DE102010027154A1 - Measuring gas or gas mixture using cell culture with viable cells, comprises covering cells with liquid cell culture medium, measuring cells, directly contacting gas mixture with part of cells and determining physiological changes in cells - Google Patents

Measuring gas or gas mixture using cell culture with viable cells, comprises covering cells with liquid cell culture medium, measuring cells, directly contacting gas mixture with part of cells and determining physiological changes in cells Download PDF

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Abstract

Measuring a gas or a gas mixture (11) using a cell culture (3) with viable cells, comprises covering the cells in a cell culture with a liquid cell culture medium (10) to produce an initial state, subjecting the cells with the gas or the gas mixture for measuring, directly contacting at least partially undissolved gas or gas mixture with at least a part of the cells, determining the physiological changes in the cells by exposing to the gas or the gas mixture during the measuring step with at least one sensor (2). Measuring a gas or a gas mixture (11) using a cell culture (3) with viable cells, comprises covering the cells in a cell culture with a liquid cell culture medium (10) to produce an initial state, subjecting the cells with the gas or the gas mixture for measuring, directly contacting at least partially undissolved gas or gas mixture with at least a part of the cells, determining the physiological changes in the cells by exposing to the gas or the gas mixture during the measuring step with at least one sensor (2), where loading the cell culture with the gas or the gas mixture is simultaneously carried out to measure the physiological changes by the sensor. An independent claim is also included for a device for measuring the gas or the gas mixture, comprising at least one receiving unit (1) to receive a cell culture with viable cells, at least one sensor to measure the physiological changes in the cells by an exposure to the gas or the gas mixture, a gas inlet to supply the gas or the gas mixture to the cells in the cell culture, an inflow to supply the liquid cell culture medium for the receiving unit, a drain to discharge the liquid cell culture medium from the receiving unit, and a controlling means designed for a measuring the cell culture medium, which is at least partially removed from the receiving unit via the outlet for introducing the gas or the gas mixture into the receiving unit via the gas inlet, such that the gas is directly contacted with the cell culture for a period of time, and carrying out a measurement of the physiological changes of the cells using the sensor during that period.

Description

Die Messung des Vorhandenseins von gefährlichen, beispielsweise giftigen Gasen in einem Gasgemisch kann mittels verschiedener physikalischer und chemischer Messmethoden durchgeführt werden. Dabei wird typischerweise die Konzentration von einem oder wenigen spezifischen Gasen ermittelt. Gase, auf die die Messmethode nicht ausgelegt ist, werden entweder gar nicht erfasst oder führen zu einem verfälschten Messergebnis. Das macht die Prüfung auf beispielsweise toxische Substanzen schwierig, da es eine unüberschaubare Zahl solcher Substanzen gibt.The measurement of the presence of hazardous, for example, toxic gases in a gas mixture can be carried out by means of various physical and chemical measuring methods. Typically, the concentration of one or a few specific gases is determined. Gases for which the measuring method is not designed are either not detected at all or lead to a falsified measurement result. This makes it difficult to test for, for example, toxic substances, since there is an unmanageable number of such substances.

Als vorteilhafte Alternative zu den physikalischen und chemischen Messmethoden hat sich daher eine Messung mit lebenden Zellen herausgestellt. Bei dieser wird die Reaktion der Zellen auf das Gasgemisch beobachtet. Daraus ergibt sich nicht oder nur mit Aufwand die genaue Zusammensetzung des Gasgemischs. Dafür reagieren die Zellen jedoch auf alle Gase, die eine physiologische Wirkung auf die Zellen haben. Das macht es möglich, das Vorhandensein von beispielsweise toxischen Substanzen zu ermitteln, ohne die konkreten toxischen Substanzen zu kennen.As an advantageous alternative to the physical and chemical measurement methods, a measurement with living cells has therefore been found. In this, the reaction of the cells is observed on the gas mixture. The result is not or only with effort the exact composition of the gas mixture. However, the cells react to all gases that have a physiological effect on the cells. This makes it possible to detect the presence of, for example, toxic substances without knowing the specific toxic substances.

Aus der WO 2007/01669 A1 und der WO 2008/11876 A2 ist es bekannt, die Zellen in einem Nährmedium zu bewahren und gleichzeitig die Reaktion auf solche Gase zu beobachten, die sich in ausreichender Menge im Nährmedium lösen. Nachteilig ist daran, dass das Lösungsverhalten mancher gasförmiger Substanzen jedoch weit unter dem Grenzwert für physiologische Veränderungen liegt. Dies ist insbesondere auch dann nachteilig, wenn nicht bekannt ist, welche Substanzen auftreten könnten, wenn also deren Löslichkeit nicht vorher abschätzbar ist.From the WO 2007/01669 A1 and the WO 2008/11876 A2 It is known to preserve the cells in a nutrient medium and at the same time to observe the reaction to those gases which dissolve in sufficient quantity in the nutrient medium. The disadvantage is that the solution behavior of some gaseous substances, however, is far below the limit for physiological changes. This is particularly disadvantageous if it is not known which substances could occur, that is, if their solubility can not be estimated beforehand.

