DE102008035644A1

DE102008035644A1 - Zellchipsystem mit Höhenversatz

Info

Publication number: DE102008035644A1
Application number: DE200810035644
Authority: DE
Inventors: Volker Lob
Original assignee: Individual
Current assignee: Lob Volker De
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: DE102008035644B4

Abstract

Bei einem Zellchipsystem mit einer Zulaufkammer (12), einer Hauptkammer (14), in deren Bodenbereich sich eine Zellkulturkammer (20) mit darunter angeordnetem Sensorchip (22) befindet, sowie einer Ablaufkammer (16), wobei zwischen Zulaufkammer (12) und Zellkulturkammer (20) ein Zulaufkanal (18a) und zwischen Zellkulturkammer (20) und Ablaufkammer (16) ein Ablaufkanal (18b) vorgesehen ist, wobei ferner ein in der Hauptkammer (14) eingepasster, vertikal verschiebbarer Verdrängungskörper (24) vorgesehen ist, der in der unteren Endstellung die Zellkulturkammer (20) nach oben hin begrenzt, liegt die durch den Verdrängungskörper (24) begrenzte Deckwandung (21) der Zellkulturkammer (20) unterhalb des Vertikaleinlaufes (26a) der Zulaufkammer (12) sowie des Vertikaleinlaufes (26b) der Ablaufkammer (16). Diese ermöglicht eine effiziente Beschickung und Entleerung der Kammern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellchipsystem mit einer Zulaufkammer, einer Hauptkammer, in deren Bodenbereich sich eine Zellkulturkammer mit darunter angeordnetem Sensorchip befindet, sowie einer Ablaufkammer, wobei zwischen Zulaufkammer und Zellkulturkammer sowie zwischen Zellkulturkammer und Ablaufkammer jeweils Verbindungskanäle vorgesehen sind, wobei ferner ein in der Hauptkammer eingepasster, vertikal verschiebbarer Verdrängungskörper vorgesehen ist, der in der unteren Endstellung die Zellkulturkammer nach oben hin begrenzt.
Unter Zellchipsystemen im Allgemeinen versteht man Messaufbauten, die mit Hilfe von mikroskalierten Sensorstrukturen auf unterschiedlichen Trägersubstraten in der Lage sind, metabolische und morphologische Änderungen an einer Zellkultur festzustellen. Mit Hilfe von Biosensorchips ist man in der Lage, Änderungen im extrazellulären Medium dynamisch und über Tage zu detektieren.
Von zentraler Bedeutung für das sensor-gestützte Zellmonitoring ist eine Fluidikkomponente: Zum einen erfolgt dadurch über einen geregelten Austausch von Kulturmedien die kontinuierliche Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und der Abtransport von Metaboliten. Weiterhin ermöglicht das System die genau dosierte Zugabe von Wirkstoffen. Und schließlich wird nur über die Einstellung eines ausreichend kleinen Mikro-Reaktionsvolumens im Bereich der Zellkultur die Messung von Stoffwechselraten an kleinen Zell- und Gewebekulturen möglich. Hierzu wird ein sog. Drei-Kammer-System verwendet.
Ein solches Drei-Kammer-System ist beschrieben und dargestellt in Lob, V. et al. (2005): Cell-based Assays: Mikrosensorarray-basiertes Screening an lebenden Zellen und Geweben. BIOspektrum Sonderausgabe 11, 511–512, sowie in Brischwein, M. et al. (Februar 2006): Chip statt Maus: Microsensorarrays zur Chemikalienprüfung. Nachrichten aus der Chemie 54, 115–120.
Das Drei-Kammer-System besteht aus drei miteinander verbundenen Kammern. Eine Zu- und eine Ablaufkammer nehmen das an der Zellmessung beteiligte Fluid in sich auf. In einer Zellkulturkammer, die mit Verbindungskanälen mit der Zu- und Ablaufkammer verbunden ist, befindet sich das zu untersuchende biologische Material. Ein Sensorchip schließt das Fluidsystem nach unten hin ab. Um das System in Betrieb zu setzen, wird das Drei-Kammer-System zuerst komplett mit Flüssigkeit gefüllt Dann wird ein Verschlusskörper eingeführt und soweit nach unten bewegt, dass nur eine Zellkulturkammer einer geringen Höhe im Bereich von etwa 0,5–3 mm verbleibt. Die beiden Verbindungskanäle liegen sich bezüglich der Zellkulturkammer gegenüber, so dass das Fluid von dem Zulaufkanal eintritt, die Zellkulturkammer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik durchströmt und am anderen Ende wieder durch den Ablaufkanal wieder austritt.
Angetrieben wird das System durch Druckdifferenzen, die durch die Zugabe bzw. Abnahme von Medium aus der Zu- bzw. Ablaufkammer entstehen (Pegeldifferenzen). Durch Verbindungskanäle strömt das Fluid von der Zulauf- durch die Zellkultur- in die Ablaufkammer.
Die Druckschrift DE 10148210 A1 beschreibt ein Fluidsystem, bei dem ein Strömungskanal zur Untersuchung biologischer Zellen von zwei seitlich angebrachten Öffnungen geflutet werden kann. Die Bedienung erfolgt mit Hilfe von Pipetten, die zur Versorgung des Systems auf den Boden des Zellkulturbereichs aufgesetzt werden, wobei die Öffnung in der Mitte des Zulaufs liegt. Die Geometrie dieses Systems verhindert nicht, dass bei falscher Bedienung Luft in den Strömungskanal gelangen kann. Ferner können die Reservoirs trichterförmig in den Strömungskanal münden, damit keine Probenrückstände im Reservoir verbleiben. Diese Lösung birgt den Nachteil, dass damit das System bis auf die Ebene des Strömungskanals zugänglich ist. Beim Abziehen der Flüssigkeit auf einer Seite wird nach Leerung des Reservoirs auf der anderen Seite Luft in das System gezogen.
