DE29908822U1 - Microcapillary culture system - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kultursystem zur Modellierung von kapillaren Gefäßen auf der Grundlage poröser, mit biologischen Grenzflächen, Membranen oder Zellen besiedelter polymerer, hohler Fasern in einem Kulturraum. Das System eignet sich zur Simulierung körpereigener biologischer Vorgänge.The invention relates to a culture system for modeling capillary vessels based on porous, polymeric, hollow fibers populated with biological interfaces, membranes or cells in a culture chamber. The system is suitable for simulating the body's own biological processes.
Es ist bekannt, daß sich körpereigene, biologische Vorgänge (z.B. Angiogenese, Entzündung oder Metastasierung) auch in vitro an porösen, zweidimensionalen Membranen untersuchenIt is known that the body's own biological processes (e.g. angiogenesis, inflammation or metastasis) can also be studied in vitro on porous, two-dimensional membranes
&iacgr;&ogr; lassen (Snyderman, R., Science 213, 1981, 230-237). Diese Membranen vermitteln die Zelladhäsion und ermöglichen eine Migration von biologischen Substanzen und Zellen durch die Poren. Diese genannten biologischen Vorgänge treten im Körper in oder an dreidimensional durchströmten, körpereigenen Systemen auf. Daher ist für eine korrekte in vitro-Modellierung auch eine dreidimensionale Anordnung der Zellen (Williams, S., Lab. Invest. 69, 1993, 491-493)β ...
is bzw. des Gewebes und eine strömende Versorgung (Lasky, L., Science 258, 1992, 964-969) notwendig.is or the tissue and a flowing supply (Lasky, L., Science 258, 1992, 964-969) is necessary.
Ein Kultursystem Mikrokapillare zur Modellierung von kapillaren Gefäßen ist aus der Patentanmeldung DE 197 11114 bekannt. Das Kultursystem besteht aus einer oder aus mehreren porösen polymeren Kapillaren, Intrakapillarer Raum (IR) genannt, die in einem zylindrischen Kulturraum, Extrakapillarer Raum (ER) genannt, eingebettet sind. Der IR steht z.B. für ein kapillares Blutgefäß, der ER modelliert das Gewebe. Das Kultursystem gestattet damit eine dreidimensionale Anordnung von Zellen in einem intrakapillaren und extrakapillaren Raum und wird so der räumlichen Anordnung von Zellen in vivo gerecht.A microcapillary culture system for modeling capillary vessels is known from patent application DE 197 11114. The culture system consists of one or more porous polymer capillaries, called intracapillary space (IR), which are embedded in a cylindrical culture space, called extracapillary space (ER). The IR stands for a capillary blood vessel, for example, and the ER models the tissue. The culture system thus allows a three-dimensional arrangement of cells in an intracapillary and extracapillary space and thus does justice to the spatial arrangement of cells in vivo .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zugangsgeometrie des Kultursystems Mikrokapillare zu entwickeln, die möglichst differenzierte Zustände in den Bereichen ER und IR ermöglicht.The invention is based on the task of developing an access geometry of the microcapillary culture system that enables the most differentiated conditions possible in the ER and IR regions.
Die Aufgabe wurde durch die Bereitstellung eines Kultursystems Mikrokapillare zur Simulierung körpereigener Systeme gelöst, das durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Zugangsgeometrie ein minimales Totvolumen aufweist (Figur 1 und 2). Dabei wird die Anordnung der Zugänge für den extra- und den intrakapillaren Raum (IR) mit dem geringst möglichen Abstand zueinander ausgeführt. Das Volumen des Ein- und Auslaufbereichs (4) des extrakapillaren Raumes (ER) ist durch eine starke Reduzierung des Durchmessers deutlich kleiner als das definierte Volumen desThe task was solved by providing a microcapillary culture system for simulating the body's own systems, which has a minimal dead volume due to the inventive design of the access geometry (Figures 1 and 2). The arrangement of the accesses for the extra- and intracapillary space (IR) is carried out with the smallest possible distance from each other. The volume of the inlet and outlet area (4) of the extracapillary space (ER) is significantly smaller than the defined volume of the
ER selbst. Die gesamten Zugänge zum intra- und extrakapillaren Raum liegen in einer Ebene mit der hohlen, porösen Kapillare. Dies ermöglicht die Kombination des erfindungsgemäßen Kultursystem Mikrokapillare zu einem Reaktorensystem auf engstem Raum. Aufgrund dieser Anordnung kann ein Parallelversuch mit identischen oder unterschiedliche Bedingungen und geringem, räumlichen und experimentellen Aufwand durchgeführt werden.ER itself. All access to the intra- and extracapillary space is in the same plane as the hollow, porous capillary. This enables the combination of the microcapillary culture system according to the invention to form a reactor system in a very small space. Due to this arrangement, a parallel experiment can be carried out with identical or different conditions and with little spatial and experimental effort.
