DE10014057A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Beaufschlagen einer in einem Kulturgefäss aufgenommenen Kultur mit einem gasförmigen Medium sowie Expositionsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (28) zur Exposition einer in einem Kulturgefäß (22) aufgenommenen Kultur (23) mit einem gasförmigen Medium. Zum Erzielen einer möglichst homogenen Verteilung des zu beaufschlagenden gasförmigen Mediums auf der Kulturoberfläche wird eine gezielte Strömung des gasförmigen Mediums über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kultur (23) erzeugt. Die Erfindung betrifft ferner eine Expositionsvorrichtung zum Versorgen einer in einem Kulturgefäß (22) aufgenommenen Kultur (23) mit einem flüssigen Medium, welches die Beaufschlagungsvorrichtung (28) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beaufschlagen einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit einem gasförmigen Medium sowie eine Expositions­ vorrichtung.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, der in einem Kul­ turgefäß enthaltenen Kultur flüssige Nährmedien zuzuführen. So ist insbesondere bekannt, ein bestimmtes flüssiges Nähr­ medium innerhalb des Kulturgefäßes durch ein anderes Nähr­ medium auszutauschen, einen bestimmten Flüssigkeitspegel des flüssigen Nährmediums innerhalb des Kulturgefäßes ein­ zustellen und das Kulturgefäß zu entleeren. Ein Beispiel für eines solches Kulturgefäß ist in der Druckschrift DE 196 19 114 A1 gezeigt.

So ist es weiterhin bekannt, die Kulturen innerhalb des Kulturgefäßes mit einem gasförmigen Medium zu beaufschla­ gen, die Zellkulturen somit vorgegebenen schädigenden und therapeutischen Bedingungen auszusetzen. Aus der DE 198 01 762 ist es weiterhin bekannt, neben der Behandlung von Zellkulturen mit Gasen und/oder Aerosolen auch partikuläre Wirkstoffe unmittelbar mit den Zellkulturen in Kontakt zu bringen. Hierzu werden die zu untersuchenden Partikel auf die Zellkulturen aufgestäubt und ggf. unter Senken und He­ ben des Nährflüssigkeitspegels innerhalb des Kulturgefäßes von der Zellkultur abgehoben bzw. mit dieser in Kontakt ge­ bracht.

All diesen bekannten Kulturgefäßen ist gemein, daß eine be­ stimmte gasförmige Atmosphäre oberhalb der in dem Kulturge­ fäß enthaltenen Kultur durch Zuführen der gewünschten Atmo­ sphäre eingestellt werden kann. Dies geschieht entweder, indem das Kulturgefäß mit der Umgebungsluft kommuniziert, d. h. die Umgebungsluft über eine Eingangsöffnung in das Kulturgefäß gelangen kann, oder indem über die Eingangsöff­ nung eine gewünschte Atmosphäre beispielsweise von einer unter leichtem Druck stehenden Vorratsflasche an die Kultur angelegt wird. Bei letzterer Methode strömt nach Öffnen des Druckventils in der Vorratsflasche aufgrund des anfängli­ chen Druckunterschiedes zwischen der Atmosphäre in der Vor­ ratsflasche und der Atmosphäre in dem Kulturgefäß solange etwas von der Atmosphäre aus der Vorratsflasche in das Kul­ turgefäß, bis sich ein statisches Druckgleichgewicht einge­ stellt hat. Danach gibt es keine weitere Strömung in das Kulturgefäß, erst recht nicht in Richtung der Kulturober­ fläche. Der einzige Antrieb einer Bewegung der Partikel in dem gasförmigen Medien erfolgt dann über den Diffusionsme­ chanismus. Grundsätzlich wird in beiden Fällen also das gasförmige Medium statisch angelegt.

Der Nachteil dieser bekannten Methoden zum Beaufschlagen der Kultur mit einem gasförmigen Medium liegt darin, daß keine zeitlich und räumlich homogene Verteilung der Atmo­ sphäre über die gesamte Zellkulturoberfläche bzw. bei meh­ reren in mehreren verschiedenen Kulturgefäßen aufgenommenen Zellkulturen über die mehreren Zellkulturoberflächen ge­ währleistet werden kann und damit beispielsweise die Ergeb­ nisse der Versuche mit diesen Zellkulturen in Verbindung mit der Atmosphäre statistisch unerwünschten Schwankungen ausgesetzt sind.

Insbesondere bei gasförmigen Medien, welche Partikel mit sich führen, läßt sich mit den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen keine homogene Verteilung der Partikel auf der Oberfläche der Zellkulturen erzielen, was zu ungenauen Meßergebnissen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zum Beaufschlagen einer in ei­ nem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit einem gasförmigen Medium dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine möglichst homogene Verteilung des zu beaufschlagenden gasförmigen Me­ diums auf der Kulturoberfläche erzielt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegenstän­ den der Ansprüche 1 und 18.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beaufschlagen (zur Exposition) einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit (in) einem gasförmigen Medium ist diese zum Er­ zeugen einer gezielten Strömung des gasförmigen Mediums über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kultur aus­ gestaltet. Bei dem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfah­ ren zum Beaufschlagen (zur Exposition) einer in einem Kul­ turgefäß aufgenommenen Kultur mit (in) einem gasförmigen Medium wird eine gezielte Strömung des gasförmigen Mediums über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kultur er­ zeugt. Unter einer gezielten Strömung wird insbesondere ei­ ne Art steuerbare Strömung verstanden, die zwangsgeführt und kontinuierlich (unterbrochen oder ununterbrochen) über die Oberfläche strömt, und zwar derart, daß der Strö­ mungsverlauf im vornherein nach bestimmten Kriterien opti­ miert ist, sei es in seiner zeitlichen oder räumlichen Ho­ mogenität. Mit einer Strömung lassen sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten statischen Anlegen eines gasförmigen Mediums die Verhältnisse des zu beaufschlagen­ den Mediums (Konzentrationen, Homogenitäten, etc.) oberhalb der Kultur sehr viel genauer einstellen.

