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DE102013113578B4 - Process for the controlled supply of one or more cell cultures in cell culture containers with a medium - Google Patents

Process for the controlled supply of one or more cell cultures in cell culture containers with a medium Download PDF

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DE102013113578B4
DE102013113578B4 DE102013113578.1A DE102013113578A DE102013113578B4 DE 102013113578 B4 DE102013113578 B4 DE 102013113578B4 DE 102013113578 A DE102013113578 A DE 102013113578A DE 102013113578 B4 DE102013113578 B4 DE 102013113578B4
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medium
procedure
cell culture
lower chamber
cell
Prior art date
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Michael Aufderheide
Beat Halter
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Derbur GmbH
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Abstract

Verfahren zur kontrollierten Versorgung einer oder mehrerer Zellkulturen in Zellkulturbehältern (3) mit einem Medium (17), z.B. des Respirationstraktes bei einer Kulturführung an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zur Verbesserung des Zellwachstums und der Differenzierung der Zellen in Langzeitkulturen eine Mediumumwälzung innerhalb des Zellkulturbehälters (3) erfolgt.Method for the controlled supply of one or more cell cultures in cell culture containers (3) with a medium (17), e.g. of the respiratory tract when cultured at an air-liquid interface, characterized in that in particular for improving cell growth and differentiation of the cells in long-term cultures a medium circulation takes place within the cell culture container (3).

Description

Einleitungintroduction

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung hierfür.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device therefor.

Sie betrifft insbesondere eine in vitro Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten, reproduzierbaren Langzeitversorgung von Zellkulturen auf mikroporösen Membranen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht mit Medium.In particular, it relates to an in vitro device and a method for the automated, reproducible long-term supply of cell cultures on microporous membranes at the air-liquid interface with medium.

Stand der TechnikState of the art

Die Ansprüche und Anforderungen an Zellsysteme hinsichtlich ihrer Komplexität (Monokulturen bis hin zu 3-dimensionalen mehrschichtigen Kulturen, aus wenigstens 2 unterschiedlichen Zelltypen) und Aussagekraft in Bezug auf toxikologische Fragestellungen, erfordern die Bereitstellung stabiler, reproduzierbarer Zellkulturen für Wirkstoffuntersuchungen, wie z.B. in Prescreening Verfahren. Dies gilt insbesondere für Zell-Kulturen, die zur Simulation der in vivo Situation eine vergleichbare Zell-Differenzierung aufweisen. Die dominierende Einflussgröße bei der Anlage und Züchtung der Kulturen ist deren Mediumversorgung über die mikroporöse Membran, nicht nur mit Nährstoffen für das Wachstum, sondern auch mit Substanzen, die eine Differenzierung der Zellen steuern. Dies ist von besonderer Bedeutung für Kulturen zur Untersuchung inhalationstoxikologisch relevanter Fragestellungen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (Air-Liquid Interface, ALI). Hier werden die Zellen basal mit Nährstoffen versorgt, während der apikale Anteil mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt steht. Eine optimale Versorgung der gesamten Zellpopulation - über die basale Kontaktfläche (Membran) bis hin zu den apikalen Zellschichten - ist die unabdingbare Voraussetzung für die Generierung stabiler und reproduzierbarer Zellkulturen.The demands and requirements on cell systems in terms of their complexity (monocultures up to 3-dimensional multilayer cultures, from at least 2 different cell types) and meaningfulness in relation to toxicological issues require the provision of stable, reproducible cell cultures for drug testing, such as in prescreening procedures. This applies in particular to cell cultures which have a comparable cell differentiation to simulate the in vivo situation. The dominant influencing variable when setting up and growing the cultures is their medium supply via the microporous membrane, not only with nutrients for growth, but also with substances that control cell differentiation. This is of particular importance for cultures used to investigate inhalation-toxicologically relevant issues at the air-liquid interface (ALI). Here the cells are basally supplied with nutrients, while the apical part is in contact with the surrounding atmosphere. An optimal supply of the entire cell population - via the basal contact surface (membrane) to the apical cell layers - is the indispensable prerequisite for the generation of stable and reproducible cell cultures.

Der Mediumaustausch für Langzeitkulturen erfolgt unter konventionellen Bedingungen manuell und in Abhängigkeit vom Zelltyp z.B. alle 24-48 Stunden über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Der manuelle Austausch des Mediums unterliegt Personen-abhängigen Schwankungen (vor allem Ungenauigkeiten beim Pipettieren), die bei dem normalerweise geringen Mediumvolumen unterhalb der Zellkulturgefäße zwangsläufig die Mediumversorgung beeinflussen (Konzentration der Nährstoffe). Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist darüber hinaus die reproduzierbare Generierung der Zellkulturen während der Wachstumsphase (Inkubation) im Zellinkubator. Zur Erhaltung der Vitalität der Zellen ist eine Temperatur von 37°C (± 0,1 °C) bei einer Luftfeuchte von 95% (± 1%) erforderlich. Beim manuellen Austausch des Mediums außerhalb des Zellinkubators kommt es vorübergehend zu einem Absinken der Temperatur und der Luftfeuchte. Während der Inkubationsphase kommt es zur Verdampfung von Medium, d.h. zu einer weiteren Beeinflussung der verfügbaren Nährstoffkonzentrationen, wodurch die Morphologie und Physiologie der Zellen erkennbar beeinflusst werden. Ebenso reagieren Zellkulturen empfindlich auf mechanische Irritationen, die sich bei der Handhabung der Kulturen ergeben.The medium exchange for long-term cultures is carried out manually under conventional conditions and, depending on the cell type, e.g. every 24-48 hours over a period of several weeks. The manual exchange of the medium is subject to person-dependent fluctuations (especially inaccuracies when pipetting), which inevitably influence the medium supply (concentration of nutrients) given the normally small medium volume below the cell culture vessels. Another uncertainty factor is the reproducible generation of cell cultures during the growth phase (incubation) in the cell incubator. A temperature of 37°C (± 0.1°C) with an air humidity of 95% (± 1%) is required to maintain the vitality of the cells. If the medium is changed manually outside of the cell incubator, the temperature and humidity will temporarily drop. During the incubation phase, medium evaporates, further affecting the available nutrient concentrations, which noticeably affects the morphology and physiology of the cells. Likewise, cell cultures react sensitively to mechanical irritations that arise when handling the cultures.

