Inkubation integrieren

Zellinkubation im automatisierten Liquid-Handling-Workflow

Die Autoren von Inheco stellen einen Inkubator vor, der speziell für den Einsatz in der Laborautomation entwickelt wurde, und berichten über Ergebnisse aus einem Anwendungstest zur Auswirkung auf die Inkubationstemperatur beim Probenwechsel.

Die Inkubation ist ein grundlegendes Verfahren im Labor, mit dem biochemische Reaktionen gesteuert werden. Für die Inkubation von Zellen wird hierzu nicht nur die Temperatur geregelt, sondern es werden auch die Gasatmosphäre und die relative Feuchte überwacht. Bei der Kultivierung von menschlichen Zellen werden z. B. Temperaturen um + 37 °C und ein CO2-Gehalt in der umgebenden Gasatmosphäre von ca. 5 Prozent benötigt. Die Zellkulturen entwickeln sich in flüssigen Nährmedien. Um die Verdunstung von Wasser aus diesen Nährmedien zu minimieren, wird die Luftfeuchte in Richtung maximaler Sättigung erhöht. Außerdem sollten weitere Umgebungseinflüsse wie etwa Licht, Zugluft, Staub und Aerosole ausgeschlossen werden.

Inkubator Scila CO2 MP-4 mit geöffneter Schublade. © Inheco

Ein Inkubator vereinigt alle diese Anforderungen als abgeschlossener, temperierter, befeuchteter und begaster Raum, in dem Probenträger mit Zellkulturen in Nährlösung aufbewahrt werden können. Im manuellen Prozessablauf ist der Inkubator seit langer Zeit etabliert und in vielfältigen Varianten erhältlich, insbesondere was Größe und Beladungskapazität betrifft. Im automatisierten Labor hingegen werden hauptsächlich Inkubatoren mit mittlerem und großem Volumen angeboten, um die Bedarfe für High-Throughput-Anwendungen, von ca. 40 Mikrowellplatten- Positionen bis zu mehreren 1 000, zu bedienen. Für automatisierte Zellexperimente, die eine kleinere Anzahl von Platten benötigen, fehlt es oft an einer passenden Lösung.

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Automatisierte Inkubation hat spezielle Anforderungen

Speziell für den Einsatz in der Laborautomation wurde der Inkubator Scila CO2 MP-4 entwickelt, und zwar für zellbasierte Assays mit maximal 4, 8 oder 12 Mikrowellplatten, die als Workflow auf Liquid-Handling-Plattformen laufen (s. Bild). Dieser Zellinkubator ist ein kompaktes Instrument und kann direkt neben dem Deck der Liquid-Handling-Plattform platziert werden. Das Gerät hat Inkubations-Positionen für vier SLAS ANSI-Mikrowellplatten. Die einzelnen Positionen können für Platten unterschiedlicher Höhe umgerüstet werden, für niedrige Platten bis 20 mm und für höhere Platten bis maximal 23 mm. Jede Position ist als Schublade ausgebildet, die zum Be- und Entladen ausgefahren wird. Im Sinne einer reibungslosen Integration erfüllt der Scila den SiLA-Kommunikationsstandard (SiLA: Standardisation in Laboratory Automation, http://www.sila-standard.com).

Durch die patentierte Schubladenkonstruktion ist nur der Probenträger und die Innenseite der Schubladentür mit dem Inkubationsraum in Kontakt, die Führungsschienen und der Antrieb befinden sich außerhalb des Inkubationsraumes. Auf diese Weise wird der potenziell kontaminierbare Bereich reduziert. Der Probenträger selbst kann ohne Werkzeug demontiert werden. Nach der Demontage der Front und der Schubladen ist die Inkubationskammer frei zugänglich.

Der Temperaturbereich beginnt bei 5 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur und endet bei + 45 °C. Die CO2-Konzentration kann von 5 bis zu 10 Prozent variiert werden. Die Luftfeuchte wird durch eine Wasservorlage am Boden der kupfernen Inkubationskammer erzeugt, um eine relative Luftfeuchte von 95 bis 100 Prozent aufrechtzuerhalten.

Temperaturuniformität und -wiederherstellung

Auf der Liquid-Handling-Plattform integrierter Scila. © Inheco

Ein automatisierter Workflow verarbeitet eine Vielzahl von Proben, die alle unter möglichst vergleichbaren Randbedingungen prozessiert werden sollen. Uniforme Prozessparameter für alle Plattenpositionen und die jeweiligen Proben pro Platte sind wesentliche Voraussetzungen für eine hohe Qualität der Automatisierung. Der maximale Temperaturunterschied zwischen der Position 1 (ganz unten) und der Position 4 (ganz oben) bei der Zieltemperatur + 37 °C beträgt max. ein Kelvin. Der maximale Temperaturunterschied über eine Platte bei dieser Zieltemperatur liegt bei 0,3 Kelvin.

Anwendungstest zur Auswirkung von Störungen

Durch das Öffnen einer Schublade zum Be- und Entladen gelangt kurzfristig Umgebungsluft in den Inkubator und beeinflusst somit die interne Inkubationstemperatur. Das Design des Scila minimiert die Auswirkung dieser Störung auf die Inkubationstemperatur. Werden zum Beispiel alle vier Schubladen bei einer internen Inkubationstemperatur von + 37 °C nacheinander für zehn Sekunden geöffnet und wieder geschlossen, dann sinkt die Temperatur um weniger als ein Kelvin ab, bleibt also innerhalb der spezifizierten Toleranz von +/- 1 Kelvin. Dies gilt sowohl im leeren als auch im voll beladenen Zustand. Ausführliche Informationen dazu finden sich in einer Application Note [1].

Referenz:
1. https://www.inheco.com/fileadmin/web_data/Downloads/Data-Sheets/Application-Note_Automation_of_cell-based_assays_using_the_INHECO_SCILA_2019

AUTOREN

Günter Tenzler
Dr. Martin Gajewski
Karin Müller
INHECO GmbH, Martinsried

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