Außerdem wird es erstmals möglich, auch allein die Außenat­ mosphäre (Außenluft) als gasförmiges Medium zufriedenstellend über die Kulturoberfläche zu leiten. Bei der stati­ schen Situation wurden beispielsweise die in die Außenluft abgegebenen Reaktionsprodukte der Kulturen nur unzureichend abtransportiert und konnten somit das Versuchsergebnis ver­ fälschen. Mit dem Einstellen einer Strömung ist nunmehr vorteilhaft eine sehr viel größere Bandbreite an Simulati­ onsmöglichkeiten gegeben, insbesondere hinsichtlich der Einstellung der Konzentration des gasförmigen Mediums ober­ halb der Kultur.

Auch ist hiermit erstmals die problematische Behandlung der Kulturen mit Festpartikeln zufriedenstellend gelöst (siehe oben). Nunmehr können die Festpartikel in dem gasförmigen Medium mitgeführt werden und mit der Strömung über die Oberfläche geleitet werden. So kann beispielsweise die Be­ lastung von Lungenzellen durch Partikeldurch Verändern der Strömung oberhalb der Lungenzellen untersucht werden.

Das gasförmige Medium kann erfindungsgemäß als reines Gas vorliegen, d. h. alle darin enthaltenen Stoffe (Atome, Mole­ küle, etc.) befinden sich in der Gasphase, und/oder es kann auch als Träger für Fest- und/oder Flüssigstoffe dienen. Insbesondere können so Aerosole, zerstäubte Flüssigkeiten, kleine Flüssigkeitströpfchen (z. B. Pflanzenschutzmittel als Sprühnebel, etc.), Schwebeteilchen, Feststoffpartikel (z. B. Holzstaub, etc.), gasförmige Suspensionen, zerstäubte Sus­ pensionen oder Emulsionen als zu tragende Substanzen in dem Trägergas enthalten sein.

Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung einen Eingang zum Einlei­ ten des gasförmigen Mediums, einen Ausgang zum Ableiten des gasförmigen Mediums, wobei die Kultur in dem Kulturgefäß strömungstechnisch gesehen zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist, und ein Mittel zum kontinuierlichen Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang.

Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Strömungsführung auf, die folgendes umfaßt: wenigstens ein Strömungseinleitmittel mit zwei Enden, dessen erstes Ende in das Kulturgefäß eintaucht und dessen zweites Ende mit dem Eingang kommuni­ ziert, und wenigstens ein Strömungsableitmittel mit zwei Enden, dessen erstes Ende in das Kulturgefäß eintaucht und dessen zweites Ende mit dem Ausgang kommuniziert. Vorteil­ haft wird mit dieser Strömungsführung das zu beaufschlagen­ de gasförmige Medium als gerichte Strömung direkt zur Ober­ fläche der Kultur zwangsgeführt.

Bevorzugt ist das Mittel zum kontinuierlichen Erzeugen ei­ ner Druckdifferenz eine Pumpe, die mit ihrem saugseitigen Anschluß strömungstechnisch nach dem Kulturgefäß angeordnet ist. Zum vorteilhaften Einstellen der Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums oberhalb der Oberfläche der Zellkultur ist die Pumpe in ihrer Pumpleistung dabei besonders bevorzugt steuerbar.

Bevorzugt ist die Vorrichtung zum parallelen Beaufschlagen von in mehreren Kulturgefäßen aufgenommenen Kulturen mit dem gasförmigen Medium ausgestaltet, wobei die Strömungs­ führung hierfür eine entsprechende Anzahl an Strömungsein­ leit- und ableitmittel umfaßt, und jeweils ein aus einem Strömungseinleit- und einem Strömungsableitmittel bestehen­ des Paar genau einem Kulturgefäß zugeordnet ist. Somit ist es möglich, parallel mehrere Untersuchungen mit gleichen oder unterschiedlichen Kulturen durchzuführen, die jeweils alle die gleiche Zusammensetzung des (Prüf)-Mediums erhal­ ten, um die Meßergebnisse statistisch aufzubessern bzw. ein entsprechendes Medium mittels mehrerer Kulturen gleichzei­ tig auf verschiedene Reaktionen hin zu untersuchen.

Dabei sind zum vorteilhaften weiteren Homogenisieren des gasförmigen Mediums vor Überströmen der einzelnen Kulturo­ berflächen die mehreren Strömungseinleitmittel alle über eine gemeinsame Verwirbelungskammer mit dem Eingang verbun­ den. Außerdem sind hierfür bevorzugt die mehreren Strö­ mungsableitmittel alle über eine gemeinsame Ausgangskammer mit der Pumpe verbunden.

