Fraunhofer BioArchiv – »High Tech«-Biobanking

Mehr als zehn Jahre interdisziplinäre Forschung und Technologieentwicklung in der Kryobiotechnologie haben am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT zu einem international technologisch wie inhaltlich führenden Biobankenverbund, dem »Fraunhofer-BioArchiv«, geführt. Die realisierte und kommerziell verfügbare Biobanken-Technologieplattform basiert auf mehr als 40 Patentfamilien des Fraunhofer IBMT.

Das Fraunhofer IBMT ist Systemanbieter für therapeutisch und diagnostisch ausgerichtete Biobanken und bietet Partnern aus Industrie und Forschung die Entwicklung neuer Kryomedien, optimierte Einfrierprotokolle, Auftragslagerung, sowie Planung und Validierung von Kryobanken an. Die Begleitung kundenspezifischer Projekte im Umfeld der Kryo-/ Biotechnologie und die Beratung beim Aufbau kundeneigener Kryobanken gehören zu den Kernkompetenzen. Zusammen mit Firmen aus dem Substrat-, Geräte- und Softwarebereich ist das Fraunhofer IBMT derzeit der einzige Systemanbieter weltweit, der industriell skalierte Kryobanken für den Temperaturbereich unter -130°C anbieten kann.


Von den Sammlungen der Naturkundemuseen des 19. Jahrhunderts profitieren wir heute noch in nahezu allen Wissenschaftsbereichen. Der Wert solide angelegter Sammlungen steigt über die Jahrzehnte, wie die pathologischen Sammlungen der Klinika und DNA-Banken beweisen. Dies sollte auch für unsere Zeit und zukünftige Sammlungen gelten. Bisher liegt das Schwergewicht unserer Überlieferungen auf Seiten der Dokumentation, zunehmend über elektronische Medien.

Wie aber verhält es sich mit Materialien, insbesondere biologischen Objekten? Hierzu existiert eine Vielzahl von Biobanken an Klinika, Instituten und Firmen, in denen Flüssigkeiten, Zellen, Gewebe und Organe abgelegt werden. Sie lassen sich grob in Tod- und Lebendablagen unterteilen. Lebendablagen, weil es Dank der Tieftemperaturkonservierung möglich ist, bestimmte biologische Materialien reversibel einzufrieren und aufzutauen. Diese Biomaterialbanken werden ohne Zweifel das Rückgrat unserer zukünftigen stark biotechnologisch und auf Recycling ausgerichteten Gesellschaft bilden. Sie stellen eine umfassende Dokumentation und eine Art Rückversicherung dar.




Das BioArchiv des Fraunhofer IBMT ist eine der modernsten und am besten ausgerüsteten Kryobanken der Welt. Die vollautomatische Stickstoffzufuhr, die mehrfach redundanten Überwachungssysteme, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und eine Netzersatzanlage, vollelektronische Personen- und Zugangsüberwachung mit Alarmweiterleitung und Videoaufzeichnung gewähren die maximal mögliche Sicherheit für die eingelagerten Proben und garantieren deren Qualität.

Aufgrund der technischen Erfordernisse hat sich das Fraunhofer IBMT beginnend im Jahre 1999 mit der Entwicklung und industriellen Umsetzung von Kryobanktechnologien beschäftigt. Nach über 10-jähriger Entwicklungsarbeit ist eine Kryotechnologieplattform in Form einer Systemlösung zum Aufbau kleiner, mittelgroßer bis hin zu Großbanken verfügbar, deren Kernelemente intelligente Substrate zur Aufnahme der Bioproben und lückenlose Dokumentation bilden. Stark vereinfacht dargestellt handelt es sich um die Verknüpfung der bereits üblichen Plastikprobenbehälter mit einem elektronischen Memory Chip, RFID, etc. und die Vermeidung jedweder Eisbildung über Haubensysteme.