Die Anordnung der Zugänge zum extra- und intrakapillaren Raum ist so gestaltet, daß ein Mikroskopieren des Kulturraumes mittels eines Aufsichts- oder Inverslichtmikroskopes ermöglicht wird. In der Mitte des extrakapillaren Raumes steht ein Zugangsport für die Applikation von Wirkstoffen oder zur Aufnahme von Meßsonden zur Onlinemessung vonThe arrangement of the accesses to the extra- and intracapillary space is designed in such a way that the culture space can be examined using a viewing or inverted light microscope. In the middle of the extracapillary space there is an access port for the application of active substances or for the insertion of measuring probes for online measurement of
&iacgr;&ogr; Prozeß- und Zellparametern direkt und symmetrisch in den extrakapillaren Raum zur Verfügung.&iacgr;&ogr; process and cell parameters directly and symmetrically into the extracapillary space.
Die Simulierung der körpereigenen Systeme wurde mit Hilfe kapillarer Gefäße gelöst, die aus porösen, mit biologischen Grenzflächen besiedelten, polymeren, hohlen Fasern, dem intrakapillaren Raum (IR; Figur 1, Figur 2), bestehen und die sich in einem abgeschlossenen Raum, dem extrakapillaren Raum (ER; Figur 1, Figur 2), befinden. Als Grenzflächen werden is biologische Materialien, wie Membranen oder Zellen, eingesetzt. Analog den körpereigenen Vorgängen werden die zu modellierenden, porösen kapillaren Gefäße innen- und außenseitig mit fluiden Medien umgeben oder durchströmt.The simulation of the body's own systems was solved with the help of capillary vessels that consist of porous, polymeric, hollow fibers populated with biological interfaces, the intracapillary space (IR; Figure 1, Figure 2), and that are located in a closed space, the extracapillary space (ER; Figure 1, Figure 2). Biological materials such as membranes or cells are used as interfaces. Analogous to the body's own processes, the porous capillary vessels to be modeled are surrounded or flowed through with fluid media on the inside and outside.
Unter biologischen Grenzflächen werden biologische Membranen und konfluente Zellmonolayer aus biologischen Substanzen wie Zellen, Mikroorganismen, Viren und ihren Bestandteilen, ferner Biomoleküle, wie Eiweiße, Lipide, Zucker und deren Einzelbestandteile verstanden.Biological interfaces are understood to be biological membranes and confluent cell monolayers made up of biological substances such as cells, microorganisms, viruses and their components, as well as biomolecules such as proteins, lipids, sugars and their individual components.
Die kapillare Faser mit Poren wird so im ER angeordnet, daß sie bei Besiedelung mit menschlichen oder tierischen Zellen, ähnlich den Kapillarsystemen im Organismus, von Flüssigkeiten durchströmt werden und die Zellen oder Gewebe im ER versorgen können. Das bedeutet, daß - ähnlich den körpereigenen Systemen - eine ausreichenden Versorgung mit den lebensnotwendigen Substanzen gewährleistet ist. Sowohl IR (Fig. 1: Zugang 1) als auch ER (Fig. 1: Zugang 2) können mittels separater Zugänge versorgt und durchspült werden. Weiterhin können jeweils Proben aus ER und IR gezogen werden und ein Animpfport (Fig. 1: Zugang 3) ermöglicht die lokale Applikation von Mikromengen eines Wirkstoffes in den ER oder zur Aufnahme von Meßsonden, die für die Oz/me-Beobachtung, -Messung und -Protokollierung der Prozeß- und Stoffwechselparameter des Zellsystems genutzt werden.The capillary fiber with pores is arranged in the ER in such a way that when colonized with human or animal cells, similar to the capillary systems in the organism, fluids flow through it and can supply the cells or tissue in the ER. This means that - similar to the body's own systems - an adequate supply of the vital substances is guaranteed. Both the IR (Fig. 1: access 1) and the ER (Fig. 1: access 2) can be supplied and flushed using separate accesses. Furthermore, samples can be taken from the ER and IR and an inoculation port (Fig. 1: access 3) enables the local application of micro quantities of an active substance into the ER or for the insertion of measuring probes that are used for the Oz/me observation, measurement and logging of the process and metabolic parameters of the cell system.
