DE102007036150A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme von biologischen Zellen aus einer Stammzellenkultur - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme von biologischen Zellen aus einer Stammzellenkultur Download PDF

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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/14Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M33/00Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus

Abstract

Ein Verfahren zur Aufnahme von biologischen Zellen (1, 2) aus einer Zellkultur (3) umfasst die Schritte Kultivierung der Zellkultur auf einem Hauptsubstrat (10), Zellübertragung von dem Hauptsubstrat (10) auf mindestens ein Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4...), wobei die Zellen (1, 2) sich durch eine natürliche Zellbewegung auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4...) bewegen und auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3...) eine Kultivierung der Zellen (1, 2) vorgesehen ist, und Trennung des Hauptsubstrats (10) und des mindestens einen Aufnahmesubstrates (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4...) voneinander. Es wird auch eine Substratanordnung (100) zur Bereitstellung von biologischen Zellen (1, 2) einer Zellkultur (3) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von biologischen Zellen aus einer Vielzahl von Stammzellen, bei dem die aufzunehmenden Zellen mittels ihrer natürlichen Zellbewegung auf ein Aufnahmesubstrat wandern. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Substratanordnung zur Aufnahme von biologischen Zellen aus einer Vielzahl von Stammzellen, wobei die Substratanordnung zwei Substrate aufweist, zwischen denen die aufzunehmenden Zellen durch ihre natürliche Zellbewegung übertragen werden können.
  • Es ist bekannt, dass adhärente biologische Zellen auf einem Substrat eine natürliche Zellbewegung ausführen. Die Zellbewegung (englisch: cell locomotion) umfasst allgemein eine Ortsänderung einer kompletten Zelle auf der festen Oberfläche des Substrats oder in Zellmaterial durch eine Umordnung von Adhäsionskontakten von Zellorganen (Membranorgane, zum Beispiel Membranausstülpungen). Die natürliche Zellbewegung wird zum Beispiel von M. Abercrombie et al. in „Experimental Cell Research", Band 67, 1971, S. 359–367 und von L. P. Cramer in „Biochem. Soc. Symp.", Band 65, 1999, S. 17–205, beschrieben.
  • Eine praktische Anwendung der natürlichen Zellbewegung besteht in der stressfreien und verletzungsfreien Entnahme von Zellen aus in vitro-Kulturen. So wird beispielsweise in US 2006/051735 A1 ein Transfer biologischer Zellen durch natürliche Zellbewegung zwischen einem Träger und einer Sonde beschrieben. Da der Transfer durch die natürliche Zellbewegung erfolgt, werden bei diesem Verfahren mechanische oder bioche mische Einflüsse auf die Zellen minimiert und unphysiologische Eingriffe, wie zum Beispiel eine Trypsinierung des Zellmaterials, vermieden.
  • Die in US 2006/051735 A1 beschriebene Kombination aus einem Träger und einer Sonde stellt ein Spezialwerkzeug dar, dessen praktische Anwendbarkeit durch die folgenden Probleme beschränkt sein kann. Da die Sonde zur Aufnahme einer einzelnen Zelle vom Träger oder zur Übertragung einer einzelnen Zelle auf den Träger vorgesehen ist, bedarf es zur Übertragung einer Vielzahl von Zellen eines seriellen Betriebes oder der Verwendung einer Vielzahl von Sonden. Im ersten Fall ergibt sich der Nachteil eines hohen Zeitaufwandes, während die zweite Variante aus Platzgründen auf die Kombination von wenigen Sonden beschränkt wäre. Des Weiteren ist die Sonde nur zum Transport der Zelle geeignet. Für weitere Untersuchungen oder Behandlungen muss die Zelle von der Sonde auf ein weiteres Substrat übertragen werden.
  • Nachteilig kann ferner sein, dass alle an der Übertragung beteiligten Zellen, das heißt sowohl die Zellen im Zellmaterial auf dem Träger und als auch die zu übertragende Zelle die natürliche Zellbewegung aufweisen. Die selektive Entnahme einzelner Zellen oder kleiner Zellgruppen aus dem Zellmaterial auf dem Träger erfordert daher Maßnahmen, um eine Übertragung unerwünschter Zellen zu vermeiden. Es kann beispielsweise erforderlich sein, dass der Träger und die Sonde während der Übertragung bewegt werden. Des Weiteren kann es für eine selektive Entnahme bestimmter Zellen erforderlich sein, dass die Ausrichtung des Trägers und der Sonde und die Wanderung der betreffenden Zelle mit einem Mikroskop beobachtet werden. Aufgrund der genannten Nachteile bestehen Beschränkungen hinsichtlich der Automatisierbarkeit der herkömmlichen Technik.
  • Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Technik besteht darin, dass zur selektiven Übertragung bestimmter Zellen Vorkenntnisse über diese Zellen vorhanden sein müssen. Wenn beispielsweise in einer Stammzellenkultur, in der sich einige Zellen differenziert haben (zum Beispiel Differenzierung zu Nervenzellen), die differenzierten Zellen für eine weitere Untersuchung oder Anwendung entnommen werden sollen, müssen die differenzierten Zellen in der Stammzellenkultur identifiziert werden. Dies erfordert bisher einen invasiven Eingriff in die Stammzellenkultur, wie zum Beispiel eine spezifische Färbung, was eine unerwünschte Beeinflussung der Zellen darstellt.
  • Bei der in vitro-Kultivierung bilden biologische Zellen auf einem Substrat typischerweise eine Zellschicht mit wenigen Zelllagen oder einer einzigen Zelllage (Monoschicht). Bestimmte Zelltypen zeichnen dadurch aus, dass sie über die Dicke der Monoschicht hinauswachsen. Beispielsweise bilden Stammzellen im adhärenten Zustand dreidimensionale Zellaggregate (so genannte organoide Körper, siehe C. Kruse et al. in „Appl. Phys. A", Band 79, 2004, S. 1617–1624; und C. Kruse et al. in „Ann. Anat.", Band 188 (6), 2006, S. 503–517). Aus diesen Publikationen ist auch bekannt, dass aus den Zellaggregaten Stammzellen oder differenzierte Zellen herauswachsen, die ebenfalls die oben genannte natürliche Zellbewegung aufweisen (siehe des Weiteren S. Danner et al. in "Mol. Hum. Reprod." Bd. 13, 2007, S. 11–20). Ein Problem der Kultivierung der Zellaggregate besteht insbesondere darin, dass bisher kein praktikables, nicht-invasives Verfahren zur Charakterisierung der in einem Zellaggregat enthaltenen Zellen verfügbar ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Aufnahme, insbesondere Trennung von biologischen Zellen aus einer Stammzellenkultur bereitzustellen, mit dem die Nachteile und Beschränkungen der herkömmlichen Technik vermieden werden. Des Weiteren besteht die Aufgabe in der Bereitstellung einer verbesserten Substratanordnung, mit der insbesondere die Nachteile der herkömmlichen Kombination aus einem Träger und einer Sonde überwunden werden.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Substratanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Verfahren zur Aufnahme biologischer Zellen aus einer Zellkultur bereitzustellen, bei dem die Zellen sich durch ihre natürliche Zellbewegung von einem Hauptsubstrat, auf dem die Zellkultur angeordnet ist, auf ein oder mehrere Aufnahmesubstrate bewegen, auf dem oder denen eine Kultivierung der Zellen erfolgt. Im Unterschied zur herkömmlichen Zellübertragung zwischen einem Träger, der ein Substrat für eine Zellkultur bildet, und einer Sonde, die ein Transportwerkzeug für einzelne Zellen darstellt, erfolgt erfindungsgemäß die Zellübertragung zwischen Substraten, die beide für eine Kultivierung biologischer Zellen eingerichtet sind.
