Inkubator (Kultur)

Ein Inkubator ist ein Gerät zur Anzucht und Erhaltung mikrobiologischer Kulturen oder Zellkulturen . Er hält Temperatur , Luftfeuchtigkeit und andere Bedingungen wie den CO₂- _und Sauerstoffgehalt der Innenraumluft konstant. Inkubatoren sind für viele experimentelle Arbeiten in der Zellbiologie , Mikrobiologie und Molekularbiologie unerlässlich und werden zur Kultivierung sowohl bakterieller als auch eukaryotischer Zellen verwendet .

Ein Inkubator besteht aus einer Kammer mit regulierter Temperatur . Manche Inkubatoren regulieren auch die Luftfeuchtigkeit , die Gaszusammensetzung oder die Belüftung innerhalb dieser Kammer.

Die einfachsten Inkubatoren sind isolierte Boxen mit einer regulierbaren Heizung, die typischerweise Temperaturen von 60 bis 65 °C erreicht, manche jedoch etwas höhere (in der Regel maximal 100 °C). Die am häufigsten verwendete Temperatur sowohl für Bakterien wie das häufig verwendete E. coli als auch für Säugetierzellen liegt bei etwa 37 °C , da diese Organismen unter solchen Bedingungen gut wachsen. Für andere in biologischen Experimenten verwendete Organismen, wie beispielsweise die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae , ist eine Wachstumstemperatur von 30 °C optimal.

Komplexere Inkubatoren bieten zudem die Möglichkeit, die Temperatur (mittels Kühlung) zu senken oder die Luftfeuchtigkeit bzw. den CO₂- Gehalt zu regulieren. Dies ist wichtig für die Kultivierung von Säugetierzellen, bei der die relative Luftfeuchtigkeit typischerweise über 80 % liegt, um Verdunstung zu verhindern, und ein leicht saurer pH-Wert durch einen _{CO₂ -} Gehalt von 5 % erreicht wird .

Vom Ausbrüten von Hühnereiern bis hin zur Erforschung und Entwicklung von Impfstoffen gegen tödliche Viren – der Laborbrutschrank hat im Laufe der Jahre zahlreiche Anwendungen gefunden. Er bildete zudem die Grundlage für medizinische Fortschritte und experimentelle Arbeiten in der Zell- und Molekularbiologie .

Obwohl es seit den ersten primitiven Inkubatoren im alten Ägypten und China viele technologische Fortschritte gegeben hat, ist der Hauptzweck des Inkubators unverändert geblieben: die Schaffung einer stabilen, kontrollierten Umgebung, die Forschung, Studium und Kultivierung ermöglicht.

Die ersten Brutapparate wurden vor Tausenden von Jahren im alten Ägypten und China erfunden, wo sie zum Warmhalten von Hühnereiern dienten. ^{[ 1 ]} Der Einsatz von Brutapparaten revolutionierte die Nahrungsmittelproduktion, da Küken nun ohne Brüten schlüpfen konnten und die Hennen somit in kürzerer Zeit mehr Eier legen konnten. Sowohl die frühen ägyptischen als auch die chinesischen Brutapparate waren im Wesentlichen große, mit Feuer beheizte Räume, in denen Wärter die Eier regelmäßig wendeten, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten.

Im 16. Jahrhundert erfuhr der Brutapparat eine Weiterentwicklung, als Jean Baptiste Porta sich an altägyptischen Vorbildern orientierte und einen moderneren Brutapparat entwickelte. Obwohl er seine Arbeit aufgrund der spanischen Inquisition schließlich einstellen musste, nahm René-Antoine Ferchault de Réaumur die Herausforderung Mitte des 17. Jahrhunderts wieder auf. ^{[ 2 ]} Réaumur beheizte seinen Brutapparat mit einem Holzofen und überwachte dessen Temperatur mithilfe des Réaumur-Thermometers, einer weiteren seiner Erfindungen.

Im 19. Jahrhundert erkannten Forscher schließlich das Potenzial von Inkubatoren für medizinische Fortschritte. Sie begannen zu experimentieren, um die ideale Umgebung für die Aufbewahrung von Zellkulturen zu finden. Diese frühen Inkubatoren bestanden lediglich aus Glasglocken mit einer brennenden Kerze. Die Zellkulturen wurden nahe der Flamme auf die Unterseite des Deckels gestellt, und die gesamte Glasglocke wurde in einen trockenen, vorgeheizten Ofen gestellt.

Ende des 19. Jahrhunderts erkannten Ärzte einen weiteren praktischen Nutzen von Inkubatoren: das Überleben von Frühgeborenen oder schwachen Säuglingen. Der erste Säuglingsinkubator, der in einem Pariser Frauenkrankenhaus eingesetzt wurde, wurde mit Petroleumlampen beheizt . Fünfzig Jahre später entwickelte Julius H. Hess , ein amerikanischer Arzt, der oft als Vater der Neonatologie gilt, einen elektrischen Säuglingsinkubator, der den heute gebräuchlichen Geräten sehr ähnlich ist. ^{[ 3 ]}

Die nächste Innovation in der Inkubatortechnologie erfolgte in den 1960er Jahren mit der Einführung des CO₂-Inkubators. _[ ^{4 ] Die} Nachfrage entstand, als Ärzte erkannten, dass sie CO₂-Inkubatoren zur Identifizierung und Untersuchung von Krankheitserregern in Körperflüssigkeiten von Patienten einsetzen konnten _. Dazu wurde eine Probe entnommen, auf eine sterile Petrischale gegeben und in den Inkubator gestellt. Die Luft im Inkubator wurde auf 37 Grad Celsius gehalten, der Körpertemperatur des Menschen, und der Inkubator gewährleistete die für das Zellwachstum notwendigen atmosphärischen Kohlendioxid- und Stickstoffkonzentrationen.

Zu dieser Zeit begann man auch, Inkubatoren in der Gentechnik einzusetzen . Wissenschaftler konnten mithilfe von Inkubatoren biologisch essentielle Proteine ​​wie Insulin herstellen. Die genetische Modifizierung war nun auf molekularer Ebene möglich und trug dazu bei, den Nährstoffgehalt und die Resistenz von Obst und Gemüse gegen Schädlinge und Krankheiten zu verbessern.

Inkubatoren erfüllen vielfältige Funktionen in wissenschaftlichen Laboren. Sie halten in der Regel eine konstante Temperatur, verfügen aber oft über zusätzliche Funktionen. Viele Inkubatoren regulieren auch die Luftfeuchtigkeit. Schüttelinkubatoren nutzen die Bewegung der Kulturen, um diese zu mischen. Gasinkubatoren regulieren die interne Gaszusammensetzung. Einige Inkubatoren verfügen über eine Luftzirkulation, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Viele für den Laboreinsatz konzipierte Inkubatoren sind mit einer redundanten Stromversorgung ausgestattet, um sicherzustellen, dass Stromausfälle die Experimente nicht unterbrechen. Inkubatoren sind in verschiedenen Größen erhältlich, von Tischmodellen bis hin zu Wärmekammern, die als Inkubatoren für eine große Anzahl von Proben dienen.

• Ägyptischer Eierofen

• Mudge, George P. (1911). „Inkubation und Inkubatoren“  . Encyclopædia Britannica . Band 14 (11. Aufl.). S.  359–369 .