sein, was die Zellfunktion beeinträchtigen kann.
• Die Dokumentation von Ergebnissen liefert ein genaues Bild des Zellverhaltens im Laufe der Zeit und ermöglicht eine Rückverfolgbarkeit für zukünftige Referenz, Audits, Peer-Review-Anfragen oder Patentanmeldungen.
• Geschwindigkeit und Effizienz erhalten die Gesundheit der Zellkultur, indem die Zeit, in der sich die Zellen außerhalb der optimalen Inkubationsbedingungen befinden, minimiert wird. Durch einen schnellen Arbeitsablauf bleibt außerdem mehr Zeit, sich auf andere Aufgaben in der Forschung zu konzentrieren.

Im modernen Zellkulturprozess können sowohl die Vorteile von Verbesserungen klassischer Zellkultursysteme, zum Beispiel ein inverses Mikroskop, als auch technologische Fortschritte zur besseren Automatisierung im Zellkulturlabor genutzt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Technologien zur Optimierung des Zellkultur-Workflows

Hardwaremerkmale eines verbesserten Mikroskops für Zellkulturen

Eine erfolgreiche Zellkultivierung beruht auf genauer Betrachtung und effizienten Arbeitsabläufen. Weiterentwicklungen der Mikroskopie brachten es mit sich, dass in Systeme, die für die Betrachtung und Analyse von Zellkulturen entwickelt wurden, verschiedene Hardwarefunktionen integriert wurden, um komplexe Herausforderungen im Ablauf des Prozesses zu bewältigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das CKX53 Mikroskop für Zellkulturen (links) und das Olympus Provi CM20 Inkubationsüberwachungssystem (rechts) bieten Funktionen zur Optimierung der Standardisierung und Qualitätskontrolle im Zellkultur-Workflow.

Beispielsweise beschleunigen ergonomische Komponenten wie etwa eine natürliche Haltung und Positionierung der Hand beim Fokussieren und Scannen die Geschwindigkeit der Zellverarbeitung. Das kommt den Zellkulturen zugute, da sich die Zellen weniger lang außerhalb ihrer optimalen Inkubationsbedingungen befinden. Zusätzliche Zeit außerhalb eines Inkubators erhöht das Kontaminationsrisiko und kann die Zellen unter Stress setzen, wodurch sich die Physiologie verändert und es zu Abweichungen zwischen den Proben kommen kann.

Diese Systeme zeichnen sich zudem durch ein kompaktes Design aus, sodass sie in biologische Sicherheitsschränke integriert werden können. So kann die Betrachtung in einer sterilen Umgebung durchgeführt werden, wodurch das Kontaminationsrisiko verringert wird.

Einheitliche kontrastintensive Betrachtung von Zellkulturen

Eine weitere Verbesserung des Zellkultur-Workflows ist die Möglichkeit, eine schnelle und kontrastintensive Betrachtung durchzuführen. Die Kombination von Mikroskopen für Zellkulturen mit fortschrittlicher Optik sorgt für eine klare und umfassende Darstellung, die eine schnelle und effiziente Überprüfung erleichtert.

Die Fortschritte bei Betrachtungsmethoden für Zellkulturen verbessern auch den Bildverarbeitungsprozess. Der Phasenkontrast ist eine beliebte Methode in der Zellbiologie. Um dieses Verfahren richtig anzuwenden, ist jedoch eine Vorbereitung und Zentrierung der Objektive und die Verwendung der Objektive mit der entsprechenden Phasenblende erforderlich. Dies kann zeitaufwändig sein und zu Fehlern führen, wenn beim Umschalten der Vergrößerungen die falschen Phasenblenden verwendet oder Phasenblenden falsch ausgerichtet werden.

Evident bietet deshalb eine integrierte Phasenkontrast-Technologie (iPC) für kontrastreiche Bilder. Damit muss die Phasenblende beim Umschalten zwischen 4X- und 40X-Objektiven nicht mehr gewechselt werden. Dieser einfachere Arbeitsablauf verbessert die Effizienz und beseitigt potenzielle individuelle Abweichungen zwischen der Vorgehensweise verschiedener Forschenden.

Vielseitigkeit für viele Betrachtungs- und Analyseaufgaben

Die Fluoreszenzbildgebung erweitert die Vielseitigkeit des Mikroskops für Zellkulturen und ermöglicht es, Routinebetrachtungen und Funktionsstudien mit demselben System durchzuführen. So werden Platz und Kosten gespart. Ein einziges System kann für mehrere Phasen des Zellkultur-Workflows verwendet werden: von der Überwachung der ausgesäten Zellen, der Proliferation und dem Passagieren bis hin zur kontrastreichen Fluoreszenzabbildung von Zellproben unter Verwendung verschiedener Farbstoffe.

Einfache und flexible Bildaufnahme

Ein wichtiger Bestandteil von Zellkulturprozessen ist die routinemäßige Dokumentation der Zellen durch Bildgebung. Viele inverse Mikroskope für Gewebekulturen bieten die Flexibilität, verschiedene Digitalkameras zu integrieren, sodass während der Arbeit Bilder aufgenommen werden können.

