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Das neuartige ILK Multiwell RACK
- Controlled Rate Freezing von Multiwell- und Mikrotiterplatten
- Optimale Zell- und Gewebekryokonservierung für LN2-betriebene Einfriergeräte
Das ILK Multiwell RACK vereint das Beste aus zwei Welten
Höchste Präzision und Temperaturhomogenität auf dem Stand elektrisch betriebener Konduktions-Einfriergeräte gepaart mit dem raschen Ansprechverhalten und der hohen Kälteleistung stickstoffbetriebener Kammereinfriergerät. Weiterführende Informationen
Kostengünstige Upgrade-Option LN2-betriebener Einfriergeräte
Aus- und Nachrüstung konvektiver Kammereinfriergeräte auf Basis von flüssigem Stickstoff für die Zell- und Gewebekryokonservierung in Multiwell- und Mikrotiterplatten.
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Eignungsnachweis für die erfolgreiche Kryokonservierung adhärenter Zellkulturen in 48-Well Zellkulturplatten.
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Test der Kryokonservierungsperformance zellbasierter In vitro-Assays in 96-Well Mikrotiterplatten.
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Informationen zum wissenschaftlichen Hintergrund
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Informationen zu Aufbau und Funktion
Überlegene Leistungsfähigkeit mit altbewährter Technik
Vergleichende Untersuchungen zur Temperaturgenauigkeit bei der Einfrierung von 96 Well-Mikrotiterplatten mit dem ILK Multiwell RACK in einem 15 Jahre alten Kammereinfriergerät (Sy-lab IceCube 15M) und einem modernen computergesteuerten Konduktionseinfriergerät mit Seeding-Technologie (Asymptote VIA Freeze & IceStart) belegen die überlegene Leistungsfähigkeit LN2-betriebener Kammereinfriergeräte bei Nutzung des ILK Multiwell RACK als Wärmeüberträger.
Nachweis der herausragenden Performance des ILK Multiwell RACK:
- Deutliche Unterschiede in der Stabilität des Probentemperaturen bei Kryokonservierung von Zellkulturen in 96-Well Mikrotiterplatten zwischen beiden Geräten
- Sechsfach geringere Streuung der Probentemperaturen im Vergleich zur Kryokonservierung im Wellplattenhalter eines technologisch überlegenen, stickstofffreien Einfriergerätes
Performance - Kryokonservierung von Gewebe in 48-Well Zellkulturplatten
Exakte Applikation des Kryoprotokolls
Das ILK Multiwell RACK ermöglicht:
- Eine bisher unerreichte Präzision bei der Umsetzung zell- und applikationsspezifischer Einfrierprogramme in Kammereinfriergeräten.
- Eine konstante Unterkühlung von Zell- und Gewebekulturen sowie ein gezieltes Starten der Eisbildung (Nukleation) durch Seeding.
- Eine Elimination des Einflusses im Gefrierprozess freigesetzter Kristallisationsenergie dank der hohen Kälteleistung von Konvektionseinfriergeräten.
- Verhinderung einer sekundäre Erwärmung der Proben (Latentwärme-Peak)
- Verzögerungsfreie Abkühlung der Proben und Sicherung konstanter Gefrierraten
Maximale Temperaturhomogenität
Das ILK Multiwell RACK erzielt:
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Eine Synchronisation der Probentemperatur und Gefrierrate aller Kavitäten einer Multiwell- oder Mikrotiterplatte während des gesamten Gefrierprozesses mit höchster Präzision.
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Positionsabhängige Umsetzung des Kryoprotokolls
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Eine Reduktion der Temperaturdifferenz zwischen identisch prozessierten Proben um bis zu 95% im Vergleich zu einer nicht moderierten Einfrierung im LN2-betriebenen Konvektionseinfriergerät
Temperaturprofil der Kryokonservierung adhärenter Fibroblastenkulturen in 48-Well-Zellkulturplatten mit Hilfe des ILK Multiwell RACK:
Performance - Kryokonservierung zellbasierter In vitro-Assays im Mikrowellformat
Die Kryokonservierungsperformance in Gel eingebetteter humaner Primärzellen (gingivale Fibroblasten) in einer 96−Well Mikrotiterplatte wird durch eine indirekte Zellzahlkontrolle vor und nach der Kryokonservierung bestimmt.
