Die Wahl des richtigen Puffers ist eine zentrale Entscheidung bei biologischen Untersuchungen, die sowohl die Stabilität der experimentellen Bedingungen als auch die Lebensfähigkeit empfindlicher Systeme beeinflusst. Am häufigsten stehen sich HEPES- und Bicarbonat-Puffersysteme gegenüber, jede mit eigenen Vor- und Nachteilen. Wer ihre charakteristischen Unterschiede kennt, kann den optimalen Puffer gezielt auswählen.

Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) basierende Puffer sind die konventionelle Wahl vieler Zellkulturanwendungen. Sie kommen bereits in biologischen Flüssigkeiten vor und sind aufgrund ihrer Wirksamkeit und geringen Kosten seit Jahrzehnten das Standardwerkzeug. Ihre Pufferwirkung basiert auf dem Gleichgewicht von gelöstem CO₂ und Bicarbonat-Ionen, das in Zellen durch die Carbonat-Anhydrase feinjustiert wird. Innerhalb des physiologischen Bereichs (pH ≈ 7,4) erzielen sie ausgezeichnete Ergebnisse, setzen jedoch voraus, dass die Kultivierung in CO₂-Inkubatoren erfolgt.

Die Schwäche treten insbesondere dann zutage, wenn Experimente außerhalb kontrollierter Atmosphären durchgeführt werden: Im offenen System gleicht der CO₂-Partialdruck der Umgebung nicht mehr dem erforderlichen Gleichgewicht. CO₂ entweicht, der pH steigt rasch an – eine Belastung für empfindliche Zellen. Hier kann HEPES punkten.

HEPES, systematisch 4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinethansulfonsäure, ist ein zwitterionischer Puffer mit einem pKa von etwa 7,5 und stabilisiert den pH-Wert im Bereich 6,8 – 8,2 optimal. Anders als Bicarbonat ist die Pufferung unabhängig vom atmosphärischen CO₂. Dadurch bleibt der pH auch in offenen Systemen konstant, sei es in Mikroskopie, kurzzeitigen Inkubationen, manuellen Zellmanipulation oder biochemischen Assays, in denen ein CO₂-Inkubator technisch nicht nutzbar ist. Der HEPES-Puffer-pH-Bereich deckt die meisten Anforderungen bei Säugerzellen ab.

Trotz seiner überlegenen Stabilität ist HEPES nicht ohne Einschränkungen. Auf Kostenbene liegt er klar über Bicarbonat; zudem konnten Studien bei hohen Konzentrationen bzw. längerer Lichteinwirkung Phototoxizität durch reaktive Sauerstoffspezies nachweisen. Entsprechend lautet eine wesentliche HEPES-Puffer-Vorsichtsmaßnahme: Pufferlösungen vor Licht schützen. Darüber hinaus kann HEPES spezifische Protein-Assays wie das Folin-Ciocalteu-Verfahren stören – eine Planungsgröße bei nachgehenden Analytiken.

Bicarbonat-Puffer bleiben kostengünstig und biologisch integriert, sind jedoch an CO₂-inkubierende Systeme gebunden und daher weniger universell. Die Debatte HEPES-Puffer versus Bicarbonat spiegelt letztlich die Abwägung zwischen flexibler Handhabung und ökonomischen Überlegungen wider.

Wird routinemäßige Zellkultur unter sicheren klimatischen Bedingungen betrieben, genügt Bicarbonat meist. Für Arbeiten aber, die verlässlichen pH-Ausgleich, Flexibilität oder den Aufenthalt außerhalb eines CO₂-Umfelds erfordern, stellt der HEPES-Puffer den Überlegenen dar. Wer die Einsatzgebiete eines HEPES-Puffers kennt, kann seine experimentellen Rahmenbedingungen künftig noch gezielter optimieren.