Über die erwähnten technischen Nachteile hinaus ist die manuelle Versorgung der Zellkulturen mit erheblichem personellem Aufwand verbunden.In addition to the technical disadvantages mentioned, the manual care of the cell cultures involves considerable personnel effort.

In der DE 19801763 ist eine Kulturvorrichtung beschrieben, welche Füllstandsabweichungen durch Zupumpen oder Abpumpen von Medium automatisch korrigiert oder auch programmgesteuert verschiedene Medium-Füllstände zulässt. Darüber hinaus ist jedoch ein regelmässiger oder kontinuierlicher Austausch von Medium notwendig, wobei wichtig ist, dass die gesamte Zellkultur gleichmässig und reproduzierbar mit frischen Nährstoffen versorgt wird. Es sind Vorrichtungen bekannt, beispielsweise aus der CH 631207, welche bei submerser Kulturführung für eine gleichmässige Verteilung von durchströmendem Kulturmedium sorgen. Bei Kulturführung an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (ALI) ist die gleichmässige und reproduzierbare Zuführung von Nährstoffen zu den Zellen anspruchsvoller als bei submerser Kulturführung, da sich die Kultur naturgemäss an der Grenzschicht des Fluids befindet und oft nur ein Teil des Mediums, z.B. ein Drittel, ausgetauscht werden soll. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die ausgewechselten Mediummengen in vielen Fällen nur im Bereich einiger Milliliter bewegen, so dass sich strömungsmechanische Effekte beim Zuführen des frischen Mediums kaum zur Durchmischung des Mediums nutzen lassen.In the DE19801763 describes a culture device which automatically corrects level deviations by pumping in or pumping out medium or also allows different medium levels under program control. In addition, however, a regular or continuous exchange of medium is necessary, it being important that the entire cell culture is supplied with fresh nutrients evenly and reproducibly. Devices are known, for example from CH 631207, which ensure an even distribution of culture medium flowing through in the case of submerged cultivation. When cultured at the air-liquid interface (ALI), the uniform and reproducible supply of nutrients to the cells is more challenging than with submerged culture, since the culture is naturally located at the interface of the fluid and often only a part of the medium, e.g Third, to be exchanged. A further complication is that the exchanged medium quantities are in many cases only in the range of a few milliliters, so that flow-mechanical effects when the fresh medium is supplied can hardly be used to mix the medium.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die mit der manuellen Zellversorgung verbundenen Nachteile durch automatisierte Versorgung von Air-liquid-Kulturen von insbesondere epithelialen Zellen z. B. des Respirationstraktes zu beheben, so dass vergleichbare Kulturen unter definierten Versorgungsbedingungen bereitgestellt werden können und reproduzierbare toxikologische Untersuchungen möglich werden. Zentrale Bestandteile der Aufgabe sind neben der Konstanthaltung des Mediumspiegels durch eine Regeleinrichtung auf 2 bis 3 Zehntelmillimeter genau, die regelmässige reproduzierbare Durchmischung des Mediums zur Gewährleistung eines homogenen Nährstoffangebots, der Regelung der Zellproliferation sowie der Zelldifferenzierung durch Adjustierung der Dauer, Frequenz und Amplitude von biomechanischem Stress als auch der vollständige oder teilweise Tausch des Mediums in Abständen von zum Beispiel 12 bis 48 Stunden über einen Zeitraum bis zu 6 Wochen, ohne dass es beim Mediumtausch zu einer Änderung der Mediumtemperatur oder der Luftfeuchte kommt.The object of the invention is to eliminate the disadvantages associated with the manual cell supply by automated supply of air-liquid cultures of epithelial cells in particular z. B. the respiratory tract, so that comparable cultures can be provided under defined supply conditions and reproducible toxicological studies are possible. In addition to keeping the medium level constant with a control device with an accuracy of 2 to 3 tenths of a millimetre, the central components of the task are the regular, reproducible mixing of the medium to ensure a homogeneous supply of nutrients, the regulation of cell proliferation and cell differentiation by adjusting the duration, frequency and amplitude of biomechanical stress as well as the full constant or partial exchange of the medium at intervals of, for example, 12 to 48 hours over a period of up to 6 weeks without the medium temperature or humidity changing during the medium exchange.

