DE4200446C2

DE4200446C2 - Zellträgeranordnung

Info

Publication number: DE4200446C2
Application number: DE19924200446
Authority: DE
Inventors: Will Prof Dr Minuth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-14
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2012-01-11
Also published as: DE4200446A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zellträgeranordnung sowie auch auf ein Zellmodul oder einen Bioreaktor, hergestellt unter Verwendung einer Zellträgeranordnung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zellträgeranordnung zu schaffen, die in optimaler Weise zur Behandlung, inbesondere auch Kultivierung, von Biomaterial und dabei insbesondere von Zellen sowie auch zum Beobachten und/oder Registrieren des Verhaltens von Zellen sowie zur Produktion von Biomaterie geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Zellträgeranordnung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Zellträgeranordnung besteht im einfach sten Fall aus einen einzigen doppellagig ausgebildeten Zellträger. Wenigstens eine der beiden Lagen ist hierbei aus einem Material hergestellt, welches für das jeweilige Behandlungsmedium permeabel ist. "Behandlungsmedium" im Sinne der Erfindung ist ein gasförmiges, bevorzugt aber flüssiges Medium, mit welchem die jeweilige Zellkultur auf der Zell trägeranordnung behandelt und/oder versorgt wird. "Behand lungsmedium" im Sinne der Erfindung kann aber auch ein Medium sein, welches vom Biomaterial (Zellkultur) erzeugte Stoffe (Biomaterie) enthält.

Durch entsprechende Auswahl des Materials und/oder durch eine entsprechende Beschichtung kann die Permeabilität dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt und/oder auch so gewählt werden, daß durch die von dem Zuschnitt gebildete Wand bzw. Membrane nur ein Durchtritt ganz bestimmter, ausgewählter Stoffe eines in Kombination von Stoffen aufweisenden Behand lungsmediums möglich ist.

Bereits in seiner einfachsten Ausführung als doppellagiger Zellträger hat die erfindungsgemäße Zellträgeranordnung nicht nur den Vorteil, daß dieser Zellträger einen Stoffaustausch für die an einer Wand bzw. an einem Zuschnitt anhaftenden Zellen der Zellkultur durch diese Wand hindurch ermöglicht, sondern die Zellträgeranordnung gestattet auch eine hohe Zelldichte bei einer geringen Menge an Behandlungsmedium.

Die erfindungsgemäße Zellträgeranordnung eignet sich bei spielsweise auch für die Herstellung von Zellmodulen für medizinische Anwendungen (unter Verwendung von organspezi fischen, anhaftenden Zellen), und zwar als Ersatz oder zur Unterstützung von natürlichen Organen. Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße Zellträgeranordnung auch für den Einsatz in Bio-Reaktor-Anordnungen, insbesondere auch zur Massen produktion von Biomaterie.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und Draufsicht eine Zellträgeranordnung in Form eines doppelwandigen bzw. doppellagigen Zellträgers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 1;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine aus mehreren Zellträgern bestehende Zellträgeranordnung in einer Petri- bzw. Kulturschale;

Fig. 4 eine Draufsicht auf Fig. 3;

Fig. 5 in sehr vereinfachter und schematischer Darstellung einen Bio-Reaktor mit einer aus mehreren Zellträgern bestehenden Zellträgeranordnung.

In den Figuren ist 1 ein Zellträger, der im wesentlichen aus zwei bei der dargestellten Ausführungsform kreisscheiben förmigen Zuschnitten 2 und 3 besteht. Bei der dargestellten Ausführungsform bestehen beide Zuschnitte 2 und 3 aus einem permeablen Material und bilden damit permeable Membranen. Die Materialien für die Zuschnitte 2 und 3 sind dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend gewählt, und zwar beispielsweise derart, daß die von den Zuschnitten 2 und 3 gebildeten Membranen einen molekularen Austausch bzw. Durchtritt von Luft, Gas, Flüssigkeiten, insbesondere Behandlungs- und Wachstumsmedien usw. in nur eine Richtung oder in beiden Richtungen ermöglichen. Ein Zuschnitt, beispielsweise der in der Fig. 2 untere Zuschnitt 3 kann auch aus einem nicht durchlässigen Material hergestellt sein. Weiterhin können für die Zuschnitte unterschiedliche Materialien derart ausgewählt sein, daß der Zuschnitt 2 für andere Stoffe durchlässig als der Zuschnitt 3.

