Innovationsvorsprung für den Laboralltag

Zelldichte-Bestimmung in Echtzeit

Einem Gründerteam ist es gelungen, ein Gerät zu entwickeln, das die nicht-invasive Messung der Zelldichte in Schüttelkolben in Echtzeit ermöglicht. Der Cell Growth Quantifier der aquila biolabs vereinfacht das Arbeiten in der Forschung an Universitäten, Kliniken und der Industrie. Für die Innovation wurde das vierköpfige Team 2015 beim Science4Life Venture Cup ausgezeichnet.

In jedem biotechnologischen Forschungslabor gehört die Schüttelkolbenfermentation zum Alltag. Durch sie werden Zellen, Mikroorganismen oder Pflanzen in kleinem Maßstab hergestellt. Um den Verlauf des Fermentationsprozesses zu kontrollieren, werden normalerweise manuell Proben entnommen und deren Biomasse oder Zellzahl an externen Geräten bestimmt. Der Vorgang ist aufwendig, zeitintensiv und fehleranfällig. Bisher gab es noch keine Lösung, um Biomasse in Echtzeit, präzise, vollautomatisiert und damit nutzerfreundlich direkt im Schüttelkolben zu bestimmen.

Vom Marmeladenglas zum Prototyp
Die beiden Gründer David Frank und Konrad Herzog entwickelten die Idee für den Cell Growth Quantifier (CGQ) während ihres Studiums der Angewandten & Molekularen Biotechnologie an der RWTH Aachen. Der „proof of concept“ gelang den Beiden mit einfachsten Mitteln – mit einem Marmeladenglas und Bäckerhefe. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse bauten die Wissenschaftler einen Prototyp. Um das Produkt marktfähig zu machen, holten sie sich Daniel Grünes und Jens Bayer ins Team. Besonders wichtig war den Gründern, dass das finale Produkt kompatibel für jedes Labor und ohne Zusatzkosten für Einweg- artikel oder spezielle Schüttelkolben ist.

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Laborschüttler beinhalten normalerweise viele Kolben unterschiedlicher Größen, die über diverse Mechanismen auf dem Schüttler befestigt werden. Je nach Experiment werden Typen und Größen der Schüttelkolben regelmäßig ausgetauscht. Basierend auf diesen Voraussetzungen ist das System modular aufgebaut. Es besteht aus einer Basisstation, einer Sensorplatte pro Kolben und einer Software. Die schmale Sensorplatte wird unter den Glaskolben in die Haltekammer geklemmt. Sie enthält hochempfindliche Sensoren für die nicht-invasive Echtzeitmessung der Zelldichte. Der Kolben und die Sensorplatte werden mit einem lichtundurchlässigen Kunststoffmantel abgedeckt. So können auch niedrige Konzentrationen von weniger als 0,1 OD600 gemessen werden. Auf den Laborschüttler wird die Basisstation geschraubt. Sie sammelt die Daten aller verbundenen Sensorplatten und leitet diese an die Software weiter. aquila biolabs bietet Basisstationen für das parallele real–time-monitoring von 8 bzw. 16 verschiedenen Schüttelkolbenkulturen. Die Software analysiert und visualisiert die Daten der Zelldichte und Wachstumsrate von allen verbundenen Sensorplatten.

Bild 1: Aufbau des CGQ-Systems: Basisstation, Sensorplatte unter Kolben und Abdeckung (v.r.n.l.).

Präzise Messungen in Echtzeit
Der Messvorgang basiert auf Prinzipien der Lichtstreuung. Zunächst wird durch den transparenten Kolbenboden Licht einer bestimmten Wellenlänge in die Fermentationslösung eingestrahlt. Während die meisten Photonen direkt durch die Flüssigkeit hindurchgehen, interagieren einige mit den Zellen und werden in verschiedene Richtungen gestreut. Eine Photodiode detektiert die rückstreuenden Photonen und erzeugt einen zur Streulicht-intensität proportionalen Strom. Das erste unbearbeitete Stromsignal wird danach in eine Spannung umgewandelt, elektronisch verstärkt und digitalisiert. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Zellen sich in der Lösung befinden, desto mehr Photonen werden auf die Photodiode zurückgestreut.