  • Vorrichtungsbezogen wird die genannte Aufgabe durch eine Substratanordnung mit mindestens zwei Substraten gelöst, die aneinandergrenzend so positioniert sind, dass die Zellen durch ihre natürliche Zellbewegung von einem der Substrate auf das benachbarte Substrat übertragen werden können. Die Substrate umfassen ein Hauptsubstrat, auf dem eine Zellkultur kultivierbar ist, und mindestens ein Aufnahmesubstrat, das zur Besiedelung mit Zellen aus der Zellkultur des Hauptsubstrats und zur Kultivierung dieser Zellen eingerichtet ist. Das Hauptsubstrat und das mindestens eine Aufnahmesubstrat sind separate Bauteile, die für die Zellübertragung aneinandergrenzend positionierbar und nach der Zellübertragung voneinander trennbar sind.
  • Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zahlreiche Nachteile und Beschränkungen der herkömmlichen Technik überwunden werden. Mit dem mindestens einen Aufnahmesubstrat kann eine einzelne Zelle oder es können eine Vielzahl von Zellen (z. B. mindestens 10, 100, 1000 oder sogar eine Millionen oder mehr Zellen) gleichzeitig vom Hauptsubstrat übernommen werden. Die Kultivierung der Zellen auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat ermöglicht, dass die Zellen auf dem Aufnahmesubstrat ohne weitere Zwischenschritte weiteren Verfahren, insbesondere Untersuchungen oder Behandlungen unterzogen werden können. Für die Übertragung der Zellen auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat ist es lediglich erforderlich, dass dieses passend zu einem Rand des Hauptsubstrats angeordnet ist. Die Übertragung der Zellen erfordert keine Rückkopplungs-gesteuerte Manipulation der Substrate und auch keine besonderen Maßnahmen zur Justierung der Haupt- und Aufnahmesubstrate relativ zueinander vor oder während der Zellübertragung.
  • Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Aufnahmesubstrat für eine Kultivierung der aus der Zellkultur ausgewanderten Zellen eingerichtet. Das Aufnahmesubstrat hat eine Substratoberfläche, deren Größe und Material so gewählt sind, dass auf dem Aufnahmesubstrat eine adhärente Zellkultur umfassend mindestens eine Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (vorzugsweise mindestens 10 Zellen, z. B. einige Tausend Zellen) gebildet werden kann. Die Zellen sind auf dem Aufnahmesubstrat kultivierbar, d. h. das Aufnahmesubstrat ist für ein Wachstum und/oder eine Differenzierung der Zellen unter einstellbaren, reproduzierbaren Kultivierungsbedingungen geeignet. Auf dem Aufnahmesubstrat kann eine Oberflächenmodifizierung (z. B. eine molekulare Deposition oder eine Mikro- oder Nanostrukturierung) vorgesehen sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Zellen aus mindestens einem dreidimensionalen Zellaggregat, das auf dem Hauptsubstrat angeordnet ist, auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat übertragen. Das dreidimensionale Zellaggregat ist aus Stammzellen und ggf. einer Mischung von Zellen verschiedener Typen gebildet und umfasst vorzugsweise einen organoiden Körper, wie er bspw. von C. Kruse et al. in den oben genannten Publikationen beschrieben ist. Der organoide Körper hat vorzugsweise eine Querschnittsdimension (z. B. Dicke, Durchmesser) im Bereich von 50 μm bis 20 mm. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Eigenschaft organoider Körper, im adhärenten Zustand einen dreidimensionalen Zellhaufen zu bilden, von dessen Oberfläche gleichmäßig Zellen auswachsen, einen wesentlichen Vorteil für die Erfindung bietet. Der organoide Körper bildet auf dem Hauptsubstrat eine ortsfeste Zellkultur, d. h. während der Übertragung von Zellen auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat bleibt die Position des organoiden Körpers unverändert.
  • Im Unterschied zu der herkömmlichen Technik werden daher keine besonderen Anforderungen an eine gegenseitige Ausrichtung oder sogar Bewegung der Haupt- und Aufnahmesubstrate gestellt. Aus dem Zellaggregat können selektiv ausschließlich die auswandernden Zellen aufgenommen werden, ohne dass das Zellaggregat beeinträchtigt wird. Dabei bedarf es keiner mikroskopischen Beobachtung oder Steuerung. Das Verfahren kann vorteilhafterweise automatisiert werden. Des weiteren wird mit besonderem Vorteil die dauerhafte Proliferation organoi der Körper ausgenutzt. Das Wachstum von Zellen aus organoiden Körpern kann über lange Kultivierungszeiten, z. B. im Bereich von 1 oder 2 Tagen bis 2, 10, 30 oder mehr Wochen stabil erhalten werden. Somit kann sich die Aufnahme von Zellen auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat ebenfalls über einen entsprechenden Zeitraum erstrecken.
  • Vorrichtungsbezogen wird die genannte Aufgabe somit insbesondere durch eine Substratanordnung mit dem Hauptsubstrat und dem mindestens einen Aufnahmesubstrat gelöst, wobei auf dem Hauptsubstrat mindestens ein dreidimensionales Zellaggregat angeordnet ist, das aus Stammzellen gebildet ist und aus dem Zellen heraus wandern.
  • Vorteilhafterweise könnten somit erfindungsgemäß ausschließlich Zellen auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat übertragen werden, die aus dem organoiden Körper herauswandern, während andere Zellen, die Teil des organoiden Körpers sind, auf dem Hauptsubstrat bleiben. Es wird eine selektive Entnahme der wandernden Zellen aus der Stammzellen-Zellkultur im organoiden Körper ermöglicht. Besondere Maßnahmen, etwa eine Nachführung der aneinandergrenzenden Substrate oder eine Überwachung der Zellübertragung sind nicht erforderlich. Das Verfahren zur Aufnahme von Zellen aus der Zellkultur bildet in diesem Fall ein Verfahren zur Trennung von Zellen aus organoiden Körpern, wobei vorteilhafterweise der Herkunftsort und der Weg der Zellen sowie gegebenenfalls deren Veränderung (z. B. Differenzierung, Dedifferenzierung) verfolgt und dokumentiert werden können.