Die beiden Zuschnitte 2 und 3 sind durch ein Gewebe oder ein Gitter 4 parallel und im Abstand voneinander gehalten, und zwar derart, daß sich zwischen diesen Zuschnitten ein Raum oder Spalt 5 ergibt, der vom Umfang 6 des Zellträgers 1, an welchem die beiden Zuschnitte 2 und 3 mit ihren Rändern deckungsgleich liegen, bis an eine mittige Öffnung 7 des Zellträgers 1 weitestgehend durchgängig ist. Die Öffnung 7 ist durch Einstanzen einer entsprechenden Öffnung in beide Zuschnitte 2 und 3 gebildet. Am Rand 8 der Öffnung 7 sind die beiden Zuschnitte 2 und 3 wieder im wesentlichen deckungs gleich angeordnet, wobei allerdings der Zuschnitt 3 einen über den Rand 8 in die Öffnung 7 nach innen vorspringenden nasenartigen Fortsatz 9 aufweist, der zur Mitte der Öffnung 7 hin sich verjüngend verlaufend ausgebildet ist und im Bereich des Randes 8 etwa eine Breite aufweist, die einer Winkellänge von etwas weniger als 90° entspricht.

Anstelle des Gewebes bzw. Gitters 4 können auch andere Mittel verwendet sein, um die beiden Zuschnitte 2 und 3 auf einem Abstand voneinander zu halten. So ist es beispielsweise möglich, daß das für die Zuschnitte 2 und 3 verwendete Material Prägungen oder Vorsprünge aufweist oder mit solchen versehen ist, wobei dann diese Prägungen und Vorsprünge die Zuschnitte 2 und 3 auf Abstand halten. Auch andere Techniken sind denkbar.

Der Zellträger 1 wird im einfachsten Fall beispielsweise zum Kultivieren, Beobachten usw. von Zellen oder Zellkulturen in einer Kulturschale 10 verwendet. Hierfür dient dann bei spielsweise der Zuschnitt 2 mit seiner Außenseite als Grundlage bzw. Substrat, auf dem die dort anhaftenden Zellen vermehrt werden. In dem Spalt 5 können gasförmige oder flüssige Medien, beispielsweise flüssige Nährstoffe oder Wachstumsmedien, zu untersuchende Stoffe usw. mit geeigneten Mitteln (Pipetten usw.) eingebracht werden, wobei insbeson dere das Einbringen von flüssigen Medien durch den in die Öffnung 7 vorstehenden Vorsprung 9 wesentlich erleichtert wird. Der Vorteil des Zellträgers 1 ist u. a. auch, daß für die an dem Zuschnitt 2 anhaftenden Zellen durch diesen Zuschnitt 2 hindurch ein Stoffaustausch möglich ist, wodurch u. a. das Wachstum und/oder aber auch das Verhalten der Zellen verbessert werden.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der mehrere Zellträger 1 übereinander gestapelt im Kulturgefäß 10 angeordnet sind. Die Zellträger 1 sind hierbei auf einen in der Kulturschale 10 stehend angeordneten Haltedorn 11, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Öffnungen 7, aufgeschoben bzw. aufgesetzt, und zwar derart, daß jeder Vorsprung 9 vom Rand 8 schräg nach oben verlaufend gegen die Umfangsfläche des Haltedorns 11 anliegt und die Vorsprünge 9 der Zellträger 1 um die Achse des Haltedornes 10 gleichmäßig verteilt vorgesehen sind, so daß diese Vorsprünge 8 um den Haltedorn 11 eine spindeltreppenartige Struktur bilden und somit von oben her in den Spalt zwischen dem Haltedorn 11 und dem Rand 8 der Zellträger 1 entsprechend dem Pfeil A einge brachtes flüssiges Medium über die Vorsprünge 9 auch in den Spalt 5 jedes Zellträgers 1 gelangt.

Die Kultivierung der Zellen erfolgt hier wiederum an der Außenfläche eines Zuschnittes, beispielsweise an der Ober seite des Zuschnittes 2, und damit an der Oberseite des obersten Zellträgers 1 sowie darunterliegend jeweils im Bereich zwischen zwei im Stapel aufeinander folgenden Zellträgern 1. Es ist hierbei möglich, jeweils gleichartige Zellen zu kultivieren, oder aber Zellen unterschiedlicher Art, um so beispielsweise eine bewußte Beeinflussung unter schiedlicher Zellen zu erreichen. Dies kann z. B. bei der Kultivierung von Zellen notwendig sein, die nur in gegen seitiger Beeinflussung wachsen oder eine spezifische Leistung ausbilden.

