DE102012003863B3 - Device, useful for determining effect of nanoparticle materials on living cells by measuring thermal power production of cells using chip-calorimeter, comprises flow measurement chamber, permanent magnet, pivot device, and thermopile - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Wirkung von Nanopartikelmaterialien auf lebende Zellen durch Messung der Wärmeleistungsproduktion der Zellen mittels Chip-Kalorimeter.The invention relates to an apparatus and a method for determining the effect of nanoparticle materials on living cells by measuring the heat output production of the cells by means of a chip calorimeter.
Die Verwendung von anthropogen erzeugten Nanopartikelmaterialien in technischen Produkten, in pharmazeutischen Präparaten sowie in vielen Haushaltswaren, Farben, Autoreifen und Diesel-Brennstoff ist ansteigend. Gleichzeitig jedoch, stehen dieser industriellen Erzeugung und Verbreitung auch Risiken gegenüber, die weitgehend noch nicht abgeschätzt werden können. Einer der Gründe für diese Ungewissheit liegt darin, dass insbesondere die toxische Wirkung dieser neuartigen Nanopartikelmaterialien auf lebende Zellen weitgehend noch nicht untersucht worden ist. Insbesondere besteht noch kein tiefgehendes Verständnis der toxischen Wirkung auf molekularer Ebene. Daher ist ein gezieltes Prüfen der toxischen Wirkung anhand der Untersuchung der Auswirkung auf bestimmte Abschnitte in der Wirkungskette von Nanopartikelmaterialien erforderlich.The use of anthropogenically generated nanoparticle materials in engineering products, in pharmaceutical preparations as well as in many household goods, paints, car tires and diesel fuel is increasing. At the same time, however, this industrial production and spread are also subject to risks that are largely unpredictable. One of the reasons for this uncertainty is that, in particular, the toxic effect of these novel nanoparticle materials on living cells has largely not been investigated. In particular, there is still no in-depth understanding of the toxic effect at the molecular level. Therefore, targeted testing of the toxic effect is required by studying the effect on specific sections in the chain of action of nanoparticle materials.
Die Kalorimetrie, mit Hilfe der die Wärmeleistung von biochemischen Aktivitäten bestimmt werden kann, stellt ein solches Verfahren zur Bestimmung der Wirkung einer Prüfsubstanz auf den physiologischen Zustand einer lebenden Zelle dar.Calorimetry, by means of which the thermal performance of biochemical activities can be determined, is one such method for determining the effect of a test substance on the physiological condition of a living cell.
Es wird eingeschätzt, dass eine mikrobielle Zelle etwa 3 pW bis 4 pW Wärmeleistung während der Wachstumsphase produziert. Dabei führt der Einsatz von z. B. 104 Zellen (z. B. in 6 μL Volumen) zu 30 nW bis 40 nW Wärmeleistung, was im Rahmen der Messauflösung (< 100 nW) der Chip-Kalorimetrie liegt.It is estimated that a microbial cell produces about 3 pw to 4 pw of heat during the growth phase. The use of z. B. 10 4 cells (eg., In 6 .mu.l volume) to 30 nW to 40 nW heat output, which is within the measurement resolution (<100 nW) of the chip calorimetry.
Ein Vorteil der Chip-Kalorimetrie liegt in der Möglichkeit der Untersuchung von Biofilmen. Einzellige Organismen, insbesondere prokayotische Zellen, leben in ihrem natürlichen Umfeld oft in Form eines Biofilms – eines Aggregates vieler Zellen (auch verschiedener Spezies), welche von einer hauptsächlich aus Polysacchariden bestehende Hülle umgeben werden. Die Untersuchung der Beeinträchtigung dieser Biofilme ist derzeit nur unter relativ hohem Arbeits- und Kostenaufwand möglich. Die Tatsache, dass Biofilme nicht nur in der Umweltmikrobiologie, sondern auch im klinischen Bereich von großer Bedeutung sind, z. B. bilden pathogene Arten von Mikroorganismen Biofilme mit offenen Wunden oder Ablagerungen an künstlichen Gelenken und Kathedern, unterstreicht den Wert der Chip-Kalorimeterie als Messverfahren.An advantage of chip calorimetry lies in the possibility of examining biofilms. Unicellular organisms, especially prokayotic cells, often live in their natural environment in the form of a biofilm - an aggregate of many cells (including various species) surrounded by a shell mainly consisting of polysaccharides. The investigation of the impairment of these biofilms is currently possible only under relatively high labor and expense. The fact that biofilms are of great importance not only in environmental microbiology but also in clinical For example, pathogenic species of microorganisms form biofilms with open wounds or deposits on artificial joints and catheters, underscoring the value of chip calorimetry as a measurement method.
