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Die Erfindung betrifft einen Behälter für die Behandlung von biologischen Geweben oder Zellen in in sich abgeschlossener Umgebung oder unter Reinraumbedingungen, eine zugehörige Vorrichtung mit einer Reinraumkammer sowie ein Verfahren für die Behandlung vorzugsweise innerhalb der Vorrichtung.
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Die zu behandelnden biologischen Gewebe oder Zellen – einschließlich damit vergleichbarer Substrate, wie bioartifizielle Gewebe aus teils biologischen teils künstlichen Materialien, Zellen in artifiziellen Umgebungen (Röhren, Netzen, Matrices) oder Zellverbänden – sind insbesondere solche, die für die Herstellung und bei der Prozessierung bioartifizieller Implantate und Transplantate, aber auch bei der Behandlung natürlicher, z. B. autologer oder homologer Transplantate, wie unter anderem von Homografts, zu bearbeiten sind. Bei der Behandlung kann es sich unter anderem um eine Lagerung in Lösung, Konditionierung, Spülung, Dezellularisierung, Besiedlung oder Rebesiedlung (von Geweben), eine Kultivierung, Kolonisierung oder Aufsiedlung auf Unterlagen verschiedenster Art handeln. Ganz besonders soll getrimmtes Gewebe, wie zum Beispiel Herzklappen, Arterien, Venen, Haut, Gewebepatches usw. mit wechselnden Lösungen umspült und mit verschiedenen Behandlungsmitteln, beispielsweise Enzymen, prozessiert werden können.
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Die Zellen und Gewebe sind hochempfindlich und müssen unter ganz bestimmten, genau einzuhaltenden Bedingungen behandelt werden. Hierfür sind bereits zahlreiche Bioreaktoren für die verschiedensten Besiedlungs- und Behandlungsaufgaben entwickelt worden. Ein wesentlicher Aspekt liegt dabei darin, die Präparate für den späteren Einsatz optimal zu konditionieren und bis zum Einsatz steril zu halten.
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Wenn unterschiedliche auch patientenspezifische Substrate in räumlicher Nähe zueinander oder nacheinander in derselben Apparatur behandelt bzw. entwickelt werden sollen, ist zusätzlich eine gegenseitige Kontamination strikt auszuschließen.
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Die
DE 103 49 688 A1 offenbart einen kleinvolumigen, kompakten Bioreaktor, der nicht für eine automatisierte Handhabung geeignet ist. Nicht alle Zellen in der Halterung werden wenigstens zum größten Teil einer translationalen Strömung ausgesetzt.
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Die
DE 103 22 024 A1 beschreibt Bioreaktor mit einer Vorkammer und einer Hauptkammer, wobei keine Umwälzung innerhalb des Reaktors stattfindet, sondern eine außen um den Reaktor geführte Ringströmung erzeugt wird und das zu behandelnde Gewebe oder die Zellen nicht von einer translationalen Strömung umgeben ist oder sind.
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Die
DE 100 53 014 A1 offenbart einen Bioreaktor, der jedoch nicht eine automatische Behandlung des gesamten Gewebestücks vorsieht.
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Die
US 6 174 719 B1 betrifft eine komplexe Anlage zur Behandlung von Zellen, jedoch nicht einen einzelnen, automatisch handhabbaren Behälter.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, verschiedene Behandlungen an unterschiedlichen Präparaten in einer Vorrichtung kosteneffektiv, raum- und zeitsparend mit hohem Automatisierungsgrad vornehmen zu können, also unterschiedliche Produkte gleichzeitig in derselben Anlage prozessieren zu können, die Gefahr von Kreuzkontaminationen dabei so gering wie möglich zu halten und Nachteile bekannter substratspezifischer Reaktoren zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Behälter nach Anspruch 1, die Vorrichtung nach Anspruch 8 und das Verfahren nach Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung beruht auf der Grundüberlegung, die Behandlung grundsätzlich unter Reinraumbedingungen in Untereinheiten vorzunehmen. Hierfür sieht die Erfindung anstelle völlig in sich abgeschlossener Einzelsysteme (Einzelreaktoren) die Handhabung von Behandlungsbehältern in einem Reinraumsystem vor. Der zu diesem Zweck entwickelte Behandlungsbehälter kann auch als Einzelreaktor Verwendung finden. In einer besonderen Ausgestaltung, wie unten näher beschrieben, kann er in einer kommerziellen ”clean bench” anstelle von Mikrotiterplatten gehandhabt werden. Sein Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch besonders zweckmäßig.
