DE10104008A1 - Growing and treating cells on a modelable structure, useful for making bioartificial tissue e.g. cartilage, where the cell culture space is subjected to alternating pressure - Google Patents
Growing and treating cells on a modelable structure, useful for making bioartificial tissue e.g. cartilage, where the cell culture space is subjected to alternating pressureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten und/oder Behandeln von Zellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Züchten und/oder Behandeln von Zellen.The invention relates to a method for growing and / or treating cells according to that in the preamble of claim 1 defined in more detail. The invention also relates to a device for breeding and / or Treat cells.
In der älteren Anmeldung des Erfinders DE 199 35 643.2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben.In the older application of the inventor DE 199 35 643.2 is a method and an apparatus of the beginning described type.
Es hat sich nun herausgestellt, daß die Bildung einer Zellschicht und das Zellwachstum deutlich verbessert wird, wenn man die Zellen einer Druckbelastung aus setzt. Hierzu ist es aus der Praxis bereits bekannt, einen Zellkulturraum durch mechanische Einrichtungen, wie z. B. einen Stempel, z. B. wie in der US 6,060,306, zu belasten. Neben dem hierfür erforderlichen kon struktiven Aufwand entspricht eine derartige Belastung aufgrund der dadurch erzielten Heterogenitäten nicht in-vivo-Verhältnissen. In der US 5,928,945 wird haupt sächlich über Scherstress mittels Kulturmedium eine mechanische Belastung von z. B. Knorpelzellen versucht. Dies ist jedoch unphysiologisch, da z. B. in Gelenkbe reichen keine derartigen Perfusionen auftreten. Zu sätzlich ist der Sauerstoffgehalt aufgrund der limi tierten Transportkapazität für Sauerstoff nicht bei allen Gewebearten in physiologische Bereiche einstell bar (McLimmans et al. 1968).It has now been found that the formation of a Cell layer and cell growth significantly improved is when you pressurize the cells out puts. For this it is already known from practice a cell culture room through mechanical devices, such as B. a stamp, e.g. B. as in US 6,060,306, to charge. In addition to the necessary con structural effort corresponds to such a burden due to the heterogeneity achieved in vivo conditions. In US 5,928,945 at all namely about shear stress using a culture medium mechanical load of z. B. Cartilage cells tried. However, this is unphysiological, since e.g. B. in articulated such perfusions are not sufficient. to In addition, the oxygen content is due to the limi not transport capacity for oxygen set all tissue types in physiological ranges bar (McLimmans et al. 1968).
In der US 6,060,306 ist auch ein Apparat beschrieben, in dem ein Knorpelkonstrukt innerhalb einer Kultivie rungskammer durch Bewegungen der Außenwände wie in ei nem Blasebalg bewegt wird. Diese Bewegungsprozesse ha ben den Nachteil, daß die Bewegungsmuster einen hohe mechanische Belastung der Membranstrukturen bedingen, insbesondere dann, wenn diese aus Permeabilitätszwän gen für Sauerstoff besonders dünn sind, d. h. eine Dic ke im Mikrometerbereich haben. Dies führt dazu, daß die Membrane nach wenigen Tage reißen und die Produkte unsteril werden und dadurch für Implantationen nicht mehr geeignet sind. Weiterhin können die Membrane auf grund der Bewegungsmuster, die ständig konvex-konkave Verformungen hervorrufen, auch nur entsprechend punk tuell Druckverformungen erzeugen. Dadurch kommt es zu Oszillationen im Kulturmediumbereich und Druck-Hetero genitäten in den biologischen Geweben im Bioreaktor.An apparatus is also described in US Pat. No. 6,060,306 in which a cartilage construct within a culture chamber by moving the outer walls as in an egg a bellows is moved. These movement processes ha ben the disadvantage that the movement pattern a high cause mechanical stress on the membrane structures, especially if this is due to permeability constraints conditions for oxygen are particularly thin, d. H. a dic ke in the micrometer range. This leads to the membrane tear after a few days and the products become non-sterile and therefore not for implantations are more suitable. Furthermore, the membrane can be opened because of the movement patterns that are constantly convex-concave Cause deformation, even just punk accordingly generate pressure deformations. This is what happens Oscillations in the culture medium area and pressure hetero biological tissue in the bioreactor.
