DE102009005003A1 - Device for mechanical disintegration of cells, comprises elements movably arranged to each other, where one element has micro-mechanical structure for cell perforation and other element has hollow space to receive cells, and adjusting unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für den mechanischen Aufschluss von Zellen.The The invention relates to an apparatus and a method for the mechanical disruption of cells.
Innerhalb von Zellen befinden sich zahlreiche Substanzen und Wertstoffe, die für Medizin und Pharmazie eine zentrale Rolle spielen. Auch im Bereich der Diagnostik und Impfstoffentwicklung ist das Isolieren intrazellulärer Substanzen von großer Bedeutung.Within Cells contain many substances and valuable substances play a central role in medicine and pharmacy. Also in the field of diagnostics and vaccine development is isolating of intracellular substances of great importance.
Um die im Zellinneren gelösten Stoffe zu erreichen, zu isolieren und analysieren oder für die Herstellung pharmazeutischer Produkte verwerten zu können, sind schonende Zellaufschlussverfahren erforderlich, die generell in chemische, biologische und physikalische Methoden eingeteilt werden.Around to reach, isolate the substances dissolved in the cell interior and analyze or for the manufacture of pharmaceutical To be able to utilize products are gentle cell disruption methods required, generally in chemical, biological and physical Methods are divided.
Physikalische Methoden werden in mechanische und nicht mechanische unterteilt. Nichtmechanische Verfahren verwenden einen osmotischen Schock, Gefrieren/Auftauen, Trocknen oder eine Dekompression.physical Methods are divided into mechanical and non-mechanical. Nonmechanical methods use osmotic shock, freezing / thawing, Drying or decompression.
Bei der Anwendung mechanischer Methoden reißen entstehende Spannungen und Dehnungen die Zellwände auseinander. Druck- und Scherbeanspruchung wie auch Prall- und Scherbeanspruchung durch ein fluides Medium sind bekannt.at the use of mechanical methods are created Tensions and strains apart the cell walls. Print- and shear stress as well as impact and shear stress a fluid medium are known.
Die bekannten mechanischen Zellaufschlussverfahren beanspruchen die Inhaltsstoffe von Zellen oft derart, dass eine Schädigung in größerem Ausmaß auftreten kann oder das Verfahren ist aufwändig und mit entsprechend hohen Kosten verbunden.The known mechanical cell disruption claim the Ingredients of cells often such that damage can occur to a greater extent or the process is complex and with correspondingly high Costs connected.
Es ergibt sich die Aufgabe eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, um Zellen schnell, schonend und kostengünstig mit geringem Aufwand aufzuschließen.It The object is to develop a device and a method, to cells quickly, gently and inexpensively with low Unlock effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.These The object is achieved by a device having the features of claim 1 and a method with the features of claim 15. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent with the features the dependent claims.
Erfindungsgemäß sind ein erstes und ein zweites Element zueinander beweglich angeordnet, wobei eines der Elemente eine mikromechanische Strukturierung und eines der Elemente einen Hohlraum zur Aufnahme von Zellen aufweist und eines der Elemente in den Hohlraum des anderen Elementes eintaucht, wobei Mittel zum Einstellen der Eintauchtiefe an einem der Elemente vorgesehen sind. Mit dieser Vorrichtung ist eine einfache, schonende, kostengünstige und schnell einsatzfähige Möglichkeit für ein mechanisches Aufschließen von Zellen bereitgestellt, das aufgrund des einfachen Aufbaus und einer hohen Variabilität auch für den Bereich der Point of Care Diagnostik (Vor Ort Diagnose) geeignet ist.According to the invention a first and a second element arranged movably relative to each other, wherein one of the elements is a micromechanical structuring and a the elements has a cavity for receiving cells and one of the elements dips into the cavity of the other element, wherein means for adjusting the immersion depth on one of the elements are provided. With this device is a simple, gentle, inexpensive and quick deployment option for provided a mechanical disruption of cells, because of the simple structure and high variability also for the field of point of care diagnostics (Vor Location diagnosis) is suitable.