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Der Behälter für die Behandlung von biologischen Geweben oder Zellen in in sich abgeschlossener Umgebung oder unter Reinraumbedingungen besitzt folgende Grundkomponenten:
- – einen im Innern des Behälters gebildeten Behandlungsraum,
- – eine Halterung zur Positionierung des Gewebes oder der Zellen,
- – eine Umwälzeinrichtung zum Umwälzen von in dem Behälter befindlichem, das Gewebe oder die Zellen umgebenden fluidem Medium und
- – wenigstens eine verschließbare Öffnung zum Zuführen und Entnehmen von fluidem Medium, wobei nach der Erfindung vorgesehen ist, dass die Umwälzeinrichtung eine Pumpe, ein Schwingungserzeuger oder ein Blasenerzeuger ist, wobei die Umwälzeinrichtung ganz oder teilweise im Behälterinneren angeordnet ist und eine gerichtete Umwälzung bewirkt, die wenigstens bereichsweise eine translatorische Strömung entlang der Zellen/des Gewebes und/oder durch die Halterung erzeugt.
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Die translatorische Strömung ist eine im Wesentlichen lineare, gerichtete, nicht turbulente Bewegung des flüssigen bzw. fluiden Mediums, jedenfalls wenig turbulent und keine Kreis- oder Kreiselströmung. Die Positionierung des zu behandelnden Gewebes oder der Zellen erfolgt erfindungsgemäß so, dass das gesamte Gewebestück oder alle Zellen in der Halterung insgesamt oder wenigstens zu größten Teil der erfindungsgemäßen gerichteten Strömung ausgesetzt werden. Außerhalb der Gewebe/Zell-Halterung kann ein weniger gerichteter Rückstrom erfolgen. Die translatorische Strömung findet demnach im Wesentlichen laminar entlang der zu behandelnden Zellen/des Gewebes und/oder durch die Halterung statt.
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Die Strömung, die entlang der oder durch die Halterung (mit Gewebe/Zellen) geführt wird, strömt vorzugsweise lotrecht längs der Behältermittelachse. Sie kann jedoch in alternativen Konstruktionen auch in einem spitzen oder stumpfen Winkel zur Hauptachse geführt werden.
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Die Halterung positioniert das Gewebe grundsätzlich so, dass es von dem fllüssigen Behandlungsmedium oder, falls die Behandlung mit Gas erfolgen sollte, von dem Gas möglichst gleichmäßig und vollständig umspült wird.
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Bei bekannten Behandlungsbehältern bzw. Bioreaktoren werden verschiedene Umwälzungsprinzipien angewendet, die auch von der Form des Reaktors abhängen. Der Behälter nach dieser Erfindung ist bevorzugt quaderförmig oder zylindrisch mit ebener Standfläche, um innerhalb des Reinraumsystems automatisch gut gehandhabt werden zu können. Für derartige Behandlungsbehälter könnten sich zum Umwälzen des Behandlungsmediums zunächst Rührer als nahe liegend anbieten. Diese erzeugen jedoch Ringströmungen und Vortex-förmige Strömungen, die relativ hohe Scherkräfte in das Medium eintragen und das zu behandelnde Gewebe oder die Zellkultur mechanisch belasten können.
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Im Rahmen der Erfindung wurde nun gefunden, dass eine gerichtete Umwälzung mit einer translatorischen und vorzugsweise auch laminaren Strömung, die bereichsweise innerhalb des Behandlungsraums, beispielsweise längs einer Behälter(symmetrie)achse erfolgt, besonders gute und für die verschiedensten Behandungsformen geeignete Ergebnisse ergibt. Dies wird nach derzeitiger Erkenntnis darauf zurückgeführt, dass sich dabei teils laminare Strömungsbündel ergeben, die je nach Substrat um, entlang oder durch das zu behandelnde Präparat und spätere Produkt streichen ohne es mechanisch zu sehr zu belasten. Diese gerichtete Umwälzung wird mit Hilfe einer Pumpe oder eines Schwingungs- oder Blasenerzeugers bereitgestellt. Das von der Pumpe zwischen Ansaug- und Ausstoßposition im Behandlungsraum umgewälzte Volumen wird dabei erfindungsgemäß so angelegt, dass sich die gewünschte geradlinige oder translatorische Strömung einstellt.
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Wird ein Schwingungserzeuger, beispielsweise ein Ultraschallkopf, verwendet, so ist dieser so auszurichten, dass die Wellenfronten die gewünschte Strömung längs einer Geraden oder Achse erzwingen. Wird ein Blasenerzeuger verwendet, dies kann vorzugsweise eine über ein Sieb bzw. einen Zerteiler geführte Gaszuführung sein, die feine Bläschen in mehreren parallelen Strömungen abgibt, so erzeugt der Blasenstrom die gewünschte gerichtet Umwälzung.