Zum Erzielen einer Strömung über im wesentlichen die gesam­ te Oberfläche einer Kultur entsprechen die Strömungseinleitmittel im Bereich ihres ersten Endes in ihrer Quer­ schnittsform bevorzugt in etwa der Querschnittsform des zu­ gehörigen Kulturgefäßes. Außerdem ist hierzu die Vorrich­ tung bevorzugt zum Beaufschlagen von Kulturgefäßen, die ei­ nen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, mit einem gasför­ migen Medium ausgelegt, wobei die Strömungseinleitmittel zumindest im Bereich ihres ersten Endes einen kreisförmigen Querschnitt haben, und der Außendurchmesser eines Strö­ mungseinleitmittels etwas geringer als der Innendurchmesser des zugehörigen Kulturgefäßes in der Nähe der Oberfläche der im Kulturgefäß aufgenommen Kultur ist.

Zum Erzielen einer definierten Strömung in unmittelbarer Nähe der (Zell)-Kulturoberfläche taucht das Strömungsein­ leitmittel bevorzugt in das zugehörige Kulturgefäß bis kurz oberhalb der Oberfläche der im jeweiligen Kulturgefäß auf­ genommenen Kultur ein.

Bevorzugt ist die Vorrichtung zum Beaufschlagen von Kultur­ gefäßen, die einen sich zum Gefäßboden konisch verjüngenden Querschnitt aufweisen, mit einem gasförmigen Medium ausge­ legt, wobei die Strömungsableitmittel derart ausgebildet sind, daß sie bezüglich der Gefäßhöhe des Kulturgefäßes le­ diglich eine kurze Strecke in das zugehörige Kulturgefäß eintauchen. Vorteilhaft wird hiermit eine besonders homoge­ ne Strömung im Bereich der Kulturoberfläche erzielt.

Als weitere bevorzugte Maßnahmen zum Verbessern des Strö­ mungsprofils und/oder Vereinfachen des Gesamtaufbaus wird folgendes vorgesehen:

• - das Strömungseinleitmittel ist als gerades Zylinder­ rohr ausgebildet, dessen zweites Ende eine bestimmte Strecke weit in die gemeinsame Verwirbelungskammer ragt,
• - das Strömungsableitmittel ist als gerades Zylinderrohr ausgebildet, dessen zweites Ende in die gemeinsame Ausgangskammer mündet,
• - der Zylinderaußendurchmesser des Strömungseinleitmit­ tels ist etwas geringer als der Zylinderinnendurchmes­ ser des Strömungsableitmittels und das Strömungseinleitmittel ist zentral innerhalb des Strömungsableit­ mittels geführt, und/oder
• - der Unterschied zwischen dem Zylinderaußen- und dem Zylinderinnendurchmesser zuzüglich der Zylinderwand­ stärke des Strömungsableitmittels entspricht in etwa dem Unterschied des Innendurchmessers des Kulturgefä­ ßes in Höhe des ersten Endes des Strömungseinleitmit­ tel und in Höhe des ersten Endes des Strömungsableit­ mittels.

Zum Erzielen einer möglichst kompakten Bauweise ist die Ausgangskammer bevorzugt zwischen der Verwirbelungskammer und den aufzunehmenden Kulturgefäßen angeordnet, wobei die Strömungseinleitmittel durch die Ausgangskammer geführt und von dieser strömungstechnisch isoliert sind.

Die Erfindung betrifft ferner eine Expositionsvorrichtung zum Versorgen einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kul­ tur mit einem flüssigen Medium, welche ferner eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zum Beaufschlagen einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit einem gasförmigen Me­ dium aufweist. Die Expositionsvorrichtung kann beispiels­ weise mobil für Untersuchungen umweltrelevanter Atmosphären sowohl im Innen- als auch im Außenraumbereich zur Bestim­ mung des gesundheitsgefährdenden Potentials an Zellen ein­ gesetzt werden. Die Kulturen können dabei bei den Feldver­ suchen vorteilhaft über das flüssige Medium versorgt (d. h. ernährt) werden.

Bevorzugt umfaßt die Expositionsvorrichtung ferner folgen­ des: eine Kultureinheit, welche zur Aufnahme von wenigstens einem, insbesondere vier Kulturgefäß(en) dient, und eine Versorgungseinheit zum Versorgen der Kultur(en) in dem(den) Kulturgefäß(en) mit dem flüssigen Medium aufweist, eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Kultureinheit, und ei­ ne Einrichtung zum automatischen Positionieren und Koppeln der Kultureinheit mit der Vorrichtung zum Beaufschlagen der Kultur mit einem gasförmigen Medium. Vorteilhaft ist hier­ mit eine besonders einfache Handhabung der Expositionsvorrichtung, insbesondere hinsichtlich des Austauschs von Kul­ turgefäßen, ermöglicht.

Bevorzugt weist die Kultureinheit ferner eine temperierbare Wanne zur Aufnahme der Kulturgefäße auf. Vorteilhaft können die Kulturen somit auch außerhalb des Labors auf Temperatu­ ren gehalten werden, welche für das Überleben bzw. Wachstum der Kulturen notwendig sind.