Bis vor kurzem mussten diese Kameras noch an einen Bildverarbeitungscomputer angeschlossen werden. Der Computer benötigte Stellfläche im Gewebekulturraum und die Kabelverbindung zwischen Kamera und Computer erforderte, dass die Geräte nahe beieinander stehen, wodurch das Platzangebot für die Geräte eingeschränkt war. Moderne Kamerasysteme lösen diese Herausforderungen durch flexible und platzsparende Bildgebungsoptionen. Beispielsweise kann die EP50 Kamera von Olympus drahtlos mit verschiedenen Geräten (Computer, Tablet oder Smartphone) verbunden werden. Diese drahtlose Einrichtung ermöglicht es zudem, das Mikroskop im Gewebekulturraum an jedem geeigneten Ort aufzustellen.

Zudem verfügt die EP50 Kamera über ein Betriebssystem, eine Software und Speicheroptionen, was für noch mehr Flexibilität sorgt. Der Monitor kann mit der Kamera direkt zu einer All-in-One-Bildgebungslösung verbunden und damit komplett auf einen externen Computer verzichtet werden. Die gesamte Einheit kann auch in einem Biosicherheitsschrank verwendet werden, um die Bildgebung in einer sterilen Umgebung durchzuführen.

Abbildung 3: CKX53 Zellkulturmikroskop und EP50 Kamera

Erstellung quantifizierbarer Zellwachstumsdaten

Ein wesentlicher Bestandteil einer erfolgreichen Zellkultur ist die angemessene Langzeitüberwachung des Zellwachstums und der Konfluenz. Das Zellkulturwachstum verläuft in drei Phasen: Lag-Phase, Log-Phase und Plateau-Phase (Abbildung 4).

Abbildung 4: Zellwachstum

Die Zellproliferation beginnt in der Lag-Phase und geht mit steigenden Konzentrationen von Wachstumsfaktoren in die exponentielle Log-Phase über. Wenn Nährstoffe verbraucht sind oder die Zelldichte zunimmt, kommt es zu einer Kontakthemmung und die Zellproliferation stagniert. Die Wahl des richtigen Zeitpunkts für die Verarbeitung proliferierender Zellen ist von entscheidender Bedeutung, damit sichergestellt werden kann, dass genug Zellen vorliegen, um einen ausreichenden Ertrag zu erzielen, ohne dass aber bereits eine Sättigung erreicht ist.

Ob bei der Vorbereitung von Zellproben zum Passagieren, für Folgeexperimente oder für die Lagerung ist eine genaue Zellzählung aus den folgenden Gründen von entscheidender Bedeutung:

• Passagieren: Gleichmäßige Aussaatdichten bedeuten, dass Zellkulturen mit der gleichen Geschwindigkeit und im gleichen Zustand wachsen
• Folgeexperimente: Identische Zellzahlen ermöglichen vergleichbare Ergebnisse
• Lagerung: Die Kenntnis über die Zellkonzentration und Lebensfähigkeit in jedem Kulturgefäß ist wichtig, wenn eine Zelllinie nach der Lagerung wieder in Kultur genommen wird

Schätzungen der Konfluenz und der Zellzahl werden oft mit bloßem Auge durchgeführt, was zu einer hohen Variabilität der Ergebnisse führt. Wenn dieselbe Zellkulturschale von mehreren Personen beurteilt wird, erhält man gegebenenfalls eine Bandbreite von Einschätzungen der Zellzahl und der Konfluenz.

Konsistenz in der Überwachung

Mit einem herkömmlichen Mikroskop kann sichergestellt werden, dass Zellkulturen einheitlich bewertet werden, aber es ist ebenso wichtig, dass die Kulturen regelmäßig überwacht werden. Wenn die Zellen nicht an den richtigen Tagen oder nicht zur richtigen Tageszeit überprüft werden, wird der optimale Zeitpunkt zum Passagieren oder für andere experimentelle Vorhaben eventuell verpasst (Abbildung 5). Das Passagieren zu einem falschen oder uneinheitlichen Zeitpunkt kann zudem später zu Problemen bei Kulturen und Experimenten führen. Durch die Kombination einer Zellkultursoftware mit einem Inkubationsüberwachungssystem zur kontinuierlichen Überwachung ist die Feststellung des idealen Zeitpunkts zum Passagieren der Zellen möglich.

Abbildung 5: Eine konstante Überwachung des Zellwachstums ermöglicht einen standardisierten Prozess.

Automatisierte Zellanalyse mit künstlicher Intelligenz (KI)

Inkubatorüberwachungssysteme wie das CM20 System verfügen über fortschrittliche KI-Software. Eine KI-gesteuerte Zellanalyse ermöglicht eine automatische Beurteilung der Gesundheit von Zellkulturen anhand einheitlicher Parameter, die Reduzierung menschlicher Fehler und die genauere und reproduzierbare Kultur von Zelllinien.