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Bei einem im Wesentlichen zylindrischen oder quaderförmigen Behälterinneren bzw. Behandlungsraum kann die Strömung beispielsweise in Form einer Strömungsröhre längs der lotrechten Behälterinnenwände aufwärts oder abwärts gerichtet geführt werden und als Kernströmung entgegengesetzt durch die Behältermitte zurück. Die Förderrichtung der Umwälzeinrichtung, vorzugsweise der Pumpe, zeigt dabei längs der Behälterinnenwand auf- oder abwärts. Ein- und Ausgang des Fördervolumens können dabei in die gleiche oder in entgegengesetzte Richtung weisen.
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Das Fördervolumen der Pumpe, das zu den Antriebsmitteln kontaktfrei gehalten ist, ist erfindungsgemäß stets in den Behandlungsraum integriert. Der Pumpenantrieb kann sich je nach Konstruktionsart der Pumpe entweder im Behandlungsraum, im Behälter außerhalb des Behandlungsraums oder außen am Behälter befinden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die medien- bzw. produktberührenden Teile für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besitzt der Behandlungsraum des Behälters eine entnehmbare Innenauskleidung, beispielsweise einen Beutel. Der Beutel kann ein Folienbeutel, z. B. aus Kunststoff sein. In dieser Innenauskleidung kann das Produkt, d. h. das prozessierte Gewebe oder die Zellen, nach der Behandlung entnommen werden, und die Innenauskleidung, die Halterung und die Umwälzeinrichtung oder denen im Behandlungsraum befindlicher Teil können nach Gebrauch entsorgt werden. Ohne gesonderte Innenauskleidung kann auch der gesamte Behälter für den einmaligen Gebrauch vorgesehen sein.
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Innenauskleidungen in Beutelform sind grundsätzlich bekannt. So beschreibt die
DE 20 2007 017 453 U1 einen Behälter mit flexibler Wandung und aus der
US 6 837 610 B1 ist ein flexibler Container bekannt, der in einem Wärmeaustauscher angeordnet ist.
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Um den Behandlungsraum besser zugänglich zu machen, kann der Behälter vorzugsweise einen abnehmbaren Deckel zum Verschließen der Öffnung besitzen. Die Halterung kann am Deckel festgemacht sein, kann bei geöffnetem Deckel auf den Boden gesetzt, passgenau in den Innenraum eingesetzt oder an der Innenseite des Behälters festgemacht werden. Der Deckel kann wiederum eine erfindungsgemäß verschließbare Öffnung – zum Beispiel eine Klappe oder einen Schieber – besitzen (Deckel im Deckel), der erfindungsgemäß von einem Roboter geöffnet werden kann. Über diese Öffnung können während der Behandlung Flüssigkeiten und Gase ausgetauscht oder Reagenzien zudosiert werden. Alternativ kann auch der gesamte Deckel, der sich vorzugsweise über den ganzen Querschnitt des Behälters erstreckt, abgenommen, aufgeklappt oder aufgeschoben werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt der Behälter einen abgeschrägten Boden bezüglich des Behandlungsinnenraums und ist dabei so geformt, dass der tiefste Punkt des Bodens sich lotrecht unter einer horizontalen Behälteröffnung, vorzugsweise seitlich neben der Halterung, befindet. Auf diese Weise können nicht nur Flüssigkeiten zupipettiert und abgenommen werden, sondern das gesamte Medium kann mit einem Schlauch oder einer Pipette abgenommen und ggf. ausgetauscht werden.
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Die Halterung ist grundsätzlich jede Aufnahmeeinrichtung, jede Vorrichtung oder jeder Einbau zur Exposition des zu behandelnden Gewebes bzw. der Zellen. Vorzugsweise ist die Halterung ein Gestell, in das ein Gewebe eingehängt oder eingespannt wird, oder ein Gitter- oder Netzkorb, in den das Gewebe freibeweglich eingelegt wird. Ein engmaschiges Gitter oder Netz ist auch für die Exposition zu kultivierender Zellen geeignet.
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Für die Behandlung von Herzklappen und Gefäßen besitzt die Halterung bevorzugt zwei ringförmige Halter oder kranzförmig angeordnete Einzelhalter für die Enden des Gefäßstückes mit oder ohne Klappe und dazwischen einen oder mehrere Abstandshalter.
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In dem Behälter und/oder an der Halterung können zusätzlich strömungsleitende Einbauten angeordnet sein. Diese können beispielsweise schaufel- oder lamellenförmig sein.
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Die Umwälzung des Mediums erfolgt erfindungsgemäß mit einer Pumpe oder einem Schwingungs- oder Blasenerzeuger. Vorzugsweise ist die Pumpe eine Verdrängungspumpe, insbesondere eine Perestaltikpumpe, allgemein auch häufig als Schlauchpumpe bezeichnet, z. B. eine Walkpumpe oder eine Axialpumpe, eine Membranpumpe (Diaphragmapumpe), eine Kreiselpumpe, eine Piezo-Pumpe oder eine Sinuspumpe. Bevorzugt werden dabei leichte und kleine Pumpen eingesetzt.