  • Wenn die Zellen aus der Zellkultur auf dem Hauptsubstrat auf mehrere verschiedene Aufnahmesubstrate bewegt werden, können sich Vorteile aus dem Potential, eine Vielzahl von Tochter-Zellkulturen auf den Aufnahmesubstraten zu bilden, und/oder aus der Möglichkeit ergeben, die Zellen auf den verschiedenen Aufnahmesubstraten verschiedenen Kultivierungsbedingungen auszusetzen.
  • Somit umfasst die Substratanordnung gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung das Hauptsubstrat und eine Vielzahl von Aufnahmesubstraten, die passend zu dem Hauptsubstrat gebildet und an dieses angrenzend positionierbar sind. Ein Aufnahmesubstrat ist passend zum Hauptsubstrat gebildet, wenn das Aufnahmesubstrat am Hauptsubstrat positionierbar ist und durch einen Rand des Hauptsubstrats eine Grenzlinie gebildet wird, bei deren Überwindung durch die natürliche Zellbewegung die Zellen auf das Aufnahmesubstrat gelangen. Vorzugsweise ist vorgesehen, das sich die Zellen vom Hauptsubstrat unmittelbar auf das Aufnahmesubstrat bewegen. Die Aufnahmesubstrate bilden einen Satz von Austauschteilen, mit denen das Hauptsubstrat aufeinander folgend zusammensetzbar ist. Mit jedem weiteren Aufnahmesubstrat können weitere Zellen aus dem Zellaggregat aufgenommen werden. Erfindungsgemäß kann somit ein Modulsystem geschaffen werden, bei dem das erste Aufnahmesubstrat durch mindestens ein weiteres Aufnahmesubstrat ersetzbar ist oder bei dem auf das erste Aufnahmesubstrat ein mindestens weiteres Aufnahmesubstrat folgt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich die Zellen, die von den verschiedenen Aufnahmesubstraten aufgenommen werden, in ihren Eigenschaften unterscheiden. Zur spezifischen Aufnahme von Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften jeweils auf verschiedene Aufnahmesubstrate können verschiedene inhärente Eigenschaften der Zellen und/oder verschiedene Eigenschaften der Substratoberflächen der Aufnahmesubstrate verwendet werden. Wenn aus der Stammzellen-Zellkultur auf dem Hauptsubstrat Zellen auswandern, können diese Zellen verschiedene Zelltypen, wie z. B. Stammzellen, Vorläuferzellen oder differenzierte Zellen umfassen. Die Erfinder haben festgestellt, dass die verschiedenen Zelltypen verschiedene Wanderungsgeschwindigkeiten haben. Somit können, ausgehend von einer Startzeit, zu der das Hauptsubstrat und das Aufnahmesubstrat aneinandergrenzend positioniert werden, zu verschiedenen Zeiten verschiedene Zelltypen auf verschiedene Aufnahmesubstrate übertragen werden.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine nicht-invasive Trennung von Zellen aus der Stammzellen-Zellkultur, insbesondere aus dem organoiden Körper, in Abhängigkeit von ihren Zelltypen. Die Erfinder haben des Weiteren festgestellt, dass die Zellen in Abhängigkeit von ihren Differenzierungstypen auf verschiedene Aufnahmesubstrate wandern können, in dem die Aufnahmesubstrate mit einer modifizierten Substratoberfläche bereitgestellt werden, auf die ausschließlich ein bestimmter Differenzierungstyp aufwandert. Die Erfinder haben Hinweise darauf gefunden, dass die Zellen in Abhängigkeit von bisher unbekannten intrinsischen Eigenschaften auf verschiedene Aufnahmesubstrate wandern oder anwachsen können, in dem die Aufnahmesubstrate mit einer modifizierten Substratoberfläche bereitgestellt werden, auf die dann bestimmte Zellen aufwandern oder anwachsen.
  • Wenn die Übertragung von Zellen auf eine Vielzahl von Aufnahmesubstraten vorgesehen ist, können diese gemäß einer ersten Variante der Erfindung zeitlich aufeinanderfolgend an dem Hauptsubstrat bereitgestellt werden. Beispielsweise werden in einem ersten Schritt das Hauptsubstrat mit der Zellkultur, insbesondere dem organoiden Körper, und ein erstes Aufnahmesubstrat für eine Zellübertragung einer ersten Zellgruppe und/oder eines ersten Zelltyps auf das erste Aufnahmesubstrat bereitgestellt. Anschließend werden das Hauptsubstrat und das erste Aufnahmesubstrat voneinander getrennt. Die weitere Kul tivierung der Zellen auf dem ersten Aufnahmesubstrat erfolgt getrennt von dem Hauptsubstrat. Anschließend werden die Schritte der Zellübertragung und Trennung mit mindestens einem weiteren Aufnahmesubstrat wiederholt, wobei weitere Zellen, insbesondere weiterer Zelltypen aus der Zellkultur von dem Hauptsubstrat auf das mindestens eine weitere Aufnahmesubstrat wandern.
  • Mit der zeitlich aufeinanderfolgenden Zellübertragung auf verschiedene Aufnahmesubstrate können verschiedene Vorteile erreicht werden. Erstens kann die genannte Trennung nach Zelltypen mit verschiedenen Wanderungsgeschwindigkeiten erreicht werden, indem die Aufnahmesubstrate in vorbestimmten Zeitbereichen am Hauptsubstrat bereitgestellt werden. Des Weiteren können eine Vielzahl von Tochtersubstraten mit Zellen aus der Zellkultur besiedelt werden. Durch die aufeinanderfolgende Kombination des Hauptsubstrats mit den Aufnahmesubstraten kann bspw. in einer Kultivierungseinrichtung ein Hauptsubstrat mit einem organoiden Körper aufeinanderfolgend zwischen verschiedenen Aufnahmesubstraten umgesetzt werden, um jeweils eine Besiedelung mit Zellen aus dem organoiden Körper zu erzielen.
  • Bei der Übertragung der Zellen auf verschiedene Aufnahmesubstrate kann gemäß einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass alle Aufnahmesubstrate gleichzeitig am Hauptsubstrat bereitgestellt werden. Die Aufnahmesubstrate können bspw. an verschiedene Abschnitte des Randes des Hauptsubstrats angrenzend angeordnet sein. Diese Gestaltung eignet sich besonders für die Übertragung von Zellen mit gleichen Wanderungsgeschwindigkeiten auf Aufnahmesubstrate mit verschieden modifizierten Substratoberflächen. Gemäß einem weiteren Beispiel können die Aufnahmesubstrate so an dem Hauptsubstrat angeordnet sein, dass Zellen zunächst ein unmittel bar an das Hauptsubstrat angrenzendes Aufnahmesubstrat überwandern, bevor sie auf ein Aufnahmesubstrat mit einem größeren Abstand vom Hauptsubstrat gelangen. In diesem Fall wandern Zellen mit hoher Wanderungsgeschwindigkeit in einem Zeitbereich auf entfernt angeordnete Aufnahmesubstrate, indem gleichzeitig Zellen mit einer geringeren Wanderungsgeschwindigkeit auf Aufnahmesubstrate mit einem geringen Abstand vom Hauptsubstrat wandern. Die Wanderung der Zellen kann über Chemotaxis, Galvanotaxis oder andere Attraktoren gerichtet oder beschleunigt werden.
  • Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Zellen von der Zellkultur auf dem Hauptsubstrat in mindestens zwei verschiedene Richtungen auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat auswandern, können sich Vorteile aus einer erhöhten Effektivität der Zellaufnahme aus der Zellkultur ergeben. Die Zellen können bspw. auf ein einziges Aufnahmesubstrat wandern, welches das Hauptsubstrat zumindest teilweise umgibt, oder auf verschiedene Aufnahmesubstrate wandern, die entsprechend in verschiedenen Richtungen der Zellwanderung angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der sich die Zellen radial allseitig aus der Zellkultur, insbesondere aus dem organoiden Körper auf dem Hauptsubstrat auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat bewegen. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Geschwindigkeit der aus dem Zellaggregat auswandernden Zellen mit fallender Dichte ansteigt. Somit wird vorteilhafterweise eine gleichmäßige Besiedelung des mindestens einen Aufnahmesubstrats erzielt.
  • Vorteilhafterweise besteht eine große Variabilität bei der Gestaltung des mindestens einen Aufnahmesubstrates. Somit kann die Erfindung unter verschiedenen Anwendungsbedingungen und für verschiedene Aufgaben implementiert werden. Gemäß einer ersten Variante wird durch das mindestens eine Aufnahme substrat ein Substratrahmen gebildet, der das Hauptsubstrat umgibt. Der Substratrahmen ist besonders für die Aufnahme von Zellen geeignet, die allseitig vom Hauptsubstrat auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat wandern.
  • Allgemein wird ein Aufnahmesubstrat als Substratrahmen bezeichnet, wenn die Substratoberfläche, die zur Aufnahme und Kultivierung der Zellen vorgesehen ist, einen Bereich umgibt, der während der Zellübertragung frei von Zellen bleibt. Beispielsweise kann der Substratrahmen eine innere Öffnung aufweisen, die den zellfreien Bereich bildet und in die das Hauptsubstrat einsetzbar ist. Alternativ kann das Aufnahmesubstrat zur Bildung des Substratrahmens ein Substrat mit einer geschlossenen Substratoberfläche sein, auf die zur Zellübertragung das Hauptsubstrat aufsetzbar ist, so dass ein äußerer Bereich des Substrats als Substratoberfläche zur Aufnahme und Kultivierung der Zellen frei bleibt. In diesem Fall umfasst die erfindungsgemäße Substratanordnung einen Stapel aus einem Hauptsubstrat und mindestens einem Aufnahmesubstrat.
  • Der Substratrahmen hat somit allgemein einen Innenrand, der an die Form und Größe des Randes des Hauptsubstrats angepasst ist. Hat das Hauptsubstrat bspw. allgemein eine Vieleckform, so ist der Innenrand des Substratrahmens komplementär zu der Vieleckform. Bevorzugt ist jedoch eine Kreisform des Hauptsubstrats und des Innenrandes des Substratrahmens. In diesem Fall wird der Substratrahmen auch als Substratring bezeichnet. Die Kreisform bietet Vorteile für eine radial allseitig gleichförmige Übertragung der Zellen auf das Aufnahmesubstrat.
  • Gemäß einer weiteren Alternative kann der Substratrahmen aus mehreren Aufnahmesubstraten (Substratsegmente) zusammenge setzt sein, die auf verschiedenen Seiten an das Hauptsubstrat angrenzend positionierbar sind. Die Substratsegmente sind voneinander trennbare Bauteile, die in zusammengesetztem Zustand den Substratrahmen bilden. Mit den Substratsegmenten können vorteilhafterweise für eine Zellübertragung verschieden modifizierte Substratoberflächen bereitgestellt werden. Die aus der Zellkultur auf dem Hauptsubstrat gleichzeitig abgetrennten Zellen können auf den Substratsegmenten verschiedenen Kultivierungsbedingungen unterzogen werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Aufnahmesubstrate einen Substratverbund bilden. Das Hauptsubstrat und der Substratverbund können so relativ zueinander positioniert werden, dass das Hauptsubstrat an jeweils ein Aufnahmesubstrat des Substratverbundes angrenzt. Des Weiteren sind das Hauptsubstrat und der Substratverbund relativ zueinander beweglich. Somit kann durch eine gegenseitige Verschiebung des Substratverbundes und des Hauptsubstrates ein vorbestimmtes Aufnahmesubstrat für die Aufnahme von Zellen bereitgestellt und/oder dieses Aufnahmesubstrat nach der Aufnahme der Zellen vom Hauptsubstrat getrennt werden.
  • Besonders bevorzugt ist eine Variante der Erfindung, bei der der Substratverbund ein biegsames Substratband bildet, in dessen Oberfläche die Aufnahmesubstrate gebildet sind. Es ist eine Reihe der Aufnahmesubstrate entlang der Länge des Substratbandes vorgesehen. Das Substratband ist für eine Translationsbewegung relativ zu einer Randkante des Hauptsubstrats eingerichtet. Die Randkante des Hauptsubstrats liegt auf der Oberfläche des Substratbandes auf. Somit kann durch die Translation des Substratbandes jeweils ein vorbestimmtes Aufnahmesubstrat am Hauptsubstrat bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann das Substratband von einer Substratrolle am Hauptsubstrat vorbeigezogen werden, um Zellen auf die verschiedenen Aufnahmesubstrate aufzunehmen.
