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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Kultivierung von adhärenten
Zellen, insbesondere zum Ablösen der Zellen von einer Oberfläche,
die Verwendung von Membranen bei diesen Verfahren und Vorrichtungen
zur Durchführung der Verfahren. Ein besonderes Anwendungsgebiet
ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren
bei der GMP-konformen vollautomatischen Kultivierung und Vermehrung von
Zellen.
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Stand der Technik
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Auf
dem technischen Gebiet des so genannten Tissue Engineering, besonders
im Zusammenhang mit der regenerativen Medizin besteht der Bedarf,
biologische Laborprozesse unter Reinraumbedingungen GMP-konform
zu automatisieren. Dadurch soll eine höhere Ausbeute, höhere
Prozesssicherheit sowie eine standardisierbare Prozessoptimierung
und Prozesskontrolle erreicht werden.
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Im
Laufe der Jahre haben sich bestimmte Standards bei der Produktion
im Labormaßstab durchgesetzt. So werden häufig
Wegwerfartikel aus spritzgegossenem Polypropylen oder Polystyrol
genutzt, da so die sehr kostenaufwendige Reinigung und Desinfektion
der Probenbehälter entfällt. Die zum Aufbau der
Gewebekonstrukte benötigten Zellen werden zunächst
aus einer Biopsat heraus isoliert und anschließend in Zellkulturschalen,
-flaschen oder Multiwellplatten unterschiedlicher Größe über einen
mehrtägigen Zeitraum kultiviert.
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Zur
Kultivierung werden die isolierten Primärzellen zunächst
in spezifischen Zellkulturmedien resuspendiert. Die Zellsuspension
wird an schließend in Einweg-Kulturgefäße
pipettiert, in welchen die Zellen auf den speziell vorbehandelten
Plastikoberflächen undefiniert adhärieren. Nach
einer mehrtägigen Inkubationszeit im Brutschrank, auch
als Inkubator bekannt, und regelmäßiger Austausch
des verbrauchten Zellkulturmediums durch frisches Zellkulturmedium
wird die ausreichend dicht gewachsene, also konfluente Zellkultur
von der Kunststoffoberfläche der Zellkulturgefäße
abgelöst. Der Ablösevorgang wird entweder rein
enzymatisch, beispielsweise mit einer Trypsin/EDTA-haltigen Lösung,
oder in Verbindung mit mechanischer Anregung durchgeführt. Dabei
haben sowohl die Enzymaktivität als auch die mechanische
Belastung negative Auswirkungen auf die Vitalität der Zellen.
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Dieser
notwendige Ablösevorgang muss möglichst schnell
durchgeführt werden, um eine lange Einwirkzeit und damit
Schädigung der Zellen zu vermeiden. Nachteilig sind besonders
das Einwirken des Enzyms an der Oberseite der Zellkultur, was zu einer
Schädigung der Zellen und zu einer verminderten Zellvitalität
führt.
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Die
Methode Zellen auf PET Membranen zu kultivieren wird im Labor standardmäßig
eingesetzt. Hierfür werden Zellkultureinsätze,
sogenannte Inserts, verwendet, wie sie zum Beispiel aus der
WO 2004/020571 A2 bekannt
sind. Diese sind allerdings nur in beschränkter Größe
erhältlich. Die Verwendung von Insert-Membranen hat im
manuellen Laborprozess den Nachteil, dass der Bewuchs der Zellkultur
während der Kulturdauer nicht mikroskopisch kontrollierbar
ist.
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Bei
allen herkömmlichen enzymatischen Ablöseverfahren
wird eine Enzymlösung, häufig eine Trypsin/EDTA-haltige
Lösung auf die ad härenten Zellen der Zellkultur
gegeben, damit das Enzym die Zellen von der Oberfläche,
an der sie anhaften, abspalten kann. Nachdem das Enzym eine gewisse
Zeit gewirkt hat, wird die Enzymreaktion gestoppt. Einen Überblick über
solche Ablöseverfahren gibt zum Beispiel Hans Jürgen
Boxberger: „Leitfaden für die Zell- und Gewebekultur:
Einführung in Grundlagen und Techniken" Wiley-VCH,
Weinheim (2006), Seiten 132 bis 135.
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Bei
den üblichen Ablöse-Vorgängen werden die
Zellen von allen Seiten mit der Enzymlösung umspült.
Das Enzym wirkt bei diesem Vorgehen jedoch auf die Membranproteine
der gesamten Zelloberfläche und führt somit leicht
zu einer Schädigung der Zellen. Durch die vollständige
Benetzung mit der Enzymlösung werden auch Zelloberflächenrezeptoren an
der Oberseite der Zellen geschädigt, die nicht an der Zelladhäsion
an der Zellkulturgefäßoberfläche beteiligt
sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
Erfindung lag das technische Problem zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen
bereitzustellen, die ein gegenüber dem Stand der Technik
verbessertes und/oder vereinfachtes Ablösen von adhärenten
Zellen ermöglichen.
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Der
Erfindung lag auch das technische Problem zugrunde, Verfahren und
Vorrichtungen bereitzustellen, die ein für adhärente
Zellen schonendes Ablösen der Zellen von der Kultivierungsoberfläche ermöglichen.
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Der
Erfindung lag auch das technische Problem zugrunde, Verfahren und
Vorrichtungen bereitzustellen, die eine für Zellen schonende
Kultivierung und Expansion der Zellen ermöglichen.
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Der
Erfindung lag auch das technische Problem zugrunde, Verfahren und
Vorrichtungen bereitzustellen, die eine automatisierte Kultivierung
und Expansion von Zellen ermöglichen.
