Im Projekt COSIR wurde innerhalb von drei Jahren ein völlig neuartiges Messsystem zur Online-Überwachung von Zellwachstum entwickelt. Es vereint die nicht-invasive Messung von pH und Sauerstoff im Kulturmedium mit der mikroskopischen Aufnahme von Zellen in den Wells einer 24er Mikrotiterplatte.
Ziel des Projekts war die erstmalige Kombination von chemisch-optischer Messtechnik mit einer Bilderkennung inklusive einer geeigneten Auswertung. Es sollte ein Kultursystem entwickelt werden, das unter den typischen Bedingungen der Zellkultivierung (Temperatur, Feuchte, Agitation und CO2-Begasung) verwendet werden kann – und das in wesentlich geringerer Größe als ein Zellkulturreaktor.
rechts: Zellen in den Wells einer 24er Mikrotiterplatte (Quelle: PreSens Precision Sensing GmbH)
Die zum Projektende fertigen 24-Kanal-Funktionsmuster ermöglichen in den 24 Wells die parallele Messung von pH und Sauerstoff und die Aufzeichnung und Bearbeitung von Bildern in einem Sichtfeld von 1 mm2. Die einsatzbedingt geforderte kompakte Bauweise wurde durch einen Sandwich-Aufbau realisiert; die verwendete Optik basiert auf dem „Flüssiglinsen-System“, das Fertigungstoleranzen erfolgreich ausgleicht. Eine ausreichend homogene Beleuchtung wird durch Strahlteiler unter den Wells und seitlich angebrachte LEDs erzielt.
Die neu entwickelte Software steuert die Bildaufnahme und die pH- und Sauerstoffmessung des am USB-Port angeschlossenen Messsystems. Die Messdaten werden verarbeitet, und der Nutzer erkennt durch ein verbessertes Bild mehr Details. Als Messapplikation wurde der Vergleich von Wachstumskurven implementiert. Zur Bestimmung der Zellzahl in den mikroskopischen Bildern wurden verschiedene Verfahren zur Zelldetektion entwickelt und verglichen. Ein vielversprechendes Verfahren wurde erfolgreich auf die Bilder angewendet, die mit dem Funktionsmuster aufgezeichnet wurden. Die erfolgreiche Kombination des Messsystems mit der Software ist für die biologische Forschung neu und interessant, die entwickelten Ansätze für eine automatisierte Vitalitätsbestimmung sind verheißungsvoll.