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Für die Medizintechnik gibt es Pumpen, die für den einmaligen Gebrauch vorgesehen sind, z. B. als Blutpumpen. Diese Pumpen wiegen nur wenige Gramm und haben ein Fördervermögen von zwischen größer Null und 1.000 ml/min. Der Antrieb erfolgt in der Regel magnetisch oder elektro-mechanisch, d. h. mit einem Elektromotor. Solche Pumpen für den einmaligen Gebrauch können an oder in dem Behälter befestigt sein und werden nach Gebrauch mit diesem entsorgt.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur einen Teil der Pumpe, nämlich den mit dem zu fördernden Medium in Kontakt stehenden Teil nach einmaligem Gebrauch zu entsorgen, den Antrieb, der außerhalb des Behandlungsraums oder außerhalb des Behälters angeordnet ist, jedoch mehrmals zu verwenden.
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Bevorzugt ist derzeit die Verwendung einer Membranpumpe, bei der das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. Der Pumpenkopf mit der Membran und dem Fördervolumen wird in den Behandlungsraum mit einbezogen und gehört zu dem für einmaligen Gebrauch bestimmten Teil des Behälters oder der Innenauskleidung. Der Pumpenantrieb wird von außen an die in der Behälterwand angeordnete Membran angesetzt und lösbar am Behälter befestigt. Die Kontakte für den Pumpenantrieb sind so gestaltet, dass sie beim Einsetzen bzw. Aufsetzen des Behälters in oder auf eine Arbeitsstation in Kontakt mit an der Arbeitsstation vorhandenen Spannungsversorgungskontakten treten. Die mit dem Behälter verbundene Pumpe kann an jeder Arbeitsstation mit passenden Versorgungskontakten betrieben werden. Ganz entsprechend können andere Pumpen eingesetzt werden, bei denen sich das Fördervolumen, das sich im Behandlungsraum befinden muss, vom Antrieb trennen lässt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Behälter nicht nur mit einer für den einmaligen Gebrauch vorgesehenen Pumpe, sondern auch mit einer Batterie für deren Stromversorgung versehen ist. Der Behälter ist dann geeignet, zumindest für einfachere Prozessierungsaufgaben innerhalb einer konventionellen 'Clean Bench' eingesetzt zu werden. Dabei kann es sich vorzugsweise um eine Clean Bench zur automatischen Handhabung von Mikrotiterplatten handeln, da diese Anlagen bereits mit Pipettiervorrichtungen ausgerüstet sind. Anstelle der Mikrotiterplatten, die auf Plattformen aufgesetzt sind, werden die erfindungsgemäßen Behälter auf die Plattformen gesetzt.
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Weitaus vielfältigere Prozessierungsmöglichkeiten werden jedoch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eröffnet. Diese Vorrichtung zur Behandlung von biologischen Geweben oder Zellen in einer Reinraumumgebung ist mit einer Reinraumkammer mit wenigstens einer Schleuse zum Einführen und Entnehmen von Behältern, in welchen das Gewebe vorgehalten und behandelt wird, ausgestattet – dies sind die vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Behälter. Weiterhin umfasst die Vorrichtung wenigstens eine in der Reinraumkammer angeordnete Arbeitsstation und wenigstens einen zumindest bezüglich seiner Manipulationswerkzeuge innerhalb der Reinraumkammer angeordneten Roboter in Zuordnung zu wenigstens einer Arbeitsstation zum Zwecke der Manipulation des Behälters auf der Arbeitsstation, wobei wenigstens eine der Arbeitsstationen oder die eine Arbeitsstation Anschlüsse für eine Energieversorgung an oder im Behälter angeordneter mechanischer Komponenten, insbesondere der Umwälzeinrichtung des Behälters nach der Erfindung, besitzt. Unter einem ”Roboter” wird hier allgemein jedes geeignete Manipulationswerkzeug verstanden, der Roboter kann auch mehrteilig sein, sich also aus einzelnen Robotern zusammensetzen, die auch an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Reinraumkammer angeordnet sein können.
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Für den Roboter stehen kommerzielle Geräte (Laborroboter) zur Verfügung, die für die Verwendung innerhalb der Erfindung adaptiert werden können. Der oder die Roboter sollten wenigstens die folgenden Manipulationen durchführen können:
- – Umsetzen der Behälter von einer Arbeitsstation zur anderen und von einer Fördereinrichtung (Förderband), falls vorhanden, auf eine Arbeitsstation und zurück; ggf. Übernehmen der Behälter beim Einschleusen, insbesondere falls keine gesonderte Fördereinrichtung vorhanden ist.