Das Besondere an diesem kommerziell verfügbaren Hybrid ist die elektronische Kontaktierung jeder Probe in den Kryotanks und die Lesbarkeit wie Beschreibbarkeit der elektronischen Speicher bis hinunter zu Temperaturen von minus 180°C. Dies erlaubt ganz neue Biobank- und Datenbankarchitekturen. So können die Biobanken Inventuren, Datenabgleiche und die Suche von Proben computergesteuert und ohne Öffnung der Kryotanks realisieren. Neu entwickelte Haubensysteme über den Tanks verhindern die Eisbildung und sorgen für einen tiefgekühlten Übergangsraum bei der Probenentnahme und Einlagerung. Über hochsichere Arbeitsbanken (Kryoworkbenches) werden die Prozesse zeitlich entzerrt und ist die lückenlose Kühlung und Temperaturerfassung gegeben. Komplettiert durch ein Labormanagementsystem, bei dem der Chip am Probenkörper seine eigene Verarbeitung, Verschickung und die Prozessabläufe wie Datenablage selbst steuert und dokumentiert, ist nunmehr der Weg zu einer Automatisierung der Biobanken frei.   

Im Jahr 2007 wurde das Fraunhofer-BioArchiv um ein Sicherheitslabor der Stufe 3 mit integrierter Kryobank erweitert. Diese Maßnahme ermöglichte es, Forschung an Organismen entsprechender Einstufung nach der Biostoffverordnung sowie dem Gentechnikgesetz durchzuführen und zu lagern. Der gesamte Labortrakt kann als inverser Reinraum angesehen werden. Dies bedeutet, dass während der Durchführung entsprechend bei den Behörden angemeldeter Forschungsprojekte ein steter Unterdruck herrscht. Dieser Unterdruck bewirkt, zusammen mit unzähligen weiteren Maßnahmen, wie der flächenbündigen Versiegelung aller Spalte und Öffnungen, dass nichts – auch nicht das kleinste Partikel – aus dem Labor in die umgebende Halle gelangen kann. Die Räume werden über sogenannte HEPA-Filter (high efficiency particulate air filter) be- und entlüftet. Abfälle aus dem Labor werden in einem Durchreicheautoklav bei Überdruck und 120°C mit Dampf sterilisiert. Als erstes großes Projekt in diesen Räumlichkeiten wurde das von der Bill & Melinda Gates-Stiftung geförderte integrierte Projekt GHRC (Global HIV Vaccine Research Cryorepository) durchgeführt.

Eine weitere Biobank der Fraunhofer EMB und des Fraunhofer IBMT ist der CRYO-BREHM (»Deutsche Zellbank für Wildtiere«), eine Biomaterialienbank, die auf die Sammlung und Kryokonservierung von vermehrungsfähigen Zellkulturen von Wildtieren spezialisiert ist. Desweiteren eine Stammzellbank (hES, IPS, adulte SC) sowie das Pathologienetzwerk CRIP (»Central Research Infrastructure for molecular Pathology«), eine Biodatenbank, die aus dezentralen Biobanken Daten institutionenübergreifend zusammenführt. CRIP ist Vorbild für weitere Biodatenbanken wie z. B. das »Projekt-Portal im Deutschen Biobanken-Register (P2B2)«, das das Fraunhofer IBMT 2010-2012 zusammen mit der TMF und sechs Partner-Biobanken als Basis einer zentralen deutschen Biobanken-Infrastruktur aufbaut.

Seit Januar 2012 zählt auch der Humanprobenteil der Umweltprobenbank des Bundes zum Fraunhofer-BioArchiv. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IME (Standort Schmallenberg) verwaltet die Fraunhofer-Gesellschaft den gesamten Probenbestand der Umweltprobenbank des Bundes. Die Umweltprobenbank des Bundes bildet ein zentrales Element der Umweltbeobachtung in Deutschland. Seit mehr als 30 Jahren liefert sie dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) eine wichtige wissenschaftliche Grundlage, um Maßnahmen im Umwelt- und Naturschutz ergreifen und deren Erfolg kontrollieren zu können.