Das erste Element ist in Form eines Stempels oder Stößels ausgeführt und das zweite Element in Form eines Hohlzylinders, vorzugsweise als ein hohler Kreiszylinder. Die mikromechanische Strukturierung ist in Form von Nadelspitzen, Messern, Klingen oder dgl. Ausgebildet, die an dem Stempel oder Stößel angeordnet sind. Dadurch ist eine effektive Methode für einen gezielten, mechanischen Zellaufschluss realisierbar.The first element is in the form of a punch or pestle executed and the second element in the form of a hollow cylinder, preferably as a hollow circular cylinder. The micromechanical Structuring is in the form of needle points, knives, blades or Like. Trained on the stamp or plunger are arranged. This is an effective method for a targeted, mechanical cell disruption feasible.
In einer vorteilhaften Ausführung kann der Stempel oder Stößel mit Säulen versehen sein, auf denen die mikromechanische Strukturierung angeordnet ist. Bei variablen Mengen eines aufzuschließenden Probenmaterials steht so ein ausreichendes Ausweichvolumen für die durch den eingetauchten Stempel verdrängte Flüssigkeit zur Verfügung.In an advantageous embodiment of the stamp or plunger be provided with columns on which the micromechanical Structuring is arranged. For variable quantities of a Sample material is so a sufficient evasive volume for the liquid displaced by the dipped stamp to disposal.
Zudem kann die mikromechanische Strukturierung zumindest teilweise mit einer Hartschicht versehen werden, die beispielsweise als eine durch ein CVD Verfahren aufgebrachte Diamantschicht ausgebildet ist. So können auch Zellen, für die höhere Berstkräfte im Bereich von 0,1 N erforderlich sind, problemlos aufgeschlossen werden.moreover The micromechanical structuring can be at least partially involved a hard layer provided, for example, as a through a CVD method applied diamond layer is formed. So can also cells, for the higher bursting forces in the range of 0.1 N, easily digested become.
Die Mittel für das Einstellen der Eintauchtiefe sind als Anschlag oder Abstandsring ausgebildet, der an mindestens einem der Elemente angebracht ist. Befindet sich der beispielsweise einlegbar ausgeführte Abstandsring am zweiten Element, ist dieser im Bereich des Bodens des Hohlraumes angeordnet. Damit ist eine genaue Anpassung auf den jeweils vorliegenden Größenbereich der aufzuschließenden Zellen möglich.The Means for adjusting the immersion depth are as a stop or spacer ring formed on at least one of the elements is appropriate. Is the example implemented insertable Spacer ring on the second element, this is in the area of the bottom arranged the cavity. This is an exact adaptation to the each present size range of the cells to be disrupted possible.
Die Abmessungen des Hohlraumes zwischen unterer Stempelfläche bzw. zwischen mikromechanischer Strukturierung und Boden des Hohlzylinders sind abhängig von den Abmessungen der aufzuschließenden Zellen, die im Bereich von 0,5 bis 250 μm liegen können, üblicherweise jedoch zwischen 0,5 und 30 μm, häufig aber auch zwischen 0,5 und 15 μm. In entsprechender Weise sind auch die Abmessungen der Mittel zum Einstellen der Eintauchtiefe, d. h. des Anschlages oder Abstandsringes und die Höhe der mikromechanischen Strukturierung, also der Nadeln, Messer und Klingen zu wählen. Beispielsweise sind für Zellen im Bereich von 0,5 und 30 μm Nadeln mit einer Länge bis 15 μm und die Eintauchtiefe ebenfalls bis 15 μm gewählt. Die Auswahl verschiedener Abstände erlaubt es Zellmembranen je nach Anforderung vollständig zu entfernen oder kontrolliert zu perforieren.The dimensions of the cavity between the lower die surface or between micromechanical structuring and the base of the hollow cylinder are dependent on the dimensions of the cells to be disrupted, which may be in the range of 0.5 to 250 microns, but usually between 0.5 and 30 microns, but often also between 0.5 and 15 μm. Correspondingly, the dimensions of the means for adjusting the immersion depth, ie the stop or spacer ring and the height of the micromechanical structure tion, ie the needles, knives and blades to choose. For example, for cells in the range of 0.5 and 30 microns needles with a length of up to 15 microns and the immersion depth are also selected to 15 microns. The selection of different distances allows cell membranes to be completely removed or perforated in a controlled manner as required.