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Der
Erfindung lag auch das technische Problem zugrunde, Verfahren und
Vorrichtungen bereitzustellen, die eine Schädigung der
Zellen durch ein Passagieren der Zellen vermindern, insbesondere vermeiden.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende technische Problem wird gelöst
durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche.
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Insbesondere
wird das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem durch
ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere
wird das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem durch
ein Verfahren zur Kultivierung von adhärenten Zellen gelöst, enthaltend
die Schritte a) kultivieren der Zellen auf einer ersten Oberfläche
eines porösen Materials und b) enzymatisches Ablösen
der Zellen von der ersten Oberfläche des porösen
Materials, wobei das enzymatische Ablösen durch das Kontaktieren
einer zweiten Oberfläche des porösen Materials
mit einer Enzym-haltigen Flüssigkeit erfolgt, und wobei
die Zellen während Schritt b) nur mit ihren das poröse
Material berührenden Kontaktpunkten mit der Enzym-haltigen Flüssigkeit
in Kontakt kommen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
kommen die Zellen nur mit den Zellausläufern als Kontaktpunkte mit
der Enzym-haltigen Flüssigkeit in Kontakt.
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Die
Erfindung sieht also vor, in Schritt b) die Enzym-haltige Flüssigkeit
nicht direkt auf die Zellen zu geben, sondern das poröse
Material mit der Enzym-haltigen Flüssigkeit in Kontakt
zu bringen, so dass nur die das poröse Material berührenden
Kontaktpunkte der Zellen mit dem Enzym in Kontakt kommen. Somit
kommen in vorteilhafter Weise nur kleine Teilbereiche der Zelloberfläche
mit dem Enzym in Kontakt, nämlich die Kontaktpunkte, insbesondere die
Zellausläufer der Zellen, und nicht, wie im Stand der Technik üblich,
die gesamte Zelloberfläche. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Enzym-haltige Flüssigkeit nicht auf
die erste Oberfläche des porösen Materials gegeben
wird, die die Zellen direkt kontaktiert, also auf der die Zellen
angesiedelt sind, sondern über eine zweite Oberfläche
des porösen Materials die Flüssigkeit durch das
poröse Material hindurch zum Kontaktbereich zwischen dem
porösen Material und den Zellen geführt wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird also die Ablösung der an einem porösen Material,
insbesondere einer Membran, adhärierten Zellen in Schritt
b) über eine Enzymreaktion gesteuert, wobei das Enzym lediglich
durch das poröse Material hindurch am Kontakt der Zellen
mit dem porösen Material auf die Zelloberfläche
einwirken kann.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden unter ”adhärenten
Zellen” solche Zellen verstanden, die auf einer inerten
Oberfläche, beispielsweise einem Reaktionsgefäß oder
auf einer Membran, als Monolayer oder als Multilayer, insbesondere
aber als Monolayer, in einem Zellkulturmedium angezüchtet
werden können. Die adhärenten Zellen kontaktieren
die Oberfläche und haften an dieser an.
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Die
adhärenten Zellen haben also an ihrer Oberfläche
Kontaktpunkte mit der inerten Oberfläche, die im vorliegenden
Fall durch das poröse Material, bevorzugt einer Membran,
gebildet wird. Die adhärenten Zellen wachsen dabei nicht
mit ihrer gesamten Fläche auf dem porösen Material,
sondern bilden die Bindung an die inerte Oberfläche über
sogenannte Zellausläufer aus, die diesen Kontakt zum porösen
Material bilden.
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Adhärente
Zellen bilden zumeist eine zusammenhängende Zelllage. Adhärente
Zellen zeigen häufig eine dichteabhängige Proliferationshemmung, auch
Kontaktinhibition genannt, die bei Überschreiten der Konfluenz
eintreten kann. Adhärente Zellen leiten sich häufig
von Geweben ab, wie zum Beispiel Haut, Muskulatur, Nerven, Leber,
Nieren. Beispiele für adhärente Zellen sind Fibroblasten,
HeLa-Zellen und viele Tumorzellen. Als Zellkulturmedium zur Kultivierung
der adhärenten Zellen eignen sich die dem Fachmann bekannten
Medien, die je nach anzuwachsendem Zelltyp ausgewählt werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
sind die adhärenten Zellen eukaryoitsche Zellen, insbesondere Säugetierzellen.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind die Zellen tierische
Zellen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die Zellen
Säugetierzellen, insbesondere humane, bovine oder murine
Zellen.
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Es
können alternativ aber auch prokaryontische Zellen, pflanzliche
Zellen oder pilzliche Zellen kultiviert werden, solange es sich
um adhärente Zellen handelt.
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Das
Kultivieren der Zellen auf der ersten Oberfläche des porösen
Materials kann in herkömmlicher Art und Weise erfolgen.
Dem Fachmann sind verschiedenste Kultivierungsmethoden für
adhärente Zellen bekannt, von denen er geeignete auswählen kann.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden die Zellen auf einer nach oben gerichteten Oberfläche
des porösen Materials kultiviert. Erfindungsgemäß bevorzugt
ist also die erste Oberfläche des porösen Materials
nach oben gerichtet.