Lösung der Aufgabesolution of the task

Zur Lösung der Aufgabe führt der kennzeichnende Teil von Anspruch 1.The characterizing part of claim 1 leads to the solution of the problem.

Damit soll die Vorrichtung das Medium, zwecks Homogenisierung oder zur Stimulation der Zellen durch mechanische Reize, umwälzen können. Das Umwälzen erfolgt, indem Strömungen im Medium erzeugt werden, was durch eine Pumpe und eine oder mehrere Düsen oder auch durch andere denkbare Einrichtungen geschehen kann. Dies geschieht völlig unabhängig von der eigentlichen Zufuhr und Abführung des Mediums.The device should thus be able to circulate the medium for the purpose of homogenization or for stimulating the cells by mechanical stimuli. The circulation takes place by currents being generated in the medium, which can be done by a pump and one or more nozzles or by other conceivable devices. This happens completely independently of the actual supply and removal of the medium.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Medium hierbei durch ein Lochblech in eine geschlossene und zur Zellkultur hin offene Kammer eingebracht. Die Umwälzung wird durch Erzwingen einer Volumenänderung der geschlossenen Kammer und dadurch entstehendem Freistrahl an jedem Loch erzeugt (synthetic jet). Die Volumenänderung wird durch eine Membrane oder einen Kolben erzwungen. Die zum Erzwingen einer Volumenänderung notwendige Energie wird durch einen Elektromagneten oder einen Elektromotor in das System eingeleitet. Das Umwälzen wird durch die Volumenänderung oder ein im Medium bewegtes Teil, beispielsweise durch einen Propeller oder einen Magnetrührstab, erreicht. Der Umwälzvorgang erfolgt programmgesteuert und die Parameter des Umwälzvorganges sind einstellbar. Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Zellkulturbehälter gemeinsam durch ein Medium versorgt werden. Das Medium wird durch einen angetriebenen scheibenförmigen Körper umgewälzt. Das Medium wird zur Durchmischung umgepumpt oder zwecks Durchmischung in einen anderen Behälter abgepumpt und wieder zugepumpt.In a preferred embodiment, the medium is introduced through a perforated plate into a closed chamber that is open to the cell culture. The circulation is generated by forcing a volume change in the closed chamber and the resulting free jet at each hole (synthetic jet). The change in volume is forced by a diaphragm or a piston. The energy required to force a volume change is introduced into the system by an electromagnet or an electric motor. Circulation is achieved by the change in volume or by a moving part in the medium, for example a propeller or a magnetic stirring bar. The circulation process is program-controlled and the parameters of the circulation process are adjustable. Within the scope of the invention, several cell culture containers can also be supplied jointly by one medium. The medium is circulated by a driven disc-shaped body. The medium is pumped around to mix it or pumped out into another container and pumped back in for the purpose of mixing.

Die Erfindung betrifft vor allem auch eine Vorrichtung zur Versorgung von Zellkulturen bei einer Kulturführung an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (ALI). Der Mediumspiegel unter dem Zellkulturbehälter, wie aus dem Stand der Technik bekannt, über einen Zeitraum von mehreren Wochen innerhalb weniger Zehntelmillimeter genau einem vorgegebenen Sollwert angepasst und das Medium ausgewechselt und umgewälzt, d.h. durchmischt. Wenige Zehntelmillimeter bedeuten bevorzugt 2 bis 3 Zehntelmillimeter. Der angesprochene Zeitraum von mehreren Wochen bedeutet bevorzugt 3 bis 6 Wochen.The invention primarily also relates to a device for supplying cell cultures when cultures are carried out at an air-liquid interface (ALI). The medium level under the cell culture container, as known from the prior art, is adjusted to a specified target value within a few tenths of a millimeter over a period of several weeks and the medium is replaced and circulated, i.e. mixed. A few tenths of a millimeter preferably mean 2 to 3 tenths of a millimeter. The period of several weeks mentioned preferably means 3 to 6 weeks.

Dabei soll der Mediumspiegel durch eine Regeleinrichtung, wie ebenfalls nach dem Stand der Technik, einem vorgegebenen Sollwert nachgeführt werden. Weiter soll die Regeleinrichtung eine elektronische Regeleinrichtung sein. Die Höhe des Mediumspiegels soll bevorzugt durch einen Ultraschallsensor neben dem Kulturträger erfasst werden. Neben dem Kulturträger bedeutet, dass der Ultraschallsensor nicht direkt auf den Kulturträger gerichtet ist. Daneben bedeutet, dass der Ultraschallsensor derart gestellt ist, dass der Mediumspiegel unmittelbar neben dem Umfang des Kulturträgers erfasst werden kann.In this case, the medium level is to be tracked by a control device, as is also the case according to the prior art, to a predetermined desired value. Furthermore, the control device should be an electronic control device. The height of the medium level should preferably be detected by an ultrasonic sensor next to the culture carrier. Next to the culture carrier means that the ultrasonic sensor is not aimed directly at the culture carrier. Next to it means that the ultrasonic sensor is placed in such a way that the medium level can be detected directly next to the circumference of the culture carrier.