Das erste Element ist durch Bewegungsmittel innerhalb des zweiten Elementes bewegbar, die z. B. ein gesteuerter Voice Coil Aktuator oder ein gesteuerter Ultraschalltransducer sein können. In Abhängigkeit der ge wählten Bewegungsgeschwindigkeit und der Dauer der zugeführten Bewegung können durch die Bewegungsmittel weitere Eigenschaften wie Empfindlichkeit oder Durchmischung aufgeschlossener Zellen Berücksichtigung finden. Dabei können die Bewegungsmittel auch derart ausgeführt sein, dass sie gleichzeitig die Eintauchtiefe des einen Elementes, d. h. des Stempels oder Stößels bestimmen und somit die Mittel zum Einstellen der Eintauchtiefe vorgeben.The first element is by means of movement within the second element movable, the z. As a controlled voice coil actuator or a controlled ultrasonic transducer can be. Dependent on the selected movement speed and the duration of the Moving motion can be through the moving means other properties such as sensitivity or mixing more open-minded Cells are taken into account. The can Movement means should also be designed so that they simultaneously the immersion depth of the one element, d. H. of the punch or pestle determine and thus the means for adjusting the immersion depth pretend.
Das erste und das zweite Element sind bevorzugt zur Überwindung von Berstkräften der Zellwand im Bereich von 0,003 bis 100 mN eingerichtet. Damit ist ein vergleichsweise weiter Bereich der für einen Aufschluss erforderlichen Berstkräfte abgedeckt.The The first and second elements are preferred for overcoming of bursting forces of the cell wall in the range of 0,003 to 100 mN furnished. This is a comparatively wide range the bursting forces required for digestion covered.
Das erste und das zweite Element können vorteilhafterweise mittels Polymerreplikationsverfahren als Spritzguss- oder Abformteile ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung wie auch eine einfache Skalierbarkeit bis hin zu großen Serienfertigungen.The the first and the second element can advantageously using Polymerreplikationsverfahren as Spritzguss- or molded parts be educated. This allows a fast and cost effective Manufacturing as well as a simple scalability up to big ones Series production.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für einen mechanischen Aufschluss von Zellen, bei dem ein erstes und ein zweites Element zueinander bewegt werden, wobei ein Element einen Hohlraum aufweist und das andere Element in den Hohlraum eintaucht, wird in Abhängigkeit einer aufzuschließenden Zellsuspension eine Eintauchtiefe der Elemente ausgewählt, der Hohlraum wird mit der Zellsuspension befüllt und das eine Element wird in das andere Element eingeführt. Mit Hilfe eines zusätzlichen Mittels wird das eine Element im Hohlraum des anderen Elementes zum Aufschließen der Zellsuspension bewegt. Anschließend wird die aufge schlossene Zellsuspension gegebenenfalls unter Verwendung eines Analyseproduktes untersucht.at the inventive method for a mechanical disruption of cells, in which a first and a second Element are moved to each other, wherein an element is a cavity and the other element is immersed in the cavity is depending on a cell suspension to be disrupted an immersion depth of the elements selected, the cavity is filled with the cell suspension and the one element is introduced to the other element. With help of a additional agent becomes the one element in the cavity of the other element to digest the cell suspension emotional. Subsequently, the up-closed cell suspension optionally examined using an analysis product.