- – Öffnen und Schließen der verschließbaren Öffnung am Behälter, z. B. Abnehmen oder Öffnen des Behälterdeckels oder eines zusätzlichen Verschlusses oder Deckels am Behälterdeckel.
- – Zudosieren/Zuführen von Gasen, Flüssigkeiten, Lösungen, Feststoffen, soweit erforderlich (Pipettieren).
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht nun darin, dass an wenigstens einer Position innerhalb der Reinraumkammer eine Überwachung des Luft/Gasraumes in der Kammer in der Umgebung einer Behälteröffnung durchgeführt wird, indem an dieser Position wenigstens ein Sensor zur Detektion von Kontaminationen angeordnet ist oder von dieser Position entnommene Luftentnommenes Gas zugeführt bekommt, und dass Mittel zum Austausch der Umgebungsluft dieses Behälters, wenigstens im Bereich der verschließbaren Behälteröffnung, vorhanden sind. Hierdurch wird innerhalb der Reinraumkammer eine Zone um den Behälter erzeugt, die eine Art besonderer Reinraumbereich innerhalb der Reinraumkammer ist. In den Reinraum eintretende Luftbündel passieren vorzugsweise generell nur einen Behälter bevor sie wieder austreten.
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Gemäß einer ersten Alternative der Erfindung bestehen die Mittel zum Austausch der Luft in der Zone um den Behälter wenigstens aus einer Gas- bzw. Luftzuführleitung. Die Umgebungsluft des Behälters wird hierdurch verdrängt und an anderer Stelle abgezogen. Vorzugsweise erfolgt jedoch dieses Abführen der Umgebungsluft ebenfalls innerhalb der Zone um den Behälter, deren Luft ausgetauscht wird. Die Zone erstreckt sich erfindungsgemäß wenigstens um eine verschließbare Behälteröffnung, wie die oben anhand des erfindungsgemäßen Behälters schon beschriebene verschließbare Öffnung, herum und deckt diese vollständig ab. Damit kann in einem Bereich um und über der Behälteröffnung die Luft überwacht und ausgetauscht werden.
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Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung wird ein Laminarflow entlang der einzelnen Behälter oder wenigstens entlang einer Behandlungsposition mit nichtverschlossener Öffnung eines Behälters erzeugt. Dies kann mit Hilfe einer oder mehrerer Laminarflow-Einheiten (Flowbenches oder Flowboxes, auch modular) geschehen, in der Regel laminar senkrecht zur Grund- und Deckenfläche der Reinraumkammer.
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Für die Überwachung der Umgebungsluft geeignete Sensoren sind Partikelsensoren, die die Anzahl, Größe und Qualität von Partikeln (z. B. Mikroorganismen) erfassen.
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In bevorzugter Weiterbindung der Erfindung besitzt die Vorrichtung zusätzlich eine Fördereinrichtung, auf der der Behandlungsbehälter in die Reinraumkammer transportiert und aus ihr herausgeführt wird. Diese Fordereinrichtung ist vorzugsweise ein Förderband. Es können mehrere Behälter zugleich auf der Fördereinrichtung anwesend sein und von dort auf die Arbeitsstation oder die Arbeitsstationen umgesetzt werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass zusätzlich ein Hotel zur Aufbewahrung von Behältern vorgesehen ist. Bei dem Hotel handelt es sich um ein Lager, in dem einerseits noch unbehandelte, aber für die Behandlung vorbereitete Behälter und andererseits bereits behandelte Behälter mit fertig gestellten Produkten gelagert werden können. Die Behälter werden von der Fördereinrichtung an das Hotel oder mehrere Hotels übergeben oder von einem Roboter oder manuell von der Schleuse abgenommen und in das Hotel eingestellt. Derartige Hotels sind in der Automatisierungstechnik grundsätzlich bekannt und können in für die Behälter – insbesondere für die genaue Behältergröße – adaptierter Form hier verwendet werden.
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Die Arbeitsstationen sind für die Durchführung der einzelnen Behandlungsschritte vorgesehen, wobei mehrere Schritte an einer Station durchgeführt werden könnten. An den Arbeitsstationen soll beispielsweise ein Heizen, Kühlen, Schütteln bzw. Rütteln, Umwälzen des Mediums mit der behältereigenen Pumpe und das Zugeben oder Abführen von Stoffen in den Behälter bzw. aus dem Behälter möglich sein.
