Neben einem spezifischen Nährmedium brauchen Mikroorganismen und Zellkulturen auch eine konstante Temperatur, um im Labor gedeihen zu können. Für das richtige Wachstumsklima sorgen Brutschränke und Inkubatoren.
Auf den ersten Blick sind Brutschränke und Inkubatoren ziemlich simpel aufgebaute Blechschränke, die innen mit Edelstahlblech ausgekleidet sind und mit Heizschlangen in den Wänden beheizt werden. Schaut man sie sich aber etwas genauer an, wird schnell klar, dass hinter den meist in biederem Grau gehaltenen Geräten ziemlich viel Ingenieurskunst steckt. Sie sorgt dafür, dass sich die wertvollen Kulturen der Forscher in den Brutschränken wie „zuhause“ fühlen und möglichst ungestört wachsen.
Die geringsten Ansprüche an ihre Labor-Unterkunft stellen Standard-Mikroorganismen wie zum Beispiel E. coli oder Hefen, die sich mit einfachen mikrobiologischen Brutschränken ohne zusätzliche Begasung zufrieden geben. Aber auch sie reagieren teilweise sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede innerhalb des Brutraums. Eine möglichst gleichmäßige Temperatur in allen Ecken und Winkeln des Brutschrank-Innenraums erreichen die Hersteller in direktbeheizten Geräten mit einer cleveren Anordnung der Heizelemente in Wänden, Boden und Decke des Brutschranks. Ein oder mehrere Sensoren messen die Temperatur im Innenraum und vergleichen sie permanent mit dem eingestellten Sollwert. Weicht sie zu sehr von diesem ab, wird sie über einen entsprechenden Regelkreislauf angepasst.
Wie stark die Schwankungen um den Sollwert ausfallen (Temperaturkonstanz), kann man mithilfe der zeitlichen Temperaturabweichung abschätzen, die meist in den technischen Daten der Geräte angegeben ist. Die in der Regel ebenfalls aufgeführte räumliche Temperaturabweichung ist hingegen ein Maß für die Verteilung der Temperatur innerhalb des Brutschranks (Temperaturhomogenität). Die angebotenen Geräte halten die vorgegebenen Grenzwerte für die Temperaturabweichungen problemlos ein – zwischen einfachen Standard-Brutschränken und hochwertigen Modellen gibt es jedoch recht große Unterschiede. So liegt zum Beispiel die räumliche Temperaturabweichung bei Standardgeräten schon mal deutlich über einem Grad Celsius, während sie in Top-Geräten unter 0,3 Grad Celsius bleibt. Gleiches gilt für die zeitliche Temperaturabweichung, die in einfachen Brutschränken ein Grad Celsius erreichen kann, in Spitzen-Modellen 0,1 Grad Celsius dagegen nicht übersteigt.
Eine gleichmäßige Wärmeverteilung in einem reinen Konvektions-Brutschrank hinzubekommen, bei dem die Wärmeenergie nur durch Konvektion von den Wänden an den Brutraum abgegeben wird, ist alles andere als trivial und nur mit ausgeklügelten Regelsystemen zu schaffen. Einfacher und schneller geht es mit einem zusätzlich eingebauten Lüfter. Mit dem Gebläse handelt man sich jedoch neue Probleme ein: Die künstlich erzeugte Luftströmung trocknet Kulturen oder andere bebrütete Proben aus und verteilt eventuell vorhandene Kontaminationen in Windeseile im gesamten Brutschrank.
Kontaminationen sind sicher das Letzte, was man im Brutschrank haben möchte – dagegen sind Temperatur-Inhomogenitäten noch das kleinere Übel. Aber auch im Kampf gegen unerwünscht im Brutschrank wachsende Keime haben sich die Hersteller einiges einfallen lassen. So haben sie scharfe Ecken und Kanten aus den Innenräumen der Brutschränke inzwischen komplett verbannt. Die Ecken sind mehr oder weniger stark abgerundet und gehen nahtlos in die glatt polierten Oberflächen der Innenwände über. Für Keime bieten sich hierdurch so gut wie keine Chancen, in schlecht zugänglichen Winkeln des Brutschranks Kolonien oder Biofilme auszubilden.
