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Säugetier-Zelllkulturen

Biotechnologie: Gesamt- und Lebendzelldichte mit In-line-Sensoren bestimmen

| Autor / Redakteur: Elena Dilba* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Therapeutische Proteine wie Antikörper werden biotechnologisch in zumeist tierischen Zellkulturen hergestellt.
Abb. 1: Therapeutische Proteine wie Antikörper werden biotechnologisch in zumeist tierischen Zellkulturen hergestellt. (Bild: ©Kateryna_Kon - stock.adobe.com)

Die Kultivierung tierischer Zellen zum Zweck der Überexpression bestimmter Proteine ist aus der heutigen Biotechnologie nicht weg zu denken. Für eine nachhaltige Forschung und Entwicklung der Zellkulturtechnik braucht es geeignete Sensoren, mit denen der Forscher die Zelldichte stets und vollumfänglich im Blick behält.

Ob bei Multipler Sklerose, Rheumatoider Arthritis oder Krebs – zahlreiche biotechnologisch hergestellte Proteine, haben heute ihren Weg in die therapeutische Anwendung gefunden. Die meisten davon werden in Säugetier-Zelllkulturen produziert. Bereits 1988 erkannte Prof. Dr.-Ing. Jürgen Lehmann die rasante Entwicklung in der Biotechnologie und insbesondere im Bereich der Zellkultur. Für ihn Anlass genug, an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld die Arbeitsgruppe Zellkulturtechnik zu gründen. Dass dies die richtige Entscheidung war, zeigt auch noch 30 Jahre später der zunehmende Stellenwert tierischer Zellen in der Biotechnologie. Sie gewinnen neben der Verwendung als permanente Zelllinien zur Produktion komplexer rekombinanter Proteine auch im Bereich Tissue Engineering und der Stammzellenbiologie an Bedeutung.

Das Ziel der Arbeitsgruppe ist es daher, ein leistungsfähiges Verfahren zur Herstellung von pharmazeutisch relevanten Proteinen mit tierischen Zellkulturen zu entwickeln. Des Weiteren arbeitet das Forschungsteam, seit 2005 geleitet von Prof. Thomas Noll, an der (Weiter-)Entwicklung von Methoden der funktionellen Genomanalyse für deren Nutzung in der Zellkulturtechnik. Dafür stehen 600 Quadratmeter Laborfläche und ein Technikum von 150 Quadratmetern zur Verfügung.

Zellkulturtechnik: Lebendzelldichte mit In-line-Sensoren bestimmen

Um in dem Forschungsfeld der Zellkulturtechnik tiefergehendes Wissen zu generieren, sind Organismen in einer nennenswerten Anzahl erforderlich, die an der Universität Bielefeld in Gefäßen unterschiedlicher Größe kultiviert werden. „Wir arbeiten hier mit tierischen Zellen, genauer gesagt mit CHO-Zellen. Je nach Projekt, Forschungsfrage und -ziel sowie Budget setzen wir Bioreaktoren von wenigen Millilitern bis zu 20 Litern ein“, erklärt Dr. Heino Büntemeyer, der in der Arbeitsgruppe Zellkulturtechnik für die Bereiche Fermentation, Prozessanalytik, Metabolom- und Glykoanalyse zuständig ist. Interessant für ihn und das gesamte zehnköpfige Forscherteam sowie die Studierenden ist insbesondere, was in den Chinese-Hamster-Ovary- (CHO)-Zellen passiert und wann die beste Produktivität erreicht wird.

Einblicke in die Prozesse ermöglichen die pH- und optischen Sauerstoffsensoren sowie Incyte zur Messung der Lebendzelldichte von Hamilton, die seit längerem an den acht Laborplätzen eingesetzt werden. Letztgenannter Sensor wurde speziell für Anwendungen bei Säugetierzellen, Hefen und bakteriellen Fermentationen mit hoher Zelldichte entwickelt und misst die Lebendzelldichte in-line und in Echtzeit. Dank der Messung werden aktuelle Informationen über kritische Situationen direkt übermittelt, sodass Prozessabweichungen erkannt und erforderliche Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. „Das Monitoring der Lebendzelldichte liefert uns nützliche Daten, um die Kultivierungsbedingungen optimal zu gestalten und die Ausbeute zu steigern. Dafür ist es auch wichtig zu wissen, wie hoch die gesamte Zelldichte ist und wie viele tote Zellen vorhanden sind“, erklärt der Universitätsmitarbeiter.

Ergänzendes zum Thema
 
LP-Info: Was sind CHO-Zellen?

Trends im Kultivierungsverlauf erkennen

Aufgrund der guten Erfahrung mit Incyte, v.a. hinsichtlich stabiler Messwerte, Robustheit und einer einfachen Bedienung, haben sich die Verantwortlichen ebenso für den Dencytee-Sensor von Hamilton entschieden. Ein weiterer Grund für die Anschaffung war neben der einfachen Integration in die vorhandenen Messsysteme eine Doktorarbeit, bei der In-line-Sensoren für die Messung der Zelldichte eingesetzt werden sollten. „Mit Dencytee zur Messung der gesamten Zelldichte sehen wir den Kultivierungsverlauf und bekommen aktuelle Statuswerte. So können wir relativ schnell, gegebenenfalls sogar frühzeitig einen Trend erkennen und Korrekturen vornehmen“, sagt Dr. Büntemeyer.

Das war vor dem Einsatz des Sensors nicht möglich, da Proben der Zelldichte manuell bis halbautomatisch entnommen und analysiert wurden. Im Idealfall betrug die Zeit zwischen den Probenahmen zwölf Stunden, was im Universitätsalltag nicht immer leicht umzusetzen ist. Unter Umständen wurden so wichtige Veränderungen nicht erkannt und es kam zum Zelltod. Mit Dencytee werden sämtliche Partikel und Moleküle, welche Licht im Bereich von 880 nm streuen, detektiert – sowohl lebende als auch tote Zellen.

Kompatibilität spricht für sich

Die Kombination von Incyte und Dencytee erlaubt die Überwachung sowie die präzise Regulierung der Nährstoffzufuhr während der Wachstumsphase der Zellkulturen. Dafür sind die Sensoren im Durchschnitt zwölf Tage im Einsatz, müssen währenddessen kontinuierlich zuverlässige Werte liefern und anschließend Reinigung und Sterilisation im Autoklaven standhalten. Zusätzlich werden sie von Studenten in Praktika genutzt, die noch nicht viel Erfahrung haben, wodurch eine selbsterklärende Handhabung zwingend notwendig ist. „All diese Vorgaben erfüllen die Sensoren. Sie laufen problemlos und sind aus technischer Sicht völlig unproblematisch“, so der Forscher. Weiterhin lobt er den Kontakt zu den Messexperten von Hamilton: „Wir brauchen sie nicht häufig, was ein gutes Zeichen ist. Sollte doch einmal eine Überprüfung der Sensoren notwendig sein, läuft alles reibungslos ab. Aufgrund der positiven Erfahrung und der Kompatibilität mit den anderen Sensoren, würde ich meine Wahl jederzeit wieder in dieser Weise treffen.“

* E. Dilba: Jansen Communications, 57078 Siegen

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