Die bei manueller Versorgung einer Air-Liquid-Kultur vorhandenen Probleme werden mit einer Vorrichtung gelöst, welche den Mediumfüllstand mit einem wegmessenden Ultraschallsensor erfasst und durch Zupumpen und Abpumpen von Medium mittels zweier Peristaltikpumpen auf einen vorgegebenen Sollwert regelt. Die Pumpen dienen auch dazu, in vorgegebenen Zeitabständen das Medium oder Teile davon abzupumpen und durch Zupumpen von frischem Medium zu ersetzen. In die Vorrichtung integriert wurde ein Mechanismus zur Erzeugung definierter Strömungen im Medium, da sich überraschend gezeigt hat, dass damit nicht nur eine homogene Verteilung der Mediumbestandteile erreicht wird, sondern auch eine Regelung der Zellproliferation und Zelldifferenzierung möglich ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den zur Füllstandsmessung eingesetzten Ultraschallsensor unmittelbar neben den Zellkulturgefässen anzuordnen. Dadurch wird eine höhere Prozesssicherheit erreicht als zum Beispiel bei der indirekten Messung in einem kommunizierenden Rohr oder Gefäss ( DE 198 01 763 C2 ), wo Schaum oder Luftblasen leicht zu falschen Messwerten führen können. Die Vorgabe von Sollwerten und Zeitintervallen sowie die Verarbeitung der Sensorsignale erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).The problems associated with the manual supply of an air-liquid culture are solved with a device that records the level of the medium with a distance-measuring ultrasonic sensor and regulates it to a specified target value by pumping in and pumping out medium using two peristaltic pumps. The pumps are also used to pump out the medium or parts of it at predetermined time intervals and to replace it by pumping in fresh medium. A mechanism for generating defined flows in the medium was integrated into the device, since it has surprisingly been shown that this not only achieves a homogeneous distribution of the medium components, but also regulates cell proliferation and cell differentiation. It has proven to be advantageous to arrange the ultrasonic sensor used for level measurement directly next to the cell culture vessels. As a result, greater process reliability is achieved than, for example, with indirect measurement in a communicating pipe or vessel ( DE 198 01 763 C2 ), where foam or air bubbles can easily give false readings. Target values and time intervals are specified and the sensor signals are processed via a programmable logic controller (PLC).

Eine Weiterentwicklung der beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, frisches Medium unmittelbar vor der Zuführung mit Hilfe eines Wärmetauschers auf die Temperatur, bei welcher die Zellen kultiviert werden, üblicherweise 37°C, vorzuwärmen. Dies erlaubt es, den Mediumvorrat gekühlt bereitzustellen, was das Risiko einer ungewollten Veränderung von Mediumkomponenten reduziert. Durch die Vorwärmung des Mediums kann trotzdem eine gleichbleibende Temperatur der Zellkultur beim Mediumwechsel gewährleistet werden. Eine bevorzugte Form des Wärmetauschers besteht aus einem mit Wasser gefüllten Behälter in welchem die Wassertemperatur durch ein Heizelement auf einen Sollwert geregelt wird. Das Medium wird in einem Spiralrohr durch den Wasserbehälter geführt, wobei sich das Medium im Durchlaufen erwärmt. Eine besonders gute Wärmeübertragung wird erreicht, wenn das zur Temperierung dienende Wasser im Behälter in Zirkulation gesetzt wird, beispielsweise durch einen Magnetrührstab.A further development of the devices described consists in preheating fresh medium to the temperature at which the cells are cultivated, usually 37° C., immediately before it is fed in with the aid of a heat exchanger. This allows the medium supply to be provided in a cooled condition, which reduces the risk of an unwanted change in medium components. By preheating the medium, a constant temperature of the cell culture can be guaranteed when changing the medium. A preferred form of heat exchanger consists of a container filled with water in which the water temperature is regulated to a desired value by a heating element. The medium is guided through the water tank in a spiral tube, whereby the medium heats up as it passes through. A particularly good heat transfer is achieved when the water used for temperature control is circulated in the container, for example by means of a magnetic stirring bar.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass die Häufigkeit und Intensität von Medumwechsel- und Mischvorgängen mit der externen Steuerung (nicht dargestellt) in weiten Bereichen variiert und den Erfordernissen der vorhandenen Zellkultur angepasst werden kann.All the exemplary embodiments have in common that the frequency and intensity of medium changing and mixing processes with the external control (not shown) varies within wide ranges and can be adapted to the requirements of the existing cell culture.

Anhand der Zeichnungen werden Beispiele von Vorrichtungen zur automatisierten Langzeitversorgung von Zellkulturen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht erläutert.Examples of devices for the automated long-term supply of cell cultures at the air-liquid interface are explained with reference to the drawings.

Es zeigt:

  • 1: Eine Gesamtansicht einer Langzeitversorgungsvorrichtung mit 3 Probenaufnahmemodulen
  • 2: Einen Vertikalschnitt durch eine Langzeitversorgungsvorrichtung
  • 3: Einen Vertikalschnitt durch ein Probenaufnahmemodul
  • 4: Ein Probenaufnahmemodul mit Mischpropeller
  • 5: Eine Langzeitversorgungsvorrichtung mit gemeinsamer Mediumversorgung mehrerer Zellkulturbehälter
It shows:
  • 1 : An overall view of a long-term supply device with 3 sample receiving modules
  • 2 : A vertical section through a long-term care device
  • 3 : A vertical section through a sample receiving module
  • 4 : A sample intake module with mixing propeller
  • 5 : A long-term supply device with common medium supply of several cell culture vessels