Fig. 5 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Bio-Reaktor. Dieser besteht aus einem bei der dargestellten Ausführungs form quaderförmigen Gehäuse 12 mit geschlossener Umfangswand 13 und geschlossenem Boden 14, der beispielsweise beheizbar ist. Im Innenraum 12′ des an seiner Oberseite offenen und dort vorzugsweise durch einen nicht dargestellten Deckel verschließbaren Gehäuses 12 ist eine Hohlwelle 15 um ihre parallel zum Boden 14 verlaufende horizontale Längsachse L drehbar gelagert. Die Welle 15 besteht aus mehreren kurzen Abschnitten 15′, die zumindest antriebsmäßig zu der Welle 15 miteinander verbunden sind und von denen jeder eine Vielzahl von Zuschnitten 16 trägt, die in gleicher Weise wie die Zuschnitte 2 und 3 wiederum aus dem permeablen Material hergestellt sind.

Die kreisscheibenförmigen Zuschnitte 16 besitzen jeweils gleiche Größe, sind mit ihrer Achse achsgleich mit der Achse des Abschnittes 15′ angeordnet und in geeigneter Weise derart auf dem jeweiligen Abschnitt 15′ befestigt, daß die Zu schnitte 16 bei sich drehendem Abschnitt 15′ bzw. bei sich drehender Welle 15 mitgedreht werden. Die Zuschnitte 16 sind weiterhin so voneinander beabstandet, daß sich zwischen diesen Zuschnitten 16 Bereiche zum Wachsen bzw. Kultivieren von Zellen sowie dazwischen liegend auch Bereiche 17 für den Durchtritt eines Behandlungsmediums, beispielsweise eines flüssigen Nährstoffes ergeben. Jeder Abschnitt 15′ ist mit einem durchgehenden, sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitz 18 versehen, durch den das betreffende Medium aus dem Inneren der Hohlwelle 15 bzw. des hülsenartigen Abschnittes 15′ in die Bereiche 17 eintreten kann.

Die an den Abschnitten 15′ jeweils vorgesehenen Zuschnitte 16 bzw. Membranen bilden radartige Strukturen bzw. Zellträger anordnungen 19.

Durch einen nicht näher dargestellten Antrieb können die Welle 15 bzw. die zu dieser Welle miteinander verbundenen Abschnitte 15′ und die dort vorgesehenen radartigen Zell trägeranordnungen 19 um die Achse der Hohlwelle 15 langsam drehend angetrieben werden.

Während des Betriebes ist der Innenraum 12′ des Gehäuses 12 mit dem flüssigen Medium bis zu einem vorgegebenen Niveau N derart gefüllt, daß die Achse der Welle 15 unterhalb dieses Niveaus liegt und die scheibenartigen Zuschnitte 16 bzw. Zellträgeranordnungen 19 nur mit ihrem oberen Teilbereich aus der Behandlungsflüssigkeit vorstehen.

Die Hohlwelle 15 ist an ihrem einen Ende verschlossen. An das andere Ende der Hohlwelle 15 ist über eine Drehkupplung 20 eine Leitung 21 angeschlossen, die an den Ausgang eines Austauschers 22 führt. Der Eingang des Austauschers 22 ist über ein Filter 23 an eine Leitung 24 mit einer Pumpe 25 angeschlossen. Mit Hilfe der Pumpe 25 kann aus dem Innenraum 12′ über die Leitung 24 Behandlungsmedium an das Filter 23 und über dieses an den Eingang des Austauschers 22 gefördert werden. Das Filter 23 ist insbesondere so ausgebildet, daß es Zellen, die evtl. zusammen mit der Behandlungsflüssigkeit über die Leitung 24 mitgefördert werden, zurückhält.