Ein Chip-Kalorimeter mit einer Messkammer mit Durchfluss von Flüssigkeiten und mit einem darin befindlichen Probenaggregat ist in der Druckschrift
Das in
Ein Problem besteht darin, dass bei einer Wärmeleistungsmessung vieler Probenaggregate, die auch Beads mit z. B. daran kultivierten Bakterien als Beadproben sein können, jedoch dabei für jeden Messvorgang die Messkammer
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Wirkung von Nanopartikelmaterialien auf lebende Zellen durch Messung der Wärmeleistungsproduktion der Zellen mittels Chip-Kalorimeter anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, die vom Probenaggregat, bestehend aus magnetischen Beads und zumindest darauf aufgebrachten lebenden Zellen, auf mindestens eine der Thermosäulen übertragbare Wärmeleistung vereinfacht, schneller und genauer zu messen und daraus die Wirkung des Materials von mit den Zellen kontaktierenden Nanopartikeln auf die lebenden Zellen in kürzerer Zeit zu bestimmen. Außerdem sollen zeitaufwändige Wechsel der Messkammer vermieden werden. The invention is therefore based on the object of specifying an apparatus and a method for determining the effect of nanoparticle materials on living cells by measuring the heat output of the cells by means of chip calorimeter, which are designed to be suitable from the sample aggregate consisting of magnetic beads and at least on living cells applied thereto, simplified, faster and more accurate to measure at least one of the thermopile transferable thermal power and to determine therefrom the effect of the material of cell-contacting nanoparticles on the living cells in a shorter time. In addition, time-consuming changes of the measuring chamber should be avoided.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 16 gelöst. Die Vorrichtung zur Bestimmung der Wirkung von Nanopartikelmaterialien auf lebende Zellen durch Messung der Wärmeleistungsproduktion der Zellen mittels Chip-Kalorimeter enthält zumindest
als Chip-Kalorimeter
- – eine Durchflussmesskammer mit einem Messkanal sowie mit einem Zuführungskanal zur Zuführung für mit Wärmeleistung produzierenden und mit mindestens einem Nanopartikelmaterial in Kontakt gebrachten lebenden Zellen präparierten, magnetischen Beadproben und mit einem Abführungskanal für die Beadproben und einer für einen Transport der Beadproben vorgesehenen Transportflüssigkeit,
- – einen Permanentmagnet, der an der Oberfläche der Durchflussmesskammer positioniert ist und der mit seiner magnetischen Feldstärke die Durchflussmesskammer durchgreift,
- – eine den Permanentmagnet halternde Schwenkeinrichtung, wobei die Schwenkung des Permanentmagneten von der Oberfläche weg bis hin zu einem vorgegebenen Abstand von der Oberfläche aus und zurück erfolgt, und
- – mindestens eine Thermosäule, die gegenüber dem angeordneten Permanentmagneten an der Oberfläche der Durchflussmesskammer anliegt, wobei des Weiteren der Vorrichtung zugeordnet sind
- – eine Halterungsvorrichtung, an der die Durchflussmesskammer zumindest am Zuführungskanal und/oder am Abführungskanal vertikal aufgehängt ist,
- – ein Pumpenaggregat, das dem Abführungskanal nachgeordnet ist und zu einer gezielten Abführung der Transportflüssigkeit dient, und
- – eine Beadprobenfalle, die an das Pumpenaggregat angeschlossen ist und in der die Beadproben abgelegt sind,
wobei die elektrischen Signale in der einen Rechner enthaltenden Auswerteeinrichtung mittels programmtechnischer Mittel und technischer sowie biologischer Algorithmen zu Darstellungen verarbeitet werden, die die Reaktion der lebenden Zellen auf den Kontakt mit dem Material der Nanopartikel auf der Basis der gemessenen, von den Zellen produzierten Wärmeleistung wiedergeben.The object is solved by the features of claims 1 and 16. The device for determining the effect of nanoparticle materials on living cells by measuring the heat output production of the cells by means of chip calorimeter contains at least
as a chip calorimeter
- A flow measuring chamber with a measuring channel and with a supply channel for supplying heat-producing and prepared with at least one nanoparticle material contacted living cell prepared magnetic bead samples and with a discharge channel for the Beadproben and provided for a transport of Beadproben transport liquid,
- A permanent magnet which is positioned on the surface of the flow measuring chamber and which penetrates the flow measuring chamber with its magnetic field strength,
- - A permanent magnet holding the pivoting device, wherein the pivoting of the permanent magnet away from the surface up to a predetermined distance from the surface and back, and
- - At least one thermopile, which rests against the arranged permanent magnet on the surface of the flow measuring chamber, wherein the further associated with the device
- A holding device, on which the flow-measuring chamber is suspended vertically at least on the feed channel and / or on the discharge channel,
- - A pump unit, which is arranged downstream of the discharge channel and serves for a targeted discharge of the transport liquid, and
- A bead sample trap which is connected to the pump set and in which the bead samples are stored,
wherein the electrical signals are processed in the computer-containing evaluation means of programmatic means and technical and biological algorithms to representations that reflect the response of the living cells to the contact with the material of the nanoparticles on the basis of the measured, produced by the cells heat output.
Die Wirkung wird an der unterschiedlichen Reaktion der lebenden Zellen primär an den durch die Produktion der materialbezogenen unterschiedlichen Wärmeleistung in Form von verschiedenen elektrischen Signalen angegeben. Diese mittels programmtechnischer Mittel und technischer sowie biologischer Algorithmen ausgewerteten Signale können in Darstellungen zu weiteren Interpretationen, insbesondere der Wirkung dienen. Die Darstellungen können als Informationen oder Daten z. B. in tabellarischer und/oder kurvenausgebildeter Form von der Auswerteinrichtung ausgegeben werden.The effect is indicated by the different response of the living cells primarily to the different thermal output in the form of different electrical signals as a result of the production of the material-related heat output. These signals evaluated by means of program technology and technical as well as biological algorithms can be used in representations for further interpretations, in particular the effect. The representations can be used as information or data z. B. output in tabular and / or curved form of the evaluation device.
