Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zellkulturen aus dem Automaten

02.04.2012
Zellkulturen helfen bei der Entwicklung von Medikamenten oder der Entschlüsselung einzelner Genfunktionen. Ein neues Gerät züchtet die Zellen vollautomatisch — und beobachtet und bewertet dabei ständig den Zellzustand.

Das menschliche Genom ist entschlüsselt. Doch von den Rätseln, die in ihm stecken, bleiben weiterhin viele ungelöst: Das Genom liefert den Bauplan für verschiedene Proteine, die Bausteine jeder Zelle. Doch welche Aufgabe übernehmen sie? Welche Proteine beispielsweise steuern die Zellteilung im gesunden Körper? Und was geschieht im Tumorgewebe, in dem sich die Zellen unaufhörlich teilen und wo diese Proteinsteuerung aus dem Ruder gelaufen ist? Die jeweiligen Aufgaben der Proteine zu kennen und systematisch zu analysieren, ist der Schlüssel dafür, Erbkrankheiten und Krebs besser verstehen und geeignete Medikamente entwickeln zu können.

Um der Funktion der verschiedenen Proteine auf die Schliche zu kommen, legen die Forscher zunächst Zellkulturen an. Dazu geben sie einige Zellen in eine Petrischale, geben Nährmedium hinzu und untersuchen regelmäßig, wie die Zellen gewachsen sind. Haben sich geeignete Zellkolonien ausgebildet, setzt der Forscher diese mit einer Pipette in ein neues Gefäß, um sie weiter zu untersuchen. Bislang führen die Wissenschaftler diese Arbeiten überwiegend per Hand aus – eine zeitaufwändige Routinearbeit. Forscher der Fraunhofer-Institute für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart, für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg und für Angewandte Informationstechnik FIT in Sankt Augustin haben nun gemeinsam mit den Kollegen des Max-Planck-Instituts für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden ein System aufgebaut, das die Zellen vollautomatisch kultiviert, untersucht und alle Schritte genau dokumentiert.

Das Gerät besteht aus verschiedenen Modulen: Eines davon ist ein Roboter, der die einzelnen Gefäße, Mikrotiterplatten genannt, mit den Zellkulturen von einer Station zur nächsten transportiert. »Ein Mikroskop untersucht die Zellen regelmäßig, um ihr Wachstum und ihren Zustand zu beurteilen«, erläutert Dr. Albrecht Brandenburg, Gruppenleiter am IPM, ein weiteres Modul. »Es überführt die Mikrotiterplatten auf den Mikroskoptisch, fokussiert, wechselt die Objektive und steuert die Lichtquellen an.«

Hier im Mikroskop herrschen wie in den »Lagerräumen«, den Inkubatoren, die Bedingungen, die Zellen zum Wachstum brauchen: eine Temperatur von 37 Grad Celsius, bis zu 90 Prozent relative Luftfeuchtigkeit und fünf Prozent CO2-Gehalt. Die Zellkultur kann also permanent überwacht werden, ohne dass sie aus den idealen Bedingungen entfernt werden muss. Damit das Optikmodul der hohen Luftfeuchtigkeit standhält, ist das gesamte optische System für den Betrieb in dieser Umgebung ausgelegt.

Die Ergebnisse der mikroskopischen Analyse fließen in die Systemsteuerung ein, das ist bislang einzigartig in der automatisierten Zellkultivierung. In einem ersten Schritt wertet eine Software dafür die Mikroskop-Aufnahmen aus: Wie stark ist die Oberfläche des Gefäßes bereits mit Zellen bedeckt? Welche Form haben die Zellen? Sind es die gewünschten Zellen oder haben sich ungewünschte Zelltypen entwickelt? Die Software, welche diese Mustererkennung vornimmt und damit die Zellen als solche erkennt, kann von den jeweiligen Anwendern des Systems trainiert werden: Bei neuen Zelltypen lassen sich Beispielareale für Vorder- und Hintergrund definieren. In den weiteren Arbeitsabläufen erkennt das System den jeweiligen Zelltyp dann automatisch. Anhand dieser Auswertungen nimmt das System die nächsten Schritte vor.