Durch die dichte, lamellenartige Anordnung der Zuschnitte 16 wird erreicht, daß die Behandlungsflüssigkeit in den Berei chen 17 durch Kapillarwirkung jeweils nach oben aufsteigt, wie dies in der Fig. 5 mit dem Pfeil B angedeutet ist, sich also insoweit eine äußerst zellschonende, sanfte Strömung der Behandlungsflüssigkeit an dem an den Zuschnitten 16 anhaften den Zellen vorbei einstellt. Dadurch, daß die Strukturen 19 nicht vollständig in der Behandlungsflüssigkeit eingetaucht sind, ergibt sich beim Drehen der Welle 15 dort, wo der Umfang jeder Zellträgeranordnung 19 aus der Behandlungsflüs sigkeit auftaucht durch die Oberflächenspannung der Behand lungsflüssigkeit ein Nachziehen dieser Flüssigkeit aus den Bereichen 17 und damit eine Förderwirkung, mit der die Behandlungsflüssigkeit ebenfalls sanft und vor allem auch zellschonend durch diese Bereiche 17 bewegt wird. Selbst verständlich sorgt die Drehbewegung der Welle 15 auch dafür, daß sämtliche Teile der Zuschnitte 16 bzw. der Zellträger anordnung 19 und damit sämtliche Bereiche der anhaftenden Zellkulturen mit der Behandlungsflüssigkeit gleichmäßig behandelt bzw. versorgt werden, wobei durch die vertikale Anordnung der Zuschnitte 16, die darüber hinaus weitestgehend in der Behandlungsflüssigkeit aufgenommen sind, auf mecha nische, das Wachsen der Zellkulturen beeinträchtigende Krafteinwirkungen vermieden sind.

Über den Austauscher 22 können der Behandlungsflüssigkeit, aber auch dem Reaktorraum 12′ gasförmige, aber auch flüssige Stoffe zugegeben werden (Pfeil C). Weiterhin ist es auch möglich, über den Austauscher 22 der Behandlungsflüssigkeit in umgekehrter Weise gasförmige oder flüssige Substanzen zu entnehmen (Pfeil D). Beide Möglichkeiten können auch kombi niert vorgesehen sein.

Der Bio-Reaktor eignet sich beispielsweise für die biologi sche Herstellung von Stoffen (Biomasse), aber auch beispielsweise zur biologischen Reinigung von Gasen oder Flüssigkeiten, z. B. bei entsprechender Ausbildung zur Blutwäsche. Es versteht sich, daß die an den Zuschnitten 16 anhaftenden Zellen in ihrer Art dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend gewählt sind. Bei Einsatz des Reaktors zur Blutwäsche sind diese Zellen dann organspezifische Zellen, d. h. Leber- oder Nieren- Zellen.

Bevorzugt bilden die Zuschnitte 16 der Struktur 19 in gleicher Weise wie die Zuschnitte 2 und 3 jeweils doppel lagige Zellträger, die dann jeweils mehrfach nebeneinander auf jedem Abschnitt 15′ vorgesehen sind. Auch andere Aus bildungen sind aber denkbar.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der die Erfindung tragende Erfindungsgedanke verlassen wird.

So ist es beispielsweise möglich, unter Verwendung eines dem Zellträger 1 entsprechenden zweilagigen Zellträgers und unter Verwendung von organspezifischen, an den Außenflächen der Zuschnitte bzw. Membranen anhaftenden Zellen ein Zellenmodule für tier- bzw. humanmedizinische Anwendungen herzustellen, welches beispielsweise als Implantat für die Unterstützung oder den Ersatz körpereigener Organe dient.

Bei der vorstehenden Beschreibung der Fig. 5 wurde davon ausgegangen, daß der Spiegel des Behandlungsmediums in dem Gehäuse 12 auf einem Niveau N liegt, welches sich oberhalb der Achse L befindet, so daß nur ein relativ kleiner Teil jeder Struktur bzw. Zellträgeranordnung 19 auf dem Behand lungsmedium vorsteht.

Bereits diese Ausführung hat u. a. auch den Vorteil, daß der Luft- oder Gasaustausch nicht über das Kultur- bzw. Behand lungsmedium erfolgen muß, sondern über die Membranen bzw. Zuschnitte 16 erfolgen kann, und zwar jeweils dort, wo diese Zuschnitte 16 bzw. die Zellträgeranordnungen 19 aus dem Behandlungsmedium vorstehen.

Dieser Vorteil wird insbes. dann erreicht, wenn nur sehr wenig Kulturmedium im Innenraum 12′ verwendet ist, d. h. der Spiegel des Kulturmediums beispielsweise auf dem Niveau N′ liegt, welches sich unterhalb der Achse L befindet. In diesem Fall fließt dann die Behandlungsflüssigkeit bzw. das Kultur medium in den zwischen den Membranen gebildeten Bereichen 17 ausgehend von der hohlen Welle 15 im wesentlichen nach unten. Auch hier wird wiederum diese, schon durch die geringe axiale Breite der Bereiche 17 bedingte sanfte und zellschonende Strömung der Behandlungsflüssigkeiten beim Drehen der Welle 15 dadurch unterstützt, daß dort, wo jede Zellträgeranordnung 19 aus der Behandlungsflüssigkeit auftaucht, durch die Oberflächenspannung der Behandlungsflüssigkeit sich ein Nachziehen dieser Flüssigkeit aus dem Bereich 17 und damit eine Förderwirkung ergeben.