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Das
Kultivieren erfolgt bevorzugt in einem Zellkulturmedium. Dauer der
Kultivierung, Kultivierungstemperatur, Kultivierungsdruck, pH-Wert
und Sauerstoffgehalt des Mediums und andere Parameter können
von einem Fachmann aus dem ihn bekannten Bereichen gewählt
werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden die Zellen auf das poröse Material gegeben, adhärieren
gelassen und dann weiter kultiviert.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden die Zellen in einer Zellkonzentration bei der Aussaat von
ca. 4000 bis ca. 20.000 Zellen/cm2, insbesondere
von ca. 4000 bis ca. 16.000 Zellen/cm2 auf
die poröse Oberfläche aufgebracht.
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Dabei
wird erfindungsgemäß bevorzugt das als Zellwachstumsfläche
vorgesehene poröse Material beim Besiedeln nicht ganzheitlich
mit Zellflüssigkeit benetzt, sondern einzelne gleichmäßig
auf der Zellwachstumsfläche verteilte Zellverbünde
erstellt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden die in einem Zellkulturmedium suspendierten Zellen mit einer
Pipette tröpfchenweise mit etwa gleichbleibendem, insbesondere
mit gleichbleibendem, Abstand zu Beginn von Schritt a) auf das poröse
Material pipettiert.
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Bei
diesem Vorgang sind für einen Fachmann folgende Parameter
variierbar: Tropfenvolumen, Tropfenabstand, Zellkonzentration im
Tropfen und/oder Wartezeit bis zum ersten Medienwechsel.
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Mit
diesen Parametern kann auch das Kultivierungsverhalten der jeweiligen
Zellen verändert werden.
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Die
Zellkonzentration innerhalb eines Tropfens führt dabei
zur Einhaltung der für das Zellwachstum notwendigen Zell-Zell-Kontakte
bei gleichzeitiger Vergrößerung der verfügbaren
Zellwachstumsfläche auf ein Vielfaches der Zellwachstumsfläche
eines Standardkulturgefäßes im Labor. Darüber
hinaus stellt diese bevorzugte Besiedlungsmethode eine gleichmäßige
Verteilung der Zellen über das poröse Material
als Kulturfläche sicher, während in den Standardkulturgefäßen
die Verteilung der Zellen zufällig erfolgt und häufig
in den Randbereichen höher ist als in der Mitte. Eine gleichmäßige
Zellverteilung hat den Vorteil, dass die Wachstumsbedingungen auf
dem besiedelten porösen Material einheitlich sind. Durch die
nun ausreichend große Zellwachstumsfläche können
insbesondere zusätzliche Passagierschritte der Zellen,
insbesondere im automatisierten Prozess, vermieden werden, wodurch
eine Reihe von Handhabungsschritten entfallen, die ansonsten den automatisierten
Prozess erschweren und den Zellen schaden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
liegt das Tropfenvolumen zwischen mindestens 2,5 μl und
höchstens 30 μl.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
sind in einem Tropfen zwischen 10 und 500, insbesondere zwischen
25 und 350 Zellen bei Aussaht vorhanden.
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Durch
eine gleichmäßige tröpfchenweise Besiedlung
der Zellwachstumsfläche, kann diese auf ein vielfaches
vergrößert werden, ohne die Bedingungen für
eine erfolgreiche Zellexpansion zu verletzen. So wird die, für
eine passagierfreie Zellexpansion, notwendige Größe
der Zellwachstumsfläche erreicht.
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Auch
die zusätzliche Schädigung der Zellen beim Passagieren
durch die Einwirkung von Enzymreaktionen oder mechanische Belastung
können auf ein Minimum, insbesondere eine einzige erfindungsgemäße
Ablösung der Zellen am Ende des Kultivierungszeitraums,
reduziert werden.
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Somit
bleibt bevorzugt als einziger nötiger Ablösevorgang
der Zellen Schritt b) zum Zeitpunkt der Zellernte nach abgeschlossener
Kultivierung. Weiterhin kann durch eine neue Ablösemethode
die schädliche Wirkung des Enzyms auf die Zellen minimiert
werden.
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Die
Besiedlung des porösen Materials kann alternativ auch auf
eine andere Art und Weise als das Pipettieren von Tröpfchen
erfolgen, beispielsweise durch besprühen mit in Flüssigkeit
suspendierten Zellen oder das Übergießen mit Zellen
in Zellkulturmedium.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden adhärente Zellen in Schritt a) an die Membran adhärieren gelassen
und dann unter Zugabe von Flüssigkeit, insbesondere von
Zellkulturmedium, weiter kultiviert.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden die Zellen in Schritt a) solange kultiviert, bis sie nahezu
konfluent sind oder bis sie konfluent sind.
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Es
kann auch vorgesehen sein, in Schritt a) das Zellkulturmedium bei
Bedarf auszuwechseln, also verbrauchtes Zellkulturmedium durch frisches Zellkulturmedium
zu ersetzen.
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Es
kann auch zum Beispiel vorgesehen sein, die Zellen in Schritt a)
in einem Brutschrank zu kultivieren.
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Als
Konfluenz bezeichnet man die dichtest mögliche Anordnung
von adhärenten Zellen an der Oberfläche einer
Kulturgefäßoberfläche, im vorliegenden
Fall also des porösen Materials. Die Konfluenz gestaltet
sich von Zelllinie zu Zelllinie verschieden.
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Kurz
vor oder bei Erreichen der Konfluenz durch das Wachsen und/oder
die Vermehrung der Zellen werden die Zellen bevorzugt geerntet oder passagiert.
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Es
kann vorgesehen sein, über eine Prozess-Kontrolle des Schritts
a), beispielsweise über Elektroden zur TEER-Wert-Messung
und/oder der automatisierten Medienzufuhr den Zustand der Zellen
messtechnisch auf unterschiedlichste Parameter zu untersuchen. Insbesondere
kann vorgesehen sein, die Dauer des Schrittes a) durch die TEER-Wert-Messung
zu bestimmen. Dabei kann Schritt a) in vorteilhafter Weise beendet
werden, wenn die gewünschte Zelldichte erreicht ist, insbesondere
wenn die Zellen nahezu konfluent sind oder konfluent sind.