Zudem können diese Daten und Analyseparameter einfach gespeichert, wiederverwendet und übertragen werden. Dies reduziert den Unterweisungsaufwand und kann sicherzustellen, dass alle Mitarbeiter im gesamten Labor die gleichen Verfahren zur Bewertung der Zellgesundheit durchführen.

Durch die Standardisierung des Workflows mittels quantitativer Datenerfassung können Anomalien bei der Zellkultivierung frühzeitig erkannt werden. Das spart Zeit und teure Laborverbrauchsmaterialien für unbrauchbare Zellkulturen.

Fernüberwachung von Zellkulturen

Eine weitere Verbesserung des Zellkultur-Workflows ist die Fernüberwachung von Zellkulturen. In einem herkömmlichen Zellkultur-Workflow muss jemand vor Ort sein, um den Überwachungsprozess von Zellkulturen manuell zu kontrollieren. Inkubatorüberwachungssysteme wie das CM20 System können Zellkulturbehälter kontinuierlich überwachen, ohne dass jemand im Labor anwesend sein muss. Diese Geräte werden direkt im Zellkulturinkubator positioniert und liefern ortsfern quantitative Zellkulturdaten (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das CM20 Inkubationsüberwachungssystem erfasst Zelldaten im Inkubator.

Verbesserung der Zellgesundheit

Inkubatorüberwachungssysteme sind ideale Hilfsmittel zur Überwachung der Zellgesundheit. Da sie sich im Inkubator selbst befinden, müssen die Zellkulturbehälter nicht mehr zur regelmäßigen Überwachung aus dem Inkubator genommen werden. So wird sichergestellt, dass die Zellen unter optimalen Bedingungen gehalten werden und das Kontaminationsrisiko wird verringert.

Inkubatorüberwachungssysteme können während der Bildgebung auch Beleuchtungsmethoden verwenden, die speziell zur Unterstützung der Zelllebensfähigkeit entwickelt wurden. Eine Überbelichtung mit den Hellfeld-Beleuchtungsmethoden von herkömmlichen Mikroskopen kann Zellen schädigen. Daher verwendet das CM20 Inkubatorüberwachungssystem eine andere Beleuchtungsmethode: die Schräglicht-Beleuchtung. Für die Schräglicht-Beleuchtung wird eine 630-nm-LED verwendet, um die Phototoxizität selbst bei kontinuierlicher Betrachtung zu reduzieren.

Die Kombination eines Inkubatorüberwachungssystems mit einer Zellkultursoftware ermöglicht zudem die nahtlose Generierung quantifizierbarer Zellwachstumsdaten zur Erstellung eines genauen Wachstumsprotokolls. Dadurch werden eine unnötige Dissoziation und die Zählung von Zellen im Medium zur Optimierung der Kulturbedingungen vermieden. Diese Systeme sind für eine ortsferne Datenübertragung ausgelegt, sodass die Entwicklung der Kultur überall überwacht werden kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ortsferne Anzeige von Zellkulturdaten mit dem CM20 System.

Überarbeitung des Zellkultur-Workflows

Zellkulturen sind wichtige Hilfsmittel in den Biowissenschaften, und aussagekräftige Ergebnisse erfordern einwandfreie Zellkulturprozesse. Zwar ist die Kultivierung von Zellen ein etabliertes Fachgebiet, aber dennoch ermöglichen neue Technologien laufend erhebliche Verbesserungen, um einheitliche, effiziente und quantifizierbare Ergebnisse sicherzustellen.

Überarbeitete Mikroskope für Zellkulturen bieten eine verbesserte Ergonomie, eine bessere und konsistentere Optik und die Flexibilität, zusätzliche Bildgebungsmodalitäten wie etwa die Fluoreszenzbildgebung zu integrieren.

Inkubatorüberwachungssysteme ermöglichen die Erfassung kontinuierlicher quantitativer Daten bei gleichzeitiger Minimierung der Schädigung der Zellen. Darüber hinaus wird der manuelle Arbeitsaufwand erheblich reduziert.

Idealerweise werden diese Systeme zusammen eingesetzt. Während Inkubatorüberwachungssysteme den hohen Arbeitsaufwand der routinemäßigen Überwachung, der präzisen Zellzählung und des Passagierens übernehmen, ist die Beurteilung fluoreszenzmarkierter Zellen immer noch am erfolgreichsten, wenn sie von einer geschulten Person am Mikroskop vorgenommen wird.

Durch die Entwicklung eines neuen Workflows mit intelligenten Labortechnologien lässt sich ein effizientes, vollständig dokumentiertes und hochstandardisiertes Zellkultursystem erstellen. Damit besteht die Möglichkeit, biowissenschaftliche Experimente und Anwendungen in der regenerativen Medizin zu beschleunigen.

Autoren:

Joanna Hawryluk, Product Manager, Evident
Avi Smith, Product Manager, Evident