  • Wenn die Verschiebung des Substratverbundes relativ zum Hauptsubstrat diskontinuierlich erfolgt, ergeben sich Vorteile für Verfahren, bei denen abwechselnd Zellen auf eines der Aufnahmesubstrate wandern und dann das betreffende Aufnahmesubstrat vom Hauptsubstrat getrennt wird. Alternativ kann die Verschiebung des Substratverbundes relativ zum Hauptsubstrat kontinuierlich erfolgen. In diesem Fall können die Zellen ununterbrochen auf den Substratverbund übertragen werden. Vorteilhafterweise können somit große Oberflächen mit Zellen besiedelt werden, die aus einer einzigen Zellkultur, insbesondere einem einzigen organoiden Körper ausgewandert sind. Die gegenseitige Verschiebung des Substratverbundes und des Hauptsubstrats erfolgen vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit, die an die Geschwindigkeit der natürlichen Zellbewegung angepasst ist. Die Geschwindigkeit ist z. B. im Bereich von 1 μm/h bis 400 μm/h gewählt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Möglichkeit, nach der Aufnahme der Zellen auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat weitere Schritte der Behandlung und/oder Untersuchung der auf dem Aufnahmesubstrat kultivierten Zellen zu realisieren. So kann eine Immobilisierung der Zellen auf dem Aufnahmesubstrat vorgesehen sein, bspw. um eine Testkultur bereitzustellen. Auf dem Aufnahmesubstrat kann ein weiteres Wachstum und/oder eine Differenzierung der Zellen erfolgen. Da die Zellen auf verschiedenen Aufnahmesubstraten aus einer gemeinsamen Zellkultur, insbesondere aus einem einzigen organoiden Körper ausgewandert sind, sind vorteilhafterweise vergleichende Untersuchungen möglich. Des Weiteren kann nach der Aufnahme der Zellen auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat eine weitere Trennung von differenzierten und nicht differenzierten Zellen und/oder eine Wechselwirkung der Zellen mit weiteren biologischen Zellen vorgesehen sein. Beispielsweise können die Zellen, die mit verschiedenen Aufnahmesubstraten aufgenommen und dort verschiedenen Kultivierungsbedingungen ausgesetzt wurden, gegenseitig zu Wechselwirkung gebracht werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Illustration einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Zellwanderung auf einen Substratring;
  • 2: eine Draufsicht auf eine Substratanordnung mit einem Stapel aus Haupt- und Aufnahmesubstraten;
  • 3 und 4: schematische Seitenansichten erfindungsgemäßer Substratanordnungen;
  • 5: eine weitere schematische Illustration der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Zellwanderung auf Substratsegmente;
  • 6: eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Substratverbund; und
  • 7: eine Draufsicht auf die in 6 gezeigte Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Aufnahme von Stammzellen und/oder differenzierten Zellen aus Zellaggregaten (organoiden Körpern) erläutert, die aus glandulären Stammzellen gebildet sind. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung der glandulären Stammzellen beschränkt, sondern auch mit anderen, adulten oder embryonalen Stammzellen, Vorläuferzellen und Zellgemischen menschlichen oder tierischen Ursprungs möglich. Die Zellaggregate können verschiedene Zelltypen, das heißt neben den Stammzellen auch Vorläuferzellen und/oder differenzierte Zellen enthalten. Alternativ können Zellen aus einem Gewebeisolat (z. B. Dermis, Haarfolikel) aufgenommen werden. Einzelheiten der Kultivierung von Stammzellen oder anderen Zelltypen werden hier nicht beschrieben, da diese aus den Standardverfahren der Zellbiologie an sich bekannt sind.
  • Als "Substrat" wird hier allgemein ein Bauteil verwendet, das als Träger für biologische Zellen geeignet ist. Das Substrat weist eine Substratoberfläche auf, auf der die Zellen adhärent anwachsen und die natürliche Zellbewegung ausführen können. Das Substrat hat eine flächige Ausdehnung, es besteht aus einem festen Material, das starr (z. B. Scheibe, Platte) oder nachgiebig (z. B. Folie) sein kann. Während der Übertragung der Zellen sind die Haupt- und Aufnahmesubstrate miteinander verbunden. Die Haupt- und Aufnahmesubstrate weisen z. B. ebene Substratoberflächen auf, die im verbundenen Zustand unmittelbar aneinander grenzend oder überlappend angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Substratanordnung ist in einer Kultivierungseinrichtung, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Die Kultivierungseinrichtung umfasst z. B. ein herkömmliches Kultivierungsgefäß mit einem flüssigen Kultivierungsmedium.
  • 1 illustriert in Draufsicht schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Substratanordnung 100 mit einem Hauptsubstrat 10 und einem Aufnahmesubstrat 20. Das Hauptsubstrat 10 umfasst eine Platte in Form einer Kreisscheibe mit einem kreisförmigen äußeren Rand 11. Das Hauptsubstrat 10 besteht z. B. aus Glas oder Kunststoff. Auf der ebenen Substratoberfläche 12 des Hauptsubstrats 10 kann eine Beschichtung zur Bereitstellung vorbestimmter Kultivierungsbedingungen, z. B. eine Beschichtung aus Laminin, Poly-Lysin, Gelatine, Fibronektin oder andere Peptide vorgesehen sein. Der Durchmesser des Hauptsubstrats 10 ist z. B. im Bereich von 0,5 mm bis 2 cm gewählt. Die Dicke des Hauptsubstrats 10 ist z. B. im Bereich von 10 μm bis 2 mm gewählt. Das Hauptsubstrat 10 kann mit einem schematisch illustrierten Trägerelement 13 ausgestattet sein (siehe 3). Das Trägerelement 13 ist ein Vorsprung, mit dem eine Manipulation des Hauptsubstrats 10 unter Verwendung eines mechanischen Werkzeugs erleichtert wird.
  • Das Aufnahmesubstrat 20 umfasst einen Substratring 21 mit einer Substratoberfläche 21.1, die für eine Kultivierung biologischer Zellen eingerichtet ist. Der Substratring 21 weist eine innere Öffnung 21.2 auf, die vom Innenrand 21.3 des Substratringes 21 umgrenzt ist. Die Form und Größe des Innenrandes 21.3 ist gleich der Form und Größe des äußeren Randes 11 des Hauptsubstrats 10 gewählt. Der äußere Durchmesser des Substratringes 21 ist z. B. im Bereich von 5 mm bis 5 cm gewählt. Das Hauptsubstrat 10 passt formschlüssig in die innere Öffnung 21.2 des Substratringes 21. Die Oberflächen des Hauptsubstrates und des Aufnahmesubstrates sind vorzugsweise fluchtend ausgerichtet. Das Hauptsubstrat 10 und der Substratring 21 sind getrennte Bauteile, die für die erfindungsgemäße Zellübertragung zusammensetzbar sind.
  • In 1 sind auch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufnahme von Zellen aus einer Zellkultur schema tisch illustriert. In einer ersten Phase wird die Zellkultur 3 auf dem Hauptsubstrat 10 kultiviert. Die Zellkultur 3 umfasst einen oder mehrere, Stammzellen enthaltende, organoide Körper. Die Kultivierung der Zellkultur 3 mit der Bildung des organoiden Körpers auf dem Hauptsubstrat 10 erfolgt, während das Hauptsubstrat 10 noch vom Substratring 21 getrennt oder bereits in diesem eingesetzt ist.
  • Nach der Bildung des organoiden Körpers wandern Zellen 1, 2 aus der Zellkultur 3 radial allseitig aus (siehe Pfeile). Aufgrund der natürlichen Zellbewegung wandern die Zellen 1, 2 auf den Substratring 21, auf dem eine weitere Kultivierung der Zellen erfolgt.