Bevorzugt weist die Expositionsvorrichtung ferner eine fe­ dernd gehalterte Kontaktplatte auf, die in der Ankoppelpo­ sition der Kultureinheit in Kontakt mit den Gefäßrändern der Kulturgefäße gelangt und dabei federnd nachgibt. Vor­ teilhaft wird damit der Anpreßdruck der Kulturgefäße an die Beaufschlagungsvorrichtung und damit auch die Dichtheit an dieser Stelle erhöht. Ganz besonders bevorzugt sind hierzu Dichtmittel in die Kontaktplatte eingelassen, und zwar we­ nigstens in den Bereichen der Kontaktplatte, die in der An­ koppelposition mit den Gefäßrändern der Kulturgefäße in Kontakt kommen.

Die in der Expositionsvorrichtung in Kombination bean­ spruchten Merkmale können vorteilhaft auch unabhängig von­ einander, insbesondere ohne die Vorrichtung zum Beaufschla­ gen einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit ei­ nem gasförmigen Medium verwirklicht werden.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der:

Fig. 1a, b jeweils zwei unterschiedliche Seitenansich­ ten einer Expositionsvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zeigen,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Beaufschlagen einer in einem Kulturgefäß aufgenommenen Kultur mit einem gasförmigen Medium gemäß dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel zeigt, mit der die prinzipielle Funk­ tionsweise dieser Vorrichtung erläutert wer­ den soll, und

Fig. 3 eine detailliertere Ansicht der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ist.

Die (mobile) Expositionsvorrichtung weist ein Gestell 2 auf, das an einer Bodenplatte 4 befestigt ist. Die Boden­ platte 4 steht auf drei oder mehreren höhenverstellbaren Füßen 6 zum horizontalen Ausrichten einer Flüssigkeitsober­ fläche einer in der Expositionsvorrichtung aufgenommenen Flüssigkeit (siehe unten) im Schwerefeld. An dem Gestell 2 ist eine in der Höhe verfahrbare Mittelplatte 8 zum Aufneh­ men einer Kultureinheit 10 angeordnet. Die Mittelplatte 8 weist hierzu eine Art Schubladenfach auf, in das der ka­ stenförmige Bodenabschnitt der Kultureinheit 10 eingescho­ ben und dort in seiner Lage festgelegt werden kann. Die Festlegung wird dabei über eine Feder/Nut-Führung 12 ge­ währleistet.

Die Kultureinheit 10 umfaßt in Höhe ihres Bodenabschnitts einen temperierbaren Metallblock 14, der eine wannenförmige Vertiefung zur Aufnahme einer Wanne 16 aufweist, und ober­ halb ihres Bodenabschnitts einen Vorratsbehälter 18 (beispielsweise eine Mediumflasche) zum Aufnehmen eines flüssigen Mediums sowie eine Schlauchpumpe 20 zum Fördern des flüssigen Mediums zwischen der Wanne 16 und dem Vor­ ratsbehälter 18.

Die Wanne 16 weist wiederum nicht dargestellte Aufnahmemit­ tel für die Aufnahme von Kulturgefäßen 22 (z. B. Transwell- Inserts) auf, wobei die Kulturen in den Kulturgefäßen 22 aufgenommen werden. Beispielsweise kann an dieser Stelle die in dem deutschen Patent 198 01 763 offenbarte Kultur­ vorrichtung als Kulturgefäß 22 verwendet werden. Die Offen­ barung dieses Patentes wird hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen.

Hierzu wird diese Anmeldung als Anlage beigefügt und ist damit expliziter Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.

Diese Kulturgefäße 22 (Transwell-Inserts) haben beispiels­ weise eine becherartige Form mit kreisförmigen Querschnitt, wobei sich der Durchmesser von der Becheröffnung bis zum Becherboden konisch verjüngt. Der Becherboden besteht aus einem porösen Kunststoffmaterial, zum Beispiel aus Polye­ thylenterephthalat. Das Zellkulturinsert stellt eine flüs­ sigkeitsdurchlässige Tragstruktur für eine Membran dar, die je nach Erfordernis der zu kultivierenden Zellen aus unter­ schiedlichen Kunststoffmaterialien hergestellt sein kann, z. B. ebenfalls Polyethylenterephthalat. Die Membran trägt dabei die Zellkultur.