Die Umweltprobenbank ist eine permanente Einrichtung des BMU und arbeitet unter der Ägide des Umweltbundesamtes (UBA). Die Arbeitsgruppe »Umweltprobenbank des Bundes – Humanproben« des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik sammelt im Auftrag des UBA seit Januar 2012 jährlich an vier Standorten in der Bundesrepublik (Münster, Halle, Ulm, Greifswald) Blut- und Urinproben von jeweils 120 freiwilligen Probandinnen und Probanden für die Umweltprobenbank des Bundes. Jährlich gewinnt das Fraunhofer IBMT somit bis zu 13 200 Einzelproben, die für die Untersuchung der Belastung des Menschen durch Umweltschadstoffe eingesetzt werden können. Ein Teil der Proben wird im Anschluss an die Probennahme auf klinische Parameter (wie z. B. den Cholesteringehalt) hin analysiert.

Eine analytische Erstcharakterisierung im Hinblick auf chemische Belastungen wird vom Institut und der Poliklinik für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin (IPASUM) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt. Der Großteil der jährlich gesammelten Proben wird jedoch vom Fraunhofer IBMT für eine spätere retrospektive Analyse auf umweltrelevante Chemikalien und Verbindungen in kryokonservierter Form unbefristet und veränderungsfrei in der Umweltprobenbank gelagert. Die Humanproben der Umweltprobenbank des Bundes erlauben einen Überblick über die umweltbedingte Schadstoffbelastung des Menschen. Die wiederholte Untersuchung von vergleichbaren Personengruppen in regelmäßigen Zeitabständen ermöglicht die langfristige Verfolgung von Schadstofftrends, die von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von gesetzlichen Maßnahmen und deren Erfolgskontrolle sind. Mit der zeitlich unbefristeten Kryokonservierung der gesammelten Proben und den damit gegebenen veränderungsfreien Bedingungen wird zudem die Voraussetzung geschaffen, auch zu späteren Zeitpunkten rückblickende Untersuchungen durchzuführen oder Untersuchungen mit neueren und möglicherweise sensibleren Messtechniken zu wiederholen. Somit lassen sich auch noch nach Jahrzehnten retrospektiv Substanzen nachweisen, die zum Zeitpunkt der Einlagerung der Proben noch nicht bekannt oder analysierbar waren bzw. bislang nicht für bedeutsam gehalten wurden.

Im Sommer 2010 nahm am Standort Sulzbach die BioKryo GmbH ihren Dienstleistungsbetrieb mit der Kryolagerung von therapeutisch wertvollem biologischem Material wie z. B. Stammzellen oder Gewebeproben auf. Die BioKryo GmbH ist ein Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT, in der über zehn Jahre Erfahrung in der Kryotechnologie und der Stammzellforschung eingebracht werden. Nun ist es möglich, auch für Kunden aus z. B. der Biotechnologie- und der Pharmabranche, die angebotene hoch spezialisierte Tieftemperaturlagerung, in der sie z. B. wertvolle Zelllinien als Back-up aufbewahren können, anzubieten. Zusammen mit weiteren Kooperationspartnern ist die BioKryo GmbH neben der Lagerung des biologisch wertvollen Materials in der Lage, diagnostische und logistische Dienstleistungen wie z. B. die HLA-Typisierung oder die weltweite Versendung von Proben durchzuführen.






Das Fraunhofer-BioArchiv bietet externen Kunden aus Forschung, Kliniken und Industrie einen Dienstleistungskatalog im Bereich der Kryolagerung von biologischen Proben an.

  • Beratung und Unterstützung bei der Definition und beim Aufbau eigener kundenspezifischer Kryo-/Biobanken (Planung, Konstruktion, Baubegleitung, Betriebsbegleitung)
  • Projektbegleitung bei Aufbau und Betrieb
  • Back-up Kryo-/Biobank am Fraunhofer IBMT (Sicherheitseinlagerung von Probensammlungen)
  • Behälterfürsorge für Sammlungen
  • Erprobung von Technologie und Gerätesystemen
  • Entwicklung von Kryoequipment und Kryoautomatisierungstools
  • Erarbeitung von Einfrier-/Auftauprotokollen
  • Entwicklung geeigneter Kryoprotektiva
  • Labormanagementsystem
  • Dokumentation und Workflow
  • elektronische Datenverwaltung (»ChamaeleonLab«)