Einige Hersteller verzichten sogar komplett auf Auflagen für die üblichen Gitterroste oder Lochbleche, die fest in die Wände integriert sind. Die Bleche werden vielmehr auf ein Tragegestell aus schlanken Edelstahlrundstäben aufgelegt, das an die Seitenwände des Brutschrank-Innenraums gestellt wird. Häufig sind die Auflagen auch zu kleinen abgerundeten Nocken in den Seitenwänden geschrumpft. Diese geben den Blechen gerade noch den nötigen Halt, Keime können sich auf ihnen jedoch nur schwer verstecken.
Sollten es unerwünschte Keime dennoch schaffen, im Brutschrank Fuß zu fassen, geht es ihnen spätestens mit einem integrierten Dekontaminations-Programm an den Kragen. In den meisten Brutschränken ist eine Heißluftsterilisation eingebaut, bei der über mehrere Stunden trockene Hitze von häufig 145, 160 oder 180° C auf die Keime einwirkt. Schneller sind chemische Dekontaminations-Verfahren, etwa mit Wasserstoffperoxid, oder Sterilisationsverfahren mit feuchter Hitze bei niedrigeren Temperaturen, die in manchen Modellen als zusätzliche Optionen integriert sind.
Einige Hersteller bieten Brutschrank-Innenräume und Bleche aus reinem Kupfer als Alternative zu den üblichen Edelstahlblechen an. Das macht durchaus Sinn, denn Kupfer-Ionen wirken auf die meisten Mikroorganismen toxisch und verhindern, dass sie sich auf Kupfer-Oberflächen ansiedeln. Manche Arbeitsgruppen schwören geradezu auf Kupfer-verkleidete Brutschrank-Interieurs und sehen diese als Hauptgrund für seltener auftretende Kontaminationen.
Es gibt aber auch Hersteller, die Edelstahl favorisieren und Kupfer-Oberflächen in Brutschränken kritisch sehen – und auch dafür gibt es gute Gründe. Edelstahl-Oberflächen sind nicht nur wesentlich härter als ihre Pendants aus Kupfer und verkratzen dadurch weniger. Sie lassen sich auch extrem glatt polieren und sind dadurch einfach zu reinigen. Zudem setzen Edelstahl-Oberflächen keine Ionen frei und sind praktisch vollständig inert. Dagegen oxidieren Kupfer-Oberflächen sehr schnell und werden von einer rauen, grünbräunlichen Patina überzogen, die sich teilweise nicht von Schmutzfilmen unterscheidet und schlechter zu reinigen ist als eine glatte Edelstahlfläche. Fraglich ist auch, ob der antimikrobielle Effekt von Kupfer auf Dauer anhält. Es wäre sicher keine allzu große Überraschung, wenn auch auf Kupferblechen mit der Zeit resistente Mikroben auftauchen, denen Kupfer-Ionen nichts anhaben können.
Und natürlich sind Kupferbleche kein Freibrief für schludriges Steril-Management – ums Sauberhalten und Sterilisieren kommt man auch hier nicht herum. Das Beste aus beiden Welten versuchen Brutschränke zu vereinen, deren Innenräume mit Kupfer-angereichertem Edelstahl verkleidet sind. Der geringe Kupferanteil in den rotbraun schimmernden Edelstahlverkleidungen und Blechen reicht aus, um Mikroben nicht nur effektiv am Wachstum zu hindern, sondern auch abzutöten.