Das Chip-Kalorimeter zur Messung der Wärmeleistung von magnetischen Proben kann damit zumindest umfassen
- – eine Durchflussmesskammer mit einem Messkanal sowie mit einem Zuführungskanal zur Zuführung von Proben und mit einem Abführungskanal für die Proben, in denen ein Transport der Proben mittels einer Transportflüssigkeit über ein an den Abführungskanal angeschlossenes Pumpenaggregat erfolgt,
- – mindestens eine Thermosäule zur Erfassung der Wärmeleistung und Umwandlung in elektrische Signale,
- – eine über Signalleitungen mit den Thermosäulen in Verbindung stehende Auswerteeinheit, die die elektrischen Signale mittels vorgegebener programmtechnischer Mittel auswertet,
der Messkanal der Durchflussmesskammer vertikal ausgerichtet ist und weiterhin angeordnet sind:
ein Permanentmagnet, der an der Oberfläche der Durchflussmesskammer positioniert ist und der mit seiner magnetischen Feldstärke in die Durchflussmesskammer eingreift und zur Fixierung der magnetischen Proben dient,
eine den Permanentmagnet halternde Schwenkeinrichtung, wobei die Schwenkung des Permanentmagneten von der Oberfläche weg bis hin zu einem vorgegebenen Abstand von der Oberfläche aus und zurück erfolgt zur Aufhebung der Fixierung der magnetischen Proben,
wobei mindestens eine Thermosäule zur Aufnahme der Wärmeleistung der magnetischen Probe gegenüber dem angeordneten Permanentmagneten an der Durchflussmesskammer anliegt.The chip calorimeter for measuring the heat output of magnetic samples can thus at least include
- A flow measuring chamber with a measuring channel and with a feed channel for supplying samples and with a discharge channel for the samples, in which the samples are transported by means of a transport liquid via a pump set connected to the discharge channel,
- At least one thermopile for detecting heat output and conversion to electrical signals,
- An evaluation unit connected to the thermopiles via signal lines and evaluating the electrical signals by means of predetermined program-technical means,
the measuring channel of the flow measuring chamber is vertically aligned and are further arranged:
a permanent magnet, which is positioned on the surface of the flow measuring chamber and which engages with its magnetic field strength in the flow measuring chamber and serves to fix the magnetic samples,
a pivoting device holding the permanent magnet, wherein the pivoting of the permanent magnet away from the surface up to a predetermined distance from the surface and back takes place to cancel the fixation of the magnetic samples,
wherein at least one thermopile for receiving the heat output of the magnetic sample relative to the arranged permanent magnet is applied to the flow measuring chamber.
Das Chip-Kalorimeter kann in einen Thermostaten eingebettet sein, an den die Durchflussmesskammer thermisch gekoppelt ist und eine teilweise Thermostatisierung der für den Transport der magnetischen Beadproben in der eingesetzten Transportflüssigkeit bewirkt.The chip calorimeter can be embedded in a thermostat, to which the flow measuring chamber is thermally coupled and causes a partial thermostating of the transport of the magnetic bead in the transport liquid used.
Eine magnetische Beadprobe kann zur Durchführung der Messungen vor der Einführung in den Zuführungskanal mindestens aus unpräparierten magnetischen Beads, aus mit lebenden Zellen präparierten magnetischen Beads, aus mit lebenden, bereits mit Nanopartikeln kontaktierten Zellen präparierten magnetischen Beads oder aus mit lebenden, noch mit Nanopartikeln zu kontaktierenden Zellen präparierten magnetischen Beads bestehen. Die magnetischen Beadproben aus unpräparierten magnetischen Beads oder aus mit lebenden Zellen präparierten magnetischen Beads werden im Wesentlichen für Vergleichsmessungen mit den magnetischen Beadproben aus mit lebenden, bereits mit Nanopartikeln kontaktierten Zellen präparierten magnetischen Bead eingesetzt. Die Nanopartikel im letzteren Fall befinden sich ebenfalls auf dem magnetischen Bead.A magnetic bead sample can be made from at least unprepared magnetic beads, living cell-prepared magnetic beads, living magnetic beads already contacted with nanoparticles, or live nanoparticle-contacted cells to make measurements prior to introduction into the delivery channel Cell prepared magnetic beads. The magnetic bead samples from unprepared magnetic beads or living cell-prepared magnetic beads are used essentially for comparison measurements with the magnetic bead samples prepared from living magnetic beads already contacted with nanoparticles. The nanoparticles in the latter case are also on the magnetic bead.
Eine Beadprobe kann somit aus magnetischen Beads mit auf dessen Oberfläche aufgebrachten, adsorbierten lebenden Zellen bestehen, die vor der Einschleusung in die Durchflussmesskammer wahlweise einen zeitdefinierte Kontaktbehandlung mit Nanopartikeln oder keine Kontaktbehandlung mit Nanopartikeln hatten, wobei der Einfluss des Materials der Nanopartikel auf die lebende Zellen deren metabolische Wärmeleistung verändern kann.A bead sample can thus consist of magnetic beads with adsorbed living cells applied to its surface, which had a time-defined contact treatment with nanoparticles or no contact treatment with nanoparticles before being introduced into the flow-measuring chamber, the influence of the material of the nanoparticles on the living cells can change metabolic heat output.
Die eingesetzten magnetischen Beads können sich aus mehreren einzelnen Partikeln aus superparamagnetischem Eisenoxid (γ-Fe2O3; Maghämit) zusammensetzen und weisen eine perlenartige Form oder tropfenartige Form einer Zusammenballung auf, die von einer Schutzschicht umgeben ist. Die Zusammenballung kann von Polyethylenimin als Liganden umhüllt sein, das einen starken unspezifischen Anionenaustauscher darstellt. Die für die Messungen eingesetzten magnetischen Beads können 0,5 μm bis 300 μm groß sein.The magnetic beads used can be composed of a plurality of individual particles of superparamagnetic iron oxide (γ-Fe 2 O 3 , maghemite) and have a pearl-like shape or drop-like form of a cluster, which is surrounded by a protective layer. The aggregation may be enveloped by polyethylene imine as a ligand, which is a strong nonspecific anion exchanger. The magnetic beads used for the measurements can be 0.5 μm to 300 μm in size.
Der Zuführungskanal und der Abführungskanal (Beadprobentransportkanäle) stellen Kanülen dar und können als Stahlkapillaren realisiert sein.The feed channel and the discharge channel (bead sample transport channels) are cannulas and can be realized as steel capillaries.
Die Schwenkeinrichtung kann eine zwischen dem Permanentmagnet und der Halteeinrichtung angebrachte Feder, insbesondere eine Blattfeder sowie eine an der Feder angebrachte Sehne enthalten, wobei die Sehne zur Auslenkung der Feder und somit des Permanentmagneten weg von der Oberfläche der Durchflusskammer dient.The pivot means may include a spring mounted between the permanent magnet and the retainer, in particular a leaf spring and a tendon attached to the spring, the tendon for deflecting the spring and thus the permanent magnet away from the surface of the flow chamber.
