DE102008036639A1 - Zellchipsystem mit Mikrostruktur - Google Patents

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Abstract

Ein Zellchipsystem mit einer Zulaufkammer (12), einer Hauptkammer (14), in deren Bodenbereich sich eine Zellkulturkammer (20) mit Sensorchip (22) befindet, sowie einer Ablaufkammer (16), wobei zwischen Zulaufkammer (12) und Zellkulturkammer (20) ein Zulaufkanal (18a) vorgesehen ist, in dem mindestens eine die Fluidströmung beeinflussende Mikrostruktur (30) vorgesehen ist. Dadurch lässt sich die Strömungsdynamik im Messvolumen beeinflussen. Das Ergebnis ist eine Optimierung des Fluidaustausches, denn es kann eine laminare bzw. turbulente Strömung im Messbereich eingestellt werden.

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 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. Aufgrund der Struktur bildet sich im Strömungskanal eine laminare Strömung aus.
  • Fluidsysteme zur Versorgung lebender Zellkulturen, die Mikrostrukturen zur Beeinflussung der Strömungsdynamik innerhalb des Zellkulturbereiches verwenden, sind bisher nicht bekannt. Dabei ist ein angepasstes und reproduzierbares Strömungsmuster von zentraler Bedeutung, da es nicht nur die Zellkultur, sondern letzten Endes auch die gemessenen Parameter beeinflusst.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Zellchipsystem bereitzustellen, das eine gezielte Beeinflussung des Strömungsverlaufes in der Zellkulturkammer bzw. ein angepasstes bzw. reproduzierbares Strömungsmuster ermöglicht.
  • Diese Erfindung wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, durch die Mikrostruktur im Zulaufbereich einer Zellkulturkammer die Strömungsdynamik im Messvolumen zu beeinflussen. Das Ergebnis ist eine Optimierung des Fluidaustausches. Die Mikrostruktur ermöglicht mit einem Minimum an Medium, die Zellkulturkammer mit neuem Medium zu fluten.
  • Abhängig vom Druck und vom Volumen der Zellkulturkammer kann eine laminare bzw. turbulente Strömung im Messbereich eingestellt werden. Die Mikrostruktur setzt den Druckpunkt, ab dem das Strömungsmuster Turbolenzen enthält nach unten und dient damit als wichtiges Stellglied, mit dessen Hilfe in einem geringen Druckbereich verschiedene Strömungscharakteristiken simuliert werden können.
  • Vorzugsweise ist die Mikrostruktur als Strömungsteiler in Form eines Prismas in der Mitte des Zu- bzw. Ablaufs ausgebildet, welches das einfließende Fluid teilt und es seitlich in die Zellkulturkammer lenkt.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck wird hauptsächlich durch den Querschnitt der Zulauföffnung bestimmt. Die Mikrostruktur stellt ein zusätzliches Hindernis dar, mit dessen Hilfe die Dynamik weiter heruntergesetzt werden kann. Das Risiko einer Verstopfung des Drei-Kammer-Systems bei gleichzeitiger Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit wird nicht erhöht.
  • Aufgrund der Mikrostruktur kommt es senkrecht zur Strömungsrichtung zu einem Geschwindigkeitsgradienten innerhalb des Zellkulturbereiches. Dieses heterogene Strömungsbild ermög licht die Untersuchung von Strömungscharakteristika auf das Wachstum von Zellen, wie es beispielsweise auch in Kapillaren zu beobachten ist.
  • Vorzugsweise ist die Mikrostruktur ausgebildet als Strömungsteiler in Form eines geraden Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundfläche, besitzt eine Höhe von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm. Die Höhe richtet sich an dieser Stelle nach der Höhe des Zu- bzw. Ablaufbereiches.
  • Das zugrunde liegende gleichschenklige Trapez besitzt eine Trapezhöhe von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1–0,4 mm. Die kurze der parallel angeordneten Seiten hat eine Länge von mindestens 0,02 mm, vorzugsweise zwischen 0,02–0,05 mm. Die lange der parallel angeordneten Seiten hat eine Länge von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1–0,35 mm. Die Trapezform dient der seitlichen Ablenkung und somit einer besseren Verteilung des einströmenden Fluids.
  • Ein prismenartiger Strömungsteiler im Zu- bzw. Ablaufbereich des Drei-Kammer-Systems ist bevorzugt. Alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich, mehrere Strömungsteiler vorzusehen. Sie können auch zu einem Gitter bzw. Netz angeordnet werden.
  • Andere Strukturen, wie etwa Zylinder, Noppen, Rillen oder Körper mit linsenförmiger, ovaler oder ellipsoider Grundfläche sind ebenfalls von der Erfindung umfasst, um die Strömungsdynamik im Zu- bzw. Ablaufbereich zu beeinflussen.
  • 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. Gasen, Strahlung) verän dert/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 Substanzen bekannt ist) werden verschiedene Wirkstoff-Kandidaten für neue Medikamente auf ihre Wirksamkeit hin getestet.