  • Nach der Zellübertragung der Zellen 1, 2 auf den Substratring 21 werden das Hauptsubstrat 10 und das Aufnahmesubstrat 20 (Substratring 21) voneinander getrennt (siehe unterer Teil von 1). Der Zeitpunkt der Trennung wird in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen der Erfindung gewählt. Beispielsweise kann die Trennung nach einer vorbestimmten Übertragungszeit (z. B. 1 Stunde bis 14 Tage) oder nach Erreichen eines vorbestimmten Besiedelungsgrades des Aufnahmesubstrats 20 erfolgen.
  • Anschließend kann das Hauptsubstrat 10 mit einem weiteren Aufnahmesubstrat 20 (in 1 nicht dargestellt) kombiniert werden, um weitere Zellen auf das weitere Aufnahmesubstrat zu übertragen. Des Weiteren kann die auf dem Substratring 21 gebildete Zellkultur weiteren Schritten der Behandlung und/oder Untersuchung, wie z. B. einer weiteren Differenzierung unterzogen werden.
  • 2 illustriert eine abgewandelte Variante einer Substratanordnung 100, bei der mehrere Aufnahmesubstrate 20.1, 20.2, 20.3 mit einem Hauptsubstrat 10 als Substratstapel kombiniert sind. Das Hauptsubstrat 10 mit der Zellkultur 3 (organoider Körper) umfasst eine Kreisscheibe, die auf dem ersten Aufnahmesubstrat 20.1 aufliegt. Das erste Aufnahmesubstrat 20.1 umfasst ebenfalls eine Kreisscheibe, die auf dem zweiten Aufnahmesubstrat 20.2 liegt, das seinerseits auf dem dritten Aufnahmesubstrat 20.3 liegt. Da die Aufnahmesubstrate 20.1, 20.2 und 20.3 verschiedene Durchmesser haben, wird durch eine konzentrische Anordnung an jedem der Aufnahmesubstrate ein Substratring gebildet. Beispielsweise wird durch den vom Hauptsubstrat 10 nicht abgedeckten Teil des ersten Aufnahmesubstrats 20.1 der erste Substratring gebildet, der das Hauptsubstrat 10 allseitig umgibt.
  • Für eine wirksame Zellübertragung ist die Dicke des Hauptsubstrats 10 vorzugsweise geringer als 1 mm, insbesondere geringer als 250 μm gewählt. Hierzu besteht das Hauptsubstrat 10 bspw. aus einer Kunststofffolie, z. B. aus Polyurethan. Die Dicken der Aufnahmesubstrate 20.1 und 20.2 weisen vorzugsweise ebenfalls eine Dicke auf, die geringer als 1 mm, insbesondere geringer als 250 μm ist. Die aneinander grenzenden Ränder der Haupt- und Aufnahmesubstrate können angeschrägt sein, so dass die Zellwanderung zwischen den Substraten erleichtert wird.
  • Zur erfindungsgemäßen Aufnahme biologischer Zellen aus der Zellkultur 3 wird das Hauptsubstrat 10 mit der Zellkultur 3 auf den Stapel aus Aufnahmesubstraten 20.1, 20.2 und 20.3 aufgesetzt. Die aus der Zellkultur 3 auswandernden Zellen bewegen sich aufgrund der natürlichen Zellbewegung radial allseitig auf die Substratringe. Da sich die verschiedenen Zelltypen, die aus der Zellkultur 3 auswandern, in ihren Wanderungsgeschwindigkeiten unterscheiden können, kann durch die Zellübertragung eine Trennung nach Zelltypen erfolgen. So er reichen nach einer vorbestimmten Zeit der Zellübertragung (z. B. 1 bis 2 Stunden bis 14 Tage) die schnellsten Zellen den äußersten Substratring 21.3, während die übrigen Zellen auf den inneren Substratringen 21.1, 21.2 angeordnet sind. Anschließend erfolgt eine Trennung des Hauptsubstrats 10 von den Aufnahmesubstraten 20.1, 20.2 und 20.3 und eine Trennung der Aufnahmesubstrate voneinander. Das Hauptsubstrat 10 mit der Zellkultur 3 wird anschließend auf einen weiteren Substratstapel aufgesetzt, um weitere Zellen aus der Zellkultur 3 aufzunehmen. Die Aufnahmesubstrate 20.1, 20.2 und 20.3 werden weiteren Kultivierungsschritten unterzogen.
  • Das in 2 gezeigte Prinzip der Bildung eines Substratstapels ist nicht auf die Kombination des Hauptsubstrats 10 mit drei Aufnahmesubstraten beschränkt, sondern entsprechend auch bspw. mit einem einzigen Aufnahmesubstrat oder mehr als drei Aufnahmesubstraten möglich. Alternativ zu der gezeigten Anordnung des Hauptsubstrates mit einem geringen Durchmesser auf den Aufnahmesubstraten mit steigenden Durchmessern können die Aufnahmesubstrate Substratringe mit verschiedenen Innendurchmesser umfassen, die auf ein Hauptsubstrat aufgesetzt sind. Diese beiden Varianten der Bildung des Substratstapels sind mit den Seitenansichten in den 3 und 4 schematisch illustriert.
  • Gemäß 3 liegt das Hauptsubstrat 10 wie bei 2 beschrieben auf einem flächigen Substrat. Durch dessen vom Hauptsubstrat 10 nicht abgedeckten Teil wird das Aufnahmesubstrat 20 (Substratring 21) gebildet. Auf dem Hauptsubstrat 10 ist die Zellkultur 3 angeordnet, aus der Zellen 1, 2 auswandern und auf den Substratring 21 übertragen werden. Nach der Besiedelung des Substratringes 21 mit den Zellen 1, 2 kann das Hauptsubstrat 10 mit der Zellkultur 3 vom flächigen Substrat abgenommen und weiteren Verfahrensschritten zugeführt werden. Zur Trennung der Haupt- und Aufnahmesubstrate 10, 20 wird das Hauptsubstrat 10 am Trägerelement 13 mit einem mechanischen Werkzeug (nicht dargestellt) ergriffen.
  • 4 illustriert das umgekehrtes Prinzip der Bildung eines Substratstapels, bei dem das Hauptsubstrat 10 einen Träger für ein ringförmiges Aufnahmesubstrat 20 mit einer inneren Öffnung 21.2 bildet. Die Zellkultur 3 ruht unbeweglich auf dem Aufnahmesubstrat 10 in der inneren Öffnung 21.2 des Aufnahmesubstrats 20. Die von der Zellkultur auswandernden Zellen 1, 2 besiedeln die Substratoberfläche des Aufnahmesubstrats 20, wo auch eine weitere Kultivierung der Zellen 1, 2 erfolgt.
