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Sensorüberwachung

Optosensorische Permanentüberwachung der Sauerstoff- und pH-Kinetik

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Ähnlich der Sauerstoffmessung zeigte auch die pH-Kinetik je nach Kultivierungsdauer und ursprünglicher Zelldichte charakteristische Dynamiken (s. Abb. 3). Auch hier entspricht die Kinetik jeweils dem Durchschnitt dreier Einzelmessungen der drei Zelldichten 0,1, 0,5 und 1 x 106 Zellen/ml. Außer beim Wechsel des Kulturmediums und aufgrund von Effekten beim Öffnen der Inkubatortür war der pH-Wert in den Kontrollproben weitgehend stabil, während er in den zellhaltigen Proben früher abnahm, ohne jedoch unter den Wert von 7,0 abzusinken (vgl. Crabtree-Effekt oben). In den Proben mit den anfänglich höheren Zelldichten (1,0 x 106 und 0,5 x 106 Zellen/ml) dauerte es nur rund einen Tag, bis der jeweils tiefste pH-Wert erreicht wurde.

CO2-Konzentration und pH-Wert

Durch den Wechsel des Kulturmediums ergab sich sowohl in den zellhaltigen Proben wie auch den zellfreien Kontrollen eine kurzzeitige Verschiebung des pH-Werts über den anfangs physiologischen Optimalwert hinaus. Medien, die nicht unter CO2-Atmosphäre vorinkubiert wurden, zeigten folglich bis zur erneuten Equilibrierung mit der Inkubatoratmosphäre höhere pH-Werte. Da der Gasaustausch nur über passive Diffusion geschieht, kann die-se Equilibrierung bis zu einem Tag dauern. Ein ähnlicher Effekt war auch bei Öffnen der Inkubatortür festzustellen: Selbst bei sehr kurzem Öffnen tritt das CO2 fast vollständig aus der Inkubatoratmosphäre aus, wodurch in der Folge der pH-Wert des Kulturmediums ansteigt. Die sich überlagernden Effekte des starken Anstiegs und Abfalls des pH-Werts nach Wechsel des Kulturmediums und des durch die metabolische Aktivität bedingten Abfalls erschweren eine exakte Interpretation der beobachteten pH-Kinetik. In Anlehnung an die Sauerstoffmessung spricht eine weniger stark ausgeprägte Abnahme für einen verminderten Stoffwechsel, der auf einen Substratmangel zurückgeführt werden kann. Mittels permanenter pH-Überwachung lässt sich jedoch ein durch erhöhte metabolische Aktivität bedingter Abfall des pH-Werts auf schädlich niedrige Werte, die die Zellaktivität hemmen oder gar Zellschäden verursachen könnten, verhindern. Somit liefert die Permanentüberwachung des pH-Werts wertvolle Hinweise darauf, wann ein Wechsel des Kulturmediums erforderlich ist.

Permanente Kulturüberwachung

Die nichtinvasive DO- und pH-Messung mit dem Messsystem SDR eignet sich ideal zur Überwachung der Kulturqualität im laufenden Prozess sowie zur Ermittlung des optimalen Zeitpunkts für den Kulturmedienwechsel in 3D-Zellkulturen. Vermutlich kann durch Nutzung des hier beschriebenen Kultursystems die Qualität autologer Knorpelzellen für Transplantationen verbessert werden. Basierend auf der DO-Kinetik könnten Standardprotokolle für eine nochmals effizientere Kultivierung von Knorpelzellen abgeleitet und der optimale Zeitpunkt für die Chondrozytenernte bestimmt werden. Darüber hinaus ermöglicht der SDR erstmals präzise Einblicke in die Stoffwechseldynamik von 3D-Zellkulturen durch Messung des verfügbaren Sauerstoffs. Die hohe Messpräzision und die permanente Datenerfassung sprechen für das hohe Potenzial und den Nutzen, den dieses System für künftige Anwendungen in der Gewebezüchtung bietet. Neben der Überwachung der stoffwechselbedingten Substratansäuerung bietet die pH-Messung ein erstklassiges Instrument zum Schutz und zur Steuerung der Pufferparameter in einem gegebenen Kulturmedium. Mit solchen Geräten können Unternehmen die Qualität ihrer Zell- und Gewebeerzeugnisse steigern und somit deren therapeutischen Nutzen schneller für Patienten zugänglich machen.

*K. Benz und Dr. J. Mollenhauer, NMI Reutlingen – Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Regenerative Medizin II, 72770 Reutlingen

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