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Durch
die Messung des TEER-Werts (TEER = Transepithelialer elektrischer
Widerstand) kann die Dichte der Zellbesiedlung bestimmt werden.
Somit kann der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem die Zellen auf
der Membran die gewünschte Zelldichte erreicht ha ben, insbesondere
der Zeitpunkt an dem die Zellschicht beinahe konfluent oder konfluent
geworden ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, insbesondere in Schritt a), die Trübung
des Zellkulturmediums zu messen. Es kann auch vorgesehen sein, insbesondere
in Schritt a), den Sauerstoffgehalt des Zellkulturmediums zu messen.
Es kann auch vorgesehen sein, insbesondere in Schritt a), den pH-Wert
des Zellkulturmediums zu messen. Es kann auch vorgesehen sein, insbesondere
in Schritt a), den Glukosegehalt des Zellkulturmediums zu messen.
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In
Schritt b) werden die Zellen nach Erreichen der gewünschten
Zelldichte enzymatisch abgelöst. Dies erfolgt mit einer
Enzym-haltigen Flüssigkeit.
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Im
Zusammenhang mit dieser Erfindung wird unter einer Enzym-haltigen
Flüssigkeit eine Flüssigkeit verstanden, in der
ein Enzym enthalten ist, und zwar in einer Konzentration, in der
das Enzym wirksam ist. Erfindungsgemäß eignet
sich das Enzym zum Ablösen der adhärenten Zellen
von einer Oberfläche, insbesondere von dem porösen
Material.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist das Enzym Trypsin. Es können aber auch andere dem Fachmann
bekannte Enzyme verwendet werden, wie zum Beispiel Accutase oder
rProtease.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Flüssigkeit ein Puffer. Dem Fachmann sind geeignete
Puffer bekannt, die für das Enzym verwendet werden können.
Es können auch Zellkulturmedien als Flüssigkeit verwendet
werden.
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Das
enzymatische Ablösen in Schritt b) kann also mit Enzym-haltigen
Flüssigkeiten und Lösungen durchgeführt
werden, wie sie auch im Stand der Technik zum Ablösen adhärenter
Zellen verwendet werden. Insbesondere wird der Fachmann als Enzym Trypsin
verwenden, insbesondere in einer EDTA-Lösung. Der Fachmann
kennt dabei geeignete TrypsinKonzentrationen.
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Nachdem
sich die Zellen abgelöst haben, kann Schritt b) auf verschiedene
Art und Weise beendet werden. Insbesondere kann die Enzym-haltige Flüssigkeit
wieder entfernt werden. Oder der Ablösevorgang wird durch
Hinzufügen von Serum gestoppt. Auch kann das poröse
Material mit den darauf liegenden, aber nicht anhaftenden Zellen
entfernt werden.
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Erfindungsgemäß kann
vorgesehen sein, dass in Schritt b) die Oberkante der Enzym-haltigen Flüssigkeit
genau auf Höhe der Oberseite des porösen Materials
liegt.
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Erfindungsgemäß kann
vorgesehen sein, dass in Schritt b) die Enzym-haltige Flüssigkeit
unter das poröse Material zugegeben wird.
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Ein
Fachmann weiß, wie lange er das Enzym einwirken lassen
muss, wie lange er Schritt b) also durchzuführen ist. Insbesondere
kennt der Fachmann auch Methoden zur Bestimmung des Ablösegrades
der Zellen.
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In
einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
werden in Schritt b) die Zellen enzymatisch abgelöst, wobei
das Ablösen durch physikalische Methoden unterstütz
wird. Damit kann der Ablösevorgang beschleunigt werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird in Schritt b) das Ablösen durch mechanische oder physikalische
Verfahren unterstützt, insbesondere durch Ultraschall und/oder
von aufsteigenden Luftblasen unterhalb des porösen Materials.
Auch kann das Ablösen durch Klopfen und/oder Schütteln
unterstützt werden.
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Das
poröse Material ist erfindungsgemäß flüssigkeitsdurchlässig.
Das poröse Material hat erfindungsgemäß eine
Oberfläche, insbesondere eine inerte Oberfläche,
an der sich adhärente Zellen, insbesondere mit Zellausläufern,
anhaften können.
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Das
poröse Material dient als Wachstumsfläche der
Zellen. Das poröse Material hat bevorzugt zwei Oberflächen,
insbesondere wenn es blattförmig oder scheibenförmig
ist, beispielsweise wenn es eine Membran ist, nämlich eine
Oberseite und eine Unterseite. Das poröse Material kann
aber auch mehr als zwei Oberflächen haben, beispielsweise
wenn es dicker als eine Membran ist, zum Beispiel wenn es schwammförmig
ist. Erfindungsgemäß bevorzugt dient nur eine
Oberfläche des porösen Materials als Wachstumsfläche
der Zellen.
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Wenn
das poröse Material erfindungsgemäß bevorzugt
horizontal, also waagerecht, verwendet wird, so dient erfindungsgemäß bevorzugt
die obere Oberfläche, also die Oberseite des porösen
Materials als Wachstumsfläche der Zellen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist das poröse Material ein schwammartiges Material oder
eine Membran.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist das poröse Material eine Membran.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Membran Teil einer Membran-Einheit. Erfindungsgemäß bevorzugt
besteht die Membran-Einheit aus einer Membran und einem Rahmen.