  • 5 illustriert eine weitere Variante der Erfindung, bei der als Aufnahmesubstrate 20 mehrere Substratsegmente 22.1, 22.2 und 22.4 vorgesehen sind, die das Hauptsubstrat 10 umgeben. Die Substratsegmente 22.1 bis 22.4 bilden im zusammengesetzten Zustand einen Substratring, der mit Zellen besiedelt werden kann, wie dies oben unter Bezug auf 1 beschrieben wurde. Nach der Zellübertragung können Substratsegmente 22.1 bis 22.4 voneinander getrennt werden (siehe Pfeile). Nach der Trennung können verschiedene Substratsegmente miteinander kombiniert werden, um die Zellen auf den Substratsegmenten zur Wechselwirkung zu bringen.
  • Gemäß einer Variante der Erfindung kann die Trennung eine Verschiebung der Substratsegmente 22.1 bis 22.4 auf einem gemeinsamen Träger umfassen, das ein weiteres Aufnahmesubstrat 20.4 bildet. Dabei können die Zellen von den Substratsegmenten 22.1 bis 22.4 auf das weitere Aufnahmesubstrat 20.4 aufwandern und auf diesem miteinander Wechselwirken.
  • 5 illustriert schematisch, dass das Aufnahmesubstrat 20 eine biologische wirksame Beschichtung aufweisen kann. Die biologisch wirksame Beschichtung kann z. B. Fibronektin, ein anderes Matrixmolekül, ein Polymer oder immobilisierende Signalmoleküle umfassen. Die Beschichtung kann homogen gebildet sein (22.1), eine Flächendichtegradienten aufweisen (22.2) oder mindestens eine Beschichtungssubstanz (22.3, 22.4) umfassen. Verschiedene Beschichtungssubstanzen können sich beim Übergang zwischen den Substratsegmenten ggf. teilweise überlagern (22.3, 22.4). Gemäß einer weiteren Alternative können Muster der Beschichtung mit Detailstrukturen mit typischen Dimensionen im μm- oder mm-Maßstab vorgesehen sein. Durch die biologisch wirksame Beschichtung der Substratsegmente werden auf den verschiedenen Teilen des Aufnahmesubstrates 20 verschiedene Kultivierungsbedingungen geschaffen. Beispielsweise können die aus der Zellkultur 3 auswandernden Stammzellen auf den Substratsegmenten 22.1 bis 22.4 verschieden differenziert werden. Nach der Trennung der Substratsegmente und/oder der Übertragung auf das gemeinsame Aufnahmesubstrat 20.4 können die verschieden differenzierten Zellen miteinander Wechselwirken. Gemäß einer weiteren Variante können verschiedene Aufnahmesubstrate mit Zellen aus verschiedenen Zellkulturen (in 5 nicht gezeigt) besiedelt werden. Nach der Zellübertragung auf die Aufnahmesubstrate kann eine gegenseitige Wechselwirkung der verschiedenen Zellen vorgesehen sein.
  • Die 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Aufnahmesubstrate 20, 20.1, ... Teil eines Substratbandes 23 sind, in schematischer Seitenansicht und Draufsicht. Die Substratanordnung 100 umfasst das Hauptsubstrat 10 zur Aufnahme der Zellkultur 3 und das Substratband 23. Das Hauptsubstrat 10 ist ortsfest in einer Kultivierungseinrichtung angeordnet und z. B. an einer Wand 30 eines Kultivierungsgefäßes (nicht dargestellt) befestigt. Auf dem Hauptsubstrat 10 kann eine adhäsionsmindernde Beschichtung 14 (z. B. aus PTFE, Alginat, Polysaccharide) vorgesehen sein, um die Bewegung von Zellen auf Wege hin zum Rand 11 zu beschränken. Eine Mulde 15 des Hauptsubstrates 10 dient der Aufnahme der Zellkultur 3.
  • Das Substratband 23 umfasst ein flexibles Material, z. B. Kunststoff, auf dessen Oberfläche die Aufnahmesubstrate 20, 20.1 gebildet sind. Die Aufnahmesubstrate 20, 20.1 umfassen voneinander getrennte Bereiche der Oberfläche des Substratbandes 23. Das Substratband 23 weist eine Dicke von z. B. 250 μm und eine Breite von z. B. 10 mm auf. Die Aufnahmesubstrate 20, 20.1 sind mit verschiedenen biologisch wirksamen Beschichtungen, z. B. aus Laminin, Fibronektin oder andere bioaktive Moleküle, die für eine spezifische Adhäsion von Zellen verwendet werden, gebildet.
  • Das Substratband 23 ist in einer Substratrolle 24 unterhalb des Hauptsubstrats 10 angeordnet. Von der Substratrolle 24 wird das Substratband 23 über Umlenkrollen (nicht dargestellt) so an dem Rand 11 des Hauptsubstrats 10 vorbeigeführt, dass Zellen 1, 2 auf das jeweils angrenzende Aufnahmesubstrat 20, 20.1 aufwandern können. Die Translationsbewegung (siehe Pfeil) des Substratbandes 24 erfolgt bspw. mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 μm/h bis 400 μm/h.
  • Gemäß einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass das Band diskontinuierlich schneller weiter geschaltet wird, um Abstände mit geringerer oder ohne Zellbesiedelung zu schaffen. Vorteilhafterweise kann das Band anschließend an diesen Abständen durchtrennt werden, ohne die übrigen Zellen zu beschädigen.
  • Zur erfindungsgemäßen Aufnahme biologischer Zellen aus der Zellkultur 3 wird diese auf dem Hauptsubstrat 10 angeordnet. Die aus der Zellkultur 3 auswandernden Zellen 1, 2 bewegen sich aufgrund der natürlichen Zellbewegung über den Rand 11 auf das angrenzende Aufnahmesubstrat 20. Um weitere Zellen aus der Zellkultur 3 aufzunehmen, wird das Substratband 23 mit den Aufnahmesubstraten 20, 20.1, ... relativ zum Rand 11 des Hauptsubstrats 10 verschoben.