Der vorliegenden Aufgabe liegt daher die Aufgabe zu grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Züchten und/oder Behandeln von Zellen zu schaffen, wobei so weit wie möglich in-vivo-Verhältnisse simuliert werden können.The task at hand therefore lies with the task reasons, a method and an apparatus for breeding and / or treating cells, whereby so as far as possible in-vivo conditions are simulated can.
Insbesondere sollen in dem bioartifziellen Gewebe in nerhalb des Bioeaktors in allen Bereichen vollständig homogene Druckverhältnisse erzeugt werden können, ohne jegliche konvex-konkave Membranverformungen der Außen wände des Systems. Wenn diese Membrane zusätzlich Oxygenationsaufgaben übernehmen sollen, um unerwünschte Heterogenitäten der Transportdistanzen für die O2 Dif fusion und damit Mangelzustände zu vermeiden, so müs sen sich diese in einer stabilen und möglichst kurzen Distanz zu den biologischen Konstrukten befinden, und idealerweise diesen immer direkt anliegen, d. h. sie müssen allen Bewegungen des biologischen Konstrukts in identischer Weise folgen, statt dies blasebalgartig zu induzieren.In particular, it should be possible to produce completely homogeneous pressure conditions in all areas within the bio-actuator tissue within the bio-actuator, without any convex-concave membrane deformations of the outer walls of the system. If these membranes are also to perform oxygenation tasks in order to avoid undesirable heterogeneities in the transport distances for the O 2 diffusion and thus deficiency states, then these must be at a stable and as short a distance as possible from the biological constructs and ideally always be in direct contact with them. that is, they have to follow all movements of the biological construct in an identical manner instead of inducing it like a bellows.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannte Merkmal ge löst.According to the invention, this object is achieved by the drawing part of claim 1 called ge solves.
Eine Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist aus Anspruch 3 ersichtlich.A device for solving the problem is apparent from claim 3.
Durch ein Gasmedium bzw. durch die Bildung eines Gas raumes lassen sich in-vivo-Verhältnisse sehr gut simu lieren. So ist es z. B. möglich, die Zellschicht in dem Zellkulturraum sehr gezielt wechselnden und homogenen Druckbelastungen auszusetzen, welche beliebig häufig und beliebig schnell ohne großen Aufwand sehr gezielt gesteuert werden können. Sobald es über die externe Gasphase zu einer Druckeinwirkung auf die äußere Foli enschicht kommt, legt sich diese vollständig um das Implantat an. Dadurch können auch sehr komplexe 3-D Strukturen vollständig ummantelt werden. Die Diffusi onswege für O2 werden dadurch gleichzeitig auf fast 0 reduziert. Bei 3-D Strukturen können die Folien/Mem branschichten idealerweise schon dem Implantat ent sprechende Formen besitzen, so daß im Druckbelastungs fall eine einfache Anmodellierung möglich ist.In vivo conditions can be simulated very well by a gas medium or by the formation of a gas space. So it is z. B. possible to expose the cell layer in the cell culture space very specifically to changing and homogeneous pressure loads, which can be controlled very often and as quickly as desired without great effort. As soon as pressure is exerted on the outer film layer via the external gas phase, the entire film layer is placed around the implant. This means that even very complex 3-D structures can be completely encased. The diffusion paths for O 2 are thereby reduced to almost 0 at the same time. With 3-D structures, the foils / membrane layers can ideally already have appropriate shapes for the implant, so that a simple modeling is possible in the event of pressure loading.