Ferner umfaßt die Kultureinheit 10 wenigstens einen, vor­ zugsweise zwei oder auch mehrere nicht dargestellte Senso­ ren und eine zugehörige nicht dargestellte Steuer- /Regelungseinheit, welche die Kulturen in den Kulturgefäßen 22 pulsmäßig versorgt (pulsmäßige Steuerung der Zufuhr und Abfuhr von beispielsweise Nährflüssigkeit) und das Niveau des Mediums innerhalb der Kulturgefäße 22 regelt. Damit können beispielsweise die Kulturen innerhalb der Kulturge­ fäße 22 periodisch abwechselnd basal und submers ernährt werden, indem der Flüssigkeitspegel der Nährflüssigkeit entsprechend oberhalb oder unterhalb der Oberfläche der Kulturen eingestellt wird. Für weitere Details bezüglich der Pulssteuerung und Niveauregelung des flüssigen Mediums innerhalb der Kulturgefäße 22 wird ebenfalls auf die in der Anlage beigefügte Patentanmeldung verwiesen. Es sei be­ merkt, daß der Unterschied zwischen der in der beigefügten Patentanmeldung beschriebenen Kulturvorrichtung und der hier beschriebenen entsprechenden Wanne 16 darin besteht, daß in der Wanne 16 die Kulturgefäße nicht mehr über Module mit jeweils drei Kulturgefäßen eingebracht sind, sondern direkt in der Wanne 16 hängen. Die Versorgung der Kulturge­ fäße 22 in der Wanne 16 mit Nährflüssigkeit erfolgt hierbei über den Deckel der Wanne 16, wobei die Flüssigkeit dann über den porösen Boden der Kulturgefäße 22 in diese ein­ dringen kann. Auch die nicht dargestellten Sensoren sind nun nicht mehr pro Modul vorgesehen, sondern können an der Seitenwand der Wanne 16 angebracht sein, und zwar in der Höhe verstellbar, so daß sie verschiedene Flüssigkeitspegel innerhalb der Wanne 16 detektieren können. Hierzu kann eine beliebige Anzahl an (höhenverstellbaren) Sensoren vorgese­ hen sein, die alle in unterschiedlicher Höhe an der Seiten­ wand der Wanne 16 angebracht sind. Damit kann beispielswei­ se der Flüssigkeitspegel innerhalb der Wanne 16 so gesteu­ ert werden, daß simultan einige Kulturen submers, andere hingegen noch basal ernährt werden (sofern die Kulturgefäße 22 unterschiedliche Eintauchtiefen in die Wanne 16 aufwei­ sen). Alternativ kann selbstverständlich auch die in der beigefügten Patentanmeldung beschriebene Kulturvorrichtung unverändert übernommen werden.

Es können ferner (nicht dargestellte) Temperatursensoren an oder innerhalb der Wanne 16 vorgesehen sein, und zwar für eine Temperaturregelung der Flüssigkeit innerhalb der Wanne 16.

Insgesamt integriert die Kultureinheit 10 also sämtliche Elemente zur optimalen Versorgung der Kulturen (Zellen, etc.) während der Expositionsphase in dem temperierbaren Metallblock 14. Die Mittelplatte 8 wird dabei nach Bestüc­ kung mit den zu untersuchenden Kulturen in den Kulturgefä­ ßen 22 mittels eines Getriebemotors 24 und einer Gewinde­ spindel 26 zu einer Beaufschlagungsvorrichtung 28 hochge­ fahren. Die Beaufschlagungsvorrichtung 28 ist samt ihrer zugehörigen Vakuumpumpe 30 auf einer Deckelplatte 32 mon­ tiert.

Nachfolgend wird die Beaufschlagungsvorrichtung 28 mit Be­ zug auf die Fig. 2 und 3 im Detail beschrieben. Die Be­ aufschlagungsvorrichtung 28 setzt sich im wesentlichen aus einer oberen Verwirbelungskammer 34, einer darunter ange­ ordneten und lediglich durch eine Trennwand 36 voneinander getrennte Ausgangskammer 38 (beide Kammern 34 und 38 bilden also ein Zweikammersystem), mehreren Strömungseinleitrohren 40 mit jeweils einem ersten 41a und einem zweiten Ende 41b, mehreren Strömungsableitrohren 42 mit jeweils einem ersten 43a und einem zweiten Ende 43b, einer Ansaugöffnung 44 und der Vakuumpumpe 30 zusammen. Die Ansaugöffnung 44 (die bei­ spielsweise als Ansaugstutzen mit einer bestimmten Höhe ausgebildet sein kann, um die Außenatmosphäre deutlich oberhalb der Luftschicht anzusaugen, die ggf. durch Abdamp­ fungsphänomene unerwünschter Stoffen von der gesamten Expo­ sitionsvorrichtung verunreinigt ist und das Meßergebnis verfälschen würde), über die das zu beaufschlagende Medium eingesaugt wird, ist an der Oberseite der Verwirbelungskam­ mer 34 angeordnet. Das zu beaufschlagende Medium kann ent­ weder von einer weiteren nicht dargestellten Vorratsflasche oder einer Erzeugungseinheit zum Erzeugen des Mediums (Dieselmotor, Benzinmotor, Reaktionsbehälter, in dem das zu beaufschlagende Medium erst aus einem oder mehreren Aus­ gangsprodukten erzeugt wird, etc.) stammen, sofern ein in seiner Zusammensetzung bekanntes gasförmiges Medium zu den Zellkulturen eingeleitet werden soll, oder bei Anwendung der Expositionsvorrichtung in einem Feldversuch aus der Au­ ßenatmösphäre. Somit können beispielsweise die Auswirkungen verschiedener natürlich vorkommender Atmosphären auf das Wachstum oder generell das Verhalten von Zellkulturen (beispielsweise Lungenzellen, etc.) untersucht werden.

Die Strömungseinleitrohre 40 sind als gerade Zylinderrohre (z. B. als Metallhülse) mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, der über ihre gesamte Länge gleich ist. Die Strömungseinleitrohre 40 ragen mit ihrem zweiten Ende 41b ein Stück weit von der Unterseite der Verwirbelungskammer 34, d. h. von der Trennwand 36, in den Innenraum der Verwir­ belungskammer 34, durchdringen die Ausgangskammer 38 von deren Oberseite, d. h. der Trennwand 36, bis zu deren Unter­ seite 46 und ragen anschließend mit ihrem ersten Ende 41a ein Stück weit über die Unterseite 46 hinaus ins Freie (bei nicht aufgesetztem Kulturgefäß 22). Wie aus Fig. 3 deut­ lich sichtbar wird, sind die Strömungseinleitrohre 40 ge­ genüber der Ausgangskammer 38 über Dichtringe 48 luftdicht abgedichtet und mittels geeigneter Befestigungsmittel 50 sowohl gegen laterales als auch axiales Verschieben festge­ legt. Alternativ können die Strömungsableitrohre 42 in ei­ nem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch als mehrere separate, um den Außenumfang jeweils eines Strömungsein­ leitrohres 40 angeordnete Röhrchen mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein.