Das Wesen der Erfindung besteht in einer Kombination bekannter - KultursystemThe essence of the invention consists in a combination of known - cultural system
• ··
Mikrokapillare, extra- und intrakapillarer Raum - und neuer Elemente - Zugangsgeometrie - und neuer Lösungswege - Mikroskopieren des Kulturraumes, Wirkstoffapplikation in den ER, Meßsonden zur Überwachung - die sich gegenseitig beeinflussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Gebrauchsvorteil und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, daß sich nunmehr differenzierte Zustände in den Bereichen ER und IR erreichen lassen, eine lokale Unterversorgung von Zellen und Gewebe in Toträumen verhindert und der Kulturraum ER nicht unnötig erweitert wird.Microcapillaries, extra- and intracapillary space - and new elements - access geometry - and new solutions - microscopy of the culture space, application of active substances in the ER, measuring probes for monitoring - which influence each other and in their new overall effect result in a practical advantage and the desired success, which lies in the fact that differentiated states can now be achieved in the ER and IR areas, a local undersupply of cells and tissue in dead spaces is prevented and the ER culture space is not unnecessarily expanded.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß das Volumen des Kulturraumes (ER) deutlich gegenüberThe invention ensures that the volume of the culture space (ER) is significantly reduced compared to
dem Volumen der Zugangsgeometrien überwiegt und sich in diesen Bereichen keinethe volume of the access geometries and there are no
&iacgr;&ogr; unterversorgten Zonen von Zellen und Geweben ausbilden können (minimales Totvolumen). Daher läßt sich das System günstig für eine Simulation und Modellierung der biologischen Vorgänge in körpereigenen Systemen verwenden.&iacgr;&ogr; can form undersupplied zones of cells and tissues (minimal dead volume). The system can therefore be used to simulate and model biological processes in the body's own systems.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß die gesamten Zugänge zum intra- und extrakapillaren Raum in einer Ebene mit der hohlen, porösen Kapillare liegen und daß mehrere Reaktoren nebeneinander angeordnet werden können, ohne daß es zu räumlichen Behinderungen der Zugänge kommt.An advantageous embodiment of the invention is achieved in that all accesses to the intra- and extracapillary space lie in one plane with the hollow, porous capillary and that several reactors can be arranged next to one another without spatial obstructions to the accesses.
Erfindungsgemäß ermöglicht die Anwendung des Kultursystems Mikrokapillare den Benutzern, mehrere Systeme parallel in einem Versuchsaufbau zusammenzufügen und trotzdem die Versorgung aller Einzelsysteme ohne Einschränkung zu gewährleisten.According to the invention, the use of the microcapillary culture system enables users to combine several systems in parallel in one experimental setup and still ensure the supply of all individual systems without restriction.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die Anordnimg der Zugänge zum extra- und intrakapillaren Raum so gestaltet ist, daß ein Mikroskopieren des Kulturraumes mittels eines Aufsichts- oder Inverslichtmikroskopes ermöglicht wird.A further advantageous embodiment of the invention is that the arrangement of the accesses to the extra- and intracapillary space is designed in such a way that microscopy of the culture space is possible by means of an overhead or inverted light microscope.
Damit wird den Benutzern während der Kultivierung ermöglicht, die Zellen oder das Gewebe mit optischen Geräten zu kontrollieren und zu validieren, ohne daß die Sterilität des Systems dadurch gefährdet wird.This allows users to control and validate the cells or tissue with optical devices during cultivation without compromising the sterility of the system.
Eine zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß in der Mitte des extrakapillaren Raumes ein Zugangsport für die Applikation von Wirkstoffen oder Meßsonden direkt und symmetrisch in den extrakapillaren Raum zur Verfügung steht. Dieser Port läßt eine Zugabe von Wirkstoffen direkt in den ER zu, ohne die eigentlichen ER-Zugängen an der ER-Peripherie zu benutzen, wodurch sich die Auswirkung der Applikation symmetrisch im ER ausbilden kann, ohne das Totvolumen relevant zu vergrößern. Alternativ kann mit einer Sonde,An additional embodiment of the invention is achieved by providing an access port in the middle of the extracapillary space for the application of active substances or measuring probes directly and symmetrically into the extracapillary space. This port allows the addition of active substances directly into the ER without using the actual ER accesses at the ER periphery, whereby the effect of the application can develop symmetrically in the ER without significantly increasing the dead volume. Alternatively, a probe,
welche durch den Zugangsport in den ER reicht, eine On//«e-Messung des Systems durchgeführt werden. Dabei ist auch in diesem Fall die symmetrische Portanordnung von Vorteil, da sie basierend auf dem Abstand zu Ein- und Auslauf, eine unbeeinflußte und daher statistisch ausgewogene Messung repräsentiert.which reaches through the access port into the ER, an on//«e measurement of the system can be carried out. In this case, too, the symmetrical port arrangement is advantageous because, based on the distance to the inlet and outlet, it represents an uninfluenced and therefore statistically balanced measurement.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
1, 2, 3 Zugänge1, 2, 3 entrances
4 Das Volumen des Ein- und Auslaufbereichs4 The volume of the inlet and outlet area
&iacgr;&ogr; 5 Kulturraum&iacgr;&ogr; 5 Cultural area
6 Poröse, hohle Kapillare6 Porous, hollow capillary
ER Extrakapillarer RaumER Extracapillary space
IR Intrakapillarer RaumIR Intracapillary space
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