Die Kavitäten der Mikrotiterplatte enthalten fünf Zellträgergele mit humanen gingivalen Fibroblasten in einer definierten Zelldichte von 120.000 bis 960.000 Zellen pro Kavität (je zwei Reihen pro Zelldichte). Die Testauswertung erfolgt vor und nach der Kryokonservierung im ILK Multiwell RACK mit einem fluoreszenzphotometrischen Viabilitätstest.
Die Varianz der Zellzahl für je 12 identisch besiedelte Kavitäten liegt vor der Kryokonservierung bei ±2,8 % und steigt nach der Kryokonservierung nur geringfügig auf ±4,7 %.
Das Bestimmtheitsmaß der aufgestellten Kalibrierfunktion beträgt vor der Kryokonservierung 99 % und ist nach Kryokonservierung und Revitalisierung des Assays noch größer als 97 %.
Die erreichte Testpräzision liegt weit über der Genauigkeit der meisten zellbasierten In vitro-Testsysteme ohne Kryokonservierungsschritt.
Informationen zum wissenschaftlich-technischen Hintergrund
Unterschiede konduktiver und konvektiver Einfriergeräte
Die Einfrierung biologischer Proben, insbesondere die vitalitätserhaltende Kryokonservierung lebender Zellen und Gewebe erfordert die Applikation definierter, probenspezifischer Gefrierraten.
Dafür stehen generell zwei verschiedene Typen computergesteuerter Einfriergeräte zur Verfügung, die auch als Controlled Rate Freezer (CRF) oder Cooling Rate Controlled Freezer (CRC-Freezer) bezeichnet werden:
Konduktionseinfriergeräte
Konduktionsfreezer kühlen elektrisch mit Hilfe einer Kältemaschine. Diese kühlt einen Probenhalter (Metallblock oder Kontaktplatte), welcher die Kälte durch direkten Kontakt an die Proben überträgt. Dadurch sind konduktive Einfriergeräte in der Lage, große Probenzahlen sehr gleichmäßig abzukühlen.
Konduktionsfreezer sind deshalb besonders gut für die kontrollierte Einfrierung von Multiwellplatten oder kleinen Probenröhrchen (KryoVials) geeignet.
Konvektionseinfriergeräte
Konvektionsfreezer oder Kammereinfriergeräte erzeugen die benötige Kälte durch das Verdampfen flüssigen Stickstoffs. Die Proben befinden sich in einer Gefrierkammer und werden durch das vorbeiströmende kalte Stickstoffgas abgekühlt. Die einfache Bauart macht diese Geräte vergleichsweise günstig und robust. Das Verdampfen tiefkalten Stickstoffs ermöglicht gleichzeitig einen hohen Probendurchsatz und hohe Kühlraten.
LN2-betriebene Kammereinfriergeräte sind daher besonders gut für die Einfrierung großvolumiger biologischer Proben, z. B. von Blutbeuteln oder Bulkware geeignet.
Nachteil LN2-betriebener Kammereinfriergeräte (Konvektionsfreezer):
Abhängigkeit der Wärmeübertragung von den Strömungsverhältnissen in der Gefrierkammer
- lokale Unterschiede von Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit führen zu ungleichmäßigen und kaum reproduzierbaren Probentemperaturen und Abkühlraten
- Form und Oberflächenbeschaffenheit der Probenpackmittel beeinflussen lokales Strömungsverhalten und Wärmeübergang und führen zu einer inhomogenen Abkühlung der Proben
Eine erfolgreiche Kryokonservierung größerer Probenanzahlen ist nur mit Geräteeinbauten zur kontrollierten Wärmeübertragung möglich. Untersuchungen belegen, dass die Leistung dieser Einbauten (Racks und Kassetten) für die vitalitätserhaltende Einfrierung von Blut und robusten Zellsuspensionen ausreicht, nicht jedoch für die Kryokonservierung empfindlicher Zelltypen, adhärenter Zellen sowie von Zellverbänden und Gewebe.