Die Schwenkeinrichtung kann aber auch neben der zwischen dem Permanentmagnet und der Halteeinrichtung angebrachte Feder einen mit dem Permanentmagnet korrespondierenden bewegbaren Verschiebungs-Magneten aufweisen, der mittels Verschwenken, d. h. seiner Bewegbarkeit in der Ebene und in Richtung zum Permanentmagnet den Permanentmagnet von der Oberfläche der Durchflussmesskammer abheben und aus seinem Magnetwirkungsbereich bezüglich der Durchflussmesskammer herausführen sowie je nach Umpolung des Verschiebungs-Magneten wieder an die Oberfläche heranführen kann.However, in addition to the spring mounted between the permanent magnet and the holding device, the pivoting device can also have a movable displacement magnet corresponding to the permanent magnet, which can be moved by means of pivoting, ie. H. its mobility in the plane and in the direction of the permanent magnet lift the permanent magnet from the surface of the flow measuring chamber and lead out of its Magnetwirkungsbereich with respect to the flow measuring chamber and can lead depending on the polarity reversal of the displacement magnet back to the surface.
Die Beadprobenfalle, die an das Pumpenaggregat angeschlossen ist, weist zumindest einen Magneten auf, der die magnetischen Beadproben aus der strömenden Flüssigkeit herausfiltert und an sich anlagert.The Beadprobenfalle, which is connected to the pump unit, has at least one magnet, which filters out the magnetic bead samples from the flowing liquid and accumulates in itself.
Zwischen dem Pumpenaggregat und der Beadprobenfalle kann ein T-Stück angebracht sein, an dessen Abzweigungsleitung eine Spritze angebracht ist, mit der eine Reinigungsflüssigkeit in die Beadprobenfalle zu deren Reinigung geführt werden kann.Between the pump unit and the Beadprobenfalle a T-piece may be attached to the branch line, a syringe is mounted, with a cleaning liquid can be performed in the Beadprobenfalle for their cleaning.
Im Bereich der Halterungsvorrichtung kann in Berührung mit dem Zuführungskanal ein Temperatursensor angebracht sein.In the region of the mounting device, a temperature sensor may be mounted in contact with the supply channel.
Dem Zuführungskanal kann ein Trichter zur Einfüllung von Transportflüssigkeit mit der darin befindlichen präparierten Beadprobe in den Zuführungskanal zugeordnet sein.The feed channel may be associated with a funnel for filling transport liquid with the prepared bead sample therein into the feed channel.
In dem Verfahren zur Bestimmung der Wirkung von Nanopartikelmaterialien auf lebende Zellen durch Messung der Wärmeleistungsproduktion der Zellen unter Einsatz einer Vorrichtung einschließlich eines Chip-Kalorimeters werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 16 Vergleichsmessungen zwischen mit lebenden Zellen präparierten magnetischen Beadproben bezüglich der produzierten Wärmeleistung der lebenden Zellen bezogen auf Vorhandensein oder Nichtvorhandenseins eines zeitdefinierten Kontakts zwischen der jeweiligen Zellstruktur und des jeweils zu untersuchenden Materials der vorgegebenen Nanopartikel durchgeführt, wobei der Kontakt entweder zeitdefiniert vor der Einschleusung von präparierten magnetischen Beadproben in die Durchflussmesskammer stattgefunden hat oder dauerhaft beim Durchgang durch die Durchflussmesskammer stattfindet, wobei die Vergleichsmessungen von einer Auswerteinrichtung ausgewertet werden.In the method of determining the effect of nanoparticle materials on living cells by measuring the heat output production of the cells using a device including a chip calorimeter, comparative measurements between living cell-prepared magnetic bead samples are obtained in terms of the produced heat capacity of the living cells according to the characterizing portion of
Eine Kontaktbehandlung zwischen den magnetischen Beads und den daran adsorbierten lebenden Zellen sowie den Nanopartikeln sowohl mit verschiedenen Konzentrationen der Nanopartikel als auch unter Berücksichtigung des Konzentrationsverhältnisses zwischen lebenden Zeilen und Nanopartikeln wird je nach vorgegebener Auswertungsmodalität durchgeführt.Contact treatment between the magnetic beads and the living cells and nanoparticles adsorbed thereon, both with different concentrations of the nanoparticles and considering the concentration ratio between living cells and nanoparticles, is performed according to the given evaluation modality.
Mittels eines der Auswerteeinrichtung zugeordneten Rechners erfolgt eine Darstellung der cytotoxischen Wirkung der Nanopartikelmaterialien durch die kalorimetrische Detektion der Wärmeproduktion der biologischen Objekte in Form einer metabolische Wärmeleistung und deren Änderung infolge des Einwirkens der Nanopartikelmaterialien,
wobei für die zu untersuchenden Zellen/Objekte gilt, indem die Wärmeleistung der Zellen an Kulturen gemessen wird, wobei
- • die Kulturen in Form eines Biofilms vorliegen oder durch Kopplung über Antikörper-Antigen-Wechselwirkung oder elektrostatisch an magnetischen Beads immobilisiert sind oder
- • die Kulturen aus einer (klonal) oder mehreren (Mischkultur) Zell-Art(en) bestehen oder
- • die zu prüfenden Zellen prokarytischen oder eukarytischen Ursprungs sind oder
- • die zu prüfenden Zellen natürlich vorkommende Zellen oder gentechnisch veränderte Zeilen sind oder
- • die zu prüfenden Zellen künstlich aufrecht erhaltene Zellkulturen (z. B. He-La Zellen) sind.
wherein for the cells to be examined / objects applies by the heat output of the cells is measured on cultures, wherein
- The cultures are in the form of a biofilm or are immobilized on magnetic beads by coupling via antibody-antigen interaction or electrostatically
- • the cultures consist of one (clonal) or more (mixed culture) cell type (s) or
- • the cells to be tested are of prokarytic or eukaryotic origin or
- • the cells to be tested are naturally occurring cells or genetically modified cells or
- • the cells to be tested are artificially maintained cell cultures (eg He-La cells).
