„Wir nutzen das ¹³CO₂-Isotop als Reinstgas für die Referenzkammer. Die Prüfgasgemische verwenden wir wiederum in unterschiedlichen Konzentrationen zur Kalibrierung der Sensoren“, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Natalie Schütz. „Wir entwickeln ein Analysegerät, bei dem die Sensoren in einen Deckel für die Probenplatten integriert werden. So können bis zu sechs Zellkulturen parallel vermessen werden“.

Automatisierte Messung für mehr Effizienz

Die Zellkulturen werden von den Forschenden, so wie man es kennt, in die Probenplatte eingesetzt. Dann wird das Zellkulturmedium, das die Zellen mit Nährstoffen versorgt, hinzugegeben und die Platte mit dem Sensordeckel verschlossen. Anschließend wird die gesamte Apparatur für ein bis zwei Stunden in einen Inkubator bei 37 °C eingesetzt. Während dieser Zeit erfolgt eine kontinuierliche Messung der Zellatmung über die Gassensoren. Das Besondere: in Zukunft wird das alles automatisiert in einem Gerät integriert sein. Das spart Arbeitsaufwand und garantiert eine genauere Erfassung der Daten, die automatisiert an einen Laptop übertragen werden und den Forschenden direkt zur Auswertung zur Verfügung stehen.

Neues Messprinzip in der Zellkultur

Was das Projekt auszeichnet, liegt im Messprinzip und der Verwendung eines Isotops: Der entwickelte Sensor basiert auf dem Messprinzip der Photoakustik, das in dieser Form erstmals zur selektiven Unterscheidung von ¹²CO₂ und ¹³CO₂ eingesetzt wird. Eine komplette Neuentwicklung, aus der sich für die biomedizinische Forschung erhebliche Vorteile ergeben, wie Schütz erläutert: „Im Gegensatz zu marktüblichen Analysegeräten, die meist den Sauerstoffverbrauch der Zellen messen und daraus nur Rückschlüsse auf die Gesamtaktivität der Zellen ziehen können, ermöglicht der neue Sensor die gezielte Nachverfolgung von Nährstoffen im Stoffwechsel der Zellen, reproduzierbar und in Echtzeit.“ 

Durch die Verwendung von markierten Nährstoffen, wie z.B. ¹³C-Glukose, kann bestimmt werden, welcher Nährstoff von den Zellen in welchem Umfang und zu welchem Zeitpunkt verstoffwechselt wurde. Anschließend wird das Verhältnis von ¹²CO₂ und ¹³CO₂ ausgewertet.

Herausforderungen gemeinsam gemeistert

Im Verlauf des Projekts wurden neben den Gasen auch spezielle Druckminderer für die Gasflaschen benötigt, insbesondere mit feinerer Druckanzeige. „Da die Reinstgasflaschen einen so geringen Fülldruck hatten, reichten die Standard-Druckminderer nicht aus, um den Füllstand der Flaschen präzise ablesen zu können und es musste ein passenderes Modell angefragt werden“, so Schütz. 

Genau für solche Herausforderungen sei laut Teresa Brinner, Kundenberaterin für Spezialgase bei Westfalen, eine enge Zusammenarbeit wichtig: „Wir legen immer großen Wert darauf, unseren Kunden individuell zu beraten und auch für spezielle Anforderungen, wie in diesem Fall, die passende Lösung zu finden.“

Blick in die Zukunft

Aus der langjährigen Forschungsarbeit an der Professur Sensorik unter Prof. Palzer ist jetzt das Deep-Tech-Start-up Gaia Isotopic hervorgegangen. Das Team um Natalie Schütz, Moritz Zimmer und Dr. Álvaro Ortiz Pérez erhielt eine Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE). Mit rund 800.000 Euro aus dem Programm EXIST-Forschungstransfer wird das Team 18 Monate lang dabei unterstützt, gemeinsam mit dem Biologen Dr. Peter Kreuzaler vom CECAD der Uniklinik Köln als Entwicklungspartner, die Ergebnisse aus der photonischen Mikrosensorik in die Anwendung zu überführen.