  • Mit der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung können vorteilhafterweise verschiedene Zelltypen aus der Zellkultur 3 (umfassend z. B. einen organoiden Körper oder ein Gewebeisolat) separiert und auf Oberflächen getrennt aufgenommen werden. Weitere Kultivierungsschritte, Behandlungen und/oder Untersuchungen können sich an den voneinander getrennten Zellen anschließen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüche offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (29)

  1. Verfahren zur Aufnahme von biologischen Zellen (1, 2) aus einer Zellkultur (3), mit den Schritten: – Kultivierung der Zellkultur auf einem Hauptsubstrat (10), – Zellübertragung von dem Hauptsubstrat (10) auf mindestens ein Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...), wobei die Zellen (1, 2) sich durch eine natürliche Zellbewegung auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) bewegen, und – Trennung des Hauptsubstrats (10) und des mindestens einen Aufnahmesubstrates (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) voneinander, dadurch gekennzeichnet, dass – auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, ...) eine Kultivierung der Zellen (1, 2) vorgesehen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Zellkultur auf dem Hauptsubstrat (10) ein dreidimensionales Zellaggregat (3) umfasst, das aus Stammzellen gebildet ist und aus dem die Zellen (1, 2) heraus wandern.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem – die Zellen (1, 2) sich auf mehrere verschiedene Aufnahmesubstrate (20.1, 20.2, 20.3) bewegen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem – die Zellen (1, 2), die sich auf die verschiedenen Aufnahmesubstrate (20.1, 20.2, 20.3) bewegen, jeweils verschiedene Eigenschaften aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem – die Zellen (1, 2), die sich auf die verschiedenen Aufnahmesubstrate (20.1, 20.2, 20.3) bewegen, verschiedene Wanderungsgeschwindigkeiten der natürlichen Zellbewegung und/oder verschiedene Differenzierungstypen aufweisen.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Aufnahmesubstrate (20, 20.1 ...) für die Zellübertragung zeitlich aufeinander folgend an dem Hauptsubstrat (10) bereitgestellt werden.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) für die Zellübertragung gleichzeitig an dem Hauptsubstrat (10) bereitgestellt werden.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Zellen (1, 2) sich bei der Zellübertragung in mindestens zwei verschiedenen Richtungen aus der Zellkultur (3) auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) bewegen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – die Zellen (1) sich radial allseitig aus der Zellkultur (3) auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) bewegen.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Aufnahmesubstrate (20) Substratrahmen (21) umfassen, die für die Zellübertragung so angeordnet werden, dass das Hauptsubstrat (10) von den Substratrahmen (21) umgeben ist.
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Aufnahmesubstrate (20) Substratsegmente (22.1, 22.2, 22.3, 22.4) umfassen, die für die Zellübertragung an das Hauptsubstrat (10) angrenzend angeordnet sind.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Aufnahmesubstrate (20, 20.1, ...) einen Substratverbund bilden, wobei – für die Bereitstellung und/oder die Aufnahme der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, ...) der Substratverbund und das Hauptsubstrat (10) relativ zueinander verschoben werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem – der Substratverbund ein flexibles Substratband (23) umfasst, auf dessen Oberfläche eine Reihe der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, ...) gebildet ist, und – für die Bereitstellung und/oder die Aufnahme eine Translation des Substratbandes (23) relativ zu einem Rand (11) des Hauptsubstrats (10) vorgesehen ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem – die gegenseitige Verschiebung des Substratverbundes und des Hauptsubstrats (11) diskontinuierlich erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem – die gegenseitige Verschiebung des Substratverbundes und des Hauptsubstrats (11) kontinuierlich erfolgt.
  16. Verfahren nach Anspruche 15, bei dem – die Verschiebung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 μm/h bis 400 μm/h erfolgt.
  17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem der Schritte: – Immobilisierung der Zellen (1, 2) auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...), – Untersuchung der Zellen (1, 2) auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...), – Aufnahme von differenzierten und nicht differenzierten Zellen von dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...), – Wechselwirkung der Zellen (1, 2) auf dem mindestens einen Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) mit weiteren biologischen Zellen, und – Wechselwirkung der Zellen (1, 2) auf einem der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) mit den Zellen (1, 2) auf einem anderen der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...).
  18. Substratanordnung (100) zur Bereitstellung von biologischen Zellen (1, 2) einer Zellkultur, umfassend: – ein Hauptsubstrat (10), auf dem die Zellkultur kultivierbar ist, und – mindestens ein Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...), das zur Aufnahme der Zellen (1, 2) eingerichtet ist, wobei – das Hauptsubstrat (10) und das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) so zueinander passend gebildet und positionierbar sind, dass die Zellen (1, 2) durch eine natürliche Zellbewegung aus der Zellkultur auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) wandern können, und – das Hauptsubstrat (10) und das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) voneinander trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) eine Substratoberfläche aufweist, auf der die Zellen (1, 2) kultivierbar sind.
  19. Substratanordnung nach Anspruch 18, bei der – mehrere Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) vorgesehen sind, wobei das Hauptsubstrat (10) und die Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) so zueinander passend gebildet und positionierbar sind, dass die Zellen (1, 2) durch die natürliche Zellbewegung aus der Zellkultur (3) auf das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) wandern können.
  20. Substratanordnung nach Anspruch 19, bei der – das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) einen Rand aufweist, dessen geometrische Form komplementär zu einem äußeren Rand (11) des Hauptsubstrat (10) gebildet ist.
  21. Substratanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem – das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) einen Substratrahmen bildet, der das Hauptsubstrat (10) umgibt.
  22. Substratanordnung nach Anspruch 21, bei dem – jeder der Substratrahmen einen Substratring (21) umfasst, der das Hauptsubstrat (10) umgibt.
  23. Substratanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem – das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) mehrere, voneinander trennbare Substratsegmente (22.1, 22.2, 22.3, 22.4) umfasst, die auf verschiedenen Seiten an das Hauptsubstrat (10) angrenzend positionierbar sind.
  24. Substratanordnung nach Anspruch 23, bei dem – mehrere Aufnahmesubstrate (20, 20.1, ...) einen Substratverbund bilden, auf dem ein Rand (11) des Hauptsubstrats (10) aufliegt, wobei – das Hauptsubstrat (10) und der Substratverbund relativ zueinander verschiebbar sind.
  25. Substratanordnung nach Anspruch 24, bei dem – der Substratverbund ein flexibles Substratband (23) umfasst, auf dessen Oberfläche eine Reihe der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, ...) gebildet ist, wobei – das Substratband (23) für eine Translation relativ zum Rand (11) des Hauptsubstrats (10) eingerichtet ist.
  26. Substratanordnung nach Anspruch 24 oder 25, bei dem – das Hauptsubstrat (10) und das Substratband (23) für eine Relativbewegung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 μm/h bis 400 μm/h eingerichtet sind.
  27. Substratanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 23, bei der – das Hauptsubstrat (10) und das mindestens eine Aufnahmesubstrat (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) einen Stapel bilden.
  28. Substratanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 27, die mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: – mindestens eines der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) hat eine immobilisierende Oberfläche, die zur Immobilisierung der Zellen eingerichtet ist, – mindestens eines der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) trägt eine Oberflächenmodifizierung, mit der die Kultivierung, insbesondere ein Wachstum und/oder ein Differenzierung, der Zellen (1) gefördert wird, – mindestens eines der Aufnahmesubstrate (20, 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 ...) trägt weiteren biologische Zellen.
  29. Substratanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 28, bei der – die Zellkultur (3) auf dem Hauptsubstrat (10) angeordnet ist, wobei die Zellkultur (3) ein dreidimensionales Zellaggregat umfasst, das aus Stammzellen gebildet ist und aus dem die Zellen (1, 2) heraus wandern.
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