Beim Prüfen der Wirkung des Materials von Nanopartikeln auf Mikroorganismen werden Mikroorganismen in Form von Biofilmen angewandt, die an den magnetischen Beads als Beadproben kultiviert werden, wobei
die durch die Biofilmbildung an den Beadproben kultivierten Mikroorganismen aufgrund des hohen Maßes an Heterogenität realistische Modelle für die Beurteilung der cytotoxischen Wirkung von Nanopartikelmaterialien in der Umwelt darstellen und
eine Kultivierung der Biofilme an den magnetischen Beadproben einen automatisierten Beadprobentransfer durch das Chip-Kalorimeter ermöglicht.In testing the effect of the material of nanoparticles on microorganisms, microorganisms are applied in the form of biofilms, which are cultivated on the magnetic beads as bead samples, wherein
the microorganisms cultured on the bead samples due to the high degree of heterogeneity represent realistic models for the assessment of the cytotoxic effect of nanoparticle materials in the environment and
culturing the biofilms on the magnetic bead samples allows for automated bead sample transfer through the chip calorimeter.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand nachfolgend näher erläutert:
Die Durchflussmesskammer ist mit mindestens einem vertikal angeordneten Kanal für die Zuführung und einem vertikal angeordneten Kanal für die Abführung (Beadprobentransportkanäle) mindestens einer präparierten, magnetischen Beadprobe versehen. Die Durchflussmesskammer ist an die Beadprobentransportkanäle realisierenden Kanülen in einer Halterungseinrichtung aufgehängt, die an den Thermostaten des Chip-Kalorimeters thermisch gekoppelt ist und eine teilweise Thermostatisierung für den Beadprobentransport erforderliche Transportflüssigkeit bewirkt. Der Permanentmagnet wird über eine Feder auf die Oberfläche der Durchflussmesskammer gedrückt. Zur Einführung einer Beadprobe wird diese mit Hilfe des Transportflüssigkeitsstromes (z. B. Wasser oder Kulturmedium) in die Durchflussmesskammer eingeschwemmt und in Höhe/Ebene des Permanentmagneten gehalten. Die Messung der von den Zellen der Beadsprobe in dem Messkanal produzierten Wärmeleistung erfolgt bei der auf dem Positionsniveau des Permanentmagnet befindlichen und fixierten Beadprobe nach Abklingen der durch den Beadprobentransport ausgelösten thermischen Störungen zumindest in einer auch an der Oberfläche der Durchflussmesskammer angebrachten Thermosäule. Die gemessene Wärmeleistung wird in elektrische Signale umgewandelt und einer Auswerteeinrichtung zugeführt.The operation of the device according to the invention will be explained in more detail below with reference to the following:
The flow measuring chamber is provided with at least one vertical channel for the supply and a vertically arranged channel for the discharge (bead sample transport channels) of at least one prepared magnetic bead sample. The flow metering chamber is suspended from cannulas implementing the bead sample transport channels in a fixture which is thermally coupled to the thermostat of the chip calorimeter and effects a partial thermostating of transport fluid required for the bead sample transport. The permanent magnet is pressed by a spring on the surface of the flow measuring chamber. To introduce a bead sample, it is flooded into the flow measuring chamber with the aid of the transport liquid stream (eg water or culture medium) and held in the height / plane of the permanent magnet. The measurement of the heat output produced by the cells of the bead sample in the measuring channel takes place at the bead sample located at the position level of the permanent magnet and after the thermal disturbances triggered by the bead sample transport at least in a thermopile also attached to the surface of the flow measuring chamber. The measured heat output is converted into electrical signals and fed to an evaluation device.
Nach Beendigung der Messung wird der Permanentmagnet mittels einer Schwenkeinrichtung, bei der z. B. eine Feder mechanisch über die dünne Sehne ausgelenkt wird, abgehoben und die Beadproben werden mit Hilfe des Flüssigkeitsstromes aus dem Messkanal der Durchflussmesskammer ausgeschleust und außerhalb des Chip-Kalorimeters in einer Beadprobenfalle aufgefangen.After completion of the measurement of the permanent magnet by means of a pivoting device, in the z. B. a spring is mechanically deflected over the thin tendon, lifted and the bead samples are discharged by means of the liquid flow from the measuring channel of the flow measuring chamber and collected outside the chip calorimeter in a Beadprobenfalle.
Während bei der Messung der produzierten Wärmeleistung mit einer Thermosäule die absoluten Spannungswerte mit zusätzlichen unterschwelligen Störungswerten gemessen werden, besteht der Vorteil der Messung der produzierten Wärmeleistung mit zumindest zwei Thermosäulen darin, dass durch Differenzbildung der beiden Thermosäulenspannungswerte die Störungswerte eliminiert werden.While measuring the heat output produced with a thermopile, the absolute voltage values are measured with additional subthreshold disturbance values, the advantage of measuring the produced heat output with at least two thermopile is that by subtracting the two thermopile voltage values, the disturbance values are eliminated.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mittels der Auswerteeinrichtung, die mit ihren programmtechnischen Mitteln und technischen und biologischen Algorithmen die elektrischen Signale verarbeitet, für die Analyse der Wirkung, auch als toxische Wirkung bezeichnet, des Materials von Nanopartikeln auf sowohl mikrobielle Testsysteme (planktonische Kulturen, Biofilm) als auch auf eukaryotische Zellkulturen eingesetzt werden, sofern diese an magnetischen Beads immobilisierbar sind. Im letzteren Fall kann das Verfahren sowohl zur Untersuchung der toxischen Wirkung auf lebende gesunde Zellen als auch zur Evakuierung des Einsatzes von Nanopartikelmaterialien in der Behandlung von lebenden kranken Zellen, z. B. zur Behandlung von Tumorzellen, verwendet werden.The device according to the invention can by means of the evaluation, which processes the electrical signals with their programmatic means and technical and biological algorithms, for the analysis of the effect, also referred to as toxic effect of the material of nanoparticles on both microbial test systems (planktonic cultures, biofilm) as also be used on eukaryotic cell cultures, provided that they are immobilized on magnetic beads. In the latter case, the method can be used both to study the toxic effect on living healthy cells and to evacuate the use of nanoparticle materials in the treatment of living diseased cells, e.g. As for the treatment of tumor cells used.