Die Bildung eines Gasraumes kann auf verschiedene Wei se erfolgen. Hierzu kann z. B. ein druckfestes Gehäuse vorgesehen sein, das in vorteilhafter Weise gleichzei tig als Bioreaktor ausgebildet ist. In einem derarti gen Bioreaktor kann dann die Zellschicht in dem Zell kulturraum als selbständige Einheit behandelt werden. Hierzu kann die Einheit aus der mikroporösen Folie, dem Zellkulturraum und einer Schutzfolie gebildet sein, die auch die Trägerstruktur umgibt. In diesem Falle läßt sich dann die Einheit bei Bedarf aus dem Bioreaktor entnehmen - gegebenenfalls nach Entfernung von Anschlüssen für Sauerstoff und/oder Nährmedium - und z. B. einfrieren oder als Implantat transportieren. The formation of a gas space can be done in different ways se done. For this, e.g. B. a pressure-resistant housing be provided, which at the same time advantageously is designed as a bioreactor. In such a way The cell layer in the cell can then act as a bioreactor Kulturraum are treated as an independent unit. For this purpose, the unit made of the microporous film, the cell culture room and a protective film be that also surrounds the support structure. In this If necessary, the unit can then be removed from the Remove bioreactor - if necessary after removal connections for oxygen and / or nutrient medium - and Z. B. freeze or transport as an implant.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen erge ben sich aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.Advantageous further developments and refinements ben from the following based on the drawing embodiments described in principle.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausfüh rungsform mit Gelenk-Knorpeln, die auf einer Trägerstrukturschicht, welches ein Kniegelenk darstellen soll, gezüchtet werden; und Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment with articular cartilage, which are grown on a support structure layer, which is intended to represent a knee joint. and
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung, ähnlich der nach Fig. 1, mit einer Gegenstruk tur. Fig. 2 is a schematic diagram of a device, similar to that of FIG. 1, with a counter structure.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Vorrich tung zur Bildung von hyalinen Knorpeln als zu züchten den Zellen für eine Kniegelenk beschrieben. Selbstver ständlich ist diese Anwendungsart nur beispielsweise zu sehen. Im Rahmen der Erfindung sind noch zahlreiche andere Anwendungsfälle möglich. The invention is based on a Vorrich to form hyaline cartilage than to grow described the cells for a knee joint. Selbstver this type of application is only for example to see. There are still numerous within the scope of the invention other applications possible.
Auf eine aus Trikalziumphosphat gebildete Trägerstruk tur 1 werden Knorpelzellen als Zellen 2 zur Bildung einer Zellschicht aufgelegt. Wie ersichtlich, ent spricht die Trägerstruktur 1 in ihrer Form einem Knie gelenk. Über die Zellen 2 wird eine mikroporöse Folie 3 gelegt, welche genügend elastisch sein muß, um das Zellwachstum nicht zu behindern. Als Material hierfür ist z. B. PTFE möglich. Die mikroporöse Folie 3 muß entweder die Trägerstruktur 1 dicht abschließen oder diese komplett umschließen. Bei der dargestellten Aus führungsform liegt sie seitlich an der Trägerstruktur 1 dicht an, während die Trägerstruktur 1 auf einer Platte 4 ruht. Die mikroporöse Folie 3 ist mit einem Zulaufanschluß 5 und einem Rücklaufanschluß 6 verse hen, über die Nährmedium im Durchlaufverfahren ein bringbar ist. Gleichzeitig kann hier auch Sauerstoff zugeführt werden, sofern Sauerstoff nicht aus der Um gebung der mikroporösen Folie 3 durch die Folie selbst eingebracht wird.On a support structure 1 formed from tricalcium phosphate, cartilage cells are placed as cells 2 to form a cell layer. As can be seen, the support structure 1 corresponds in its shape to a knee joint. A microporous film 3 is placed over the cells 2 , which must be sufficiently elastic so as not to hinder cell growth. As a material for this. B. PTFE possible. The microporous film 3 must either seal the support structure 1 tightly or enclose it completely. In the illustrated embodiment, it lies laterally against the support structure 1 , while the support structure 1 rests on a plate 4 . The microporous film 3 is hen with an inlet connection 5 and a return connection 6 verses, can be brought about the nutrient medium in a continuous process. At the same time, oxygen can also be supplied here, provided that oxygen is not introduced from the environment around the microporous film 3 through the film itself.
Wie ersichtlich, bildet die mikroporöse Folie 3 zusam men mit der Trägerstruktur 1 auf diese Weise einen Zellkulturraum 7 für die darin angeordneten Zellen 2. As can be seen, the microporous film 3 forms, together with the support structure 1, a cell culture space 7 for the cells 2 arranged therein.
Die mikroporöse Folie 3 und die Trägerstruktur 1 bil den - gegebenenfalls zusammen mit der Platte 4 - eine Einheit, welche in ein druckdichtes Gehäuse 8 einge setzt ist. Das druckdichte Gehäuse 8 bildet einen Bio reaktor. In das druckdichte Gehäuse 8 wird über einen Druckanschluß 9 eine Verbindung mit einem Druckmedium 10 geschaffen. In dem druckdichten Gehäuse 8 wird auf diese Weise ein Gasraum 11 geschaffen, der durch das Druckmedium 10 in gewünschter Weise unter wechselnde Druckbelastungen gesetzt wird. Diese wechselnden Druckbelastungen wirken sich über die mikroporöse Fo lie 3 auf die sich in dem Zellkulturraum 7 befindenden Zellen aus. Die mikroporöse Folie kann auch entfallen, so daß die Zellen direkt von der Schutzfolie ummodel liert werden. Wenn für eine separate Sauerstoff- oder Luftzufuhr für die Zellen 2 gesorgt wird, kann als Gasmedium auch jedes andere Gas verwendet werden.The microporous film 3 and the support structure 1 bil - possibly together with the plate 4 - a unit which is inserted into a pressure-tight housing 8 . The pressure-tight housing 8 forms a bio reactor. A connection to a pressure medium 10 is created in the pressure-tight housing 8 via a pressure connection 9 . In this way, a gas space 11 is created in the pressure-tight housing 8 , which is placed under changing pressure loads by the pressure medium 10 in the desired manner. These changing pressure loads have an effect on the cells in the cell culture space 7 via the microporous film 3 . The microporous film can also be omitted, so that the cells are directly modeled by the protective film. If a separate oxygen or air supply is provided for the cells 2 , any other gas can also be used as the gas medium.
Im Bedarfsfalle kann die aus der mikroporösen Folie 3 und der Trägerstruktur 1 gebildete Einheit auch noch von einer weiteren Schutzfolie 12 umgeben sein (siehe gestrichelte Darstellung). Die Schutzfolie 12 dient für einen Transport der Einheit aus dem Bioreaktor 8 und schließt die Einheit damit steril ab. Als Schutz folie 12 lassen sich verschieden Folien verwenden. Da durch, daß in dem Inneren des Gehäuses 8 ein Gasraum 11 gebildet wird, sollte die Schutzfolie 12 entspre chend modellierbar und gaspermeabel sein. Der Gasraum 11 kann dabei sowohl innerhalb der Schutzfolie 12 als auch außerhalb davon gebildet werden. Im letzten Falle ist deshalb in der Schutzfolie 12 ein Anschluß für ei ne Verbindung mit der Druckquelle 10 vorzusehen.If necessary, the unit formed from the microporous film 3 and the carrier structure 1 can also be surrounded by a further protective film 12 (see dashed line). The protective film 12 serves to transport the unit out of the bioreactor 8 and thus closes the unit sterile. Various foils can be used as protective foil 12 . Since a gas space 11 is formed in the interior of the housing 8 , the protective film 12 should accordingly be modelable and gas permeable. The gas space 11 can be formed both inside the protective film 12 and outside of it. In the latter case, a connection for egg ne connection to the pressure source 10 is therefore to be provided in the protective film 12 .