Ist die Oberfläche noch nicht genügend bedeckt, wird die Mikrotiterplatte wieder in den Lagerinkubator geschoben, damit die Zellen weiter wachsen können. Bei Bedarf tauscht das System auch das Nährmedium aus. Haben sich dagegen geeignete Zellkolonien gebildet, nimmt ein weiteres Modul, ein Picking-Arm mit einer Hohlnadel, die Zellen in einem Bereich von 100 bis 200 Mikrometern auf und überführt sie in ein neues Gefäß. Hier werden sie dann weiter kultiviert und gezüchtet. Die Position des Zellareals, das man umsiedeln will, wird vom Mikroskop an dieses Picking-Modul übertragen. Ein kleines Durchlicht-Mikroskop, das am Picking-Arm angebracht ist, sorgt dafür, dass die angegebene Position eingehalten wird und nur die richtigen Zellen umgesiedelt werden. Weiterhin überprüft es, ob die Zellen intakt im neuen Gefäß angekommen sind.

Sollen nicht nur einzelne Kolonien umgesiedelt werden, sondern alle Zellen aus dem Gefäß gelöst und auf verschiedene weitere Wells transferiert werden – etwa, weil der gesamte Boden mit Zellen bedeckt ist und die Zellen mehr Platz brauchen –, kommt ein weiteres Modul zum Einsatz: das Liquid-Handling-Modul. Seine Aufgabe ist es, über vier bis acht Nadeln Flüssigkeiten auszutauschen und genau zu dosieren. Um die Zellen in verschiedene andere Wells zu überführen, gibt das Modul über eine seiner Nadeln zunächst eine chemische Lösung in das Gefäß: Sie löst die Zellen vom Boden ab, diese schwimmen nun im flüssigen Nährmedium. Eine weitere Nadel saugt eine gewisse Menge des Nährmediums samt Zellen ab, fährt über ein leeres Well und füllt die Flüssigkeit hinein. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Flüssigkeit und damit alle Zellen auf die verschiedenen Wells verteilt sind. Auch für den Austausch des Nährmediums und das Sterilisieren der Wells ist das Liquid-Handling-Modul zuständig. Da es bis zu acht Nadeln besitzt, kann es mehrere Wells gleichzeitig bearbeiten.

Pro Monat 500 neue Zellkulturen

Seit Kurzem steht der Zellkultur-Automat, der ein kleines Labor füllt, beim Max-Planck-Institut. Hier soll er den Forschern helfen, die Funktionen verschiedener Proteine zu entschlüsseln. Dazu bringen die Wissenschaftler den Abschnitt des menschlichen Genoms in die Zellen ein, der den Bauplan für die zu untersuchenden Proteine liefert. Zudem sorgt das eingeschleuste Erbgut, die DNA, dafür, dass das entstehende Protein fluoresziert. Die Stelle in der Zelle, an der die Proteine später zu finden sind – also der Ort, an dem das Fluoreszenzlicht des Proteins zu sehen ist –, verrät den Forschern einiges über die jeweilige Funktion der Proteine. Die Wissenschaftler untersuchen dabei vor allem diejenigen Proteine, die für die Zellteilung zuständig sind. So hoffen sie, besser zu verstehen, was für das Wachstum von Tumoren verantwortlich ist. Der Durchsatz, den das System schafft, ist deutlich größer als der, den man mit herkömmlichen manuellen Methoden erreichen könnte: Pro Monat züchtet es 500 Zellkulturen.

Die Zellfabrik kann auch an andere Anwendungen angepasst werden: Sie hilft beispielsweise dabei, die Wirksamkeit unterschiedlicher Medikamente zu testen. Dazu geben die Pharmakologen den zu untersuchenden Wirkstoff auf bestimmte Zellkulturen. Wie wirken verschiedene Medikamente auf die Kulturen? Mit der Zellfabrik können die Pharmakologen nicht nur den Durchsatz solcher Screenings verbessern, sondern auch die Standardisierung und die Dokumentation. Da das System modular aufgebaut ist, können Forscher in Industrie und Wissenschaft dieses System ihrem individuellen Bedarf anpassen.

| Fraunhofer Magazin
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/publikationen/fraunhofer-magazin/2012/weitervorn_2-2012_Inhalt/weiter-vorn_2-2012_22.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Nervenkrankheit ALS: Mehr als nur ein Motor-Problem im Gehirn?
16.01.2017 | Leibniz-Institut für Neurobiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie