DE102006052231A1 - Vorrichtungen und Verfahren für elektrophysiologische Zelluntersuchungen - Google Patents

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Abstract

Eine Flüssigkeitshaltereinrichtung (10), die zur Bildung einer flüssigen Umgebung an einer Kapillarspitze (22) einer patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist, umfasst ein Halteelement (11.2), das zur Halterung eines Flüssigkeitstropfens (1) eingerichtet ist, und mindestens einen Stab (12.2, 12.3), der zur Positionierung des Halteelements (11.2) an der Kapillarspitze (22) eingerichtet ist, wobei der mindestens eine Stab (12.2, 12.3) so eingerichtet ist, dass in einem Zustand, in dem die Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) mit der patch-clamp-Pipette (20) zusammengesetzt ist, das Halteelement (11.2) von der Kapillare (21) trennbar ist. Es werden auch ein Messgerät, das mit der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) ausgestattet ist, und ein Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle unter Verwendung der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitshaltereinrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen biologischer Zellen, insbesondere eine Flüssigkeitshaltereinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektrophysiologisches Messgerät, das mit einer derartigen Flüssigkeitshaltereinrichtung ausgestattet ist und insbesondere eine patch-clamp-Pipette umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle unter Verwendung einer derartigen Flüssigkeitshaltereinrichtung.
  • Es ist bekannt, Ströme von Ionen durch Ionenkanäle in der Zellmembran isolierter biologischer Zellen durch elektrophysiologische Messungen zu erfassen. Diese Messungen werden auch als patch-clamp-Messung und das hierzu verwendete Messgerät als patch-clamp-Vorrichtung bezeichnet. Die patch-clamp-Vorrichtung enthält eine kapillarförmige Pipette (patch-clamp-Pipette), an deren Spitze eine Zelle angesaugt und gemessen werden kann. Die patch-clamp-Pipette enthält eine Messelektrode zur Ableitung eines elektrophysiologischen Potentials von der Zelle bzw. zur Messung transmembranaler Ionenströme.
  • Die Transporteigenschaften der Ionenkanäle sind in der Grundlagenforschung zur Charakterisierung von zellbiologischen Vorgängen und insbesondere in der Pharmakologie für die Charakterisierung von Wirkstoffen von Interesse. So stellen die Ionenkanäle wichtige Targets für Arzneimittel dar. Eine Vielzahl von Arzneimitteln wirken selektiv an bestimmten Ionenka nälen, so dass mit der patch-clamp-Technik ein Werkzeug für pharmakologische Untersuchungen zur Verfügung steht.
  • In der Praxis ist es bisher üblich, patch-clamp-Verfahren manuell durchzuführen, wobei ein Experimentator einen Mikromanipulator bedient, um eine Zelle mit der Spitze der patch-clamp-Pipette aufzunehmen und an dieser Zelle die elektrophysiologische Messung durchzuführen. Die manuelle Durchführung von patch-clamp-Verfahren ist nachteilig, da der Verfahrensablauf aufwendig ist und hohe Anforderungen an die manuellen Fähigkeiten des Experimentators stellt. Des Weiteren steigt die Zahl der zu untersuchenden Wirkstoffe und der Ionenkanäle laufend, so dass Hochdurchsatzuntersuchungen manuell nur beschränkt oder nicht realisierbar sind. Es ist bspw. bekannt, dass das humane Genom für etwa 400 Ionenkanäle kodiert, deren Transporteigenschaften durch mehr als 100 Kanalproteine beeinflusst werden. Wenn eine spezifische Wechselwirkung einer Gruppe von Wirkstoffen mit bestimmten Kanalproteinen untersucht werden soll, wächst die Zahl der zu untersuchenden Kombinationen leicht über eine Grenze, oberhalb derer manuelle Verfahren nicht mehr anwendbar sind.
  • Ein weiterer Nachteil der manuellen Verfahren zeigt sich bei speziellen Aufgabenstellungen, bei denen die Wirkung verschiedener Arzneimittel auf eine bestimmte Zelle untersucht werden soll. Vor der elektrophysiologischen Messung muss die Zelle mit einer Lösung des jeweils untersuchten Arzneimittels perfundiert werden. Dabei kann eine Perfusionsvorrichtung verwendet werden, die bspw. in DE 43 05 405 C1 beschrieben ist. Durch die Perfusion mit verschiedenen Arzneimittellösungen werden die herkömmlichen manuellen Verfahren jedoch noch umständlicher und aufwendiger.
  • Es sind Versuche bekannt, automatisierte patch-clamp-Verfahren zu entwickeln, die sich jedoch in der Praxis wegen einer hohen Fehlerquote und einer geringen Reproduzierbarkeit der elektrophysiologischen Messung nur als beschränkt brauchbar erwiesen haben. Eine Einschränkung besteht insbesondere bei der speziellen Untersuchungsaufgabe, verschiedene Arzneimittel an einer einzigen Zelle wirken zu lassen und die Wirkung zu untersuchen.
  • Aus US 2005/0241940 A1 ist bekannt, die Spitze der patch-clamp-Pipette mit einer aufgesetzten Zelle zur Perfusion jeweils von einer ersten Arzneimittellösung in eine andere Arzneimittellösung zu überführen, wobei während der Überführung an der Pipettenspitze lokal eine flüssige Umgebung erhalten wird. Für diesen Zweck wird ein spiral- oder rohrförmiger Tropfenhalter verwendet, der mit einem parallel zur Längsrichtung der Pipettenspitze verlaufenden Stab von einer zurückgezogenen Position, in der die Pipettenspitze mit der Zelle frei liegt, in eine vorgeschobene Position axial verschiebbar ist, in der die Pipettenspitze vom rohrförmigen Tropfenhalter umgeben ist. Die gewünschte flüssige Umgebung der Kapillarspitze kann mit einem Flüssigkeitstropfen gebildet werden, der durch Kapillarkräfte im Tropfenhalter gefangen ist.
  • Ein Nachteil des herkömmlichen Tropfenhalters gemäß US 2005/0241940 A1 besteht in der koaxialen Relativbewegung von Pipettenspitze und Tropfenhalter, die in allen Relativpositionen einen geringen Abstand (Kapillarspalt) aufweisen. Zur Vermeidung von Schäden an der Pipette oder der Zelle ist daher ein komplexer Präzisionsantrieb erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht in der Behinderung der Perfusion der Zelle in der veränderten Arzneimittellösung, die zunächst durch den Tropfenhalter allseitig von der Zelle abgeschirmt wird. Damit ergibt sich für die Perfusion ein relativ hoher Zeitaufwand, der nachteilig für die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit einer Vielzahl von patch-clamp-Messungen an einer Zelle ist. Nachteilig kann auch sein, wenn die Stabilität des Tropfens nicht ausreichend ist, so dass sich durch eine schnelle Bewegung der patch-clamp-Pipette der Tropfen von der Spitze lösen kann und die Zelle durch Luftkontakt geschädigt wird. Schließlich sind patch-clamp-Pipetten, die für die in US 2005/0241940 A1 beschriebene Technik geeignet sind, wegen der Anbringung des Tropfenhalters schwer automatisiert herstellbar und montierbar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Flüssigkeitshaltereinrichtung bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher patch-clamp-Vorrichtungen und insbesondere von herkömmlichen Tropfenhaltern überwunden werden. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Messgerät, insbesondere für patch-clamp-Untersuchungen bereitzustellen. Schließlich liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung biologischer Zellen bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen patch-clamp-Verfahren vermindert oder überwunden werden.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Flüssigkeitshaltereinrichtung, ein Messgerät und ein Untersuchungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine gattungsgemäße Flüssigkeitshaltereinrichtung, die zur Bildung einer flüssigen Umgebung an einer Kapillarspitze einer patch-clamp-Pipette eingerichtet ist, mit einem Halteelement zur Aufnahme eines Flüssigkeitstropfens auszustatten, das bei Verwendung zur Flüssigkeitshalterung mit einer patch-clamp-Pipette von der Kapillare trennbar angeordnet ist. Der mindestens eine Stab zur Halterung des Halteelements ist so gebildet, dass das Halteelement insbesondere von der Kapillarspitze trennbar ist.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Halteelement mit dem Stab an oder neben der Kapillarspitze positionierbar (Konditionierungsposition) und von der Kapillare so weit trennbar ist (Freigabeposition), dass die Kapillarspitze frei steht und ein Abstand zwischen dem Halteelement und der Kapillarspitze größer ist die Breite eines Kapillarspaltes. Im Gegensatz zum herkömmlichen Tropfenhalter ist der Halteelement-Kapillarspitze-Abstand, wenn das Halteelement von der Kapillarspitze getrennt ist, d. h. in der Freigabeposition insbesondere größer als in der Konditionierungsposition. Vorteilhafterweise können durch die Vergrößerung des Halteelement-Kapillarspitze-Abstandes in der Freigabeposition eine Reihe von Vorteilen sowohl in Bezug auf die Anforderungen and die Genauigkeit der Bewegung des Halteelements als auch in Bezug auf die bestimmungsgemäße Verwendung der patch-clamp-Pipette erzielt werden.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Stab, an dem das Halteelement befestigt ist, eingerichtet, verschwenkbar an einer Kapillarhalterung der patch-clamp-Pipette fixiert zu werden. Der Stab weist vorzugsweise an einem zum Halteelement entgegengesetzten Ende ein Schwenkgelenk auf. Das Halteelement hat auf zumindest einer Seite eine freie Oberfläche, die an die Kapillarspitze seitlich, d. h. radial in Bezug auf eine Längsrichtung der Kapillare angenähert werden kann. Der Erfinder hat festgestellt, dass es zur zuverlässigen Erhaltung einer flüssigen Umgebung an der Spitze der Kapillare ausreichend ist, wenn der Tropfen mit dem Halteelement gehalten wird, das allgemein ein gekrümmtes Bauteil mit einer seitlichen Öffnung oder ein ebenes Bauteil umfasst. Gleichzeitig ermöglicht die seitlich freiliegende Oberfläche, insbesondere die Öffnung, die an einer Seite des Halteelements vorgesehen ist, einen vereinfachten Bewegungsablauf des Stabs mit dem Halteelement.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Stab, wenn die erfindungsgemäße Flüssigkeitshaltereinrichtung an einer patch-clamp-Pipette angebracht ist, relativ zur Längsrichtung der Kapillare der patch-clamp-Pipette verschwenkbar. Das Halteelement kann durch das Verschwenken des Stabes von einem angelegten Zustand (Konditionierungsposition), in dem das Halteelement von der Kapillarspitze durch einen Kapillarspalt getrennt ist oder an der Kapillarspitze anliegt, durch eine radiale Bewegung in einen abstehenden Zustand verschwenkt werden (Freigabeposition), in dem das Halteelement die Kapillarspitze, z. B. für weitere Beobachtungen, Messungen oder Zellmanipulationen freigibt. Vorteilhafterweise wird die axiale Bewegung des herkömmlichen Tropfenhalters durch eine radiale Bewegung des erfindungsgemäßen Halteelements ersetzt.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Halteelement zur Halterung des Flüssigkeitstropfen für die Bildung der flüssigen Umgebung an der Kapillarspitze unter der Wirkung der Gravitationskraft eingerichtet, wobei das Halteelement am Stab lösbar befestigt ist. Vorteilhafterweise bildet das Halteelement eine Auflage, auf der eine Flüssigkeitsmenge getragen wird. In diesem Fall können im Unterschied zum herkömmlichen Tropfenhalter größere Flüssigkeitsmengen zur Konditionierung der Kapillarspitze mit verbesserter Stabilität und Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.
  • Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das Halteelement eine einseitig offene, ebene oder gekrümmte Form aufweisen. Dabei ergibt sich als weiterer wichtiger Vorteil eine verbesserte Perfusion bei der Überführung einer flüssig umhüllten Zelle an der Spitze der Kapillare in ein verändertes Umgebungsmedium. Die Zelle wird nur teilweise durch das Halteelement von dem neuen Umgebungsmedium abgeschirmt, so dass sich der Tropfen am Tropfenhalter schnell durch eine Flüssigkeitsströmung und Diffusion verdünnt. Im Ergebnis kann die Wirkung der Substanz im neuen Umgebungsmedium, z. B. einer neuen Arzneimittellösung nach einer Zeit untersucht werden, die im Vergleich zu der für die Perfusion mit einem herkömmlichen Tropfenhalter erforderlichen Zeit verkürzt ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Flüssigkeitshaltereinrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass an die Form des Halteelements keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen. Allgemein kann das Halteelement ein ebenes oder gekrümmtes Bauteil sein, das im angelegten Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung zu der Kapillarspitze benachbart angeordnet ist oder diese azimutal teilweise umgibt. Das Halteelement ist flächenförmig, z. B. in Form einer Glas- oder Kunststofflamelle gebildet.
  • Das Halteelement ist zur Aufnahme (Halterung) eines Flüssigkeitstropfens eingerichtet. Der Flüssigkeitstropfen wird bei der ersten Ausführungsform der Erfindung stabil unter der Wirkung von Kapillarkräften eingefangen. Es kann vorgesehen sein, dass der Tropfen durch die im angelegten Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung von der Spitze der Kapillare und dem Halteelement gemeinsam ausgeübten Kapillarkräfte gehalten wird. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Halteelement dazu eingerichtet ist, den Flüssigkeitstropfen allein ohne weitere feste Grenzflächen unter der Wirkung von Kapillarkräften zu halten. In diesem Fall kann auch im abstehenden Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung ein Flüssigkeitstropfen sicher am Halteelement gehalten und damit vermieden werden, dass sich am Halteelement Gasblasen festsetzen.
  • Wenn gemäß einer bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung das Halteelement ein flächenförmiges Bauteil umfasst, kann vorteilhafterweise eine relativ große Flüssigkeitsmenge in der Umgebung der Spitze der Kapillare erhalten werden. Damit wird die Gefahr eines unbeabsichtigten Austrocknens der Zelle bei der Übertragung in ein verändertes Umgebungsmedium vermindert. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der das Halteelement durch einen Abschnitt einer in axialer Richtung angeschnittenen Hohlleitung gebildet wird. Die Wand der Hohlleitung bildet das einseitig offene Halteelement. Wenn das Halteelement die Form eines in axialer Richtung angeschnittenen Hohlzylinders aufweist, können sich Vorteile für die Bildung einer gleichmäßigen Flüssigkeitsumgebung an der Kapillarspitze ergeben. Der Hohlzylinder kann z. B. eine kreisförmige oder ellipsenförmige Grundfläche aufweisen. In diesem Fall ist der Tropfenhalter dazu eingerichtet, im angelegten Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung die Pipettenspitze so zu umgeben, dass diese im Mittelpunkt oder Brennpunkt der kreis- oder ellipsenförmigen Grundfläche angeordnet ist.
  • Alternativ kann als Halteelement eine ebene oder eine profilierte Platte vorgesehen sein. Die profilierte Platte hat z. B. eine Form mit mehreren ebenen Teilflächen, die zu der Spitze der Kapillare hin abgewinkelt sind, oder einem Profil, das an die Form der Kapillarspitze der Kapillare angepasst ist.
  • Wenn bei der ersten oder zweiten Ausführungsform der Erfindung das Halteelement mit einer Elektrode ausgestattet ist, kann der Aufbau der Flüssigkeitshaltereinrichtung vereinfacht werden. Die Elektrode kann für patch-clamp-Messungen als Referenzmesselektrode verwendet werden. Die Elektrode am Halteelement oder eine mit der Elektrode verbundene Leitung ist vorzugsweise mit dem Stab des Tropfenhalters verbunden. Besonders bevorzugt bilden der Stab mit dem Halteelement und der Elektrode (ggf. mit der Leitung) ein integriertes Bauteil.
  • Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Flüssigkeitshaltereinrichtung leicht bei automatisierten Verfahren verwendet werden. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung können Stellbewegungen zur Überführung des Tropfenhalters vom angelegten zum abstehenden Zustand problemlos mit einer Stelleinrichtung ausgeführt werden, die an einer patch-clamp-Vorrichtung vorgesehen ist. Bevorzugt ist jedoch eine Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Flüssigkeitshaltereinrichtung mit einer eigenständigen Antriebseinrichtung ausgestattet ist. Die Antriebseinrichtung ist z. B. zum piezoelektrischen Verschwenken des Stabes der Flüssigkeitshaltereinrichtung eingerichtet und zur Erzielung eines großen Stellweges vorzugsweise am Schwenkgelenk vorgesehen.
  • Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist die Kompatibilität der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung mit verschiedenen Kapillar- und insbesondere Pipettenformen. Vorzugsweise ist das Schwenkgelenk der Flüssigkeitshaltereinrichtung zur lösbaren Verbindung mit der Kapillare eingerich tet. Entsprechend können vorhandene patch-clamp-Pipetten mit der Flüssigkeitshaltereinrichtung nachgerüstet werden. Besonders bevorzugt ist ein Anklemmen der Flüssigkeitshaltereinrichtung über eine an dem Schwenkgelenk vorgesehene Clip-Verbindung (Klammer-Verbindung) an der patch-clamp-Pipette, insbesondere einer Kapillarhalterung der patch-clamp-Pipette vorgesehen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Flüssigkeitshaltereinrichtung zur lösbaren Verbindung mit der Kapillare, z. B. der patch-clamp-Pipette eingerichtet ist. Alternativ kann eine feste Verbindung vorgesehen sein.
  • Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Stab der Flüssigkeitshaltereinrichtung vorzugsweise zur starren Befestigung an der Kapillare oder der Kapillarhalterung der patch-clamp-Pipette eingerichtet, so dass sich vorteilhafterweise der Aufbau der Flüssigkeitshaltereinrichtung und der patch-clamp-Pipette vereinfacht. Gemäß einer bevorzugten Variante hat das Halteelement die Form eines Napfes, in dessen Wand eine Einstecköffnung zur Aufnahme eines Endes des Stabes vorgesehen ist. Wenn die Einstecköffnung und das Innere des Napfes gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung über eine Kontaktrinne verbunden sind, ergeben sich Vorteile für die Messung mit einer durch den Stab gebildeten oder mit dem Stab verbundenen Referenzelektrode.
  • Das Halteelement der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung ist entsprechend den bevorzugten Anwendungen der Erfindung bei zellbiologischen Untersuchungen zur Aufnahme einer geringen Flüssigkeitsmenge (Volumen insbesondere 0.05–100 μl), z. B. in Form eines Tropfens, einer Flüssigkeit eingerichtet, die Wasser, eine wässrige Salzlösung, wie z. B. eine physiologische Lösung, eine wässrige Lösung oder Suspension mit biologischen Makromolekülen oder mit Zellen oder ei ne wässrig-ölige Emulsion umfasst. Die Fangwirkung des Halteelements kann bei beiden Ausführungsformen der Erfindung vorteilhafterweise noch verbessert werden, wenn das Halteelement eine hydrophile oder eine oleophile Innenbeschichtung trägt. Die Innenbeschichtung wird durch hydrophile oder oleophile Substanzen gebildet, wie sie z. B. von funktionalisierten Substraten in der Zellbiologie bekannt sind.
  • Ein elektrophysiologisches Messgerät, das eine Kapillare mit einer Kapillarspitze zur Aufnahme einer biologischen Zelle und eine mit der Kapillare verbundene, erfindungsgemäße Flüssigkeitshaltereinrichtung aufweist, stellt einen unabhängigen Gegenstand der Erfindung dar. Die Kapillare ist vorzugsweise Teil einer patch-clamp-Pipette oder einer Mikroelektrodeneinrichtung.
  • Die patch-clamp-Pipette weist vorzugsweise eine Kapillarhalterung auf, an der die Kapillare lösbar fixierbar ist. Vorteilhafterweise kann die Kapillarhalterung als Greifer für weitere Manipulationen, z. B. bei der Herstellung der Kapillare verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Kapillare über eine konische Steckverbindung mit der Kapillarhalterung verbunden.
  • Wenn das Messgerät mit einer Antriebseinrichtung ausgestattet ist, die zur Bewegung und Positionierung der patch-clamp-Pipette und der Flüssigkeitshaltereinrichtung eingerichtet ist, können Vorteile für einen automatisierten Betrieb des Messgerätes erzielt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung kann das Messgerät mit einer Pipettenzieheinrichtung ausgestattet sein, die zur Herstellung der Kapillare eingerichtet ist. Vorteilhafterweise kann damit die Kapillare unmittelbar vor einer elektrophysiologischen Mes sung hergestellt und frei von Beschädigungen oder Verschmutzungen verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle unter Verwendung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung auszuführen. Vorteilhafterweise können patch-clamp-Messungen während der Überführung einer Zelle in ein verändertes Umgebungsmedium und während einer Perfusion mit diesem durchgeführt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 bis 4: Varianten der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung;
  • 5 und 6: eine schematische Illustration der erfindungsgemäßen Überführung einer Zelle in ein verändertes Umgebungsmedium unter Verwendung der Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 7 eine weitere Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung;
  • 8 eine bevorzugte Variante des bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Halteelements;
  • 9 Varianten der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung;
  • 10 eine schematische Illustration der erfindungsgemäßen Überführung einer Zelle in ein verändertes Umgebungsmedium unter Verwendung der Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 11 Illustrationen von Zusatzteilen eines Messgerätes für elektrophysiologische Untersuchungen; und
  • 12 eine schematische Illustration einer Kapillarhalterung einer bevorzugt verwendeten patch-clamp-Pipette.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der Flüssigkeitshaltereinrichtung beschrieben, die an einer Pipettenspitze einer patch-clamp-Vorrichtung angebracht ist. Einzelheiten der patch-clamp-Technik werden hier nicht beschrieben, da sie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt sind (siehe z. B.: O. P. Hamill et al. in "Pflugers Arch." Bd. 391(2), 1981, S. 85–100). Die Flüssigkeitshaltereinrichtung ist nicht nur mit einer patch-clamp-Pipette verwendbar, sondern auch mit anderen Messgeräten für elektrophysiologische Untersuchungen kombinierbar, wie z. B. mit Mikroelektrodeneinrichtungen, ionenselektiven Mikroelektroden etc..
  • 1A zeigt eine Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 mit dem Halteelement 11.1, dem Stab 12.1 und dem Schwenkgelenk 13 gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 ist in Verbindung mit einer patch-clamp-Pipette 20 im abstehenden Zustand des Hal teelements 11.1 gezeigt. Das Halteelements 11.1 ist in diesem Zustand von der Kapillarspitze der patch-clamp-Pipette 20 getrennt. 1B zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Halteelements 11.1, das zur Aufnahme eines Flüssigkeitstropfens eingerichtet ist (siehe 4). Die patch-clamp-Pipette 20 ist in an sich bekannter Weise mit einer Kapillare 21 aufgebaut, die insbesondere eine freie Kapillarspitze 22 zum Ansaugen einer biologischen Zelle 2 und eine integrierte Messelektrode (nicht dargestellt) aufweist und an einer Kapillarhalterung 23 befestigt ist. Die Kapillarspitze 22 hat typischerweise einen Spitzendurchmesser im μm-Bereich.
  • Der Verbund aus der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 und der patch-clamp-Pipette 20 bildet ein erfindungsgemäßes Messgerät 30 (teilweise dargestellt), das des weiteren Leitungsverbindungen zum Anschluss an eine Steuereinrichtung aufweist und ggf. mit einer Antriebsvorrichtung ausgestattet ist (siehe 7).
  • Das Halteelement 11.1 hat die Form eines axial angeschnittenen Hohlzylinders mit einer elliptischen Grundfläche. Mit dem Halteelement 11.1 wird eine halbrohrförmige Kammer (sog. Halbrohrkammer) gebildet, die zur Aufnahme der Kapillare 21 der patch-clamp-Pipette 20 und eines Flüssigkeitstropfens eingerichtet ist. Auf der Innenseite des Halteelements 11.1 ist die Elektrode 14 angeordnet. Auf der Außenseite ist das Halteelement 11.1 mit dem Stab 12.1 verbunden. Die Elektrode 14 erstreckt sich entlang der Länge des Stabes 12.1.
  • Das Halteelement 11.1 besteht aus Glas oder Kunststoff (z. B. PVC) mit einer Wanddicke von rd. 200 μm bis 1 mm und einer Länge in Längsrichtung des Stabes 12.1 von rd. 3 mm bis 10 mm. Die seitliche Öffnung des Halteelements 11.1 hat eine Breite von rd. 1.5 mm bis 3 mm.
  • Die Elektrode 14 wird durch eine Metallschicht oder einen Metalldraht auf der Seite (insbesondere Innenseite) des Halteelements 11.1 gebildet, die zur Kapillare 21 weist. Die Elektrode 14 besteht z. B. aus Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl) oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material, z. B. Kohlenstoff oder Platin. Des Weiteren kann die Innenseite des Halteelements 11.1 hydrophil beschichtet sein.
  • Wenn eine Berührung der zu untersuchenden Zelle mit dem leitfähigen Material der Elektrode vermieden werden soll (falls die Zelle z. B. durch Ag/AgCl beeinflusst werden könnte), ist eine der folgenden Maßnahmen vorgesehen. Erstens kann die Elektrode aus Agar-Agar und einem Ag/AgCl-Elektrodenteil bestehen, wobei das Agar-Agar über eine Salzbrücke mit dem Elektrodenteil verbunden ist. Zweitens kann die Elektrode teilweise beschichtet oder an der Außenseite des Halteelements 11.1 angeordnet sein, so dass ein Diffusionsweg z. B. von Ag/AgCl zur Zelle gebildet wird.
  • Der Stab 12.1 dient der Halterung des Halteelements 11.1. Der Stab 12.1 ist ein gerades, langgestrecktes Bauteil mit einer Längsrichtung, von der das Halteelement 11.1 radial absteht. Das Halteelement 11.1 öffnet sich in radialer Richtung relativ zur Längsrichtung des Stabes 12.1. An seinem ersten (proximalen) Ende ist der Stab 12.1 mit dem Schwenkgelenk 13 verbunden, während das Halteelement 11.1 an dem zweiten, freien (distalen) Ende des Stabes 12.1 befestigt ist. Der Stab 12.1 besteht aus einem inerten, elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Kunststoff (z. B. PE) oder einer Keramik. Die Elektrode 14 oder eine an diese angeschlossene Leitungsverbindung ist in den Stab 12.1 integriert oder auf dessen Oberfläche befestigt.
  • Gemäß einer alternativen Variante sind die Elektrode 14 und der Stab 12.1 nicht zwei verschiedene Komponenten, sondern der Stab bildet die Elektrode. Wenn der Stab 12.1 und ggf. das Halteelement 11.1 dazu eingerichtet sind, die Elektrode zu bilden, bestehen diese zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material, wie z. B. aus Ag/AgCl. Bei Verwendung von Agar-Agar umfasst die Elektrode 14 (oder entsprechend der Stab 12.1) vorzugsweise ein Glasröhrchen, in dem das geleeartige Agar-Agar angeordnet ist, das dann in eine Salzbrücke übergeht.
  • Das Schwenkgelenk 13 umfasst z. B. ein Scharnier oder ein Dünnschichtgelenk, das einerseits mit dem Stab 12.1 und andererseits mit der patch-clamp-Pipette 20 oder einer entsprechenden Klemmeinrichtung verbunden ist.
  • 1A illustriert schematisch eine piezoelektrische Antriebseinrichtung 15, die zum Verschwenken des Stabes 12.1 um eine Achse senkrecht zur Längsrichtung der patch-clamp-Pipette 20 eingerichtet ist. Die Antriebseinrichtung 15 ist z. B. zwischen einer Oberfläche der patch-clamp-Pipette 20 und dem Stab 12.1 angeordnet. Bei Beaufschlagung der Antriebseinrichtung 15 mit einer Stellspannung dehnt sich ein piezoelektrisches Element der Antriebseinrichtung 15 aus, so dass der Stab 12.1 verschwenkt werden kann.
  • 1C zeigt eine weitere Variante eines Halteelements 11.1 mit einer gebogenen Form, wobei das Halteelement 11.1 zur lösbaren Verbindung am Stab 12 der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 (siehe 1A) vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist das Halteelement 11.1 z. B. im Spritzgussverfahren mit einer Einstecköffnung 11.11 und einer halbrohrförmigen Kammer zur Aufnahme der Kapillarspitze gebildet. Der Stab 12, der gleichzeitig die Referenzelektrode bilden kann, wird in die Einstecköffnung 11.11 gesteckt. Der elektrische Kontakt mit der Kammer, die im Zustand der Annäherung an die Kapillarspitze mit Flüssigkeit gefüllt ist, wird durch eine Kontaktrinne 11.12 hergestellt.
  • Die in 10 gezeigte Variante des Halteelements 11.1 kann so abgewandelt sein, dass die Kammer rohrförmig gebildet ist und die Kapillarspitze (nicht dargestellt) vollständig umgeben kann. Das Halteelement 11.1 hat die Form eines Napfes mit offenem Boden. Wegen der lösbaren Verbindung mit dem Stab 12 ist das Halteelement 11.1 von der Kapillarspitze trennbar. Das Halteelement 11.1 ist so dimensioniert, dass die Flüssigkeit im Halteelement 11.1 durch die Wirkung von Kapillarkräften gehalten wird.
  • Alternativ zu dem gezeigten Halteelement 11.1 mit einer gebogenen Form kann gemäß 2 am distalen Ende des Stabes 12.1 ein Halteelement 11.1 in Form einer ebenen Platte, z. B. aus Glas oder Kunststoff vorgesehen sein. Das ebene Halteelement 11.1 trägt auf der zur Kapillare weisenden Seite die Elektrode 14. Bei geeigneter Gestaltung des Stabs 12.1 kann das Halteelement 11.1 mit dem Ende des Stabs 12.1 einstückig verbunden sein.
  • Gemäß einer weiteren Alternative kann die ebene Platte des Halteelements 11.1 in axialer Richtung der Kapillare 21 abgewinkelt sein (3). Vorteilhafterweise ist in diesem Fall das Halteelement 11.1 an die Form der Kapillarspitze 22 der Kapillare 21 angepasst. Dadurch kann, wenn die Gefahr eines unbeabsichtigten Austrocknens gering ist, der Flüssigkeitstropfen 1 am Halteelement 11.1 kleiner als bei der Variante gemäß den 1 und 2 gebildet und entsprechend das Totvolumen um die Zelle 2 verringert werden. Alternativ zu der gezeigten Form der abgeknickten Platte kann eine komplexere Form gemäß der Außenkontur der Kapillarspitze 22 vorgesehen sein. 3 illustriert des Weiteren, dass das Halteelement 11.1 und mit diesem die Elektrode direkt an die Kapillare 21 anstoßen kann. Alternativ ist es möglich, dass der Stab 12.1 mit der Antriebseinrichtung 15 (1A) so eingestellt wird, dass die Elektrode in unmittelbarer Nähe der Kapillarspitze 22 angeordnet ist.
  • Die 4A und 4B zeigen die erste Ausführungsform gemäß 1 entsprechend im angelegten Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 mit einem Flüssigkeitstropfen 1 und einer Zelle 2. Zwischen der Kapillarspitze 22 und der Innenseite des Halteelements 11.1 ist nur noch ein Kapillarspalt gegeben, oder die Innenseite des Halteelements 11.1 berührt die Kapillarspitze 22. Durch die Kapillarkräfte wird der Flüssigkeitstropfen 1 an der Kapillare 21 gehalten, auch wenn die patch-clamp-Pipette 20 aus einem flüssigen Umgebungsmedium zurückgezogen wird.
  • In den 5 und 6 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle unter Verwendung der ersten Ausführungsform der Erfindung mit weiteren Einzelheiten schematisch illustriert.
  • Zellen einer Zellkultur 3 befinden sich auf dem Boden eines ersten Kulturgefäßes 40, das mit einem ersten Umgebungsmedium 4 gefüllt ist. Das Umgebungsmedium 4 umfasst z. B. ein Kultivierungsmedium der Zellkultur 3. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Zelle 2 in an sich bekannter Weise aus der Zellkultur 3 entnommen. Vorzugsweise erfolgt die Zellentnahme, während die Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 in dem abstehenden Zustand ist und die Kapillare 21 der patch-clamp-Pipette 20 frei an die Zellkultur 3 bewegt, manipuliert und dabei mit der schematisch gezeigten Bildaufnahmeeinrichtung 60 beobachtet werden kann. Die Bewegung der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 und der patch-clamp-Pipette 20 erfolgt mit einer schematisch gezeigten Antriebseinrichtung 50.
  • Anschließend folgt ein Verschwenken des Stabs 12.1 zur Überführung der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 in den angelegten Zustand. Diese Situation ist in 5 illustriert. Das Halteelement 11.1 umgibt die Spitze 22 der Kapillare mit der Zelle 2. In dieser Situation kann eine erste patch-clamp-Messung an der Zelle 2 durchgeführt werden.
  • Anschließend erfolgt gemäß 6 die Überführung der Zelle 2 in ein weiteres Kulturgefäß 41 mit einem veränderten Umgebungsmedium 5. Hierzu wird die Relativposition zwischen der patch-clamp-Pipette 20 und den Kulturgefäßen 40, 41 unter Verwendung der schematisch illustrierten Antriebsvorrichtung 50 und einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verändert, in dem bspw. die patch-clamp-Pipette 20 von dem ersten Kulturgefäß 40 zu dem zweiten Kulturgefäß 41 bewegt wird.
  • Durch die Wirkung der Kapillarkräfte kommt es beim Anheben der patch-clamp-Pipette 20 aus dem ersten Umgebungsmedium 4 zur Tropfenbildung am Halteelement 11.1. Der Kontakt zwischen der Zelle 2 und der Elektrode 14 bleibt erhalten, so dass die Messung nicht gestört wird, wenn die Zelle 2 aus dem ersten Umgebungsmedium 4 herausbewegt wird.
  • Beim Eintauchen der patch-clamp-Pipette 20 in das zweite Umgebungsmedium 5 wird der Tropfen 1 an der Spitze 22 der patch-clamp-Pipette 20 schnell durch das zweite Umgebungsmedium 5 verdünnt. Vorteilhafterweise kann während der Verdünnung die Messung von Zellpotentialen oder Ionenströmen durch die Zellmembran fortgesetzt werden, um die Wirkung des zwei ten Umgebungsmediums 5 unmittelbar zu erfassen. Die laufende Messung bei einem schnellen Austausch der Umgebungsflüssigkeit der Zelle 2 ist insbesondere bei der Messung von liganden-aktivierten Ionenströmen von Vorteil.
  • Die Schritte des Wechsels des Umgebungsmediums mit einer laufenden oder einer wiederholten Messung des Zellpotentials gemäß den 5 und 6 können in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabenstellung wiederholt werden. Die Zahl der Wiederholungen ist vorteilhafterweise praktisch unbegrenzt, so dass sich die Erfindung insbesondere für die Untersuchung einer Vielzahl von Testmedien, insbesondere im Rahmen von Hochdurchsatzverfahren eignet. Vorteilhafterweise kann auf die herkömmliche Applikation von Testmedien über Schläuche verzichtet werden, wodurch nicht nur die Genauigkeit der Messung erhöht, sondern auch die mögliche Zahl der applizierbaren Testmedien und damit der Messdurchsatz vergrößert werden.
  • 7 zeigt eine weitere Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 mit den Komponenten 11.1, 12.1 und 13 an einer patch-clamp-Pipette 20. Das Halteelement 11.1 ist wie in 1A im abstehenden Zustand gezeigt. Die Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 und die patch-clamp-Pipette 20 sind mit der Antriebseinrichtung 50 verbunden, die beispielsweise einen 3-Achsen-Manipulator umfasst. 7 zeigt das Schwenkgelenk 13 beispielhaft am oberen Ende der Kapillarhalterung 23. Alternativ kann das Schwenkgelenk 13 seitlich an der Kapillarhalterung 23 angeordnet sein.
  • Die Kapillare 21 der patch-clamp-Pipette 20 ist an der Kapillarhalterung 23 lösbar befestigt. Die Kapillarhalterung 23 weist eine Saugeinrichtung 26 zur Erzeugung eines Unterdrucks auf, unter dessen Wirkung die Zelle 2 auf der Kapillarspitze 22 gehalten werden kann. Vorzugsweise steckt die Kapillare 21 wie dargestellt in einer Dichtung 24, z. B. aus Gummi, auf der Innenseite der Kapillarhalterung 23, wobei die Messelektrode 25, z. B. ein Silberdraht durch die Kapillarhalterung 23 zu weiteren Leitungsverbindungen (nicht dargestellt) verläuft. Vorteilhafterweise bildet die Kapillarhalterung 23 mit der Dichtung 24 einen Greifer, der beim Ziehen der Kapillare 21 verwendet werden kann (siehe 11, 12). Alternativ kann eine konische Steckverbindung vorgesehen sein, mit der die Kapillare 21 einfacher ausgewechselt werden kann (siehe 12). In diesem Fall werden Kapillaren 21 verwendet, die an ihrem rückseitigen Ende eine konische Form aufweisen.
  • Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Halteelement dazu eingerichtet, die Flüssigkeit zur Bildung der flüssigen Umgebung an der Kapillarspitze unter der Wirkung der Gravitationskraft in einem Gefäß, z. B. einem Napf bereitzustellen, in das die Kapillarspitze im zusammengesetzten Zustand der Flüssigkeitshaltereinrichtung hinein ragt. In diesem Fall kann das Halteelement nicht durch die oben beschriebene Schwenkbewegung von der Kapillarspitze getrennt werden, da sonst der Gefäßrand die Kapillarspitze beschädigen würde. Entsprechend ist bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Halteelement lösbar am Stab der Flüssigkeitshaltereinrichtung befestigt ist. Eine bevorzugte Variante des für die zweite Ausführungsform der Erfindung verwendeten Halteelements 11.2 ist in den 8A und 8B illustriert.
  • Das Halteelement 11.2 gemäß 8A hat die Form eines Napfes, in dessen Wand eine Einstecköffnung 11.21 vorgesehen ist. Der Napf hat des weiteren einen geschlossenen Boden 11.23 und eine Kontaktrinne oder einen Kontaktspalt 11.22, durch die eine in der Einstecköffnung 11.21 angeordnete Elektrode über die im Napf und der Kontaktrinne 11.22 befindliche Flüssigkeit mit dem Inneren des Napfes in elektrischen Kontakt gelangt.
  • Das Halteelement 11.2 besteht z. B. aus einem Kunststoff, der im Spritzgussverfahren geformt ist. Es kann beispielsweise ein Elastomer-Kunststoff vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Stab (in 8A nicht dargestellt) in der Einstecköffnung 11.21 unter der Wirkung einer elastischen Spannung festsitzen. Alternativ oder zusätzlich kann an der Einstecköffnung 11.21 eine Schnapp- oder Rastverbindung (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Das Halteelement 11.2 gemäß 8A und 8B hat beispielsweise die folgenden Dimensionen: Außendurchmesser: 3 mm bis 10 mm, Napfdurchmesser: 0,3 mm bis 3 mm, und axiale Höhe 2 mm bis 10 mm.
  • 8B illustriert die Kombination des Halteelement 11.2 mit einem hohlen Stab 12.2 (teilweise gezeigt), der vorteilhafterweise zum Flüssigkeitstransport in den oder aus dem Napf verwendet werden kann. Der Stab 12.2 hat die Form eines Rohres, das an seinem freien Ende am Halteelement 11.2 offen und am entgegengesetzten Ende mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist. Durch den Stab 12.2 kann über den Kontaktspalt Lösung in den Napf zugeführt oder abgesaugt werden kann.
  • Die Bereitstellung des Kontaktspaltes bzw. der Kontaktrinne hat insbesondere den Vorteil, dass bei der rohrförmigen Ausführung des Stabes 12.2 durch eine Druckänderung im Stab 12.2 die Flüssigkeitsmenge im Halteelement verändert werden kann.
  • Gemäß einer Abwandlung kann das Halteelement als Napf mit einem offenen Boden gebildet sein, so dass sich die oben unter Bezug auf 10 genannte Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung ergibt.
  • Gemäß einer weiteren Abwandlung kann das Halteelement 11.2 zwei Einstecköffnungen zur Aufnahme von zwei Stäben der Flüssigkeitshaltereinrichtung aufweisen. Verschiedene Varianten des Halteelements 11.2 mit zwei Einstecköffnungen sind in den 9 und 10 illustriert. Die Stäbe sind in die Einstecköffnungen formschlüssig oder kraftschlüssig einsteckbar. Die Außerdurchmesser der Stäbe und die Innendurchmesser der Einstecköffnungen sind entsprechend angepasst. In 9 sind zur Illustration die Innendurchmesser der Einstecköffnungen vergrößert gezeigt.
  • Die in 9A gezeigte Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 umfasst das Halteelement 11.2 und die Stäbe 12.2, 12.3. Die patch-clamp-Pipette 20 umfasst die Kapillare 21 und die Kapillarhalterung 23. Im Innern der Kapillare 21 verläuft die Messelektrode 25, die mit einem Messkopf (in 9 nicht gezeigt) verbunden ist. Die Stäbe 12.2, 12.3 der Flüssigkeitshaltereinrichtung 10 sind mit der Kapillarhalterung 23 fest verbunden (z. B. geklebt oder verschraubt), so dass sie auf entgegengesetzten Seiten der Kapillare 21 symmetrisch angeordnet sind. Die Stäbe 12.2, 12.3 erstrecken sich parallel zur axialen Ausdehnung der Kapillare 21. Die Länge der Stäbe 12.2, 12.3 ist so gewählt, dass die Kapillarspitze 22 in den Napf des aufgesteckten Halteelements 11.2 hineinragt, ohne den Napfboden zu berühren. Einer der Stäbe 12.2, 12.3 kann als Elektrode verwendet werden. Entsprechend ist an einer der Einstecköffnungen eine Kontaktrinne (Kontaktspalt) vorgesehen. Die Stäbe 12.2, 12.3, die rohrförmig sein können, bilden mit dem Halteelement 11.2 eine lösbare Steckverbindung.
  • 93 zeigt eine Abwandlung, bei der einer der Stäbe (12.3) am Ende eine Krümmung aufweist, die der Fixierung des Halteelements 11.2 dient. Der Stab 12.3 kann aus einem fe dernden Material gebildet sein und in eine schräge Rille 11.24 an der Seite des Halteelements 11.2 greifen.
  • Die 9C und 9D zeigen weitere Abwandlungen, bei denen die freien Enden der Stäbe 12.2, 12.3 Spitzen aufweisen, die in konisch geformte Einstecköffnungen des Halteelements 11.2 eingreifen. Gemäß 9D kann eine seitliche Verschraubung 12.4 des Stabs 12.3 mit der Kapillarhalterung 23 vorgesehen sein. Alternativ kann die Verschraubung 12.4 durch eine ringförmige Halterung ersetzt sein. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass die Stäbe leicht an verschiedene Typen von Kapillarhalterungen angesteckt werden können.
  • Bezug nehmend auf die 10A bis 10D wird der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle unter Verwendung der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
  • Zunächst erfolgt die Vorbereitung der patch-clamp-Pipette 20. Hierbei ist vorzugsweise die Herstellung der Kapillare 21 unmittelbar vor der elektrophysiologischen Untersuchung mit einer Pipettenzieheinrichtung vorgesehen, die unten unter Bezug auf 11 beschrieben wird. Die Kapillare 21 wird von der Kapillarhalterung 23 aufgenommen. Anschließend wird die patch-clamp-Pipette 20 mit der Antriebsvorrichtung 50 zu einem vorbereiteten Halteelement 11.2 gefahren, um dieses durch Einstecken des Stabes 12.2 in die Einstecköffnung 11.21 aufzunehmen.
  • Anschließend wird das Messgerät 30 mit der Antriebsvorrichtung 50 zu einem Suspensionsgefäß 42 bewegt. Im Suspensionsgefäß 42 befinden sich suspendierte Zellen 2. Die patch-clamp-Pipette 20 wird mit der Tropfenhalteeinrichtung 10 in die Zellsuspension eingeführt. Dabei ist die patch-clamp-Pipette 20 so ausgerichtet, dass die Kapillare 21 vertikal (senkrecht zum Boden des Suspensionsgefäßes 42) verläuft. Beim Eintauchen der Kapillare 21 mit dem Halteelement 11.2 in die Zellsuspension wird diese bewegt und durchmischt. Zu diesem Zweck wird das Messgerät 30 mit der Antriebsvorrichtung 50 vorzugsweise auf- und ab bewegt (10B).
  • Im Ergebnis befinden sich im Napf des Haltelements 11.2 suspendierte Zellen. Anschließend wird das Messgerät 30 angehalten. Mit einer Saugeinrichtung (siehe 7, in 9 nicht dargestellt) wird in der Pipettenhalterung 23 und der Kapillare 21 ein Unterdruck erzeugt, unter dessen Wirkung nach kurzer Zeit eine Zelle an der Kapillarspitze 22 angesaugt wird. Es wird die für die patch-clamp-Messung erforderliche so genannte „Gigaseal"-Verbindung hergestellt und die an sich bekannte patch-clamp-Messung gestartet.
  • Nach einer vorbestimmten Messzeit erfolgt ein Flüssigkeitswechsel in der Umgebung der vermessenen Zelle 2. Diese Messzeit wird beispielsweise in Abhängigkeit von dem Wert des gemessenen Widerstands über der Zelle (so genannter „Seal-Widerstand") ermittelt. Zum Flüssigkeitswechsel wird das Messgerät 30 aus dem ersten Suspensionsgefäß 42 herausgehoben (10C) wobei das Halteelement 11.2 im angesteckten Zustand bleibt und an der Kapillarspitze 22 eine flüssige Umgebung der Zelle 2 gebildet ist. Mit der Antriebsvorrichtung 50 wird das Messgerät 30 in das weitere Suspensionsgefäß 43 überführt (10D), in dem sich eine Testlösung befindet. In der Testlösung kommt es zu einen schnellen Flüssigkeitsaustausch mit der Flüssigkeit im Napf des Halteelements 11.2. Während der Verdünnung des Umgebungsmediums der Zelle 2 mit der Testlösung kann laufend die Messung von Zellpotentialen fortgesetzt werden, um die Wirkung der Testlösung unmittelbar zu erfassen. Wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erwähnt, kann auch bei Verwendung des zweiten Ausführungsform die Messung des Zellpotentials in verschiedenen Testmedien wiederholt werden.
  • Bei Verwendung eines rohrförmigen Stabes 12.2 oder 12.3 kann die Flüssigkeitsmenge im Napf verändert werden, wodurch bei durch Absaugen eines Volumenanteils die Verdünnungszeit der Lösung im Napf verkürzt werden kann.
  • Nach der letzten Messung kann die Ablage der Zelle 2 in einer Zellkultur, z.B. am Boden eines Kulturgefäßes vorgesehen sein. Zu diesem Zweck wird das Halteelement 11.2 von der Kapillare 21 entfernt (Überführung in die Freigabeposition). Die Abnahme des Haltelements 11.2 vom Stab 12.2 erfolgt z.B. unter Verwendung eines gabelförmigen Werkzeugs, das im Kulturgefäß oder an freier Luft bereitgestellt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Messgerät 30 mit einer Pipettenzieheinrichtung 70 ausgestattet, die schematisch in 11A gezeigt ist. Da Kapillaren für patch-clamp-Pipetten sehr empfindlich sind, leicht verschmutzen und daher kaum transportierbar sind, kann die Pipettenzieheinrichtung 70 vorteilhafterweise zur Herstellung der Kapillaren 21 der patch-clamp-Pipetten 20 am Ort des Messgerätes 30 verwendet werden. Es ist insbesondere ein automatisierter Betrieb der Herstellung und Aufnahme der patch-clamp-Pipette 20 möglich.
  • Die Pipettenzieheinrichtung 70 umfasst einen Klemmblock 71, einen Heizdraht 72 und eine Heizung 73. Zum Ausziehen einer Kapillare 21 wird zuerst eine Glaskapillare mit einem Messelektrodendraht in den Klemmblock 71 eingesetzt. Anschließend wird auf das freie Ende der Glaskapillare die Kapillarhalte rung 23 aufgesetzt. Hierzu wird vorzugsweise die Antriebseinrichtung (50, siehe z. B. 5, 6, 10) verwendet, die somit eine Doppelfunktion bei der Herstellung der Kapillare 21 und bei deren Transport erfüllt.
  • Während die Glaskapillare mit dem Heizdraht 72 erhitzt und geschmolzen wird, kann mit der Kapillarhalterung 23. die Kapillare 21 zurückgezogen werden, so dass sich die gewünschte Form der Kapillarspitze 22 ergibt. Anschließend wird die Kapillare 21 mit der Antriebseinrichtung 50 z. B. in einem Magazin 80 abgesetzt, wie es schematisch in 11B illustriert ist. Das Magazin 80 umfasst z. B. einen Block 81 mit Löchern, in die Kapillaren 21 einsetzbar sind, so dass ihre Kapillarspitzen 22 frei bleiben. Das Absetzen erfolgt mit einer Abstreifvorrichtung oder unter Ausübung eines Druckpulses in der Kapillarhalterung 23.
  • 12 zeigt weitere Einzelheiten der Verwendung einer Kapillare, bei der eine konische Steckverbindung 24.1, 24.2 vorgesehen ist. Gemäß 12A wird eine Kapillare 21 verwendet, an deren Enden die Steckverbindungen 24.1, 24.2 über Schraubverbindungen 24.3, 24.4 fixiert sind. Die Kapillare 21 wird mit den Steckverbindungen 24.1, 24.2 in den Klemmblock 71 (siehe 11A) eingesetzt und ausgezogen. 12B zeigt die fertige Kapillare 21 nach dem Ausziehen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (32)

  1. Flüssigkeitshaltereinrichtung (10), die zur Bildung einer flüssigen Umgebung an einer Kapillarspitze (22) einer patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist, umfassend: – ein Halteelement (11.1, 11.2), das zur Halterung eines Flüssigkeitstropfens (1) eingerichtet ist, und – mindestens einen Stab (12.1, 12.2, 12.3), der zur Positionierung des Halteelements (11.1, 11.2) an der Kapillarspitze (22) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Stab (12.1, 12.2, 12.3) so eingerichtet ist, dass in einem Zustand, in dem die Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) mit der patch-clamp-Pipette (20) zusammengesetzt ist, das Halteelement (11.1, 11.2) von der Kapillare (21) trennbar ist.
  2. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der – das Halteelement (11.1) zur Halterung des Flüssigkeitstropfens (1) unter der Wirkung von Kapillarkräften eingerichtet ist, und – das Halteelement (11.1) mit dem Stab (12.1) verschwenkbar ist.
  3. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der – der Stab (12.1) ein Schwenkgelenk (13) aufweist, das zur Verbindung des Stabs (12.1) mit einer Kapillarhalterung (23) der patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist.
  4. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der – das Schwenkgelenk (13) mit einer Antriebseinrichtung (15) zum Verschwenken des Stabs (12.1) ausgestattet ist.
  5. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der – das Schwenkgelenk (13) zur lösbaren Verbindung des Stabs (12.1) mit der patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist.
  6. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 5, bei der – das Schwenkgelenk (13) zum Anklemmen des Stabs (12.1) an der patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist.
  7. Flüssigkeitshaltereinrichtung mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der – das Halteelement (11.1) durch eine ebene Platte, eine profilierte Platte oder einen Abschnitt einer in axialer Richtung angeschnittenen Hohlleitung gebildet wird.
  8. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 7, bei der – das Halteelement (11.1) durch einen in axialer Richtung angeschnittenen Hohlzylinder gebildet wird.
  9. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der – das Halteelement (11.1) am Stab (12.1) lösbar befestigt ist.
  10. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der – das Halteelement (11.2) zur Halterung des Flüssigkeitstropfens (1) unter der Wirkung der Gravitationskraft eingerichtet ist, und – das Halteelement (11.2) an dem mindestens einen Stab (12.2, 12.3) lösbar befestigt ist.
  11. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 10, bei der – der mindestens eine Stab (12.2, 12.3) zur fixierten Befestigung an der Kapillare (21) oder einer Kapillarhalterung (23) der patch-clamp-Pipette (20) eingerichtet ist.
  12. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der – das Halteelement einen Napf (11.2) umfasst, in dessen Wand ein Ende des mindestens einen Stabes (12.2, 12.3) einsteckbar ist.
  13. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei der – eine Einstecköffnung (11.21) in der Wand und das Innere des Napfes (11.2) über eine Kontaktrinne (11.22) verbunden sind.
  14. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der – in der Wand des Napfes (11.2) mindestens eine konische Einstecköffnung (11.21, 11.24) vorgesehen ist, und – der mindestens eine Stab (12.2, 12.3) ein sich verjüngendes Ende aufweist, das in die konische Einstecköffnung (11.21, 11.24) passt.
  15. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, die – zwei Stäbe (12.2, 12.3) aufweist, die zur Positionierung des Halteelements (11.2) an der Kapillarspitze (22) eingerichtet sind, wobei – in der Wand des Napfes (11.2) zwei Einstecköffnungen (11.21, 11.24) vorgesehen sind, die zur Aufnahme von freien Enden der Stäbe (12.2, 12.3) eingerichtet sind.
  16. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Halteelement (11.1, 11.2) mit einer Elektrode (14) ausgestattet ist.
  17. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Elektrode (14) mit dem Stab (12.1, 12.2, 12.3) verbunden ist oder durch den Stab (12.1, 12.2, 12.3) gebildet wird.
  18. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Halteelement (11.1) eine hydrophile oder oleophile Beschichtung trägt.
  19. Flüssigkeitshaltereinrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Stab (12.1, 12.2, 12.3) rohrförmig ist.
  20. Messgerät (30), insbesondere für elektrophysiologische Untersuchungen, umfassend: – eine patch-clamp-Pipette (20) mit einer Kapillare (21), deren Kapillarspitze (22) zur Aufnahme einer biologischen Zelle (2) eingerichtet ist, und mit einer Kapillarhalterung (23), die zur Aufnahme der Kapillare (21) eingerichtet ist, und – eine Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
  21. Messgerät gemäß Anspruch 20, bei dem der Stab (12.1) der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) von einer Konditionierungsposition, in der das Halteelement (11) die Kapillarspitze (22) berührt oder von dieser durch einen Kapillarspalt getrennt ist, in eine Freigabeposition verschwenkbar ist, in der die Kapillarspitze (22) frei steht.
  22. Messgerät gemäß Anspruch 20, bei dem der mindestens eine Stab (12.2, 12.3) an der Kapillare (21) oder der Kapillarhalterung (23) fixiert und das Halteelement (11) mit dem mindestens einen Stab (12.2, 12.3) lösbar verbunden ist.
  23. Messgerät gemäß mindestens einem der Ansprüche 20 bis 22, das eine Antriebseinrichtung (50) aufweist, die zur Bewegung und Positionierung der patch-clamp-Pipette (20) und der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) eingerichtet ist.
  24. Messgerät gemäß mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die Kapillare (21) über eine konische Steckverbindung (24.1) mit der Kapillarhalterung (23) verbunden ist.
  25. Messgerät gemäß mindestens einem der Ansprüche 20 bis 24, das eine Pipettenzieheinrichtung (70) aufweist, die zur Herstellung der Kapillare (21) eingerichtet ist.
  26. Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung einer biologischen Zelle (2) unter Verwendung einer Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) und eines Messgerätes (30) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Aufnahme der biologischen Zelle (2) an der Kapillarspitze (22) der patch-clamp-Pipette (20) in einem ersten Umgebungsmedium, – Überführung der biologischen Zelle (2) mit der Kapillarspitze (22) in ein zweites Umgebungsmedium, wobei mit dem Halteelement (11.1, 11.2) der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) an der Kapillarspitze (22) der patch-clamp-Pipette (20) eine flüssige Umgebung gebildet ist, wobei während und/oder nach der Überführung der biologischen Zelle (2) eine – Messung eines elektrophysiologischen Potentials an der Zelle (2) oder von Ionenströmen durch die Zellmembran der Zelle (2) vorgesehen ist.
  27. Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem nach der Aufnahme der biologischen Zelle (2) an der Kapillarspitze (22) der patch-clamp-Pipette (20) ein Verschwenken des Stabs (12.1) der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) derart vorgesehen ist, dass das Halteelement (11.1) an der Kapillarspitze (22) mit der biologischen Zelle (2) anliegt oder von dieser durch einen Kapillarspalt getrennt ist.
  28. Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem vor der Aufnahme der biologischen Zelle (2) an der Kapillarspitze (22) der patch-clamp-Pipette (20) ein Anstecken des Halteelements (11.2) am Stab (12.2, 12.3) der Flüssigkeitshaltereinrichtung (10) derart vorgesehen ist, dass die Kapillarspitze (22) in das Halteelement (11.2) ragt.
  29. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 26 bis 28, mit den weiteren Schritten: – Überführung der biologischen Zelle (2) in mindestens ein weiteres Umgebungsmedium, wobei während und/oder nach der Überführung der biologischen Zelle (2) eine weitere – Messung des elektrophysiologischen Potentials an der Zelle (2) oder von Ionenströmen durch die Zellmembran der Zelle (2) in dem weiteren Umgebungsmedium vorgesehen ist.
  30. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 26 bis 29, bei dem die Aufnahme-, Verschwenk- und Überführungsschritte unter Verwendung einer Bildaufnahmeeinrichtung (60) und einer Steuereinrichtung automatisiert erfolgen.
  31. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 26 bis 30, bei dem über den Stab und die Kontaktrinne Lösung in das Halteelement (12.2) zugeführt oder aus diesem abgesaugt wird.
  32. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 26 bis 31, bei dem unmittelbar vor der Aufnahme der biologischen Zelle (2) eine – Herstellung der Kapillare (21) der patch-clamp-Pipette (20) mit einer Pipettenzieheinrichtung (70) vorgesehen ist.
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