Anstelle von Trikalziumphosphat für die Trägerstruktur 1 können im Knochenersatzbereich auch Kollagene ver wendet werden, wobei z. B. auch ein Meniskus gezüchtet werden kann. Ebenso sind Bindegewebestrukturen, Poly mere, wie Polylaktide oder andere chemische Struktu ren, verwendbar.Instead of tricalcium phosphate for the support structure 1 , collagens can also be used in the bone replacement area. B. a meniscus can also be grown. Connective tissue structures, poly mers, such as polylactides or other chemical structures, can also be used.
Wesentlich ist, daß man Formen modellieren kann, die einem gewünschten Implantat entsprechen. Auf diese Weise kann man z. B. bei einem Defekt ein Implantat ei ner bestimmten Größe heraussuchen, wozu z. B. über com putertomographische Bilder eine entsprechende Analyse durchgeführt und dann in dem Bioreaktor 8 oder gegebe nenfalls vorher entsprechend eine gewünschte Trägerstruktur 1 geformt wird, auf der dann die dazugehöri gen Zellen gezüchtet werden.It is essential that you can model shapes that correspond to a desired implant. In this way you can e.g. B. in the event of a defect, look for an implant of a certain size, for which purpose. B. via com putertomographic images, a corresponding analysis is carried out and then in the bioreactor 8 or, if appropriate, a desired support structure 1 is formed beforehand, on which the associated cells are then grown.
Zusätzlich lassen sich im Bioreaktor 8 auch elektri sche Anschlüsse vorsehen, durch die man über entspre chende Verbindungsleitungen (nicht dargestellt) elek trische Impulse den Zellen 2 auflegen kann, womit noch bessere in-vivo-Simulationen erzielt werden können.In addition, electrical connections can also be provided in the bioreactor 8 , through which one can apply electrical impulses to the cells 2 via corresponding connecting lines (not shown), with which even better in vivo simulations can be achieved.
Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ent spricht im wesentlichen der in der Fig. 1 besprochenen Form, weshalb für die gleichen Teile auch die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden sind.The embodiment shown in FIG. 2 corresponds essentially to the form discussed in FIG. 1, which is why the same reference numerals have been retained for the same parts.
Unterschiedlich ist lediglich, daß über der mikroporö sen Folie 3 noch eine Meniskusstruktur 13 aufgebracht worden ist, über der wiederum eine Trägerstruktur 14 liegt. Auf diese Weise werden noch bessere in-vivo- Verhältnisse simuliert. Zur Bildung einer transporta blen Einheit kann das ganze dann ebenfalls von einer Schutzfolie 12 umgeben sein, durch welche Anschlüsse 5 und 6 zur Zu- und Abfuhr von Nährmedium und/oder Sau erstoff geführt sind. Der Gasraum 11 kann wiederum außerhalb der Schutzfolie 12 oder auch innerhalb über einen entsprechenden Druckanschluß gebildet werden.The only difference is that a meniscus structure 13 has been applied over the microporous film 3 , over which in turn a support structure 14 is located. In this way, even better in-vivo conditions are simulated. To form a transporta ble unit, the whole can then also be surrounded by a protective film 12 through which connections 5 and 6 are guided for the supply and removal of nutrient medium and / or oxygen. The gas space 11 can in turn be formed outside of the protective film 12 or inside via a corresponding pressure connection.
Wie erwähnt, werden die Zellen zur Bildung einer Zell schicht in einem Zellkulturraum 7 zwischen zwei Folien oder zwischen einer Folie und der modellierbaren Trä gerstruktur 14 eingebracht. Ebenso kann die Träger struktur bilateral wie in einer Form mit zwei oder mehr Hälften angebracht sein. Die Form kann auch wäh rend dem Besiedlungsprozess ummodelliert, d. h. unter Annahme einer neuen Form angepasst werden.As mentioned, the cells are introduced to form a cell layer in a cell culture space 7 between two foils or between a foil and the modelable carrier structure 14 . Likewise, the support structure can be attached bilaterally as in a mold with two or more halves. The shape can also be re-modeled during the settlement process, ie it can be adapted assuming a new shape.
Wesentlich ist, daß diese in sich mit Zellen/Matrix befüllbare Struktur in eine Kammer eingebracht werden kann, die mittels einer Gas- oder Flüssigkeitsphase einer Druckbelastung, die auch zyklischer Natur sein kann, ausgesetzt werden kann. Anstelle eines Gasmedi ums kann selbstverständlich auch ein flüssiges Medium verwendet werden.It is essential that these contain cells / matrix fillable structure can be introduced into a chamber can by means of a gas or liquid phase a pressure load that is also cyclical in nature can be exposed. Instead of a gas medi Of course, a liquid medium can also be used be used.
Die Form der Folien ist reversiblen Druckbelastungs prozessen vollständig anpassungsfähig, da sie weitest gehend nicht einer eigenen Vorspannung unterliegt. Das heißt, wesentlich ist nicht die Elastizität der Foli en, sondern das positionskonforme Anliegen dieser Fo lien, welches durch eine sehr hohe Compliance oder Dehnbarkeit ermöglicht wird. Die Folien können somit anmodelliert werden bzw. werden durch Druckaufwendung maximal und homogen anmodelliert. Die Folien können auch profilierend verformt werden. Auch Innenprofilie rungen für den Zellkulturraum 7 sind möglich.The shape of the foils is fully adaptable to reversible pressure loading processes, as it is largely not subject to its own pre-tension. This means that what is important is not the elasticity of the foils, but the position-conforming contact of these foils, which is made possible by a very high level of compliance or stretch. The foils can thus be modeled or are maximally and homogeneously modeled by applying pressure. The foils can also be shaped in a profiling manner. Interior profiles for cell culture room 7 are also possible.
Diese Außenfolie 12 kann auf dem zu besiedelnden Trä gersubstrat 1 somit bereits initial, d. h. vor Beginn des Druckbelastungsprozesses, möglichst vollständig aufliegen, und kann damit die ansonsten durch eine re versible Druckbelastung ursächlich bedingten Ver schleißerscheinungen verhindern und direkt auch pro filgebend wirken. Diese Profilgebung kann auch noch dadurch unterstützt werden, indem der von außen appli zierte Druck über ein Druckprofil formend wirkt.This outer film 12 can thus lie on the carrier substrate 1 to be settled as completely as possible initially, ie before the start of the pressure loading process, and can thus prevent wear and tear that is otherwise caused by a reversible pressure loading and also directly have a pro-filing effect. This profile can also be supported by the fact that the externally applied pressure has a shaping effect via a pressure profile.
In den Behandlungsraum wird das zu besiedelnde Träger substrat 1, z. B. in einer in vivoartigen Form im Sinne eines Profils, Struktur auch als Hohlkörper (shell) eingebracht. Diese Strukturen können dann innerhalb und/oder außerhalb als auch transmural mit Substraten und Zellen besiedelt werden. Sie können auch mit Kul turmedium und Sauerstoff durchströmt werden.In the treatment room, the substrate to be populated substrate 1 , z. B. in an in vivo-like form in the sense of a profile, structure also introduced as a hollow body (shell). These structures can then be colonized inside and / or outside as well as transmurally with substrates and cells. They can also be traversed with culture medium and oxygen.
Von Vorteil ist auch die Flexibilität der Vorrichtung und des Verfahrens, da die inneren Bioreaktorenbautei le entnehmbar sind und dadurch für Transport- und Kry prozesse zugänglich sind.The flexibility of the device is also advantageous and the process, since the inner bioreactor construction le are removable and therefore for transport and cry processes are accessible.
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