Probenlagerung: Die richtige Temperatur von +4 bis –196 °C

Die richtige Temperatur für die Probenlagerung hängt von drei Faktoren ab: Probenart, geplanter Lagerdauer und späterer Analyse. Als Faustregel gilt: +4 °C für Stunden bis Tage, –20 °C für robuste DNA, –80 °C für Serum, Plasma und RNA über Jahre, und unter –135 °C für alles, was lebensfähig bleiben muss, also Zellen und Gewebe.

Diese Faustregel ist ein Anfang, aber keine Entscheidungsgrundlage für eine Biobank oder eine klinische Studie. Jede Temperaturstufe hat ihre eigenen Risiken: Gefrier-Tau-Zyklen in Gefrierschränken mit Abtauautomatik, langsamer Qualitätsverlust bei –80 °C, Rekristallisation oberhalb der Glasübergangstemperatur. Dieser Leitfaden ordnet die fünf gängigen Temperaturstufen den wichtigsten Probenarten zu und zeigt, wann sich der Schritt in die kryogene Lagerung mit Flüssigstickstoff (LN₂) lohnt.

Warum die Temperatur über die Qualität jeder Probe entscheidet

Biologisches Material verändert sich, solange Wasser darin beweglich ist. Enzyme wie RNasen und Proteasen bleiben bei –20 °C teilweise aktiv, Oxidation und Hydrolyse laufen auch im gefrorenen Zustand langsam weiter. Je tiefer die Temperatur, desto langsamer werden diese Prozesse.

Die entscheidende Grenze liegt bei der Glasübergangstemperatur von Wasser, etwa –135 °C. Unterhalb dieser Grenze ist die verbleibende Flüssigkeit in einem glasartigen Zustand erstarrt. Es gibt praktisch keine molekulare Bewegung mehr, keine Rekristallisation und keine biologische Aktivität. Deshalb gilt in der Kryokonservierung: Lebende Zellen gehören dauerhaft unter –135 °C. Wie dieser Zustand physikalisch entsteht, erklärt unser Beitrag zu den Grundlagen der Lagerung bei –196 °C.

Ebenso wichtig wie die Zieltemperatur ist ihre Stabilität. Jede Temperaturschwankung, etwa durch häufiges Öffnen eines Gefrierschranks, kann Eiskristalle wachsen lassen. Jeder vollständige Gefrier-Tau-Zyklus schädigt Proteine, fragmentiert Nukleinsäuren und senkt die Vitalität von Zellen. Gute Probenlagerung heißt daher immer auch: aliquotieren, Zugriffe planen und Temperaturen lückenlos überwachen.

Probenlagerung nach Temperaturstufe: die fünf Stufen im Überblick

+2 bis +8 °C: Kurzzeitlagerung vor der Verarbeitung

Der Kühlschrank ist eine Zwischenstation, kein Lager. Geeignet ist er für Vollblut, Urin oder Abstriche zwischen Entnahme und Verarbeitung, typischerweise für Stunden bis wenige Tage, je nach Analyse und Präanalytik-Vorgabe.

  • Geeignet für: Vollblut vor der Zentrifugation, Urin, Reagenzien, viele Impfstoffe und Biologicals
  • Nicht geeignet für: jede Form der Langzeitlagerung biologischer Proben
  • Risiko: Zeit bis zur Verarbeitung wird oft nicht dokumentiert

–20 °C: robuste Analyte über Monate

Laborgefrierschränke bei –20 °C reichen für gereinigte DNA in Puffer über Monate bis wenige Jahre und für viele Reagenzien. Für RNA, Proteine mit Aktivitätsanspruch oder lebende Zellen sind sie ungeeignet. Vorsicht bei Geräten mit Abtauautomatik: Ihre Abtauzyklen erwärmen die Proben regelmäßig und wirken wie wiederholtes Antauen.

–80 °C: der Standard für Serum, Plasma und Nukleinsäuren

Der Ultratiefkühlschrank (ULT-Freezer) ist das Arbeitspferd der meisten Labore. Bei –80 °C lagern Serum, Plasma, gereinigte DNA und RNA, Proteinextrakte sowie Bakterienstämme in Glycerin über Jahre. Für viele Routineanalyte ist diese Stabilität gut belegt. Für empfindliche Biomarker sollte die Stabilität jedoch für den konkreten Analyten geprüft werden, denn auch bei –80 °C laufen langsame Abbauprozesse weiter.

Lebende Zellen überstehen –80 °C nur kurzfristig, etwa in den ersten Tagen nach dem Einfrieren. Dauerhaft liegt –80 °C oberhalb der Glasübergangstemperatur, die Vitalität sinkt mit jeder Woche. Wann ein ULT-Freezer reicht und wann ein Kryotank die bessere Wahl ist, vergleicht unser Beitrag Ultra Low Temperature Freezer vs. Kryotank.