Vorzugsweise wird das eine Element ausgezogen und von Zellanhaftungen gereinigt. Es erfolgt ein Auffüllen der aufgeschlossenen Zellsuspension mit einer wässrigen Lösung auf ein definiertes Volumen und diese wird ausgebracht für die Durchführung von Analysen.Preferably the one element is pulled out and cleaned of cell adhesions. There is a filling of the digested cell suspension with an aqueous solution to a defined volume and this is applied for the implementation of analyzes.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind bevorzugt für einen Zellaufschluss von Zellen in einem Größenbereich von 0,5 bis 250 μm geeignet und ermöglichen eine hohe Ausbeute mit einem niedrigen Anteil nur geringfügig geschädigter Zellen.The Apparatus and method are preferred for one Cell disruption of cells in a size range from 0.5 to 250 microns and allow a high yield with a low proportion only slightly damaged cells.
Es werden vorzugsweise Zellagglomerate aufgeschlossen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur Suspensionen mit einzeln gelösten Zellen, sondern auch Zellagglomerate gezielt aufgeschlossen werden.It Preferably cell agglomerates are digested. With the invention Procedures can not only suspensions with individually dissolved Cells, but also cell agglomerates are targeted.
Die Wahl einer definierten Höhe der Eintauchtiefe bzw. des Abstandsringes ermöglicht anforderungsbezogen ein vollständiges Entfernen oder ein kontrolliertes Perforieren von Zellmembranen.The Choice of a defined height of the immersion depth or the Spacer ring allows a complete requirement-related Removal or controlled perforation of cell membranes.
Durch eine einfache Herstellung mittels Spritzgießen und Abformen können kostengünstige Einwegprodukte zur Verfügung gestellt werden, die keine Sterilisationsroutinen erfordern. Eine schnell und einfach zu realisierende Serienfertigung kann die Kosten weiter senken.By a simple production by injection molding and molding can provide inexpensive disposable products which do not require sterilization routines. A Fast and easy-to-implement mass production can reduce costs lower further.
Die einfache Handhabung ermöglicht ohne Inanspruchnahme eines Zentrallabors Sofortanalysen vor Ort aufgeschlossener Zellen. Die vorgeschlagene Erfindung kann im Bereich der Genomik und Proteomik angewendet werden. Auch ist zum Beispiel in einer Arztpraxis eine unmittelbar am Patienten durchführbare Keimdiagnostik möglich und es kann z. B. mittels der aufgeschlossenen Zellsuspension hinzu gegebener Analyseprodukte vor Ort ein Nachweis infektiöser Bestandteile erfolgen.The easy handling allows without recourse to one Central laboratories immediate on-site analyzes of open cells. The proposed invention may be in the field of genomics and proteomics be applied. Also, for example, in a doctor's office one possible directly on the patient feasible germ diagnosis and it can, for. B. by means of the digested cell suspension on-site detection of infectious agents Ingredients are made.
Die hohe Variabilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt eine Plattform für zukünftige Weiterentwicklungen dar.The high variability of the device according to the invention provides a platform for future developments represents.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One Embodiment of the invention is in the drawing and will become more apparent in the following description explained.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Ein
zweites Element ist in Form eines Hohlzylinders
Des
Weiteren entspricht das Maß des Innendurchmessers des Hohlzylinders
Das
Summenmaß der Höhe des inneren Kreisabschnittes
Der
Stempel
Durch
die Säulenanordnung
In
den
Der
Stempel oder Stößel
Der
Stempel
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung eignet sich bevorzugt für den Aufschluss von Zellagglomeraten und es können Zellen im Größenbereich von 0,5 bis 250 μm aufgeschlossen werden.The inventive method or the Device is preferably suitable for the digestion of cell agglomerates and cells in the size range of 0.5 to 250 microns can be digested.
Der
Stempel
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