Durch die Entwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der Chip-Kalorimetrie ist der Einsatz der hier beschriebenen Vorrichtung für oben genannte Zwecke, insbesondere dem (schnellen und kostengünstigen) Screenen von neuen Nanopartikelmaterialien, besonders geeignet.Due to the development of the device according to the invention for performing the chip calorimetry, the use of the device described here for the above purposes, in particular the (fast and inexpensive) screening of new nanoparticle materials, particularly suitable.
Weiterentwicklungen und vorteilhaftere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and more advantageous embodiments of the invention are specified in further subclaims.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment by means of several drawings.
Es zeigen:Show it:
Die in
- –
eine Durchflussmesskammer 11 mit einem Messkanal 47 sowiemit einem Zuführungskanal 12 zur Zuführung für mit Wärmeleistung produzierenden und mit mindestens einem Nanopartikelmaterial in Kontakt gebrachten lebenden Zellen präparierten, magnetischen Beadproben16 undmit einem Abführungskanal 13 für dieBeadproben 16 und der für einen Transport der Beadproben eingesetzten Transportflüssigkeit17 , - – einen
Thermostaten 15 , an den dieDurchflussmesskammer 11 thermisch gekoppelt ist und eine teilweise Thermostatisierung der für denTransport eingesetzten Transportflüssigkeit 17 bewirkt, - – einen
Permanentmagnet 18 , der ander Oberfläche 19 der Durchflussmesskammer 11 positioniert ist und der mit seiner magnetischen Feldstärke indie Durchflusskammer 11 eingreift, - – eine
den Permanentmagnet 18 halternde Schwenkeinrichtung 20 , wobei die Schwenkung des Permanentmagneten18 von der Oberfläche 19 weg bis hin zu einem vorgegebenen Abstandvon der Oberfläche 19 erfolgen kann, und - –
vier Thermosäulen 24 ,25 ,26 ,27 , die gegenüberdem angeordneten Permanentmagnet 18 ander Durchflussmesskammer 11 anliegen,
- –
eine Halterungsvorrichtung 14 , an der dieDurchflussmesskammer 11 zumindest amZuführungskanal 12 und/oder am Abführungskanal 13 vertikal aufgehängt ist, - –
ein Pumpenaggregat 28 ,das dem Abführungskanal 13 nachgeordnet ist und zu einer gezielten Abführung der Flüssigkeit17 dient, und - –
eine Beadprobenfalle 29 , die andas Pumpenaggregat 28 angeschlossen ist und in der dieBeadproben 16 abgelegt sind,
wobei die elektrischen Signale in der einen Rechner
- - a
flow measuring chamber 11 with a measuringchannel 47 as well as with asupply channel 12 magnetic bead sample prepared for delivery to thermal energy producing living cells contacted with at least onenanoparticle material 16 and with adischarge channel 13 for thebead samples 16 and the transport fluid used for transporting thebead samples 17 . - - a
thermostat 15 to which theflow measuring chamber 11 thermally coupled and a partial thermostating of the transport liquid used fortransport 17 causes - - a
permanent magnet 18 that at thesurface 19 theflow measuring chamber 11 is positioned and with its magnetic field strength in theflow chamber 11 intervenes - - One the
permanent magnet 18 holdingswivel device 20 , wherein the pivoting of thepermanent magnet 18 from thesurface 19 away up to a given distance from thesurface 19 can be done, and - - four
thermopiles 24 .25 .26 .27 facing the arrangedpermanent magnet 18 at theflow measuring chamber 11 issue,
- - A
mounting device 14 at theflowmeter 11 at least at thefeed channel 12 and / or on thedischarge channel 13 is hung vertically - - a
pump unit 28 that thedischarge channel 13 is downstream and to a targeted discharge of the liquid17 serves, and - - a
bead sample trap 29 connected to thepump unit 28 is connected and in which thebead samples 16 are stored,
where the electrical signals in the one computer
Die Darstellungen können als Informationen oder Daten z. B. in tabellarischer und/oder kurvenausgebildeter Form ausgegeben werden.The representations can be used as information or data z. B. issued in tabular and / or curved form.
