Temperaturbereiche für die Lagerung, Kryolagerung und das Biobanking

Bei der Lagerung von Biostoffen, biologischen / klinische / medizinischen Proben wie Blutproben, Reagenzien und Rückstellmustern werden je nach Art unterschiedliche Temperaturbereiche verwendet. FFPE-Material wird bspw. klassisch bei Raumtemperatur gelagert, DNA kann je nach Zeitdauer der Lagerung im Kühlschrank, Tiefkühlschrank oder Ultratiefkühlschrank (Freezer / ULT) gelagert werden.

In der Praxis zeigt sich hier eine gewisse Bandbreite an einzuhaltenden Temperaturen, die teilweise voneinander abweichen kann. Allein schon die Bandbreite bei der Benennung des Temperaturbereichs für die Kühlung in einem Kühlschrank ist immens. So findet man u.a. 2 – 8° C, 4-8°C, 2-5° C.

Für eine kontrollierte Lagerung der oben genannten Proben ist es jedoch wichtig, Temperaturbereiche zu definieren, um diese konstant zu halten und ggf. Abweichungen definieren zu können.

Temperaturbereiche nach Europäischen Arzneibuch (European Pharmacopoeia oder auch Ph. Eur)

Im Kapitel 1.2 „Begriffe in Allgeminen Kapiteln und Monographien sowie Erläuterungen (Other provisions applying to general chapters and monographs) der europäischen Pharmacopaoeia werden grundlegende Maßangaben definiert. So auch die Temperatur:

Tiefgekühlt / in a deep-freeze ≥ -15 °C
Kühlschrank / in a refrigerator 2°C bis 8°C
Kalt oder kühl / cold or cool 8°C bis 15°C
Raumtemperatur / room temperature 15°C bis 25°C

Somit sind mittels European Pharmacopaoeia einige der für Biotechnologie, Biobanken, Kliniken, Diagostikunternehmen, Pharma / CROs definiert.

Weitere Definitionen von Temperaturbereichen

Neben der europäischen Pharmacopaoeia gibt es auch bspw. die US-amerikanische oder auch die japanische, in denen Temperaturbereiche, meist auch im Zusammenhang mit dem Transport beschrieben werden. International sind noch Vorgaben der Weltgesundheitsorganisationen (WHO) zu beachten, die jedoch auch im Bereich der Logistik im Zusammenhang mit dem Begriff Kühlkette genutzt werden:

Gefroren / store frozen -20 °C
Lagerung bei 2°C bis 8°C
Kalt oder kühl / cold or cool 8°C bis 15°C
Raumtemperatur / room temperature 15°C bis 25°C

Damit sind die Temperaturdefinitionen der WHO denen der europäischen Pharmacopaoeia ähnlich.

Welche Temperaturbereiche sind nicht definiert?

In Temperaturbereichen unter -20°C, die für die Lagerung von Biostoffen, biologischen / medizinischen / klinischen Proben wie Blut- oder Gewebeproben oder auch Reagenzien sinnvoll sind, gibt es jedoch keine allgemeingültigen Definitionen, da diese in der pharmazeutischen Praxis nicht Standard sind.

Welche Temperaturbereiche können unterhalb von -20°C beschrieben werden? Kryolagerung in flüssigem Stickstoff

Biologische / medizinische / klinische Proben werden oftmals bei niedrigeren Temperaturen als „tiefgekühlt“ gelagert, um die Alterung der Proben, die mögliche Degradation sowie mögliches mikrobiologisches Keimwachstum zu unterbinden. Somit ist es gängige Routine in der Biotechnologie-Technologie sowie in Wissenschaft und Forschung Proben bei -80°C sowie in flüssigem Stickstoff / Flüssigstickstoff zu lagern. Dabei ist sicherlich der Temperaturbereich von -196°C in der Flüssigphase von flüssigem Stickstoff sehr einfach zu definieren, da dies der pyhsikalisch gegebenen Temperatur von flüssigem Stickstoff entspricht.

Die Gasphase wird oftmals mit -160°C genannt. Hinterfragt man diese, lässt sich thermodynamisch herleiten, dass Eis eine Glasübergangstemperatur von bei 1 bar von 130 K also -145,13°C besitzt. Von dieser Temperatur an und darunter liegt amorphes Eis vor. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Wassermoleküle ungeordnet vorliegen und sich so keine Eisstrukturen bilden, die etwa Zellen zerstören könnten. So wird diese Art von Proben meist auch durch Vitrifikation eingefroren, um Eiskristallbildung innerhalb und außerhalb der Zellen zu vermeiden.

Welche Temperaturbereiche können unterhalb von -20°C beschrieben werden? -80°C Freezer / ULT Lagerung

Die Begründung für den gewählten Temperaturbereich -80°C scheint schwieriger zu sein. Thermodynamisch gesehen gibt es zwar bei -45°C einen Punkt der Rekristallisation von Eiskristallen, dieser wird jedoch stark von den -80°C unterschritten. Auch ergeben unterschiedlichsten Studien der der Lagerung von unterschiedlichen Biostoffen, Biomolekülen oder Zellen ebenfalls ein sehr heterogenes Bild.

Wahrscheinlich hat dies mehr mit praktischen Erwägungsgründen zu tun, da in Ultratiefkühl-Schränken bei Ein-, Aus- und Umlagerungsprozessen die Proben gerade an der nach vorne liegenden Seite für einige Zeit Raumtemperatur ausgesetzt sind. Dadurch ergibt sich, dass eine tiefere Temperatur die Ein-, Aus- und Umlagerung praktisch einfacher macht. Aufschluss über derartige Temperaturschwankungen kann ein entsprechendes Temperaturmapping geben.

Welche Temperaturbereiche sind bei der Cryondo definiert?

Temperaturbereich	Bezeichnung
15-25°C*	Raumtemperatur
2-8°C*	Kühlschrank
>-15°C*	Tiefkühlschrank
>-80°(+ max. 15°C)**	Ultratiefkühlschrank / ULT / Freezer
-196°C – -160°C***	Flüssiger Stickstoff (Gasphase)
-196°C***	Flüssiger Stickstoff (Flüssigphase)

* Für die „gängigen“ und beschriebenen Temperaturbereiche richtet sich die Cryondo nach der Pharm. Eur.

** Den Temperaturbereich in einem Ultratiefkühlschrank / ULT / Freezer wird bei der Cryondo als < -80°C plus max. 15°C definiert. Dabei wird den bei der Cryondo teilweise verwendeten Freezern Rechnung getragen, die mit einem Doppelkompressor-System arbeiten. Wenn ein Kompressor ausfallen würde besteht hier die Möglichkeit, dass der verbleibende Kompressor bei -70°C den Betrieb aufrechterhält. Eine Probenumlagerung ist in der Regel nicht notwendig. Sofern Sie eine tiefere Temperatur wünschen, sind Back-up Systeme auch über CO2-Nutzung möglich. Bitte sprechen Sie uns dazu an.

*** Die Gasphase in flüssigem Stickstoff wird zwischen -196°C und -160°C definiert. Die Flüssigphase bei -196°C.