Herkömmliche Zellchipsysteme haben den Nachteil, dass bei der Befüllung mit Flüssigkeit Luft in die Zellkulturkammer gelangen und damit sowohl die Strömungsverhältnisse als auch die Messergebnisse negativ beeinflussen kann. Auch ist eine vollständige Entleerung der Zu- oder Ablaufkammer (Versorungskammern) während des Messvorgangs nicht möglich, weil damit auch die Zellkulturkammer entleert wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Zellchipsystem bereitzustellen, das Lufteinschlüsse beim Befüllen verhindert und auch während des Messvorgangs eine vollständige Entleerung der Versorgungskammern ermöglicht.
Diese Erfindung wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Niveauunterschied hat folgende Vorteile. Bei einer Bedienung des Systems von oben, also der Eingabe von Flüssigkeit in die Zulauf oder Ablaufkammer, ist lediglich das Niveau dieser Versorgungskammern erreichbar. Eine Pipettenspitze kann maximal auf den Boden eines der Versorgungskammern geführt werden. Luft, die im Zuge einer fehlerhaften Versorgung in das System gebracht wird, kann ungehindert aufsteigen und wird nicht in die Zellkulturkammer gelangen. Ebenso kann bei einer vollständigen Entleerung der Versorgungskammern gewährleistet werden, dass es zu keiner Entleerung der Zellkulturkammer und damit zu keinem Lufteintritt in diese Kammer kommt. Der Niveauunterschied dient hier der Störgrößenreduktion.
Damit ist es auch möglich, dass das Zellchipsystem sowohl mit befüllten als auch entleerten Versorgungskammern betrieben werden kann. Durch die Möglichkeit, das System bis auf das Volumen in der Zellkulturkammer zu entleeren, ohne die Funk tionalität des Fluidsystems zu beeinflussen, lassen sich verschiedene Bedienszenarien bewerkstelligen. Bei der Flüssigkeitszugabe in eine der Versorgungskammern eines minimal befüllten Zellchipsystem, bei der nur die Zellkulturkammer gefüllt ist, werden Dispersionsphänomene minimiert.
Ein weiterer Vorteil des Niveauunterschieds ist in der nach unten hin verkleinerten Abschlussfläche des Fluidsystems zu sehen. Ein verschließender Sensorchip kann auf die Fläche der Zellkulturkammer beschränkt werden. Eine Abdichtung des Fluidsystems bei minimaler Chipfläche dient der Kostenreduktion.
Darüber hinaus stellt die Höhendifferenz zwischen der Zellkulturkammer und den Versorgungskammern ein Strömungshindernis dar, das bei einer direkten Befüllung der Zellkulturkammer verhindert, dass Flüssigkeit aus diesem Bereich in die Versorgungskammern läuft. Dieser Vorteil ist besonders bedeutsam unter dem Gesichtspunkt der volumenoptimierten Beimpfung des Systems.
Vorzugsweise beträgt der Höhenunterschied zwischen dem Zellkulturkammerboden und den Vertikaleinläufen mindestens 0,1 mm, vorzugsweise 0,2 mm–3 mm. Dieser Höhenunterschied bemisst sich an der Höhe der Zellkulturkammer. Je flacher diese Kammer ist, umso sensibler kann mit Hilfe des Sensorchips gemessen werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zulaufkammerboden rampenförmig in Richtung des Zulaufkanals geneigt und der Ablaufkammerboden trichterförmig ausgebildet ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass eingebrachtes Medium vollständig (Benetzung der Zulaufkammer wird minimiert) dem Zulaufkanal und somit der Zellkulturkammer zugeführt werden kann. Bei entleerter Ablaufkammer kann das Volumen des zuvor eingegebenen Mediums vollständig in der Ablaufkammer aufgenommen werden. Diese Ausbildung der Zu- und Ablaufkammer ermöglicht eine exakte Wirkstoffzugabe die bei geringen Volumina (maximal Aufnahmevolumen des Trichters) das Prinzip der kommunizierenden Röhren unterbindet.
Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel 5–30°. Medien können bei geringem Verlust (Benetzung der Zulaufkammer) dem Zulaufkanal zugeführt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zellchipsystems ist es möglich, lebende Zellen realitätsnah, d. h. nahezu wie in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen und zwar in Echtzeit, dynamisch und multiparametrisch. Das System erlaubt somit ganz allgemein Aussagen zur Vitalität der untersuchten Zellen und kann detektieren ob und in welchem Ausmaß die Vitalität der Zellen durch Exposition von Wirkstoffen, Giften oder Umwelteinflüssen (inkl. Gase, Strahlung) verändert/beeinträchtigt wird. Dadurch ergeben sich insbesondere die folgenden Anwendungen:

– individuelle Sensitivitätsanalyse: Von individuellen Patienten (z. B. Krebspatienten) entnommene Zellproben werden hinsichtlich ihres Ansprechens auf unterschiedliche (z. B. Krebs-) Medikamente (einschließlich Medikamentenkombinationen und verschiedene Dosierungen) untersucht. Somit erhält der behandelnde Arzt eine wertvolle Entscheidungshilfe für die in diesem Fall effizienteste Therapieoption, gewinnt Zeit und erspart eine ggf. weniger wirksame, mit Nebenwirkungen belastete und teure Behandlung. Ähnliches Vorgehen ist neben Krebs auch bei Infektionserkrankungen (Bakterien, Pilze) und in allen weiteren Situationen anwendbar, bei denen unerwünschte Zellen bzw. Mikroorganismen medikamentös geschwächt oder abgetötet werden sollen, ohne den eigenen Organismus zu schädigen. Ebenso lässt sich an verschiedenen Zellproben eines Individuums (z. B. Muskelzellen, Nervenzellen, Blutzellen, Hautzellen, Lymphzellen) das Ansprechen von therapeutischen Alternativen testen.
– Wirkstoffscreening: An Hand von Zellen/Zellkulturen (von denen das Ansprechverhalten auf pharmakologisch aktive Sub stanzen bekannt ist) werden verschiedene Wirkstoff-Kandidaten für neue Medikamente auf ihre Wirksamkeit hin getestet.
– Ersatz von Tier- und Humanversuchen: Neue Wirkstoffe/Medikamentenkandidaten werden anstatt im Tier- bzw. Humanversuch an Zellproben auf ihre Wirksamkeit oder Sicherheit hin getestet.
– Toxizitätstests: Substanzen (Flüssigkeiten, Gase), sowie Strahlen deren toxisches Potenzial untersucht werden soll, werden mit Zellen/Zellkulturen konfrontiert, von denen bekannt ist, dass sie sensitiv auf toxische Effekte reagieren. Anwendbar z. B. im Gewässerschutz oder Immissionsschutz.
– Biochemische Prozesskontrolle: Verfolgung biochemischer Prozesse bei Fermentierung und Brauprozessen; Überwachung der Vitalität/Aktivität der eingesetzten Organismen (Hefen, Bakterien).
– Zellbiologische Anwendungen: Überprüfung der Vitalität von z. B. Stammzellen, Eizellen, Samenzellen, etc.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Schnittdarstellung eines Zellchipsystems, und
2: eine schematische Draufsicht des Zellchipsystems von 1
Zunächst sei angemerkt, dass das in den Zeichnungen dargestellte Zellchipsystem 10 vielfach, vorzugsweise in 96-facher Form in einer rechteckigen 12 × 8 Anordnung nebeneinander in einer gemeinsamen Multititerplatte angeordnet ist.
Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform eines Zellchipsystems 10 besteht im wesentlichen aus einer Zulaufkammer 12, einer Hauptkammer 14 und einer Ablaufkammer 16, die derart miteinander in Verbindung stehen, dass ein flüssi ges Medium aus der Zulaufkammer 12 über den Zulaufkanal 18a in die im Bodenbereich der Hauptkammer 14 ausgebildete Zellkulturkammer 20, und von dort über den Ablaufkanal 18b in die Ablaufkammer 16 strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrichtung wird durch die Flüssigkeitspegel in der Zulauf- bzw. Ablaufkammern 12, 16 bestimmt. Unterhalb der Zellkulturkammer 20 ist ein Sensorchip 22 angeordnet, über den Messwerte verschiedener Parameter im Fluid erfasst werden können.
In der Hauptkammer 14 ist ein Verdrängungskörper 24 angeordnet, der näherungsweise dichtend in der Hauptkammer 14 auf und ab bewegbar und auch vollständig entnehmbar ist. Vorzugsweise hat die Hauptkammer 14 und der Verdrängungskörper 24 aus fertigungstechnischen Gründen einen kreisförmigen Querschnitt.
Die Bodenfläche 21 des Verdrängungskörpers 24 bildet die Deckwandung der Zellkulturkammer 20, so dass die Zellkulturkammer 20 eine Höhe h aufweist. Die Vertikaleinläufe (26a, 26b) der Zu- und Ablaufkammern 12, 16 liegen oberhalb der Bodenfläche 21.
In 1 ist der Boden 23 der Zulaufkammer 12 geneigt und der Boden der Ablaufkammer (25) trichterförmig ausgebildet. Dadurch wird ermöglicht, dass eingebrachtes Medium vollständig (Benetzung der Zulaufkammer wird minimiert) dem Zulaufkanal und somit der Zellkulturkammer zugeführt wird. Bei entleerter Ablaufkammer kann das zuvor eingegebene Medium vollständig in der Ablaufkammer aufgenommen werden.
Der Zulaufkanal 18a umfasst einen Vertikaleinlauf 26a und einen Verteilungstrichter 28a, der in die Zellkulturkammer 20 mündet.
Im Betrieb wird eine Zellkulturlösung in eine der drei Kammern 12, 14, 16 des Zellchipsystems eingeführt und zwar im Wesentlichen bis alle drei Kammern gefüllt sind. Sodann wird der Verdrängungskörper 24 eingesetzt und nach unten geschoben, wobei unter dem Verdrängungskörper 24 befindliche Luft oder Lösung in die seitlichen Zu- und Ablaufkammern 12, 16 abströmt.
Anschließend wird zwischen Zulaufkammer 12 und Ablaufkammer 16 ein gezielter Pegelunterschied erzeugt, der zu einer hydrostatischen Druckdifferenz zwischen beiden Kammern 12, 16 führt, wodurch Zellkulturlösung aus der Zulaufkammer 12 über den Zulaufkanal 18a in die Zellkulturkammer 20 strömt. Über den Sensorchip 22 werden Messwerte der zu messenden physikalischen Größen der dort stattfindenden Stoffwechselvorgänge gemessen, bevor die Lösung über den Verbindungskanal 18b in die Ablaufkammer 16 abströmt.
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.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10148210 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Lob, V. et al. (2005): Cell-based Assays: Mikrosensorarray-basiertes Screening an lebenden Zellen und Geweben. BIOspektrum Sonderausgabe 11, 511–512 [0004]
- Brischwein, M. et al. (Februar 2006): Chip statt Maus: Microsensorarrays zur Chemikalienprüfung. Nachrichten aus der Chemie 54, 115–120 [0004]