Alternativ kann die Membran-Einheit nur aus einer Membran bestehen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Membran-Einheit durch die Membran flüssigkeitsdurchlässig.
Erfindungsgemäß bevorzugt bildet also die Membran
den flüssigkeitsdurchlässigen Teil, insbesondere
den einzigen flüssigkeitsdurchlässigen Teil der Membran-Einheit.
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Die
erfindungsgemäß bevorzugte Membran dient als Wachstumsfläche
der Zellen. Erfindungsgemäß bevorzugt dient nur
eine der zwei Oberflächen der Membran als Wachstumsfläche
der Zellen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird die Membran während des erfindungsgemäßen
Verfahrens waagerecht, also horizontal, verwendet.
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Wenn
die Membran erfindungsgemäß bevorzugt waagerecht
verwendet wird, so dient erfindungsgemäß bevorzugt
die obere Oberfläche der Membran als Wachstumsfläche
der Zellen. Da die adhärenten Zellen an der Membran anhaften
kann auch vorgesehen sein, dass die untere Oberfläche der
Membran als Wachstumsfläche der Zellen dient. Auch kann
die Membran während des Schritts a) und/oder zu Beginn
von Schritt b) umgedreht werden, so dass zum Beispiel die Zellen
auf der oberen Oberfläche anwachsen, die Membran umgedreht
wird und die Zellen somit auf der Unterseite Weiterwachsen. Dann
kann in Schritt b) zum Beispiel die Enzym-haltige Flüssigkeit
auf die obere Oberfläche der Membran gegeben werden, oder
die Membran wird wieder umgedreht, so dass die Zellen in Schritt
b) an der oberen Oberfläche der Membran anliegen.
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Insbesondere
bei adhärenten Zellen können alternativ aber auch
beide Oberflächen der Membran als Wachstumsfläche
der Zellen verwendet werden. Dann wird das erfindungemäße
Verfahren jedoch nur für die adhärenten Zellen
auf einer der beiden Oberflächen angewandt. Die anderen
Zellen können beispielsweise als Feeder-Zellen dienen.
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In
einer alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Membran auch durch ein anderes geeignetes poröses
Material ersetzt werden, beispielsweise durch ein schwammartiges
Material.
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Dem
Fachmann sind geeignete flüssigkeitsdurchlässige
Membranen bekannt, die sich zum Kultivieren von Zellen, insbesondere
von adhärenten Zellen, eignen.
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Die
Zellwachstumsmembran kann beispielsweise aus PET, also Polyethylenterephthalat,
oder einem vergleichbaren Material bestehen. Auch ist beispielsweise
die Verwendung von Polycarbonat-Membranen möglich. Die
Membran weist definitionsgemäß eine poröse
Struktur auf, so dass ein Flüssigkeitsaustausch über
die Membran möglich ist.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Membran ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
PET Membranen, PC Membranen, Nylon Membranen, amphotere Nylon Membranen,
positiv geladene Nylon Membranen, negativ geladene Nylon Membranen,
PTFE Membranen, Celluloseester Membranen, Celluloseacetat Membranen,
Cellulosenitrat Membranen, Cellulosemischester Membranen, regenerierte
Cellulose Membranen, Nytran Membranen und Nytran SuPer-Charge++
Membranen.
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In
einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
ist die Membran eine PET Membran. In einer erfindungsgemäßen
alternativen Ausführungsform ist die Membran eine PC Membran.
In einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
ist die Membran eine Nylon Membran. In einer erfindungsgemäßen
alternativen Ausführungsform ist die Membran eine amphotere
Nylon Membran. In einer erfindungsgemäßen alternativen
Ausführungsform ist die Membran eine positiv geladene Nylon Membran.
In einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
ist die Membran eine negativ geladene Nylon Membran. In einer erfindungsgemäßen alternativen
Ausführungsform ist die Membran eine PTFE Membran. In einer
erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
ist die Membran eine Celluloseester Membran. In einer erfindungsgemäßen
alternativen Ausführungsform ist die Membran eine Celluloseacetat
Membran. In einer erfindungsgemäßen alternativen
Ausführungsform ist die Membran eine Cellulosenitrat Membran.
In einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
ist die Membran eine Cellulosemischester Membran. In einer erfindungsgemäßen
alternativen Ausführungsform ist die Membran eine regenerierte
Cellulose Membran. In einer erfindungsgemäßen
alternativen Ausführungsform ist die Membran eine Nytran+
Membran. In einer erfindungsgemäßen alternativen
Ausführungsform ist die Membran eine Nytran SuPerCharge++
Membran.
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Auch
eine Beschichtung der Zellwachstumsmembran oder ein Aufbringen einer
Oberflächenstruktur ist wahlweise möglich.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von mindestens
0,01 μm auf. Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von mindestens
0,1 μm auf. Erfindungs gemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von mindestens
0,35 μm und auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von höchstens
20 μm auf. Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von höchstens
10 μm auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von mindestens
0,01 μm, insbesondere 0,1 μm und höchstens
20 μm, insbesondere höchstens 10 μm auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran eine Porengröße von mindestens
0,35 μm, insbesondere 0,4 μm und höchstens
9 μm, insbesondere höchstens 8 μm auf.
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Es
kann beispielsweise eine Porengröße von 0,4 μm,
0,45 μm, 1,0 μm, 1,2 μm, 3,0 μm,
5,0 μm oder 8,0 μm vorgesehen sein.