Besonders hoch ist die Gefahr von Kontaminationen in CO2-Brutschränken (Begasungsbrutschränken), die für die Kultur von Säugerzellen eingesetzt werden. Um die Zellen vor dem Austrocknen zu schützen, wird die Luft des Brutschrank-Innenraums möglichst feucht gehalten. Als Feuchtigkeitsspender dient eine wassergefüllte Wanne auf dem Boden, über die meist der Luftstrom eines mit HEPA-Filtern versehenen Lüftungssystem streicht. Schlägt sich die Luftfeuchtigkeit an kühleren Stellen der Innenverkleidung nieder, muss man nicht lange auf Kontaminationen warten. Verhindert wird dies durch ausgeklügelte Temperatur-Regelsysteme, die auf den Innenflächen für möglichst gleichmäßige Temperaturen sorgen.
Auch die Steuerung der CO2-Konzentration ist eine ziemlich heikle Angelegenheit. Kohlendioxid dient zusammen mit Hydrogencarbonat im Zellkulturmedium als Puffersystem. Mit einer CO2-Konzentration von fünf Prozent im Brutschrank-Innenraum erreicht man einen neutralen pH-Wert in den Zellkulturmedien von 7,2 bis 7,4, den die meisten Zellen bevorzugen. Fällt er unter diesen Wert, reagieren die Zellen ziemlich verschnupft und stellen das Wachstum ein.
Früher wurde die CO2-Konzentration mit thermischen Leitfähigkeits-Sensoren (TC-Sensoren) gemessen, um sie mit einem entsprechenden Regelsystem konstant zu halten. TC-Sensoren sind jedoch ziemlich träge und reagieren auch auf Änderungen der Temperatur sowie Luftfeuchte, die durch das Öffnen der Tür ausgelöst werden. Wesentlich schneller und genauer sind moderne Infrarot-Sensoren, welche die CO2-Konzentrationsänderunen auf spektroskopischem Weg unabhängig von Temperatur und Luftfeuchtigkeit erfassen.
In sogenannten Multigas-Inkubatoren kann man neben CO2 auch die Sauerstoff- sowie Stickstoffkonzentration an die Bedürfnisse des jeweiligen Zelltyps anpassen. Nicht jede Zelle fühlt sich unter Atmosphärenbedingungen mit rund 20 Prozent Sauerstoff am wohlsten. Viele Zellen, etwa Hepatozyten oder auch Stammzellen, bevorzugen hypoxische Bedingungen mit weitaus niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen, die in der Regel dem Sauerstoff-Partialdruck des jeweiligen Gewebes entsprechen. In der Leber liegt dieser zum Beispiel bei nur etwa fünf Prozent.
Ganz interessant ist ein physikalischer Effekt, den gelochte Edelstahlbleche in Brutschränken verursachen: Igor Belyaev und sein Mitarbeiter Leonardo Makinistian vom Cancer Research Institute der Slovak Academy of Sciences in Bratislava, Slowakei, stellten bei Versuchen mit einem CO2-Inkubator fest, dass gelochte Edelstahlbleche zu erheblichen Störungen des statischen magnetischen Feldes innerhalb des Brutschranks führten (R. Soc. open sci. 5: 172095). Insbesondere an den Rändern der Löcher sowie in unmittelbarer Nähe der Blechoberfläche war das Magnetfeld wesentlich stärker als das natürliche geomagnetische Feld, das etwa 50 Mikrotesla beträgt. An anderen Stellen der Bleche lag es dagegen deutlich unter 50 Mikrotesla.
Ziemlich einleuchtend ist die Erklärung der Beiden, warum das eigentlich nicht-magnetische Edelstahlblech das Magnetfeld im Brutschrank stört. Die Ursache sind Materialumwandlungen beim Stanzen der Löcher, die zu einer leichten Magnetisierung des Edelstahls führen. Schwieriger zu beantworten ist die Frage, ob das inhomogene Magnetfeld das Wachstum der kultivierten Zellen beeinflusst. Noch streiten sich die Gelehrten darüber, ob auch Zellen ohne magnetische Rezeptoren auf Änderungen in schwachen hypomagnetischen Feldern reagieren.
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 11/2018, Stand: Oktober 2018, alle Angaben ohne Gewähr)