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Bevorzugt enthalten die Arbeitsstationen Plattformen zur Aufnahme der Behälter. Diese Plattformen bzw. Aufnahmen sind in Form und Größe an die Behälter angepasst. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Behälter eine ebene Standfläche besitzen und die Plattformen ebenfalls eben sind. Die Arbeitsstationen oder deren Plattformen sind mit den für die Arbeitsgänge erforderlichen Mitteln ausgestattet, also beispielsweise mit Heiz- und Kühlaggregaten, Rüttlern, Schüttel- oder Schwenkeinheiten und elektrischen Kontakten zur Spannungsversorgung für die Behälterpumpe, andere Geräte oder Sensoren sowie für einen Datenaustausch und/oder eine direkte Anzeige an der Station. Die Anschlüsse können vorzugsweise in Form von Steck-, Rast- oder Berührungskontakten angelegt sein, die beim Aufsetzen des Behälters auf die Plattform mit entsprechenden Gegenstücken (Kontakten) am Behälter in Wechselwirkung bzw. in Eingriff treten. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an den Behältern und gegebenenfalls auch an den Stationen Barcodes angeordnet sind, die eine sichere, automatisierte Zuordnung ermöglichen. An bestimmten Positionen innerhalb der Vorrichtung oder an den Arbeitsstationen sind vorzugsweise Barcode-Leser angebracht, mit denen die Behälter und deren Inhalt eindeutig zugeordnet werden. Dies kann auch kabellos geschehen (Funkverbindung mit einer zentralen Steuerung).
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Das mit der Vorrichtung erfindungsgemäß durchgeführte Verfahren zur Behandlung von biologischen Geweben oder Zellen in einer Reinraumumgebung umfasst folgende Schritte:
- – das Gewebe oder die Zellen werden in einem geschlossenen Behälter vorgelegt,
- – der Behälter wird durch eine Schleuse in eine Reinraumkammer eingebracht,
- – die Behandlung des Gewebes oder der Zellen erfolgt in dem Behälter in einem oder mehreren Behandlungsschritten und
- – der Behälter wird nach der Behandlung durch die Schleuse aus der Reinraumkammer herausgeführt.
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Erfindungsgemäß erfolgen die Behandlungsschritte an wenigstens einer Arbeitsstation, die der jeweiligen Behandlung zugeordnet ist/sind, ein Öffnen und Schließen des Behälters erfolgt im Verlauf eines Behandlungsschritts nur an einer Position innerhalb der Reinraumkammer, an der ein gezielter Luftaustausch in der Umgebung des jeweiligen Behälters und insbesondere seiner Öffnung und eine Kontaminationsüberwachung mit Hilfe wenigstens eines Sensors vorgesehen ist und an wenigstens einer Arbeitsstation erfolgt eine Umwälzung des fluiden Mediums, das das Gewebe oder die Zellen umgibt.
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Das Verfahren ermöglicht es bei hohem Automatisierungsgrad eine hohe Prozesssicherheit zu erreichen und raum- und zeitsparend verschiedene Substrate mit hoher Sicherheit gegen Kontaminationen in einer Anlage zu behandeln.
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Die Behandlungsschritte enthalten vorzugsweise einen oder mehrere der folgenden Arbeitsgänge:
- – Zuführen von Gasen, Flüssigkeiten, Lösungen und oder Reagentien in den Behälter,
- – Entnehmen von Flüssigkeiten, Lösungen und oder Reagentien aus dem Behälter,
- – Umwälzen eines fluiden Mediums in dem Behälter,
- – Heizen und/oder Kühlen des Behälters und des Inhalts,
- – Rütteln, Schwenken und/oder Kippen des Behälters
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Im Allgemeinen wird wenigstens ein Behandlungsschritt erfolgen, der ein Öffnen und Schließen des Behälters in der Reinraumkammer erforderlich macht. Der Behälter wird immer geschlossen in die Reinraumkammer eingeführt und auch geschlossen wieder ausgeführt (geschleust).
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass mehrere Behälter in der Reinraumkammer gleichzeitig anwesend sind und in Zuordnung zu bestimmten Arbeitsstationen behandelt werden.
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Das Öffnen, Schließen, Umsetzen, Befüllen und Entleeren des/der Behälter wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß sehr vorteilhaft von einem Roboter ausgeführt, der in die Reinraumkammer integriert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben...
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1 Behandlungsbehälter in Explosionsdarstellung;
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2 Behandlungsbehälter in Explosionsdarstellung, wie in 1, jedoch mit eingesetzter Halterung und angesetzter Pumpe;
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3 Behälter aus 1, Explosionsdarstellung, Seitenansicht;
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4 Behälter aus 1, Explosionsdarstellung, andere Seitenansicht;
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5 Behälter aus 1 in Draufsicht mit geöffnetem Deckel und Pumpenteilen (nicht montiert);
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6 Detail: Ansatz Membranpumpe an einen Behälter;
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7 Detail: Ansatz Walkpumpe an einen Behälter;
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8 Vorrichtung mit Reinraumkammer, Hotel und Reinzonen-Kontaminationsüberwachung in schematischer Schnittansicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die allein der Illustration und dem besseren Verständnis der Erfindung dienen sollen, ohne die Erfindung einzuschränken.