Die größte Herausforderung hochpräziser Messungen in kontinuierlich geschüttelten Fluidsystemen ist die sich permanent verändernde Flüssigkeitsverteilung. Während bisherige Technologien versuchen, diese „Signal-Fluktuationen“ zu eliminieren und die dynamische Natur der Schüttelbewegung in eine statische Messung zu überführen, behandelt die neue Technologie die schüttelbedingt auftretenden Signalschwankungen als wertvolle Informationsquelle anstatt als Rauschen. Während eines wenige Sekunden dauernden Messvorganges misst der Sensor ungefähr eine Million einzelne Rückstreuintensitäten pro Sekunde. Diese werden zu einer Messreihe kombiniert, welche Informa- tionen zur Zelldichte und Flüssigkeitsverteilung auf Mikrosekundenebene enthält und aus der, unter Verwendung verschiedener analytischer Algorithmen, auf der Sensorplatte ein finaler Streuwert ermittelt wird. Auf Grundlage dieser Mess- und Analysentechnik erlaubt das Gerät robuste und präzise Messungen selbst bei extrem geringen Füllvolumina (5 % des Kolbenvolumens) und hohen Schüttelfrequenzen (>350 rpm, 50 mm Schütteldurchmesser).

Das so gemessene Streusignal korreliert mit der typischerweise über Transmission gemessenen OD600. Im Unterschied zu gängigen transmissions-basierten Spektrophotometern garantiert die im System implementierte Analyse der Lichtstreuung eine Messung der Zelldichte über drei Größenordnungen (0,1 bis 100 OD600) ohne zusätzliche Schritte der Verdünnung oder Konzentration der untersuchten Flüssigkeit.

Bild 2: Screenshot der CGQuant-Software mit exemplarischem Datensatz aus kalibrierter Zelldichte und Wachstumsraten für eine S. cerevisiae-Kultur auf YEPD-Medium.

Durch Verwendung einer Reihe von LEDs und Photodioden kann jede Sensorplatte die Intensität der Rückstreuung an verschiedenen Positionen messen. Da der Schüttelprozess zu keinem Zeitpunkt unterbrochen werden muss, spart der Vorgang einerseits Zeit und reduziert andererseits Messfehler. Das Resultat ist eine kontinuierliche Datenaufzeichnung, die auch postexperimentelle Kolben-zu-Kolben-Vergleiche ermöglicht.

Über Prototypen zum Endprodukt
Das Gründerteam hat die Technologie und das Produkt komplett selbst entwickelt. Innerhalb von zwei Jahren wurden stufenweise mehrere Prototypen entworfen und diese zum Testen an verschiedene Labore geschickt. Das Feedback der Anwender floss in den Bau des jeweils nächsten Prototypen ein. Durch dieses Vorgehen wurde der CGQ schrittweise optimiert und an die Bedürfnisse der Kunden angepasst.

Auf externe Unterstützung haben die Gründer im Rahmen des Businessplan-Wettbewerb Science4Life Venture Cup gesetzt. Der Wettbewerb, der sich über ein gesamtes Jahr hin erstreckt, begleitete das Team von einer ganz frühen Phase an, und zwar vom ersten Prototyp bis hin zum finalen Produkt. In allen drei Wettbewerbsphasen – Ideen, Konzept- und Businessplanphase – stand für die Gründer die Optimierung ihrer Unternehmung im Fokus. Während ihrer Arbeit am Businessplan profitierten sie vom Feedback aus dem branchenspezifischen Experten-Netzwerk von Science4Life, in ihrem Fall speziell von deren umfangreichen Marktkenntnissen in den Life Sciences. Dass sie auch hier, wie bei der Produktentwicklung, Feedback erfolgreich umgesetzt haben, wurde gleich mehrfach belohnt: aquila biolabs zählte zu den zehn Gewinnerteams der Konzeptphase und wurde schließlich Dritter mit dem Businessplan im Venture Cup 2015. Dies brachte dem Team neben Preisgeldern auch eine Steigerung ihres Bekanntheitsgrades ein. Sie erhielten Anfragen von potentiellen Kunden, die sich für die Testungen der Prototypen interessierten und überzeugten weitere Geldgeber.

Seit Anfang 2016 ist der CGQ auf dem Markt erhältlich und wird von aquila biolabs selbst, wie auch über einen Partner, global vertrieben. Derweil arbeiten die Jungunternehmer bereits an Erweiterungen der CGQ-Plattform, um neben den Wachstumskinetiken zusätzliche Prozessparameter zu erfassen. Mehr unter http://www.aquila-biolabs.de.

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