1 zeigt eine Gesamtansicht einer beispielhaften Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung. Die Vorrichtung besteht aus einem Versorgungsteil 1 und drei abnehmbaren, autoklavierbaren Probeaufnahmemodulen 2. Jedes Probeaufnahmemodul bietet Platz für einen handelsüblichen Zellkulturbehälter 3, welcher mit einem abnehmbaren Deckel 4 vor Fremdkörpern und Zugluft geschützt werden kann. Die drei Zellkulturen können in dieser Ausführung unabhängig voneinander bewirtschaftet werden. 1 shows an overall view of an exemplary embodiment of the device according to the invention. The device consists of a supply part 1 and three removable, autoclavable sample receiving modules 2. Each sample receiving module offers space for a commercially available cell culture container 3, which can be protected from foreign bodies and drafts with a removable cover 4. In this version, the three cell cultures can be managed independently of one another.

Der Versorgungsteil 1 weist eine Kupplung 5 auf, an welcher ein externer Vorratsbehälter (nicht dargestellt) mit frischem Medium angeschlossen wird. Verbrauchtes Medium wird über die Kupplung 6 in einen externen Entsorgungsbehälter oder Abfluss (nicht dargestellt) gepumpt. Die Mediumzuführung vom Versorgungsteil 1 zu den Probeaufnahmemodulen 2 erfolgt über die Schläuche 7, die Mediumabführung über die Schläuche 8. Steckverbinder 9 dienen zur Verbindung der elektrischen Komponenten mit einer externen Steuereinheit (nicht dargestellt), beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS).The supply part 1 has a coupling 5 to which an external reservoir (not shown) with fresh medium is connected. Used medium is pumped via the coupling 6 into an external disposal tank or drain (not shown). The medium is supplied from the supply part 1 to the sample intake modules 2 via the hoses 7, and the medium is removed via the hoses 8. Connectors 9 are used to connect the electrical components to an external control unit (not shown), for example a programmable logic controller (PLC).

2 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäss 1. Im Versorgungsteil 1 ist zur Bewirtschaftung jedes Probenaufnahmemoduls 2 je eine Zuführpumpe 10 und eine Abführpumpe 11 eingebaut. Aus hygienischen Gründen haben sich Peristaltikpumpen als vorteilhaft erwiesen. Die Mediumumwälzung als auch die Induktion von biomechanischem Stress durch gezielte Strömungen im Probenaufnahmemodul erfolgt in der dargestellten Ausführung durch Hubbewegungen, welche durch den im Versorgungsteil 1 eingebauten Elektromagnet 12 erzeugt und über den Primärstössel 13 in das Probenaufnahmemodul 2 eingeleitet werden. 2 shows a section through the device according to FIG 1 . A feed pump 10 and a discharge pump 11 are installed in the supply part 1 for the management of each sample receiving module 2 . For reasons of hygiene, peristaltic pumps have proven advantageous. The medium circulation as well as the induction of biomechanical stress through targeted flows in the sample receiving module takes place in the illustrated embodiment by lifting movements, which are generated by the electromagnet 12 installed in the supply part 1 and are introduced into the sample receiving module 2 via the primary plunger 13.

3 zeigt das Probenaufnahmemodul 2, dessen Grundstruktur aus einem Grundkörper 14, einem Aufnahmering 15 und einem zwischen diesen beiden Teilen eingeklemmten Glasrohr 16 besteht. In den Aufnahmering 15 ist ein Zellkulturbehälter 3 eingehängt, welcher durch den bereits erwähnten, abhebbaren Deckel 4 geschützt wird. 3 shows the sample receiving module 2, the basic structure of which consists of a base body 14, a receiving ring 15 and a glass tube 16 clamped between these two parts. A cell culture container 3 is suspended in the receiving ring 15 and is protected by the cover 4 that can be lifted off, as already mentioned.

Die Zellkultur befindet sich auf einer mikroporösen Membrane 3a, welche Bestandteil des Zellkulturbehälters 3 ist. Das Probenaufnahmemodul ist bis auf das Niveau der Membrane 3a mit Medium 17 befüllt. Je nach Kultur kann ein um mehrere Zehntelmillimeter über Membranniveau oder unter Membranniveau stehender Mediumspiegel vorteilhaft sein, wobei ein unter Membranniveau stehender Mediumspiegel durch vorgängige kurzzeitige Überfüllung an die Membrane angedockt wird. Der Mediumspiegel liegt in diesem Fall also nur an der freien Oberfläche unter Membranniveau. Die Oberflächenspannung des Mediums ermöglicht die Einstellung des Mediumspiegels in unterschiedlichen Höhen innerhalb bestimmter Grenzen.The cell culture is located on a microporous membrane 3a, which is part of the cell culture container 3. The sample receiving module is filled with medium 17 up to the level of the membrane 3a. Depending on the culture, a medium level that is several tenths of a millimeter above the membrane level or below the membrane level can be advantageous, with a medium level below the membrane level being docked to the membrane by a brief overfilling beforehand. In this case, the medium level is only below the membrane level on the free surface. The surface tension of the medium allows the medium level to be set at different heights within certain limits.