Die Strömungsableitrohre 42 sind ebenfalls wie die Strö­ mungseinleitrohre 40 als gerade Zylinderrohre (z. B. als Me­ tallhülse) mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, der über ihre gesamte Länge gleich ist. Ihr Durchmesser ist jedoch etwas größer dimensioniert als der Durchmesser der Strömungseinleitrohre 40. Dabei verlaufen die Strömungsein­ leitrohre 40 zentral innerhalb der Strömungsableitrohre 42 und ragen an der Unterseite 46 der Ausgangskammer ein Stück weit aus den Strömungsableitrohren 42 heraus. Diese heraus­ ragende Länge ist so bemessen, daß bei einem konisch sich zum Boden verjüngenden Kulturgefäß 22 die Strömungsein­ leitrohre 40 bis knapp oberhalb der Oberfläche der sich darin befindlichen Zellkultur 23 reichen, die Strömungsab­ leitrohre 42 hingegen lediglich ein kurzes Stück von oben in das Kulturgefäß 22 ragen. Dabei ist der Außendurchmesser der Strömungseinleitrohre 40 so bemessen, daß er etwas ge­ ringer als der Innendurchmesser des Kulturgefäßes 22 in Nä­ he der Oberfläche der Zellkultur 23 ist. Insgesamt bildet sich bei aufgesetztem Kulturgefäß 22 somit ein ringförmiger Spalt am ersten Ende 40a bzw. der unteren Mündung der Strö­ mungseinleitrohre 40 zwischen deren Außenwand und der In­ nenwand des Kulturgefäßes 22, durch welchen das gasförmige Medium strömen kann. Dieser ringförmige Spalt kann auch auf andere Weise als über die beschriebene Art mit den beiden ineinander geschobenen Zylinderrohren 40 und 42 erzielt werden. Der Strömungsverlauf durch die Beaufschlagungsvor­ richtung 28 ist mit den einzelnen Pfeile in Fig. 2 ange­ deutet.

Insgesamt strömt das gasförmige Medium aufgrund der Druck­ differenz zwischen dem Ansaugstutzen 44 und dem Ausgang 39, welche durch die am Ausgang 39 der Ausgangskammer 38 ange­ schlossene Vakuumpumpe 30 erzeugt wird, also durch den An­ saugstutzen 44, wird in der Verwirbelungskammer 34 so ver­ wirbelt, daß das gasförmige Medium möglichst homogen durch alle Strömungseinleitrohre 40 einströmen kann, von dort gelangt es auf die Oberfläche der Zellkulturen 23 in den ein­ zelnen Kulturgefäßen 22, strömt dort kontinuierlich über die im wesentlichen die gesamte Zellkulturoberfläche und entlang der Gefäßinnenwände der Kulturgefäße 22 nach oben zu dem ringförmigen Eingangsspalt zwischen Strömungeinleit- 40 und -ableitrohr 42, durch das Strömungsableitrohr 42 in die Ausgangskammer 38 und von dort über den Ausgang 39, die Vakuumpumpe 30 und den Pumpenausgang 31 ins Freie.

In der in Fig. 1 gezeigten Expositionsvorrichtung befindet sich an der Unterseite 46 der Ausgangskammer 38 eine gefe­ derte Kontaktplatte 52, welche bei Hochfahren der Mittel­ platte mit der Kultureinheit 10 bei Kontakt nach oben fe­ dernd nachgibt und somit einen gewissen Anpreßdruck des Au­ ßenrandes der Kulturgefäße 22 gegen eine in der Kontakt­ platte 52 eingelassene Silikonmatte 53 herstellt. Die Sili­ kondichtung kann alternativ (nicht dargestellt) auch nur ringförmig um die Strömungsableitrohre 42 herum in die Kon­ taktplatte 52 eingelassen sein. Dies sorgt für einen luft­ dichten Abschluß des Innenraums der Kulturgefäße 22 gegen­ über dem Außenraum. Damit wird gewährleistet, daß jede Zellkultur 23 im Prinzip einer identischen Zusammensetzung der Atmosphäre ausgesetzt ist, da alle Zellkulturen 23 die durch eine einzige Ansaugöffnung 44 angesaugte Atmosphäre erhalten, die anschließend noch in der Verwirbelungskammer 34 derart homogenisiert wird, daß etwaige Konzentrationsun­ terschiede über den Einströmquerschnitt gesehen nochmals ausgeglichen werden.