Durch das Zuführen der Behandlungsflüssigkeit über die hohle Welle 15 ist ein sehr niedriges Niveau N′ und damit eine sehr geringe Menge an Behandlungsflüssigkeit möglich, mit dem Vorteil, daß bei einem sehr hohen Anteil an Zellen nur ein geringer Anteil an Behandlungsmedium erforderlich ist, und zwar im Gegensatz zu anderen, bekannten Bioreaktoren.

Aufstellung der verwendeten Bezugsziffern

1 Zellträger
2, 3 Zuschnitt
4 Gitter
5 Spalt
6 Umfang
7 Öffnung
8 Rand
9 Vorsprung
10 Kulturschale
11 Haltedorn
12 Gehäuse
12′ Innenraum
13 Umfangswand
14 Boden
15 Welle
15′ Abschnitt
16 Zuschnitt
17 Bereich
18 Schlitz
19 Struktur
20 Drehkupplung
21 Leitung
22 Austauscher
23 Filter
24 Leitung
25 Pumpe

Claims

1. Zellträgeranordnung zur Kultivierung von anhaftenden Zellen, mit einer die Zellträgeranordnung tragenden Welle (15) oder einem die Zellträgeranordnung tragenden Abschnitt (15′) einer solchen Welle (15), die bzw. der um eine horizontale Längsachse in einem ein flüssiges Behandlungsmedium aufnehmenden Innenraum (12′) eines Gehäuses (12) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellträgeranordnung wenigstens doppelwandig aus mindestens zwei zwischen sich einen Spalt (5, 17) bildenden Zuschnitten (2, 3; 16) eines Flachmaterials ausgebildet ist, daß wenigstens ein Zuschnitt (2, 3; 16) aus einem Material hergestellt ist, welches für das jeweilige Behandlungsmedium durchlässig ist, und daß der Innenraum (12′) bis zu einem Niveau (N, N′) mit dem Behandlungsmedium derart gefüllt ist, daß die Zellträgeranordnung mit einem Teilbereich aus dem Behandlungsmedium vorsteht.

2. Zellträgeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (12′) bis zu einem solchen Niveau (N′) mit dem Behandlungsmedium gefüllt ist, daß die Zellträgeranordnung mit ihrem größeren Teilbereich aus diesem Behandlungsmedium vorsteht.

3. Zellträgeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt oder spaltartige Bereich durch einen Abstandhalter gebildet ist.

4. Zellträgeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter von einem Gitter, Steg, Grat oder Gewebe (4) ist.

5. Zellträgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zuschnitt (3) an einem Rand, vorzugsweise an einem Rand einer Öffnung (7) der Zellträgeranordnung (1) einen über diesen Rand (8) wegstehenden Vorsprung (9) aufweist.

6. Zellträgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschnitte (2, 3; 16) im Stapel jeweils paarweise zu einem doppellagigen Zellträger (1) miteinander verbunden sind, und zwar bevorzugt unter Verwendung wenigstens eines Abstandshalters (4).

7. Zellträgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (15) als Hohlwelle oder der Abschnitt (15′) als hülsenartiges Element ausgebildet sind.

8. Zellträgeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Welle (15) oder der Abschnitt (15′) wenigstens eine Öffnung (18) aufweist, über die der Innenraum der Welle oder des Abschnittes mit den zwischen den Zuschnitten (16) gebildeten spaltartigen oder schlitzartigen Bereichen (17) in Verbindung steht.

9. Zellträgeranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (15) oder der Abschnitt (15′) um eine Längsachse dieser Welle oder dieses Abschnittes in einem das flüssige Behandlungsmedium aufnehmenden Innenraum (12′) eines Gehäuses (12) angeordnet ist, daß eine an den Innenraum der Welle (15) oder des Abschnittes (15′) angeschlossene Leitung (21) vorgesehen ist, um den zwischen den Zuschnitten (16) gebildeten schlitz- oder spaltartigen Bereichen (17) das Behandlungsmedium zuzuführen.

10. Zellträgeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Behandlungsmedium der Leitung (21) über einen Austauscher (22) zugeführt wird, über den dem Behandlungsmedium gasförmige oder flüssige Stoffe zugegeben und/oder entnommen werden können.