Innovative Zellbeobachtungsmethode durch kompaktes Design des CM20

Ein innovatives System für die intelligentere Zellkultur

Das Olympus Inkubator-Überwachungssystem CM20 (Abbildung 1) ermöglicht die Fernüberwachung des Zustands einer Zellkultur in einem Inkubator, ohne den Reinraum zu betreten. Mit seinem flachen, kompakten Design passt das System in die meisten Standard-Inkubatoren und macht einen speziellen Inkubator überflüssig. Auf der Standfläche können auch große, hohe Gefäße (beispielsweise Mehrschicht-Kulturflaschen) platziert und beobachtet werden. Um dieses kompakte Design zu ermöglichen, entwickelten wir ein innovatives, patentiertes optisches System, die sogenannte Epi-Schräglichtbeleuchtung.

Abbildung 1: Inkubator-Überwachungssystem CM20
 

Entwicklung eines kompakten Zellkultur-Überwachungssystems

Inkubations-Überwachungssysteme, mit denen sich ein ganzes Gefäß beobachten lässt, sind in der Regel groß und nehmen im Inkubator viel Platz in Anspruch. Daher muss für die Überwachung von Zellkulturen entweder eine spezielle Umgebung oder ein neuer Inkubator eingerichtet werden.

Die Technologie hinter der Epi-Schräglichtbeleuchtung

Unsere Technologie der Epi-Schräglichtbeleuchtung ermöglicht die Betrachtung transparenter Proben und eine Miniaturisierung unseres Inkubator-Überwachungssystems (Abbildung 3). Diese Technologie ist so einzigartig, weil für die Schräglichtbeleuchtung von der Gefäßoberseite (z. B. Oberseite der Kulturflasche, Deckel eines Wells oder einer Petrischale) reflektiertes Licht genutzt wird. Daher können die Beobachtungsoptik und die Beleuchtungsoptik, einschließlich der Lichtquelle, im Innern des Systems untergebracht werden. Durch diese Anordnung wird eine herkömmliche Durchlichtanordnung mit Stativ (Abbildung 3) überflüssig und das System erhält eine ebene Fläche. Mit einer Höhe von nur 55 mm (ohne Halterung für das Kulturgefäß) ist das CM20 System das flachste* Inkubator-Überwachungssystem auf dem Markt. Dank seiner kompakten Größe kann es in vorhandenen Inkubatoren installiert werden – selbst bei begrenztem Platzangebot (Abbildung 4)

Abbildung 3: Größenvergleich zwischen einem herkömmlichen Zellkulturmikroskop (links) und dem CM20 System (rechts). In dieser seitlichen Ansicht ist die kompakte Form des CM20 Systems im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau besonders deutlich zu erkennen.
 

Abbildung 4: Das CM20 System installiert im Inkubator
 

Systemkonfiguration und Bilderfassung

In der Regel wird Durchlicht zur Schräglichtbeleuchtung eingesetzt, bei unserer Epi-Schräglichtbeleuchtung kommt das Licht jedoch von der Objektivseite. Das von der Lichtquelle auf der Objektivseite abgestrahlte Licht wird von der Kulturgefäßoberseite reflektiert. Das reflektierte Licht tritt oberhalb der optischen Achse der Objektivlinse in einem Winkel in die Probe ein und das Durchlicht, das die Probe durchläuft, wird mit der Objektivlinse abgebildet (Abbildung 5). Unser CM20 System passt den Winkel des auf die Probe einfallenden Lichts stets an die NA des Objektivs an. Auf diese Weise werden dieselben Bedingungen wie unter Schräglichtbeleuchtung geschaffen, sodass transparente Proben wie beispielsweise Zellen problemlos mit Kontrast betrachtet werden können (Abbildung 6).

Abbildung 5: Konfiguration der Epi-Schräglichtbeleuchtung (seitliche Ansicht)
 

Abbildung 6: Unter Epi-Schräglichtbeleuchtung aufgenommene Bilder
 

Kompatibel mit unterschiedlichen Kulturgefäßarten

Unsere neue Beleuchtungsoptik ist mit unterschiedlichen Arten von Kulturgefäßen kompatibel. Das Beleuchtungslicht befindet sich bei hohen Gefäßen nahe der Außenseite und bei flachen Gefäßen nahe der Innenseite (Abbildung 7). Damit die Gefäßwand die Beleuchtungsbedingungen nicht beeinflusst, sind die Lichtquellen in zwei Richtungen angeordnet: nach oben und nach unten Indem die Beleuchtung zur Abbildung der oberen Hälfte des Gefäßes mit der unteren Lichtquelle und zur Abbildung der unteren Hälfte des Gefäßes mit der oberen Lichtquelle erfolgt, werden stabile Beleuchtungsbedingungen aufrechterhalten (Abbildung 8).

Ein weiterer Vorteil der Epi-Schräglichtbeleuchtung besteht darin, dass eine Betrachtung auch dann möglich ist, wenn mehrere Gefäße übereinander gestapelt sind, da das von der Gefäßoberseite reflektierte Licht genutzt wird. Außerdem können auch große Gefäße (beispielsweise Mehrschicht-Kulturflaschen) betrachtet werden, wodurch eine gängige Einschränkung herkömmlicher Mikroskope überwunden wird.

Abbildung 7: Die Beleuchtungsoptik eignet sich für hohe und für flache Gefäße (seitliche Ansicht)
 

Abbildung 8: Abbildung der unteren Hälfte des Gefäßes
 

Abbildung 9: Mehrere Zellkulturgefäße gestapelt auf einem CM20 Überwachungssystem
 

Schlussfolgerung

Durch die Entwicklung von Epi-Schräglichtbeleuchtung konstruierte Olympus ein kompaktes Überwachungssystem mit ebener Stellfläche, mit dem sich die gesamte Fläche eines Kulturgefäßes betrachten lässt. Diese Innovation kann dazu beitragen, die Effizienz von Zellkulturexperimenten zu steigern und gleichzeitig Platz im Inkubator zu sparen.

Kleingedrucktes: *Stand April 2020 nach Angaben von Olympus.
 

Autor

Masaru Mizunaka
Scientific Solutions Product &Technology
Optical System Dev.,CRDM
Olympus Corporation