Von grosser Bedeutung ist, dass der Mediumspiegel auf 2 bis 3 Zehntelmillimeter genau eingestellt werden kann. Abweichungen, beispielsweise durch Verdunstung, müssen erkannt und durch Nachregelung ausgeglichen werden. Als besonders zweckmässig hat sich erwiesen, die Höhe des Mediumspiegels durch einen wegmessenden Ultraschallsensor zu erfassen und den Mediumspiegel mit Hilfe der Zuführ- oder Abführpumpe auf den Sollwert zu regeln. Im Ausführungsbeispiel gemäss 3 ist ein Ultraschallsensor 18 auf einer Schalldüse 19 montiert. Die Schalldüse erlaubt die Begrenzung der abgetasteten Fläche.It is of great importance that the medium level can be set with an accuracy of 2 to 3 tenths of a millimetre. Deviations, for example due to evaporation, must be recognized and compensated for by readjustment. It has proven particularly useful to record the height of the medium level using a displacement-measuring ultrasonic sensor and to regulate the medium level to the desired value with the aid of the feed or discharge pump. In the embodiment according to 3 an ultrasonic sensor 18 is mounted on a sonic nozzle 19. The sonic nozzle allows the delimitation of the scanned area.

Wichtig ist ausserdem eine periodische Durchmischung des Mediums, z.B. im Abstand von 60 Minuten. Die Durchmischung ist einerseits notwendig, um verbrauchtes Medium aus der zellnahen Mediumschicht mit dem noch nährstoffreicheren restlichen Medium zu durchmischen sowie um nach einer teilweisen Erneuerung von Medium den frischen Anteil mit dem verbleibenden Anteil zu durchmischen. Andrerseits hat sich aber auch überraschend gezeigt, dass auf strömungsmechanischem Wege das Wachstum und die Differenzierung der Zellen entscheidend reguliert werden können. Hierbei ist es aber wesentlich, dass die Zellkulturen in reproduzierbarer Weise angeströmt werden.Periodic mixing of the medium is also important, eg at intervals of 60 minutes. Mixing is necessary on the one hand to mix used medium from the medium layer close to the cell with the remaining medium, which is even more nutrient-rich, and to mix the fresh portion with the remaining portion after a partial renewal of medium. On the other hand, it has also surprisingly turned out that on the basis of fluid mechanics Ways the growth and differentiation of the cells can be decisively regulated. In this case, however, it is essential that the cell cultures are flown on in a reproducible manner.

Im Ausführungsbeispiel gemäss 3 erfolgt die Erzeugung definierter Strömungen im Medium wie folgt:

  • Das Medium 17 befindet sich in einer oberen Kammer 17a und einer unteren Kammer 17b. Zwischen den beiden Kammern befindet sich ein Lochblech 20, welches beispielsweise 36 Löcher mit Durchmesser 0.8 mm enthält. Im Boden der unteren Kammer 17b befindet sich ein in vertikaler Richtung beweglicher Sekundärstössel 21, welcher mit Hilfe einer Membrane 22 dicht eingebaut ist. Durch Betätigung des Sekundärstössels 21 nach oben wird Medium aus der unteren Kammer 17b verdrängt und strömt durch die Lochplatte 20 nach oben in die Kammer 17a. Die Löcher wirken dabei als Düsen und lassen das verdrängte Medium bis gegen die Mediumoberfläche bzw. Membrane 3a strömen (synthetic jet). Bei Bewegung des Primärstössels nach unten wird Medium von der oberen Kammer 17a in die untere Kammer 17b gesaugt, wobei das angesaugte Medium naturgemäss aus der unmittelbaren Umgebung der Löcher stammt und somit nicht dem vorher von unten nach oben geförderten Medium entspricht. Auf diese Weise entsteht durch wenige Hübe des Sekundärstössels 21 eine gute Durchmischung. Die strömungsmechanischen Effekte können durch Anzahl und Durchmesser der Löcher in der Lochplatte, sowie durch Einstellung von Dauer, Frequenz und Amplitude der Hübe in weiten Bereichen variiert werden, was für die entdeckte Regulierbarkeit der Zellproliferation und Zelldifferenzierung durch biomechanischen Stress von besonderer Bedeutung ist.
In the embodiment according to 3 the generation of defined flows in the medium takes place as follows:
  • The medium 17 is located in an upper chamber 17a and a lower chamber 17b. Between the two chambers there is a perforated plate 20 which contains, for example, 36 holes with a diameter of 0.8 mm. In the bottom of the lower chamber 17b there is a secondary ram 21 which can be moved in the vertical direction and which is tightly installed with the aid of a membrane 22. By actuating the secondary plunger 21 upwards, medium is displaced from the lower chamber 17b and flows upwards through the perforated plate 20 into the chamber 17a. The holes act as nozzles and allow the displaced medium to flow against the medium surface or membrane 3a (synthetic jet). When the primary ram moves downwards, medium is sucked from the upper chamber 17a into the lower chamber 17b, the sucked medium naturally originating from the immediate vicinity of the holes and thus not corresponding to the medium previously conveyed from the bottom upwards. In this way, thorough mixing is achieved by a few strokes of the secondary ram 21 . The flow-mechanical effects can be varied over a wide range by the number and diameter of the holes in the perforated plate, as well as by adjusting the duration, frequency and amplitude of the strokes, which is of particular importance for the discovered controllability of cell proliferation and cell differentiation by biomechanical stress.