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Dem
Fachmann sind geeignete Porengrößen von Membranen
bekannt, die sowohl einen genügenden Flüssigkeitsdurchtritt,
insbesondere Zellkulturmediumsdurchtritt, und gleichzeitig eine
gute Kultivierung der Zellen gewährleisten.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran der Membraneinheit eine Porendichte von mindestens
105 Poren pro cm2 auf.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist die Membran der
Membraneinheit eine Porendichte von höchstens 108 Poren pro cm2 auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist die Membran der Membraneinheit eine Porendichte von mindestens
105 Poren pro cm2 und
höchstens 108 Poren pro cm2 auf. Es kann beispielsweise eine Porendichte von 0,1 × 106, 0,2 × 106,
0,4 × 106, 2 × 106, 22 × 106 oder
100 × 106 vorgesehen sein.
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Dem
Fachmann sind geeignete Porendichten von Membranen bekannt, die
sowohl einen genügenden Flüssigkeitsdurchtritt,
insbesondere Zellkulturmediumsdurchtritt, und gleichzeitig eine
gute Kultivierung der Zellen gewährleisten.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
befindet sich das poröse Material in einem Gefäß.
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Es
ist also erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen,
dass das poröse Material von einem Gefäß zumindest
teilweise umgeben wird, insbesondere von einem Kulturgefäß,
so dass das Gefäß eine Flüssigkeit aufnehmen
kann. Bevorzugt kann das Gefäß die Flüssigkeit
aufnehmen, wobei die Flüssigkeit das poröse Material
umgibt, also sich unterhalb und oberhalb des porösen Materials
befindet.
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Es
können die verschiedensten Gefäße verwendet
werden. Insbesondere eignen sich Zellkulturgefäße,
beispielsweise Zellkulturflaschen, Zellkulturschalen oder Multiwellplatten.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
befindet sich das poröse Material in einer Zellkulturschale.
Erfindungsgemäß bevorzugt befindet sich das poröse
Material in einer Vertiefung einer Multiwellplatte, beispielsweise
einer 6-well Platte oder einer 24-well Platte.
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Das
Gefäß kann auch ein Bioreaktor sein.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
bedeckt das poröse Material nicht den Boden des Gefäßes.
Erfindungsgemäß bevorzugt befindet sich das poröse
Material im Inneren des Gefäßes, so dass unterhalb
und oberhalb des porösen Materials ein Freiraum besteht.
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In
einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass das poröse Material Bestandteil
eines Zellkultureinsatzes ist. Der Zellkultureinsatz kann ein herkömmlicher Zellkultureinsatz
aus dem Stand der Technik sein, wie er von verschiedenen Firmen
angeboten wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist vorgesehen, dass in Schritt a) das poröse Material
und die adhärenten Zellen in einem Zellkulturmedium eingetaucht sind
und in Schritt b) das Zellkulturmedium entfernt wird und die Enzym-haltige
Flüssigkeit zugegeben wird.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das poröse Material der Boden eines Zellkultureinsatzes,
der in einem Zellkulturgefäß eingesetzt ist, wobei
zwischen dem Boden des Zellkulturgefäßes und dem
porösen Material ein Abstand besteht. In Schritt a) des
erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zellen
in einem Zellkulturmedium kultiviert, wobei das Gefäß mit
so viel Zellkulturmedium gefüllt wird, dass das Zellkulturmedium
die Zellen überdeckt. In Schritt b) wird dann das Zellkulturmedium entfernt
und in das Gefäß die Enzym-haltige Flüssigkeit
gegeben, wobei nur soviel Enzym-haltige Flüssigkeit zugegeben
wird, dass die Oberkante der Enzym-haltigen Flüssigkeit
nur die Kontaktpunkte der Zellen zu dem porösen Material
erreicht. Je nach Wahl des porösen Materials kann es ausreichend sein,
dass die Enzym-haltige Flüssigkeit nur bis zur Unterseite
des porösen Materials reicht, da das Material die Flüssigkeit
durch Kapillarkräfte auch zur Oberseite des Materials bringt.
Es kann aber auch soviel Enzym-haltige Flüssigkeit zugegeben
werden, dass die Flüssigkeit genau bis zur Oberseite des
porösen Materials reicht.
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Das
Zuführen des Zellkulturmediums in Schritt a) kann auf verschiedenste
Weise erfolgen.
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Auch
das Zuführen der Enzym-haltigen Flüssigkeit in
Schritt b) kann auf verschiedenste Weise erfolgen.
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Beispielsweise
kann das Zellkulturgefäß eine, insbesondere verschließbare, Öffnung
unterhalb des porösen Materials haben, durch die die Enzym-haltige
Flüssigkeit eingefüllt und abgelassen werden kann.
Es könnte also im erfindungsgemäßen Verfahren
ein Gefäß verwendet werden, dass unterhalb des
porösen Materials einen Einlass beziehungsweise einen Auslass
hat.
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Natürlich
kann zum Entfernen des Zellkulturmediums und zum hinzufügen
der Enzym-haltigen Flüssigkeit das poröse Material,
zum Beispiel mit dem Zellkultureinsatz, auch aus dem Gefäß entfernt werden,
so dass das Medium und/oder die Enzym-haltige Flüssigkeit
zupipettiert, abpipettiert, zugegossen oder abgegossen werden kann.