Für die erfolgreiche Zell- und Gewebekryokonservierung in Multiwellplatten haben wir unser ILK Multiwell RACK entwickelt.
Cooling Performance in einem Kammereinfriergerät
Nach einer 10-minütigen Kühlung einer frei stehenden Multiwellplatte in einem LN2-gekühlten Controlled Rate Freezer mit konstanter Kühlrate von 2.5 K/min resultiert die im linken Bild gezeigte Temperaturverteilung. Bereits nach dieser kurzen Kühldauer erreicht die Differenz der Probentemperatur den kritischen Wert von 5 °C.
Mit dem Zentrum für Kryokompetenz in Life Sciences entwickelten ILK Multiwell RACK kann die Differenz der Probentemperaturen im gleichen Zeitraum auf 1,5 °C reduziert und eine deutlich gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Multiwellplatte erzielt werden (rechtes Bild). Erst dadurch wird eine erfolgreiche und reproduzierbare Zell- und Gewebekryokonservierung in Multiwellplatten möglich.
Aufbau und Funktion
Das ILK Multiwell RACK ist die Grundvoraussetzung für das Erzielen einer kontrollierten Wärmeübertragung bei der Zell- und Gewebekryokonservierung in Multiwell- und Mikrotiterplatten mit einem computergesteuerten Kammer-Einfriergerät.
Das ILK Multiwell RACK besteht aus einer Rahmenkonstruktion mit zwei thermisch entkoppelten Kontaktplatten, zwischen denen die Multiwelllplatte mit einem definierten Anpressdruck fixiert wird. Dank seiner speziellen Probenhaltergeometrie ist der Wärmetauscher in der Lage, jede Multiwell- und Mikrotiterplatte (einschließlich Sonderformaten) aufzunehmen und erfolgreich zu kryokonservieren. Die erzielbare Kühl- und Heizleistung wird allein durch die technischen Spezifikationen des verwendeten Kammereinfriergerätes limitiert.
ILK Multiwell RACK (Prototyp) mit 48 Well-Zellkulturplatte und Messtechnik zur Erfassung der Probentemperaturen beim Beladen (links) und während der Einfrierung einer adhärenten Zellkultur in einem computergesteuerten Kammereinfriergerät mit Stickstoffkonvektion (rechts)
Die probenspezifische Masse und Kontaktfläche der Kontaktplatten erlaubt einen optimalen Wärmeaustrag von der Wellplatte an das Kühlgas. Ein Isolationsband (ISOBELT) verhindert den direkten thermischen Kontakt, so dass ein kontrollierter Wärmeaustausch über die vorgesehenen Kontaktflächen erfolgt. Das einzigartige Design der Wärmetauschflächen weist breite Belüftungskanäle und strombrechende Finnen auf, durch welche das Kühlgas effektiv an die Kontaktplatten geleitet und verwirbelt wird. So wird eine an der Probenkontaktfläche eine beispiellose Temperaturhomogenität bei höchster Wärmeübertragungsleistung erreicht.
Das ILK Multiwell RACK besitzt eine Seeding-Option zur mechanisches Triggern des Gefrierprozesses. Mit einer Vibrationsfrequenz von 300 – 350 Hz kann eine synchrone Eisbildung ausgelöst werden. Die Synchronisation des Gefrierprozesses führt zu einer identischen Kühlrate auf allen Probenpositionen.
(1) Seitenbrücke mit Vibrationsmotor zur Synchronisierung der Eisbildung
(2) ISOBELT zur Steuerung der Wärmeübertragung