    • - Ersatz von Tierversuchen/Humanversuchen: Neue Wirkstoffe/Medikamentenkandidaten werden anstatt im Tier- oder 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 Anwendung: Überprüfung der Vitalität z. B. von 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
  • 3: eine schematische Darstellung zweier weiterer Varianten eines Einlaufkanals.
  • 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 flüssiges 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 den 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.
  • Der Boden der Zellkulturkammer 20 liegt unterhalb der Böden der Zu- und Ablaufkammern 12, 16. Der Zulaufkanal 18a umfasst also einen Vertikaleinlauf 26a und einen Verteilungstrichter 28a, der in die Zellkulturkammer 20 mündet. Im Verteilungstrichter 28a ist eine Mikrostruktur 30a in Form eines Prismas mit gleichschenkligem Querschnitt angeordnet. Diese Mikrostruktur 30a bewirkt zum einen eine Strömungsteilung und damit eine gleichmäßigere Durchströmung der Zellkulturkammer 20. Gleichzeitig kann durch gezielte Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit eine laminare oder turbulente Strömung der Zellkulturlösung bewirkt werden.
  • Wie in 1 und 2 zu erkennen, ist in einer Ausführungsform nicht nur der Einlaufkanal 18a sondern auch der Auslaufkanal 18b mit einer Mikrostruktur 30b versehen. Die Mikrostruktur 30b ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zur Mikrostruktur 30a aufgebaut, es können alternativ auch andere Formen oder Arten von Mikrostrukturen Verwendung finden. Über einen Sammeltrichter 28b wird die Zellkulturlösung aus der Zellkulturkammer 20 ausgeleitet und über einen Vertikalauslauf 26b nach oben in die Auslaufkammer 16 geleitet.
  • In 3 ist in der oberen Hälfte eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Mikrostruktur als Gitteranordnung von Zylinderelementen 34 ausgebildet ist und in der unteren Hälfte als Rillen 36.
  • 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. Durch die Mikrostruktur 30a erfolgt dabei eine gezielte Beeinflussung der Strömungsbedingungen in Verbindung mit der über die Druckdifferenz eingestellten Strömungsgeschwindigkeit. 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 wobei wiederum über die Mikrostruktur 30b die Strömungsbedingungen im Auslaufbereich beeinflussbar sind.
  • Die Mikrostruktur 30 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Höhe des jeweiligen Verbindungskanals 18. Insbesondere bei Ausbildung als Rillen oder Noppen wird die Höhe deutlich geringer sein als die des Verbindungskanals 18 aber in diesem Fall ist es bevorzugt, die Mikrostrukturen 30 sowohl in der Bodenwand als auch in der Deckenwand des jeweiligen Trichters 28 auszubilden.
  • 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 (13)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des Zulaufkanals (18a) mindestens eine die Fluidströmung beeinflussende Mikrostruktur (30) vorgesehen ist.
  2. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch im Bereich des Ablaufkanals (18b) Mikrostrukturen (30) vorgesehen sind.
  3. Zellchipsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) im jeweiligen Verbindungskanal (18) angeordnet ist.
  4. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikrostrukturen (30) in jedem der Verbindungskanäle (18) vorgesehen sind.
  5. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) als Strömungsteiler ausgebildet ist.
  6. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) die Form eines Prismas mit gleichschenkligem Dreieck oder Trapez als Grundfläche aufweist.
  7. Zellchipsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trapez eine Höhe von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm aufweist.
  8. Zellchipsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gleichschenklige Trapez eine Trapezhöhe von min destens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1–0,4 mm besitzt und die kurze der parallel angeordneten Seiten eine Länge von mindestens 0,02 mm, vorzugsweise zwischen 0,02–0,05 mm aufweist, und die lange der parallel angeordneten Seiten eine Länge von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1–0,35 mm, aufweist.
  9. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) als Zylinder ausgebildet ist.
  10. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) als Noppenmuster ausgebildet ist.
  11. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) als Querrillen in der Boden- und/oder Deckenwand des Verbindungskanals (18) ausgebildet ist.
  12. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) als Körper mit linsenförmiger, ovaler oder ellipsoider Grundfläche ausgebildet ist.
  13. Zellchipsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (30) eine Höhe von 10–1000 μm aufweist.
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