Die Betätigung des Sekundärstössels 21 erfolgt wie in der Beschreibung zu 2 erwähnt durch den Elektromagnet 12 und den mit diesem verbundenen Primärstössel 13. Die Rückstellung des Sekundärstössels wird durch Federn (in den Figuren nicht sichtbar) sichergestellt. Die Hubbewegungen können statt mit einem Elektromagnet beispielsweise auch durch eine Pleuelstange/Kurbelwelle erzeugt werden. Die Zuführung und Abführung von Medium erfolgt durch Bohrungen (in den Figuren nicht sichtbar) im Grundkörper 14. Die Bohrungen führen in die untere Kammer 17b.The secondary plunger 21 is actuated as in the description 2 mentioned by the electromagnet 12 and the primary plunger 13 connected to it. The resetting of the secondary plunger is ensured by springs (not visible in the figures). The lifting movements can also be generated by a connecting rod/crankshaft, for example, instead of by an electromagnet. Medium is supplied and discharged through bores (not visible in the figures) in the base body 14. The bores lead into the lower chamber 17b.

4 zeigt eine Alternativlösung zum in 3 dargestellten Mischprinzip. Die Durchmischung des Mediums und die Stimulierung der Zellen erfolgt dabei durch einen Propeller 23, welcher auf einer Welle 24 sitzt und über einen Mitnehmerstift 25 angetrieben wird. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor (nicht dargestellt), welcher an Stelle des Elektromagnets 12 im Versorgungsteil 1 eingebaut ist. 4 shows an alternative solution to the in 3 shown mixing principle. The medium is mixed and the cells are stimulated by a propeller 23 which is seated on a shaft 24 and is driven by a driver pin 25 . The drive is provided by an electric motor (not shown), which is installed in the supply part 1 instead of the electromagnet 12 .

5 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Im Unterschied zu den Ausführungen gemäss 1 bis 4 wird hier eine Vielzahl von Zellkulturbehältern 3 - im Ausführungsbeispiel 24 Stück - in eine Aufnahmeplatte 26 eingehängt und durch einen gemeinsamen Mediumteich 27 versorgt. Die Durchmischung des Mediums und die Stimulierung der Zellen zur Zellproliferation und Zelldifferenzierung erfolgt durch eine permanent oder periodisch rotierende Mischscheibe 28. Durch Aussparungen 28a in der Mischscheibe 28 lässt sich der Durchmischungseffekt verstärken. Damit bei stillstehender Mischscheibe alle Zellkulturbehälter gleiche Bedingungen haben, empfiehlt sich in der Mischscheibe ein mit der Zellkulturbehälter-Anordnung korrespondierendes Aussparungsmuster. Es können aber auch andere Scheibenformen verwendet werden, wobei gleiche Bedingungen für alle Zellkulturbehälter auch durch häufiges kurzes oder permanentes langsames Bewegen der Mischscheibe geschaffen werden können. 5 shows a further variant of a device according to the invention. In contrast to the statements according to 1 until 4 Here, a large number of cell culture containers 3 - 24 pieces in the exemplary embodiment - are hung in a receiving plate 26 and supplied by a common medium pond 27 . The mixing of the medium and the stimulation of the cells for cell proliferation and cell differentiation is carried out by a permanently or periodically rotating mixing disk 28. The mixing effect can be intensified by recesses 28a in the mixing disk 28. To ensure that all cell culture containers have the same conditions when the mixing disk is stationary, it is recommended that the mixing disk should have a recess pattern that corresponds to the cell culture container arrangement. However, other disc shapes can also be used, in which case the same conditions can also be created for all cell culture containers by frequently moving the mixing disc briefly or permanently slowly.

Der Antrieb der Mischscheibe 28 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Elektromotor 29. Ausserdem ist die Aufnahmeplatte 26 über Säulen 30 höhenverstellbar, was beispielsweise nach der Mediumbefüllung ein kurzzeitiges Absenken der Zellkulturbehälter 3 und damit eine sichere Benetzung bei gleichzeitig sparsamem Mediumeinsatz ermöglicht.In this exemplary embodiment, the mixing disc 28 is driven by an electric motor 29. In addition, the receiving plate 26 can be adjusted in height via columns 30, which, for example, allows the cell culture container 3 to be lowered briefly after the medium has been filled and thus ensures reliable wetting while at the same time using medium sparingly.

BezugszeichenlisteReference List

11
Versorgungsteilsupply part
22
Probenaufnahmemodulsample acquisition module
33
Zellkulturbehältercell culture container
3a3a
Membranemembrane
44
Deckellid
55
Kupplungcoupling
66
Kupplungcoupling
77
SchlauchHose
88th
SchlauchHose
99
Steckverbinderconnector
1010
Zuführpumpefeed pump
1111
Abführpumpedrain pump
1212
Elektromagnetelectromagnet
1313
Primärstösselprimary lifter
1414
Grundkörperbody
1515
Aufnahmeringrecording ring
1616
Glasrohrglass tube
1717
Mediummedium
17a17a
obere Kammerupper chamber
17b17b
untere Kammerlower chamber
1818
Ultraschallsensorultrasonic sensor
1919
Schalldüsesonic nozzle
2020
Lochblechperforated plate
2121
Sekundärstösselsecondary tappet
2222
Membranemembrane
2323
Propellerpropeller
2424
WelleWave
2525
Mitnehmerstiftdriving pin
2626
Aufnahmeplatterecording plate
2727
Mediumteichmedium pond
2828
Mischscheibemixing disc
28a28a
Aussparungenrecesses
2929
Elektromotorelectric motor
3030
Säulepillar