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Auch
kann ein spezieller Zellkultureinsatz mit dem porösen Material
verwendet werden, der eine Aussparung aufweist, durch die der Boden
des Gefäßes zugänglich ist, so dass das
Medium mit eine Pipette abgezogen werden kann und die Enzym-haltige Flüssigkeit
an dem porösen Material vorbei mit einer Pipette zugegeben
werden kann. Es wird also hierbei die Enzym-haltige Flüssigkeit
von oben an dem porösen Material vorbei unter das poröse
Material pipettiert.
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Bei
einem automatisierten Verfahren kann die genaue Menge an Zellkulturmedium
und insbesondere an Enzym-haltiger Flüssigkeit computergesteuert
in der genau erforderlichen Menge zugeführt werden. Dabei
kann die Menge entweder vorher anhand der Maße des Zellkulturgefäßes
und des Zellkultureinsatzes berechnet oder bestimmt werden, oder
es sind Messeinrichtungen zur Messung der Füllhöhe
vorgesehen.
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In
einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
wird das Verfahren in einem Bioreaktor durchgeführt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist ein Bioreaktor zur Kultivierung von Zellen, wobei der Reaktorraum
des Bioreaktors durch eine zumindest in Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässige
Membran-Einheit in zwei Reaktorbereiche unterteilt wird und wobei
jeder dieser zwei Reaktorbereiche eine zum Einlassen und/oder Auslassen
einer Flüssigkeit geeignete Öffnung aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann also in einem
Bioreaktor mit einer integrierten Zellwachstumsmembran durchgeführt
werden. Der Bioreaktor umgibt als Gehäuse einen Reaktorraum,
auch Reaktorkammer genannt. Dieser Reaktorraum wird durch die in
Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässige Membran-Einheit
in zwei Reaktorbereiche aufgeteilt. Der Bioreaktor weist bevorzugt
also zwei Reaktorbereiche beziehungsweise Reaktorraumbereiche auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
enthält der Bioreaktor ein Reaktorunterteil, einen Reaktordeckel und
eine Membran-Einheit. Erfindungsgemäß bevorzugt
besteht der Bioreaktor aus einem Reaktorunterteil, einem Reaktordeckel
und einer Membran-Einheit. Erfindungsgemäß bevorzugt
ist das Reaktorunterteil nach oben hin geöffnet. Die Membran-Einheit bedeckt
dann die Öffnung des Reaktorunterteils, indem die Membran
der Membran-Einheit horizontal auf der Öffnung liegt. Der
Reaktordeckel hat dann eine nach unten gerichtete Öffnung.
Der Reaktordeckel wird dann auf das Reaktorunterteil aufgesetzt, so
dass auch die Öffnung des Reaktordeckels durch die horizontale
Membran bedeckt wird. Somit grenzt die Membran der Membran-Einheit
den durch das Reaktorunterteil gebildete Reaktorbereich oder Reaktorraum
von dem durch den Reaktordeckel gebildeten Reaktorbereich oder Reaktorraum
ab.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird der Reaktorraum also durch die in Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässige
Membran-Einheit in einen unteren Reaktorbereich und in einen oberen
Reaktorbereich aufgeteilt.
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Die
zum Einlassen und/oder Auslassen einer Flüssigkeit geeigneten Öffnung
können insbesondere zum Einlassen und/oder Auslassen des
Zellkulturmediums und/oder der Enzym-haltigen Flüssigkeit verwendet
werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird in Schritt b) die Enzym-haltige Flüssigkeit durch
die zum Einlassen und/oder Auslassen einer Flüssigkeit
geeignete Öffnung des Reaktorunterteils eingeführt.
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In
einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert,
insbesondere in einer automatisierten Vorrichtung zum Herstellen
von Gewebe aus Zellkulturen und/oder mit einem Roboter durchgeführt
wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist der Bioreaktor mindestens eine Belüftungsöffnung
auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die mindestens eine Belüftungsöffnung mit
einem Sterilfilter versehen.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist der Bioreaktor mindestens eine Pipettieröffnung auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
weist das erste Reaktorgehäuseteil mindestens eine Pipettieröffnung auf.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist das erste Reaktorgehäuseteil
eine Pipettieröffnung auf.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
sind in den Bioreaktor messtechnische Vorrichtungen integriert,
die die Messung von Daten, beispielsweise zur TEER-Wert-Messung,
ermöglichen.
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Der
Bioreaktor kann wahlweise als sogenanntes Stand-Alone-Modul oder
als Komponente in einem Gesamtsystem, beispielsweise zur Herstellung
von Zellgewebe aus Biopsaten, eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch den hier beschriebenen Bioreaktor.
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Es
kann vorgesehen sein, die Zellen nach Beendigung von Schritt b)
in einem Schritt c) von der Membran zu entfernen. Beispielsweise
können die Zellen in Zellkulturmedium, insbesondere in
Serum-haltigem Zellkulturmedium aufgenommen und dann abgesaugt oder
abpipettiert werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein nach der Beendigung von Schritt b) in
Schritt c) mehr Enzym-haltige Flüssigkeit einzuführen
und die Zellen dadurch von der porösen Oberfläche
wegzudrücken.
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Es
kann also eine Entfernung der Zellen von der Membran durch Verwendung
eines Überdrucks, insbesondere über eine Flüssigkeit,
beispielsweise der Enzym-haltigen Flüssigkeit, vorgesehen
sein.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Zellen in Schritt c) vereinzelt
werden, insbesondere mit Hilfe der Enzym-haltigen Flüssigkeit.