–150 °C: unterhalb der Glasübergangstemperatur

Bei –150 °C oder kälter ist die Grenze von –135 °C sicher unterschritten. Diese Stufe erreichen mechanische Tiefstkühlschränke und die Dampfphase über flüssigem Stickstoff. In der Dampfphase eines Kryotanks liegen die Temperaturen je nach Höhe und Tankkonstruktion typischerweise zwischen etwa –150 °C und –190 °C. Die Dampfphase vermeidet den direkten Kontakt mit flüssigem Stickstoff und damit das Risiko einer Kreuzkontamination über das LN₂.

–196 °C: Flüssigphase für maximale Reserve

In der Flüssigphase liegen Proben direkt im Stickstoff bei –196 °C. Das bietet die größte thermische Reserve, setzt aber geeignete, dichte Probenbehälter voraus, damit kein Stickstoff eindringt. Welche Phase für welche Anwendung sinnvoll ist, beschreibt unser Vergleich Dampfphase oder Flüssigphase.

Welche Probe bei welcher Temperatur? Ein Leitfaden nach Probenart

Die folgende Zuordnung fasst gängige Empfehlungen aus der Biobanking-Praxis zusammen, etwa der ISBER Best Practices. Maßgeblich bleiben Ihr Studienprotokoll und die geplante Analytik.

DNA

  • Gereinigt in Puffer: –20 °C für Monate, –80 °C für viele Jahre
  • In Vollblut oder Gewebe: –80 °C oder kälter
  • Vermeiden: wiederholtes Auftauen, das lange Fragmente zerbricht

RNA

  • Gereinigt: –80 °C, aliquotiert, möglichst wenige Zugriffe
  • Gewebe für RNA-Analysen: schockgefroren in LN₂, Lagerung bei –80 °C oder in der Dampfphase
  • Für Langzeit-Biobanken mit unbekannter späterer Analytik: Lagerung unter –135 °C bietet die größte Reserve

Serum und Plasma

  • –80 °C ist der etablierte Standard für viele Jahre
  • Für Proteomik, Metabolomik oder Biomarker-Studien mit langem Horizont wählen viele Biobanken die Dampfphase
  • Wichtig: Zeit und Temperatur zwischen Entnahme und Einfrieren dokumentieren

Lebende Zellen (Stammzellen, PBMC, Zelllinien, Zelltherapeutika)

  • Kontrolliert einfrieren, mit Kryoprotektivum wie DMSO
  • Kurzfristig bei –80 °C, dauerhaft nur unter –135 °C, idealerweise in der Dampfphase von LN₂
  • Jede Erwärmung über –135 °C kann die Vitalität nach dem Auftauen senken

Gewebe

  • Schockgefroren für Molekularanalysen: –80 °C oder kälter
  • Vitales Gewebe für Transplantation oder Zellisolierung: kryokonserviert unter –135 °C
  • Formalinfixiertes, paraffineingebettetes Gewebe (FFPE): Raumtemperatur, ist aber für viele Analysen nur eingeschränkt nutzbar

Wie Proben von der Entnahme bis zur Kryolagerung qualitätsgesichert bewegt werden, zeigt unser Beitrag zum Lebenszyklus einer Probe.

Lagerdauer: Wann sich der Schritt in die Kryolagerung lohnt

Neben der Probenart entscheidet die Lagerdauer. Drei Fragen helfen bei der Wahl der Temperaturstufe:

Wie lange soll die Probe lagern? Wochen bis wenige Jahre sind bei –80 °C für viele Analyte unkritisch. Für Kohorten- und Langzeitstudien über 10, 20 oder 30 Jahre spricht vieles für die kryogene Lagerung, weil spätere Analysemethoden heute noch unbekannt sind.

Muss die Probe lebensfähig bleiben? Dann gibt es keine Alternative zu Temperaturen unter –135 °C.

Wie kritisch ist ein Ausfall? Ein ULT-Freezer erwärmt sich bei Stromausfall oder Kompressordefekt innerhalb weniger Stunden. Ein vakuumisolierter LN₂-Kryotank braucht für die Kühlung keinen Strom und hält seine Temperatur auch ohne Nachfüllung über einen längeren Zeitraum. Das verschafft im Störfall wertvolle Reaktionszeit.

Gerade für unersetzliche Proben ist der dritte Punkt oft ausschlaggebend. Viele Biobanken kombinieren deshalb beide Welten: –80 °C für Arbeitsaliquots mit häufigem Zugriff, die Dampfphase von LN₂ für Rückstellproben und Langzeitbestände. Ähnliche Abwägungen gelten in der Pharmaindustrie, wie unser Beitrag zur Lagerung von Impfstoffen und Biologicals zeigt.