Damit umfasst das Chip-Kalorimeter
- –
eine Durchflussmesskammer 11 mit einem Messkanal 47 sowiemit einem Zuführungskanal 12 zurZuführung von Proben 16 undmit einem Abführungskanal 13 für dieProben 16 , in denen einTransport der Proben 16 mittels einer Transportflüssigkeit17 über ein anden Abführungskanal 13 angeschlossenes Pumpenaggregat28 erfolgt, - –
mindestens eine Thermosäule 24 ,25 ,26 ,27 zur Erfassung der Wärmeleistung und Umwandlung in elektrische Signale, - – eine über Signalleitungen
42 ,43 ,44 ,45 mit den Thermosäulen 24 ,25 ,26 ,27 inVerbindung stehende Auswerteeinheit 38 , die die elektrischen Signale mittels vorgegebener programmtechnischer Mittel auswertet,
wobei
- - a
flow measuring chamber 11 with a measuringchannel 47 as well as with asupply channel 12 for feedingsamples 16 and with adischarge channel 13 for thesamples 16 in which a transport of thesamples 16 by means of atransport liquid 17 via a to thedischarge channel 13 connected pump set28 he follows, - - At least one
thermopile 24 .25 .26 .27 for recording heat output and conversion into electrical signals, - - one via signal lines
42 .43 .44 .45 with thethermopiles 24 .25 .26 .27 related evaluation unit 38 which evaluates the electrical signals by means of predetermined program-technical means,
the measuring
a
where at least one
Die magnetischen Proben
Eine magnetische Beadprobe
Eine Beadprobe
Die eingesetzten magnetischen Beads können sich aus mehreren einzelnen Partikeln aus paramagnetischem Eisenoxid (γ-Fe2O3; Maghämit) zusammensetzen und weisen eine perlenartige Form oder tropfenartige Form einer Zusammenballung auf, die von einer Schutzschicht umgeben ist. Die Zusammenballung kann von Polyethylenimin als Liganden umhüllt sein, das einen starken unspezifischen Anionenaustauscher darstellt. Die für die Messungen eingesetzten magnetischen Beads können 0,5 μm bis 200 μm groß sein.The magnetic beads used can be composed of a plurality of individual particles of paramagnetic iron oxide (γ-Fe 2 O 3 , maghemite) and have a pearl-like shape or drop-like form of a cluster, which is surrounded by a protective layer. The aggregation may be enveloped by polyethylene imine as a ligand, which is a strong nonspecific anion exchanger. The magnetic beads used for the measurements may be 0.5 μm to 200 μm in size.
Der Zuführungskanal
Die Schwenkeinrichtung
Die Schwenkeinrichtung
Die Beadprobenfalle
Zwischen dem Pumpenaggregat
Im Bereich der Halterungsvorrichtung
Dem Zuführungskanal
Die Bestimmung der Wirkung des Materials der Nanopartikel besteht im Wesentlichen in mindestens einer Vergleichsmessung von mit lebenden Zellen präparierten magnetischen Beadproben
Die Kontaktbehandlung zwischen den magnetischen Beads und den daran adsorbierten lebenden Zellen sowie den Nanopartikeln kann z. B. sowohl mit verschiedenen Konzentrationen der Nanopartikel als auch unter Berücksichtigung des Konzentrationsverhältnisses zwischen lebenden Zellen und Nanopartikeln je nach vorgegebener Auswertungsmodalität durchgeführt werden.The contact treatment between the magnetic beads and the living cells and the nanoparticles adsorbed thereon can, for. B. be carried out with different concentrations of the nanoparticles as well as taking into account the concentration ratio between living cells and nanoparticles depending on the given evaluation modality.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- –
Eine Durchflussmesskammer 11 wirdmit einem Messkanal 47 sowie mit mindestens einem vertikal angeordneten Kanal12 für die Zuführung und einemKanal 13 für die Abführung mindestens einer zellenpräparierten, magnetischen Beadprobe16 versehen. - –
Die Durchflussmesskammer 11 wird an die Beadprobentransportkanäle t2, t3 realisierenden Kanülen inder Halterungseinrichtung 14 aufgehängt, die anden Thermostaten 15 des Chip-Kalorimeters 40 thermisch gekoppelt ist und eine teilweise Thermostatisierung für denBeadprobentransport erforderlichen Transportflüssigkeit 17 bewirkt. - –
Der Permanentmagnet 18 wird über eine Feder22 auf dieOberfläche 19 der Durchflussmesskammer 11 gedrückt.Um den Permanentmagneten 18 abzuheben, wird dieFeder 22 mechanisch über eine dünne Sehne23 ausgelenkt. - – Zur
Einführung einer Beadprobe 16 wird dieBeadprobe 16 mit Hilfe des Flüssigkeitsstromes (z. B. Wasser oder Kulturmedium)17 über den Zuführungskanal 12 indie Durchflussmesskammer 11 eingeschwemmt und in Höhe des andie Oberfläche 19 angelegten Permanentmagneten18 , dessen magnetische Feldstärke indie Durchflusskammer 11 eingreift, gehalten. - –
Die Beadprobe 16 befindet sich dann innerhalb der Durchflussmesskammer11 im Bereich zumindest einer ander Oberfläche 19 anlegenden Thermosäule24 ,25 ,26 ,27 . - – Die Wärmeleistungsmessung erfolgt bei der auf dem Positionsniveau des Permanentmagneten
18 fixierten Beadprobe16 nach Abklingen der durch den Beadprobentransport ausgelösten thermischen Störungen in zumindest einer auch an der Oberfläche der Durchflussmesskammer11 angebrachten Thermosäulen24 ,25 ,26 ,27 . - – Nach Beendigung der Messung der Wärmeleistung wird der Permanentmagnet
18 von der Oberfläche 19 abgehoben und dieBeadprobe 16 wird mit Hilfe des Flüssigkeitsstromes17 ausgeschleust und außerhalb des Chip-Kalorimeters 40 ineiner Beadprobenfalle 29 aufgefangen.
- - A
flow measuring chamber 11 is with a measuringchannel 47 as well as with at least one vertically arrangedchannel 12 for the feeder and acanal 13 for the removal of at least one cell-preparedmagnetic bead sample 16 Mistake. - - The
flow measuring chamber 11 is to the Beadprobentransportkanäle t2, t3 realizing cannulas in the mountingdevice 14 hung on thethermostat 15 of thechip calorimeter 40 thermally coupled and a partial thermostating necessary for theBeadprobentransport transport liquid 17 causes. - - The
permanent magnet 18 is about aspring 22 on thesurface 19 theflow measuring chamber 11 pressed. To thepermanent magnet 18 take off, thespring 22 mechanically over athin tendon 23 deflected. - - To introduce a
bead sample 16 will be thebead sample 16 with the aid of the liquid flow (eg water or culture medium)17 over thefeed channel 12 into theflow measuring chamber 11 flooded and at the level of thesurface 19 appliedpermanent magnet 18 , its magnetic field strength in theflow chamber 11 engages, held. - - The
bead sample 16 is then located inside theflow measuring chamber 11 in the area of at least one on thesurface 19 applyingthermopile 24 .25 .26 .27 , - - The heat output is measured at the on the position level of the
permanent magnet 18 fixedbead sample 16 after the thermal disturbances triggered by the bead sample transport have decayed in at least one of the surfaces of theflow measuring chamber 11 attachedthermopiles 24 .25 .26 .27 , - - After completion of the measurement of the heat output becomes the
permanent magnet 18 from thesurface 19 lifted off and thebead sample 16 is using theliquid flow 17 discharged and outside thechip calorimeter 40 in abead sample trap 29 collected.