Claims (20)

Verfahren zur kontrollierten Versorgung einer oder mehrerer Zellkulturen in Zellkulturbehältern (3) mit einem Medium (17), z.B. des Respirationstraktes bei einer Kulturführung an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zur Verbesserung des Zellwachstums und der Differenzierung der Zellen in Langzeitkulturen eine Mediumumwälzung innerhalb des Zellkulturbehälters (3) erfolgt.Method for the controlled supply of one or more cell cultures in cell culture containers (3) with a medium (17), for example the respiratory tract when cultivating at an air-liquid interface, characterized in that in particular to improve cell growth and differentiation of the cells in long-term cultures medium is circulated within the cell culture container (3). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Medium ein biomechanischer Stress mittels definierter Strömung im Medium hervorgerufen wird.procedure after claim 1 , characterized in that a biomechanical stress is caused in the medium by means of a defined flow in the medium. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellkulturbehälter (3) in eine obere Kammer (17 a) mit der Zellkultur und eine untere Kammer (17 b) mit dem Medium unterteilt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the cell culture container (3) is divided into an upper chamber (17 a) with the cell culture and a lower chamber (17 b) with the medium. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Kammer (17 b) eine zur Zellkultur hin durch ein Lochblech (20) offene Kammer ist und Strömungen durch Erzwingen einer Volumenänderung der unteren Kammer und dadurch entstehenden Freistrahl durch jedes Loch erzeugt wird (synthetic jet).procedure after claim 3 , characterized in that the lower chamber (17 b) is open to the cell culture through a perforated plate (20) and flows by forcing a change in volume of the lower chamber and the resulting free jet is generated through each hole (synthetic jet). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenänderung durch eine Membrane (22) oder einen Kolben (21) erzwungen wird.procedure after claim 4 , characterized in that the change in volume is forced by a membrane (22) or a piston (21). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzwingen einer Volumenänderung notwendige Energie durch einen Elektromagneten oder einen Elektromotor in das System eingeleitet wird.procedure after claim 4 or 5 , characterized in that the energy required to force a change in volume is introduced into the system by an electromagnet or an electric motor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumumwälzungen oder definierte Strömungen durch ein im Medium bewegtes Teil erfolgen.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the medium circulations or defined flows are effected by a moving part in the medium. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumumwälzungen oder definierten Strömungen durch ein im Medium rotierendes Teil erfolgen.procedure after claim 7 , characterized in that the medium circulation or defined currents are carried out by a part rotating in the medium. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das im Medium rotierende Teil ein Propeller (23) ist.procedure after claim 8 , characterized in that the part rotating in the medium is a propeller (23). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sich im Medium befindliche Körper scheibenförmig ist und Mediumumwälzungen oder definierte Strömungen durch Rotation des scheibenförmigen Körpers erzeugt werden.procedure after claim 7 , characterized in that the body located in the medium is disc-shaped and medium circulations or defined currents are generated by rotation of the disc-shaped body. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen von Mediumumwälzungen oder definierten Strömungen durch Aussparungen im scheibenförmigen Körper verstärkt wird.procedure after claim 10 , characterized in that the generation of medium circulation or defined currents is reinforced by recesses in the disc-shaped body. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zellkulturbehälter (3) durch einen gemeinsamen Mediumteich (27) versorgt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that several cell culture containers (3) are supplied by a common medium pond (27). Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zugeführtes Medium in einem Wärmetauscher vorgewärmt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the medium supplied is preheated in a heat exchanger. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass der Wärmetauscher ein Spiralrohrwärmetauscher ist.procedure after Claim 13 , characterized in that the heat exchanger is a spiral tube heat exchanger. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zugeführtes Medium im Durchlaufverfahren vorgewärmt wird.procedure after Claim 13 , characterized in that supplied medium is preheated in a continuous process. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellkulturbehälter (3) in eine obere Kammer (17 a), in der sich die Zellkultur befindet, und eine untere Kammer (17 b), in der sich das Medium befindet unterteilt ist.Device for carrying out the method according to at least one of Claims 1 - 15 , characterized in that the cell culture container (3) in an upper chamber (17 a) in which the cell culture is located, and a lower chamber (17 b), in which the medium is divided. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Kammer (17 b) und der oberen Kammer (17 a) eine Umwälzung bzw. Strömung erzeugbar ist.device after Claim 16 , characterized in that a circulation or flow can be generated between the lower chamber (17 b) and the upper chamber (17 a). Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Kammer (17 b) und der oberen Kammer (17 a) eine für das Medium durchlässige Membran oder Wand angeordnet ist.device after Claim 16 or 17 , characterized in that a membrane or wall permeable to the medium is arranged between the lower chamber (17 b) and the upper chamber (17 a). Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Kammer (17 b) und der oberen Kammer (17 a) ein Lochblech vorgesehen ist.device after Claim 18 , characterized in that a perforated plate is provided between the lower chamber (17 b) and the upper chamber (17 a). Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 16-19, dadurch gekennzeichnet, dass in der unteren Kammer (17 b) zumindest ein bewegbarer Körper (22, 23, 28) vorgesehen ist.Device according to at least one of Claims 16 - 19 , characterized in that in the lower chamber (17 b) at least one movable body (22, 23, 28) is provided.
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