Claims

Zellchipsystem mit einer Zulaufkammer (12), einer Hauptkammer (14), in deren Bodenbereich sich eine Zellkulturkammer (20) mit darunter angeordnetem Sensorchip (22) befindet, sowie einer Ablaufkammer (16), wobei zwischen Zulaufkammer (12) und Zellkulturkammer (20) ein Zulaufkanal (18a) und zwischen Zellkulturkammer (20) und Ablaufkammer (16) ein Ablaufkanal (18b) vorgesehen ist, wobei ferner ein in der Hauptkammer (14) eingepasster, vertikal verschiebbarer Verdrängungskörper (24) vorgesehen ist, der in der unteren Endstellung die Zellkulturkammer (20) nach oben hin begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdrängungskörper (24) begrenzte Deckwandung (21) der Zellkulturkammer (20) unterhalb des Vertikaleinlaufes (26a) der Zulaufkammer (12) sowie des Vertikaleinlaufes (26b) der Ablaufkammer (16) liegt.
Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied zwischen der Deckwandung (21) und dem Zulaufkammerboden (23) und dem Ablauf kammerboden (25) mindestens 0,1 mm, vorzugsweise 0,2 mm–3 mm beträgt.
Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkammerboden (23) rampenförmig in Richtung des Zulaufkanals (18a) geneigt ausgebildet ist.