Qualitätssicherung in der Probenlagerung: Normen und Nachweise

Wer Proben für Forschung, Diagnostik oder klinische Studien lagert, muss belegen können, dass jede Probe unter den festgelegten Bedingungen lagerte.

  • ISO 20387 legt allgemeine Anforderungen an Biobanken fest, darunter dokumentierte Lagerbedingungen, Überwachung und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus einer Probe.
  • ISBER Best Practices geben praxisnahe Empfehlungen zu Lagertemperaturen, Notfallplänen und Qualitätsmanagement.
  • Für GMP-relevante Proben gelten zusätzlich die Anforderungen des EU-GMP-Leitfadens, etwa zur Qualifizierung von Lagergeräten (Anhang 15).

In der Praxis bedeutet das: qualifizierte Lagergeräte, kontinuierliche Temperaturaufzeichnung, Alarmketten mit Eskalation, ein Notfallplan mit Ausweichkapazität sowie eine eindeutige Zuordnung jeder Probe zu ihrer Lagerposition.

Kryolagerung biologischer Proben mit Consarctic®

Consarctic® ist ein marktführender deutscher Hersteller kryogener Systeme für die Life Sciences und deckt die Stufe unterhalb der Glasübergangstemperatur vollständig ab, vom Einfrieren bis zur Überwachung:

  • Einfrieren: BIOFREEZE® Controlled Rate Freezer mit TC-Aktiv, das die Kristallisationswärme der Probe erkennt und gezielt abführt.
  • Lagern: Kryotanks der Serien ABV+, ABS+, BSD+ und BSF+ für Dampf- und Flüssigphase. Ein BSF420+ fasst laut Datenblatt bis zu 25.900 Kryoröhrchen à 2 ml, ein BSF820R+ bis zu 48.000.
  • Effizienz: Die exzentrische Tanköffnung senkt den LN₂-Verbrauch um bis zu 30 % und hält die Temperatur in der Dampfphase niedrig.
  • Überwachen: das Consarctic® Monitoring-System mit Alarmweiterleitung und die Software Biolog® für Temperatur-, Ereignis- und Füllstandsdaten je Behälter.
  • Qualifizieren und betreuen: Installation mit IQ/OQ durch zertifizierte Techniker und ein 24/7-Notfallservice an 365 Tagen im Jahr.

Mehr zu Lösungen für Biobanken finden Sie auf unserer Seite zu Biobanken und Kryokonservierung. Consarctic® arbeitet nach ISO 9001:2015 und EN ISO 13485:2016 und betreut über 1.500 Kunden in mehr als 30 Ländern, darunter die Qatar Biobank, das Deutsche Rote Kreuz und die Charité Universitätsmedizin Berlin.

Häufig gestellte Fragen

Bei welcher Temperatur werden Zellen gelagert?

Lebende Zellen werden dauerhaft unterhalb der Glasübergangstemperatur von etwa –135 °C gelagert, in der Praxis meist in der Dampfphase über flüssigem Stickstoff zwischen etwa –150 °C und –190 °C. Bei –80 °C überstehen Zellen nur wenige Tage ohne deutlichen Vitalitätsverlust.

Reichen –80 °C für RNA?

Für gereinigte RNA reichen –80 °C in der Regel über Jahre, sofern die Proben aliquotiert sind und nicht wiederholt aufgetaut werden. Für Gewebe, aus dem später RNA gewonnen werden soll, und für Langzeit-Biobanken bietet die Lagerung unter –135 °C mehr Sicherheit.

Wie lange sind Serumproben bei –80 °C stabil?

Viele Routineanalyte in Serum sind bei –80 °C über Jahre stabil. Die Stabilität hängt jedoch vom einzelnen Analyten ab. Für empfindliche Biomarker oder sehr lange Studien sollte sie geprüft werden, oder die Proben werden direkt in der Dampfphase von LN₂ gelagert.

Was ist der Unterschied zwischen Dampfphase und Flüssigphase?

In der Flüssigphase liegen Proben direkt im Stickstoff bei –196 °C. In der Dampfphase lagern sie darüber im kalten Stickstoffdampf. Die Dampfphase vermeidet eine Kreuzkontamination über das LN₂ und ist heute in vielen Biobanken Standard.

Die richtige Stufe für jede Probe

Gute Probenlagerung beginnt mit einer klaren Zuordnung: Welche Probe, wie lange, für welche Analyse? Wer diese Fragen beantwortet, findet die passende Temperaturstufe und schützt Proben, die sich oft nicht ein zweites Mal gewinnen lassen.

Welche Ihrer Proben sollten heute schon unter –135 °C lagern? Sprechen Sie mit den Experten von Consarctic®. Wir planen, liefern und qualifizieren Ihre Kryolagerung als abgestimmtes System.