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1 zeigt einen Behandlungsbehälter in Explosionsdarstellung. Der Behälter 10 besitzt einen im Wesentlichen quaderförmigen, nach oben offenen Behälterkörper 11 und einen Deckel 12. Der abnehmbare Deckel 12 verschließt die Behälteröffnung 13, die sich über die gesamte Behälterquerschnittsfläche erstreckt. Der Deckel 12 besitzt Griffe 14, an denen ein Manipulationsroboter (nicht dargestellt) angreifen und den Deckel abnehmen kann. In den offenen Behälter kann der untere Teil einer Halterung 15 eingesetzt werden, die hier als siebförmiger Ständer ausgebildet ist. Durchtrittsöffnungen 16 ermöglichen den ungehinderten Durchtritt des strömenden Mediums an dieser Stelle. Auf eine ringförmige Vertiefung 17 in diesem unteren Teil der Halterung 15 wird passgenau ein oberer Halterungsteil aufgesetzt (nicht dargestellt), der ein Halterungsgestell für das zu behandelnde Gewebe, z. B. hier eine Herzklappe in einem zylindrischen kurzen Gefäßstück, bildet. Die Enden des zugeschnittenen Herzklappengefäßstückes werden hierfür in zwei ringförmige Halter eingespannt, die durch drei bis vier stangenförmige Abstandshalter voneinander beabstandet sind. Anstelle des zylindrischen Halterungsgestells für die Herzklappe können alternativ andere Gestelle, Halter, Siebkörbe oder Käfige eingesetzt werden, mit deren Hilfe das zu behandelnde Präparat (Gewebe oder Zellen) positioniert wird. Das hier im Beispiel zylindrische Herzklappenpräparat soll lotrecht von oben nach unten und unten nach oben durchströmt werden. Eine hierfür geeignete Strömung wird mittels einer Membranpumpe 18 erzeugt, deren Antriebsteil 18 mit Hilfe des zweiteiligen Befestigungsrahmens 19, 19' von außen an den Behälterkorpus 11 angesetzt wird, und zwar gegen eine fensterförmig in die Innenwand des Behälters 11 eingesetzte Membran 20. Hierfür ist die Membran 20 von innen gegen den Fensterrand des Behälterkorpuses 11 geklebt. Sofern für den Behälter eine Innenauskleidung in Form eines Folienbeutels verwendet wird, ist die Membran 20 mit dem Folienbeutel fest verbunden und der Rand der Membran ist ebenfalls mit dem Fensterrand verklebt. Die zur Membran weisende Stirnfläche des Pumpenantriebs 18 wird zusätzlich mit der Membran 20 ebenfalls verklebt.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass der Behälter auf einer Grundplatte oder Plattform 30 steht, an deren Form er angepasst ist. Auf der Platte 30 verbleibt genügend Platz, um weitere Manipulationsgeräte und Anschlüsse unterbringen zu können.
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2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel mit bereits angesetzter Pumpe 18. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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3 zeigt eine Seitenansicht desselben Ausführungsbeispiels mit angesetztem Pumpenantrieb 18 vor Befestigung mit dem Befestigungsrahmen 19. Gut zu erkennen ist hier die Position der Membran 20 innerhalb eines Fensters 22, das in einer Vorderansicht desselben Ausführungsbeispiels nochmals in 4 zu erkennen ist.
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5 zeigt das Ausführungsbeispiel in Draufsicht, wie alle vorigen Figuren ebenfalls in einer Explosionsdarstellung.
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Die 6 und 7 zeigen Details für mögliche Pumpenvarianten in Teilschnittansichten. Die Pumpen sind dabei an den Behälterkörper 11 angesetzt.
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Wie in 6 zu erkennen, befindet sich im Inneren des Behälters ein durch die Membran 20 begrenztes Fördervolumen 24 mit den Ein- und Auslässen 26. Die Förderrichtung für das durchströmende Medium ist mit Pfeilen angedeutet. Die Membranpumpe, wie in 6 gezeigt, erzeugt eine gerichtete Strömung parallel zur Behälterseitenwand 11', also senkrecht zur Bodenplatte und zur Plattform 30. Bei Bedarf könnte die Pumpe auch gedreht werden, so dass die Ein- und Ausströmrichtung quer zu der hier gezeigten Richtung, also waagerecht oder auch schräg erfolgt. Die optimale Ausrichtung der Strömung hängt vom zu behandelnden Präparat (Gewebe oder Zellen in jeweils geeigneter Halterung bestimmter Geometrie) und von der Anordnung des Präparats in der Halterung ab.