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Als
Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Zellablöseverfahrens
kommen insbesondere automatisierte Systeme oder andere Laborprozesse
in Frage, bei denen adhärenten Zellen für eine
weitere Nutzung von ihrer bisherigen Oberfläche abgelöst werden
müssen. Mögliche Felder liegen beispielsweise
in der automatisierten Zellexpansion von: – Verschiedenen
Zelltypen zur Herstellung von künstlicher Haut als in-vitro-Testsystem
oder Transplantat; – Zellen zur Herstellung von künstlichen
Knorpeltransplantaten; – allgemein Zellen, die in der Zellkultur oder
zum Tissue Engineering eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei der GMP-konformen vollautomatischen Kultivierung und Vermehrung
von Zellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines porösen
Materials, insbesondere einer Membran, in einem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Zellkulturbehälters,
insbesondere einer Zellkulturschale, einer Zellkulturflasche oder
einer Multiwellplatte, in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Zellkultureinsatzes,
insbesondere eines Zellkultureinsatzes mit einem Boden, der aus einem
porösen Material, insbesondere einer Membran gebildet wird,
in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Bioreaktors
in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Erfindungsgemäß bevorzugte
und alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Verfahren sind auch als erfindungsgemäß bevorzugte und
alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Verwendungen und als erfindungsgemäß bevorzugte
und alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Vorrichtungen zu verstehen.
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Besondere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend beschriebenen
Figur.
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1 zeigt
nicht maßstäblich eine erfindungsgemäß bevorzugte
Ausführungsform eines Bioreaktors (100) zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Bioreaktor
besteht aus einem Reaktorunterteil (20), einem Reaktoroberteil (30)
und einer Membran-Einheit, die aus einer Membran (10) und
einem Rahmen (15) gebildet wird. Reaktorunterteil (20)
und Reaktoroberteil (30) haben Stützelemente (21, 31),
die die Membran (10) fixieren. Reaktorunterteil (20)
und Reaktoroberteil (30) sind luftdicht verbunden, so dass
einzig die als Anschlüsse ausgebildeten Öffnungen
(24, 34) die Reaktorkammern (22, 32) über
die Leitsysteme (23, 33) mit der Umge bung des
Bioreaktors (100) verbinden. Die Leitsysteme (23, 33)
stellen eine kontinuierliche und gleichmäßige
Versorgung der Zellwachstumsmembran über die gesamte Fläche
sicher. Reaktorunterteil (20) und Reaktoroberteil (30)
haben beide Elektroden (26, 36) zur Messung des
TEER-Wertes von kultivierten Zellen. Über die gemessenen TEER-Werte
kann der Wachstumsprozess kontrolliert und der optimale Erntezeitpunkt
bestimmt werden.
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Die
Membran (10) hat eine Oberseite (11) und eine
Unterseite (12). Bevorzugt werden adhärente Zellen
auf der Membranoberseite (11) kultiviert. Dabei werden
die Reaktorkammern (22, 32) über eine
der Öffnungen (24, 34) mit Zellkulturmedium
geflutet. Wenn die TEER-Wert-Messung über die Elektroden
(26, 36) ergibt, dass eine optimale Zelldichte erreicht
ist, beispielsweise dass die Zellen konfluent gewachsen sind, kann
das Zellkulturmedium über die untere Öffnung (24)
abgelassen werden. Durch die Öffnung (24) kann
dann ein Trypsin-haltiger Puffer in den Bioreaktor (100)
eingeführt werden. Es wird so viel des Puffers eingeführt,
dass dieser gerade Kontakt zur Membran (10) bekommt. Dadurch
werden die Zellen von der Membranoberfläche (11)
abgelöst, die Zellen kommen aber nur mit ihren Membrankontaktpunkten,
also den Zellausläufern, mit dem Trypsin in Kontakt, so
dass sie weniger geschädigt werden als bei einem konventionellen
Ablösen der Zellen. Danach kann der Puffer wieder durch
die Öffnung (24) abgelassen werden. Die Zellen
können abpipettiert werden oder mit Hilfe von Zellkulturmedium
durch die Öffnung (34) herausgespült
werden.
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Es
kann zum Beispiel vorgesehen sein, über das Leitsystem
das Zellkulturmedium zu entfernen und beide Kammern mit PBS-/EDTA
zu befüllen und für 1 bis 30 min zu inkubieren.
Dieser Vorgang kann je nach Zelltyp 1 bis 2 mal wiederholt werden.
Dann kann das vollständige Entleeren beider Kammern und
das anschließende Befüllen der unteren Kammer
mit einer Enzymlösung erfolgen. Für einen definierten
Bereich von 0,2 bis 10 min und der Applikation eines definierten
Druckes im Bereich von 50 bis 2000 Pa kann die Enzymlösung
durch die Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 10 μm
der Membran auch an die Kontaktstellen der Zellen zu der Membranoberseite
geführt werden. Anschließend kann ein Inkubationsschritt
mit einer Dauer im Bereich von 0,5 bis 10 min erfolgen. Zur Unterstützung
des Ablösevorgangs kann anschließend, also nach
dem Ablösen, ein Druck in der unteren Kammer im gleichen
Druckbereich angelegt werden. Dieser kann zusätzlich mit
einer Frequenz von 0,1 bis 200 Hz moduliert werden. Zusätzlich
kann durch mechanische Anregung des gesamten Reaktors der Vorgang
verstärkt werden. Durch die angelegten Drücke ergeben
sich Volumenströme durch die Membran im Bereich von 0,5
bis 20 ml/(mincm2).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/020571
A2 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Hans Jürgen
Boxberger: „Leitfaden für die Zell- und Gewebekultur:
Einführung in Grundlagen und Techniken” Wiley-VCH,
Weinheim (2006), Seiten 132 bis 135 [0007]