Die Petrischale gibt es schon seit über einem Jahrzehnt und dennoch sind die einfachen Werkzeuge für die Zellkultur nach wie vor ein fester Bestandteil in vielen Laboren auf der ganzen Welt. Die flachen, zylindrischen Glas- oder Kunststoffschalen mit Deckel werden von Biologen am häufigsten verwendet, um Agarplatten herzustellen, auf denen Bakterien gezüchtet werden können. Sie sind auch nützlich, um die Wirksamkeit von Antibiotika in der Entwicklung zu untersuchen.
Um eine Agarplatte herzustellen, muss eine Petrischale teilweise mit einer warmen Flüssigkeit gefüllt werden, die Agar und eine Mischung von Zutaten enthält, die Nährstoffe, Blut, Salze, Kohlenhydrate, Farbstoffe, Indikatoren, Aminosäuren oder Antibiotika enthalten können. Sobald der Agar abgekühlt und fest geworden ist, ist die Schale bereit, mit einer Probe beimpft zu werden. Virus- oder Phagenkulturen erfordern eine zweistufige Beimpfung.
Petrischalen müssen auf dem Kopf stehend bebrütet werden, um das Kontaminationsrisiko durch Partikel aus der Luft, die auf ihnen landen, zu verringern und um die Ansammlung von Kondenswasser zu verhindern, das eine Kultur stören oder gefährden könnte. Abgesehen davon sind sie ziemlich einfach zu benutzen und werden heute häufiger aus Einwegplastik als aus Glas hergestellt, so dass sie nach jedem Gebrauch weggeworfen werden können.
Obwohl sich die Petrischale seit ihrer Erfindung vor mehr als 130 Jahren nicht wesentlich verändert hat, ist sie mit einigen der größten medizinischen Entdeckungen der jüngeren Geschichte verbunden. Von der Identifizierung von Pestbakterien über die Entdeckung des Penicillins bis hin zur Züchtung von Organen – die Zeitlinie der Petrischale ist bei weitem nicht so einfach wie ihr Design.
Erfindung – 1887
Die Petrischale ist nach dem deutschen Bakteriologen Julius Richard Petri benannt. Petri arbeitete als Militärarzt für die deutsche Armee und wurde 1887 einem Labor im Kaiserlichen Gesundheitsamt in Berlin zugeteilt. Ein Wissenschaftler namens Robert Koch leitete das Labor und suchte nach einer zuverlässigen Reinkulturtechnik, um viele Bakterien zu züchten.
Viele der früheren Methoden zur Bakterienzucht waren zur Luft hin geöffnet, was zu Kreuzkontaminationen führte. Aufbauend auf Methoden wie der Glasglocke auf einer Glasplatte erfand Petri eine Kulturschale, die der heute bekannten sehr ähnlich war. Er benannte die Erfindung nach sich selbst und schrieb eine 300 Wörter lange Abhandlung über die Verwendung der Schale.
Identifizierung von Pestbakterien – 1894
Bei einem weiteren Ausbruch der Pest 1894 in Asien entdeckte der schweizerisch-französische Bakteriologe Alexandre Yersin, dass das Bakterium Yersinia pestis für die Krankheit verantwortlich war. Yersin nutzte die Technik der Kochschen Postulate, um die Bakterien auf einer Petrischale zu kultivieren. Er fand auch heraus, welche Nährböden die Entwicklung des Bazillus optimierten und ermöglichte es so den Wissenschaftlern, die gleichen Bedingungen in ihrem Labor zu reproduzieren und den Mikroorganismus zu studieren.
Entdeckung des Penicillins – 1928
Vielleicht eine der berühmtesten pharmazeutischen Entdeckungen, die der Petrischale zugeschrieben werden kann, ist die des Penicillins. Nach der Rückkehr aus einem Urlaub am 3. September 1928 begann Alexander Fleming, Professor für Bakteriologie am St. Mary’s Hospital in London, seine Petrischalen zu sortieren, die Kolonien von Staphylococcus enthielten. Staphylococcus ist das Bakterium, das für Furunkel, Halsschmerzen und Abszesse verantwortlich ist.
Fleming bemerkte etwas Ungewöhnliches an einer seiner Petrischalen, da sie mit Kolonien übersät war, außer in einem Bereich, in dem ein Schimmelbrocken wuchs. Die Zone unmittelbar um den Schimmelpilz, der später als ein seltener Stamm von Penicillium notatum identifiziert wurde, war klar, und Fleming schloss daraus, dass der „Schimmelpilzsaft“ in der Lage war, Bakterien abzutöten.
Flemings Assistenten Stuart Craddock und Frederick Ridley konnten daraufhin reines Penicillin aus dem so genannten Schimmelpilzsaft isolieren.
Die intelligente Petrischale – 2011
Im Jahr 2011 veränderten Forscher des California Institute of Technology (Caltech) die Art und Weise, wie Zellkulturen abgebildet werden, indem sie eine synthetische Plattform schufen, die sie als „intelligente“ Petrischale oder ePetri bezeichneten. Die ePetri wurde entwickelt, um sperrige Mikroskope überflüssig zu machen und die menschliche Arbeitszeit deutlich zu reduzieren, während gleichzeitig die Art und Weise verbessert wird, wie das Wachstum der Kultur aufgezeichnet werden kann. Eine kleine Kamera in der Schale kann Daten aus der ePetri-Schale senden und diese über eine Kabelverbindung an einen Computer außerhalb des Inkubators übertragen. Das soll Zeit sparen und Kontaminationsrisiken reduzieren.
Kultivierung von Hirngewebe – 2017
Die ePetri-Schalen haben Wissenschaftlern der Universität Luxemburg erfolgreich dabei geholfen, menschliche Stammzellen in hirnähnliche Kulturen zu verwandeln, die sich sehr ähnlich wie Zellen im menschlichen Mittelhirn verhalten. Bei der 2011 durchgeführten Forschung wurden Stammzellen, die aus menschlichen Hautproben gewonnen wurden, auf Petrischalen gezüchtet.
Da das Gehirn das komplexeste menschliche Organ ist und die Forschung rund um das Gehirn mit vielen ethischen Implikationen konfrontiert ist, kann es äußerst schwierig sein, Experimente an ihm durchzuführen. Die 3D-Gehirngewebekulturen können es Wissenschaftlern nun ermöglichen, Ursachen zu erforschen und Behandlungen für neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson zu testen.
Organe züchten – 2018
In den letzten Jahren hat die regenerative Medizin rasante Fortschritte gemacht und die Petrischale hat eine Rolle bei der Züchtung von Hauttransplantaten und Organoiden gespielt. Organoide sind vor allem für die pharmazeutische Industrie wichtig, weil die Wirkung von Medikamenten an einzelnen Organen beobachtet werden kann und sie Tierversuche überflüssig machen.
Im Mai 2018 bestätigten Wissenschaftler der Oregon State University, dass durch Fortschritte in der Stammzellforschung schon bald ganze Zelllinien oder ganze menschliche Organe in der Petrischale gezüchtet werden könnten.
Im Juli 2018 entwickelten Bioingenieure der Harvard University in den USA ein 3D-Modell der linken Herzkammer des menschlichen Herzens, um Herzkrankheiten zu erforschen und die Auswirkungen eines Herzinfarkts in einer Petrischale zu untersuchen.