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7 zeigt eine alternativ zur Membranpumpe nach 6 an einem Behälter angebrachte Walkpumpe 28 mit außen am Behälter umlaufendem Schlauch 29 und im Behälter angeordneten Ein- und Auslässen 26. Die Strömungsrichtung ist wiederum durch Pfeile angedeutet. Ferner ist skizziert, wie das Präparat „H”, nämlich eine Herzklappe, in einem Gefäßabschnitt relativ zu den Ein- und Auslässen 26 positioniert werden kann.
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8 zeigt eine Vorrichtung für die Behandlung verschiedener biologischer Gewebe oder Zellen unter Reinraumbedingungen in in sich abgeschlossenen Umgebungen mit einer Reinraumkammer 40, einem Hotel 50 und einer Reinzonen- bzw. Kontaminationsüberwachung 90; 92. Die Anlage ist rein schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigt. Die Reinraumkammer 40 ist mit einem Sichtfenster 42 ausgestattet, das die optische Kontrolle und Überwachung ermöglicht. Der Austausch zwischen Reinraumkammer 40 und Hotel 50 erfolgt über eine Schleuse 60, deren Verschlussmechanismus hier vereinfachend nicht dargestellt ist. Zum Transport der Behälter 10 aus der Reinraumkammer 40 durch die Schleuse 60 nach außen und gegebenenfalls in das Hotel 50 bzw. von außen in die Reinraumkammer 40 hinein dient ein Förderband 65. Behälter 10, die in die Reinraumkammer 40 durch die Schleuse 60 eingeschleust wurden, können mit Hilfe eines an der Decke der Reinraumkammer verfahrbaren Greifarms 70 vom Förderband 65 abgenommen und an jeder beliebigen Position der Reinraumkammer abgesetzt werden. Bei dem gezeigten Beispiel in 8 befindet sich ein Behälter 10 auf einer Plattform 30 und damit auf einer Arbeitsstation, die eine Pipettierstation darstellt. Der Greifarm 70 hat den Deckel 12 des Behälters abgenommen und die Behälteröffnung 13 komplett freigelegt. Ein ebenfalls an der Decke der Reinraumkammer 40 verfahrbarer Pipettenarm 80 ist so über dem Behälter 10 positioniert, dass verschiedene Lösungen mit den Pipetten 82 in den Behälter zugeführt werden können. Mit entsprechenden Pipetten kann in einem anderen Bearbeitungsschritt Flüssigkeit aus dem Behälter 10 abgezogen werden. Da an der Arbeitsstation zu Plattform 30 mit geöffnetem Deckel gearbeitet werden muss, wird um den Behälter 10 und insbesondere um die Behälteröffnung 13 eine gesonderte „Reinzone” erzeugt. Hierzu wird die Umgebungsluft um die Behälteröffnung 13 so ausgetauscht, dass die abfließende Luft keinen Kontakt mit anderen Behältern bekommt. In diesem Beispiel wird dies mit einer die gesamte Reinraumkammer 40 erfassenden Laminarflow-Einrichtung bewerkstelligt, bei der sterile Luft verteilt über die Deckenfläche 44 der Kammer durch feine Öffnungen zugeführt, laminar senkrecht fallend durch die Kammer 40 geführt und über feine Öffnungen in der gesamten Bodenfläche 46 der Kammer wieder abgeführt wird. Es folgt eine Kontaminationsüberwachung der Reinzone mit Sensoren 90, die für die jeweilige Behandlungsaufgabe geeignet sind, hier mit einer Partikelmessung. Die Partikelsensoren 90, sind hier außerhalb der Kammer 40 in einem Gehäuse angeordnet. Über die Leitungen 92 wird den Sensoren 90 Luft/Gas aus der Umgebung des Behälters 10 und speziell der Öffnung 13 zugeführt. Die Anzahl und ggf. Art der Partikel wird während der Behandlung ständig überwacht.
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Das Beispiel gemäß 8 zeigt eine weitere Arbeitsstation mit einer Plattform 30', in die ein Kühlelement und ein Thermostat integriert ist. Nach Abschluss des Pippetiervorgangs wird der Deckel 12 auf den Behälter 10 wieder aufgesetzt und der Greifarm 70 versetzt den gesamten Behälter 10 beispielsweise auf die Kühlstation bei Plattform 30', um ein Kühlen zu ermöglichen. Das Beispiel zeigt weiterhin eine Arbeitsstation mit Plattform 30'' in die ein Heizelement und ein Thermostat integriert ist. Der Greifarm 70 kann wiederum jeden Behälter 10 (geschlossen, mit Deckel 12) innerhalb des Behandlungsablaufs auf die Plattform 30'' setzen, damit ein Heizvorgang durchgeführt werden kann. Es können weitere Plattformen in der Reinraumkammer 40 angeordnet werden, die dann für weitere Aufgaben oder eine größere Anzahl von Behältern, die gleichzeitig prozessiert werden können, vorgesehen sind.