Im Folgenden soll die Signalerzeugung bei Dosierungen von Zeilen für Beadproben
In
Die Unterschiede im Verlauf der Messkurven sind wie folgt zu erklären:
Ungeachtet dessen, wie viele Bakterien sich in dem Messkanal
Regardless of how many bacteria are in the
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Dabei erfolgt mittels des Rechners
Die Wärmeleistung der Zellen kann an Kulturen gemessen werden, die in Form eines Biofilms vorliegen oder in sonstiger Weise (z. B. durch Kopplung über Antikörper-Antigen-Wechselwirkung oder elektrostatisch) an magnetischen Beads immobilisiert sind.
- • Die Kulturen können aus einer (klonal) oder mehreren (Mischkultur) Zell-Art(en) bestehen.
- • Die zu prüfenden Zellen können prokarytischen oder eukarytischen Ursprungs sein.
- • Die zu prüfenden Zellen können natürlich vorkommende Zellen oder gentechnisch veränderte Zellen sein.
- • Die zu prüfenden Zellen können künstlich aufrecht erhaltene Zellkulturen (z. B. HeLa Zellen) sein.
The heat output of the cells can be measured on cultures which are in the form of a biofilm or otherwise immobilized on magnetic beads (eg by coupling via antibody-antigen interaction or electrostatically).
- • The cultures may consist of one (clonal) or more (mixed culture) cell type (s).
- • The cells to be tested may be of prokaryotic or eukaryotic origin.
- • The cells to be tested can be naturally occurring cells or genetically modified cells.
- • The cells to be tested may be artificially maintained cell cultures (eg HeLa cells).
Die Messung der metabolischen Wärmeleistung erfolgt wie bereits beschrieben mittels des erfindungsgemäßen Chip-Kalorimeters
- – eine empfindliche Detektion der Wärmeleistung (< 100 nW Messauflösung),
- – geringe Geräte-Kosten,
- – schnelle durchführbare Messungen,
- – Verwendung geringer Mengen an Prüf-Organismen, was im Falle von eukaryotischen Zellkulturen eine weitere wesentliche Kosteneinsparung mit sich bringt,
- – Anwendung auf eine Bestimmung der Wirkung auf Biofilme ist möglich,
- – es besteht die Möglichkeit der online-Bestimmung und damit einer schnellen Bestimmung der Wirkung der Prüf-Organismen.
- - a sensitive detection of the heat output (<100 nW measurement resolution),
- Low equipment costs,
- - fast feasible measurements,
- Use of small amounts of test organisms, which in the case of eukaryotic cell cultures brings about a further substantial cost saving,
- - Application to a determination of the effect on biofilms is possible
- - there is the possibility of online determination and thus a rapid determination of the effect of the test organisms.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Chip-Kalorimeter nach dem Stand der TechnikChip calorimeter according to the prior art
- 22
- Chipträgerchip carrier
- 33
- Chipchip
- 44
- Messkammermeasuring chamber
- 55
- Flusskanalriver channel
- 66
- ThermosäulenanordnungThermopile arrangement
- 77
- Abdeckfoliecover
- 88th
- Halterungseinrichtungsupport means
- 99
- Flüssigkeitliquid
- 1010
- Erfindungsgemäße VorrichtungDevice according to the invention
- 1111
- DurchflussmesskammerFlow measurement chamber
- 1212
- Zuführungskanalfeed channel
- 1313
- Abführungskanaldischarge channel
- 1414
- Halterungsvorrichtungmounting device
- 1515
- Thermostatthermostat
- 1616
- Magnetische BeadprobeMagnetic bead sample
- 1717
- Transportflüssigkeittransport liquid
- 1818
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1919
- Oberflächesurface
- 2020
- SchwenkeinrichtungPivot means
- 2121
- Halteeinrichtungholder
- 2222
- Federfeather
- 2323
- Sehnetendon
- 2424
- Erste ThermosäuleFirst thermopile
- 2525
- Zweite ThermosäuleSecond thermopile
- 2626
- Dritte ThermosäuleThird thermopile
- 2727
- Vierte ThermosäuleFourth thermopile
- 2828
- Pumpenaggregatpump unit
- 2929
- BeadprobenfalleBeadprobenfalle
- 3030
- Erster FiltermagnetFirst filter magnet
- 3131
- Zweiter FiltermagnetSecond filter magnet
- 3232
- Dritter FiltermagnetThird filter magnet
- 3333
- T-StückTee
- 3434
- Abzweigungsleitungbranch line
- 3535
- Spritzesyringe
- 3636
- Reinigungsflüssigkeitcleaning fluid
- 3737
- Temperatursensortemperature sensor
- 3838
- Trichterfunnel
- 3939
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 4040
- erfindungsgemäßes Chip-KalorimeterInventive chip calorimeter
- 4141
- Rechnercomputer
- 4242
- Erste elektrische SignalleitungFirst electrical signal line
- 4343
- Zweite elektrische SignalleitungSecond electrical signal line
- 4444
- Dritte elektrische SignalleitungThird electrical signal line
- 4545
- Vierte elektrische SignalleitungFourth electrical signal line
- 4646
- Messbereichmeasuring range
- 4747
- Messkanalmeasuring channel
Claims (20)
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Also Published As
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GB2499727A (en) | 2013-08-28 |
GB201303107D0 (en) | 2013-04-10 |
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