Die Beaufschlagungsvorrichtung 28 ist dabei entweder über Federmittel 54 auf der Kontaktplatte 52 aufgesetzt (wobei die Kontaktplatte 52 direkt mit der Deckelplatte 32 gekop­ pelt ist). Hiermit wird gewährleistet, daß bei Einrücken der Federmittel 54 die ersten Enden 41a und 43a der Strö­ mungseinleit- 40 bzw. -ableitrohre 42 unabhängig von der Einrücktiefe der Federmittel 54 immer gleich weit in die Kulturgefäße 22 eintauchen. Andererseits können die Kon­ taktplatte 52 über die Federmittel 54 und die Beaufschla­ gungsvorrichtung 28 direkt mit der Deckelplatte 32 gekop­ pelt sein. Damit variiert aber je nach Einrücktiefe des Federmittels 54 beim Anpressen der Kultureinheit 10 an die Kontaktplatte 52 auch die Eintauchtiefe der Strömungsein­ leit- 40 bzw. ableitrohre 42 in die Kulturgefäße 22.

Die Pumpleistung der Vakuumpumpe 30 ist wähl- und steuer­ bar, so daß insbesondere die Strömungsgeschwindkeit ober­ halb der Kultur 23 verändert werden kann. So kann bei­ spielsweise durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit die Konzentration von in der Atmosphäre enthaltenen Schadstof­ fen künstlich erhöht werden, da bei erhöhter Strömungsge­ schwindigkeit pro Zeiteinheit eine größere Menge dieser Schadstoffe an der Oberfläche vorliegt. Dies kann in Fällen vorteilhaft sein, in denen die Zellen grundsätzlich eine höhere Aufnahmerate für diesen Schadstoff haben (d. h. bei höheren Konzentrationen auch mehr Schadstoffe pro Zeitein­ heit aufnehmen können) und somit entweder in kürzerer Zeit eine Messung durchgeführt werden kann oder eine Meßreihe zu künstlich eingestellten unterschiedlichen Konzentrationen aufgenommen werden kann. Auch können bei einem Versuch zum Ermitteln des Regenerationsverhalten von Zellen, Beauf­ schlagungspausen durch Stoppen der Vakuumpumpe 30 eingelegt werden. Diese Pausen können auch mit Zeitperioden submerser Versorgung mit dem flüssigen Medium über die Schlauchpumpe 20 zusammenfallen.

Bezugszeichenliste

2

Gestell

4

Bodenplatte

6

Fuß

8

Mittelplatte

10

Kultureinheit

12

Feder/Nutführung

14

Metallblock

16

Wanne

18

Vorratsbehälter

20

Schlauchpumpe

22

Kulturgefäß

23

Kultur

24

Getriebemotor

26

Gewindespindel

28

Beaufschlagungsvorrichtung

30

Vakuumpumpe

31

Pumpenausgang

32

Deckelplatte

34

Verwirbelungskammer

36

Trennwand

38

Ausgangskammer

39

Ausgang der Ausgangskammer

40

Strömungseinleitrohr
41a, b erstes bzw. zweites Ende des Strömungseinleitrohr

42

Strömungsableitrohr
43a, b erste bzw. zweites Ende des Strömungsableitrohr

44

Ansaugöffnung

46

Unterseite der Ausgangskammer

48

Dichtring

50

Befestigungsmittel

52

Kontaktplatte

53

Silikonmatte

54

Federmittel

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Beaufschlagen einer in einem Kulturge­ fäß (22) aufgenommenen Kultur (23) mit einem gasförmi­ gen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Erzeu­ gen einer gezielten Strömung des gasförmigen Mediums über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kultur (23) ausgestaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit:

• - einem Eingang (44) zum Einleiten des gasförmigen Mediums,
• - einem Ausgang (31) zum Ableiten des gasförmigen Mediums, wobei die Kultur (23) in dem Kulturgefäß (22) strömungstechnisch gesehen zwischen dem Ein­ gang (44) und dem Ausgang (31) angeordnet ist, und
• - einem Mittel (30) zum kontinuierlichen Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem Eingang (44) und dem Ausgang (31).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer Strömungsführung (40, 42), die folgendes umfaßt:

• - wenigstens ein Strömungseinleitmittel (40) mit zwei Enden (41a, b), dessen erstes Ende (41a) in das Kulturgefäß (22) eintaucht und dessen zweites Ende (41b) mit dem Eingang (44) kommuniziert, und
• - wenigstens ein Strömungsableitmittel (42) mit zwei Enden (43a, b), dessen erstes Ende (43a) in das Kulturgefäß (22) eintaucht und dessen zweites Ende (43b) mit dem Ausgang (31) kommuniziert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher das Mittel zum kontinuierlichen Erzeugen einer Druckdiffe­ renz eine Pumpe (30) ist, die mit ihrem saugseitigen Anschluß strömungstechnisch nach dem Kulturgefäß (22) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, welche zum paral­ lelen Beaufschlagen von in mehreren Kulturgefäßen (22) aufgenommenen Kulturen (23) mit dem gasförmigen Medium ausgestaltet ist, wobei die Strömungsführung (40, 42) hierfür eine entsprechende Anzahl an Strömungseinleit- (40) und ableitmittel (42) umfaßt, und jeweils ein aus einem Strömungseinleit- (40) und einem Strömungsab­ leitmittel (42) bestehendes Paar genau einem Kulturge­ fäß (22) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die mehreren Strömungseinleitmittel (40) alle über eine gemeinsame Verwirbelungskammer (34) mit dem Eingang (44) verbun­ den sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher die mehreren Strömungsableitmittel (42) alle über eine ge­ meinsame Ausgangskammer (38) mit der Pumpe (30) ver­ bunden sind.

8. Vorrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 7, bei welcher die Strömungseinleitmittel (40) im Bereich ihres er­ sten Endes (41a) in ihrer Querschnittsform in etwa der Querschnittsform des zugehörigen Kulturgefäßes (22) entsprechen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, welche zum Beaufschlagen von Kulturgefäßen (22), die einen kreisförmigen Quer­ schnitt aufweisen, mit einem gasförmigen Medium ausge­ legt ist und bei welcher die Strömungseinleitmittel (40) zumindest im Bereich ihres ersten Endes (41a) ei­ nen kreisförmigen Querschnitt haben, wobei der Außen­ durchmesser eines Strömungseinleitmittels (40) etwas geringer als der Innendurchmesser des zugehörigen Kul­ turgefäßes (22) in der Nähe der Oberfläche der im Kul­ turgefäß (22) aufgenommen Kultur ist (23).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei wel­ cher das Strömungseinleitmittel (40) mit seinem ersten Ende (41a) in das zugehörige Kulturgefäß (22) bis kurz oberhalb der Oberfläche der im jeweiligen Kulturgefäß (22) aufgenommenen Kultur (23) eintaucht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, welche zum Be­ aufschlagen von Kulturgefäßen (22), die einen sich zum Gefäßboden konisch verjüngenden Querschnitt aufweisen, mit einem gasförmigen Medium ausgelegt ist, und die Strömungsableitmittel (42) derart ausgebildet sind, daß sie mit ihrem ersten Ende (43a) bezüglich der Ge­ fäßhöhe des Kulturgefäßes (22) lediglich eine kurze Strecke in das zugehörige Kulturgefäß (22) eintauchen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welcher das Strömungseinleitmittel (40) als gerades Zylinderrohr ausgebildet ist, dessen zweites Ende (41b) eine bestimmte Strecke weit in die gemeinsame Verwirbelungskammer (34) ragt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei welcher das Strömungsableitmittel (42) als gerades Zy­ linderrohr ausgebildet ist, dessen zweites Ende (43b) in die gemeinsame Ausgangskammer (38) mündet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher der Zylin­ deraußendurchmesser des Strömungseinleitmittels (40) etwas geringer als der Zylinderinnendurchmesser des Strömungsableitmittels (42) ist und das Strömungsein­ leitmittel (40) zentral innerhalb des Strömungsableit­ mittel (42) geführt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher der Unter­ schied zwischen dem Zylinderaußen- und dem Zylinderin­ nendurchmesser zuzüglich der Zylinderwandstärke des Strömungsableitmittels (42) in etwa dem Unterschied des Innendurchmessers des Kulturgefäßes (22) in Höhe des ersten Endes (41a) des Strömungseinleitmittels (40) und in Höhe des ersten Endes (43a) des Strömungs­ ableitmittels (42) entspricht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei welcher die Ausgangskammer (38) zwischen der Verwirbe­ lungskammer (34) und den aufzunehmenden Kulturgefäßen (22) angeordnet ist, wobei die Strömungseinleitmittel (40) durch die Ausgangskammer (38) geführt und gegen­ über dieser luftdicht isoliert sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei welcher die Pumpe (30) in der Pumpleistung steuerbar ist.

18. Verfahren zum Beaufschlagen einer in einem Kulturgefäß (22) aufgenommenen Kultur (23) mit einem gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß eine gezielte Strömung des gasförmigen Mediums über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kultur (23) erzeugt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem das gasförmige Medium über einen Eingang (44) angesaugt und mittels einer Strömungsführung (40, 42) zur Oberfläche der Kultur (23) und von dieser zu einem Ausgang (31) ge­ führt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei welchem das gasförmige Medium zwischen dem Eingang (44) und der Strömungsführung (40, 42) zwecks Homogenisierung ver­ wirbelt wird.

21. Expositionsvorrichtung zum Versorgen einer in einem Kulturgefäß (22) aufgenommenen Kultur (23) mit einem flüssigen Medium, welche ferner eine Vorrichtung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.

22. Expositionsvorrichtung nach Anspruch 21, welche ferner folgendes umfaßt:

• - eine Kultureinheit (10), welche zur Aufnahme von wenigstens einem Kulturgefäß (22) dient, und eine Versorgungseinheit (18, 20) zum Versorgen der Kultur (23) im Kulturgefäß (22) mit dem flüssigen Medium aufweist,
• - eine Aufnahmeeinrichtung (8, 12) zur Aufnahme der Kultureinheit (10), und
• - eine Einrichtung (24, 26) zum automatischen Posi­ tionieren und Ankoppeln der Kultureinheit (10) an die Vorrichtung (28) zum Beaufschlagen der Kultur (23) mit einem gasförmigen Medium.

23. Expositionsvorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher die Kultureinheit (10) ferner eine temperierbare Wanne (14, 16) zur Aufnahme der Kulturgefäße (22) aufweist.

24. Expositionsvorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, wel­ che ferner eine federnd gehalterte Kontaktplatte (52) aufweist, die in der Ankoppelposition der Kulturein­ heit (10) in Kontakt mit den Gefäßrändern der Kultur­ gefäße (22) gelangt und dabei federnd nachgibt.

25. Expositionsvorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher Dichtmittel (53) an die Kontaktplatte vorgesehen, und zwar wenigstens in den Bereichen, die in der Ankoppel­ position mit den Gefäßrändern der Kulturgefäße (22) in Kontakt kommen.