Es ist weiterhin bekannt, die Zellen für die Messung zeitweilig aus dem Nährmedium herauszunehmen und dem Gasgemisch direkt auszusetzen. Das Gasgemisch wirkt dann direkt auf die Zellen. Dann werden die Zellen wieder in das Nährmedium versetzt und in der Folge eine Messung eines oder mehrerer Parameter der Zellen vorgenommen, um das eigentliche Messergebnis zu erzeugen. Nachteilig ist hierbei, dass eine Unterscheidung der Stärke bestimmter Wirkungen auf die Zellen schwierig ist. Sind Zellen abgestorben, so kann dies nach dem Wiedereinbringen in das Nährmedium festgestellt werden, nicht aber, wann oder wie schnell die Zellen gestorben sind.It is also known to temporarily remove the cells for the measurement from the nutrient medium and to expose it directly to the gas mixture. The gas mixture then acts directly on the cells. Then the cells are again placed in the nutrient medium and subsequently a measurement of one or more parameters of the cells is made in order to produce the actual measurement result. The disadvantage here is that a distinction of the strength of certain effects on the cells is difficult. If cells have died, this can be determined after reintroduction into the nutrient medium, but not when or how fast the cells have died.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messverfahren anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere sollen die Vorrichtung bzw. das Verfahren eine Messung mit verbesserter Genauigkeit ermöglichen.The invention has for its object to provide a device which avoids the disadvantages mentioned. Another object of the invention is to provide a measuring method which avoids the disadvantages mentioned. In particular, the device or the method should enable a measurement with improved accuracy.

Diese Aufgabe wird durch ein Messverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung besteht in der Messvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 4. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a measuring method having the features of claim 1. A further solution consists in the measuring device with the features of claim 4. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung eines Gases oder eines Gasgemischs mittels einer Zellkultur mit lebenden Zellen werden die Zellen der Zellkultur zur Herstellung eines Ausgangszustands durch ein flüssiges Zellkulturmedium bedeckt. Dieser Schritt kann zeitlich nahe oder fern vor einer eigentlichen Messung stattfinden oder auch wiederholt. Weiterhin werden die Zellen in einem nachfolgenden Messschritt mit dem Gas oder Gasgemisch beaufschlagt, wobei das Gas oder Gasgemisch dabei wenigstens teilweise ungelöst in direkten Kontakt mit wenigstens einem Teil der Zellen tritt. Mit anderen Worten wird das Gas oder Gasgemisch in der Weise zu den Zellen gebracht, dass diese direkt dem Gas ausgesetzt sind, das Gas also nicht oder nur teilweise in gelöster Form vorliegt. Während des Messschritts werden mit wenigstens einem Sensor physiologische Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch ermittelt. Dabei wird die Beaufschlagung der Zellkultur mit dem Gas oder Gasgemisch zeitgleich zur Messung der physiologischen Veränderungen durch den Sensor vorgenommen.In the method according to the invention for measuring a gas or a gas mixture by means of a cell culture with living cells, the cells of the cell culture are covered by a liquid cell culture medium to produce an initial state. This step may take place near or far before an actual measurement or repeated. Furthermore, the cells are subjected to the gas or gas mixture in a subsequent measuring step, with the gas or gas mixture in this case coming into direct contact with at least part of the cells, at least partially unresolved. In other words, the gas or gas mixture is brought to the cells in such a way that they are exposed directly to the gas, so that the gas is not or only partially present in dissolved form. During the measuring step, physiological changes of the cells are determined by the application of the gas or gas mixture with at least one sensor. The exposure of the cell culture with the gas or gas mixture is carried out at the same time for measuring the physiological changes by the sensor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Gases oder eines Gasgemischs weist:

  • – mindestens eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme einer Zellkultur mit lebenden Zellen,
  • – mindestens einen Sensor zur Messung von physiologischen Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch,
  • – einen Gaseinlass zur Zuführung des Gas oder Gasgemischs zu den Zellen der Zellkultur,
  • – einen Zufluss zur Zuführung eines flüssigen Zellkulturmediums zur Aufnahmeeinheit,
  • – einen Abfluss zur Abführung des flüssigen Zellkulturmediums von der Aufnahmeeinheit, und
  • – Steuerungsmittel auf.
The device according to the invention for measuring a gas or a gas mixture has:
  • At least one receiving unit for receiving a cell culture with living cells,
  • At least one sensor for measuring physiological changes in the cells by exposure to the gas or gas mixture,
  • A gas inlet for supplying the gas or gas mixture to the cells of the cell culture,
  • An inflow for supplying a liquid cell culture medium to the receiving unit,
  • A drain for removing the liquid cell culture medium from the receiving unit, and
  • - Control means on.

Die Steuerungsmittel sind ausgestaltet, für einen Messschritt das Zellkulturmedium über den Abfluss wenigstens teilweise aus der Aufnahmeeinrichtung zu entfernen, das Gas oder Gasgemisch über den Gaseinlass in die Aufnahmeeinrichtung einzubringen und damit für einen festlegbaren Zeitraum in direkten Kontakt mit der Zellkultur zu bringen und in dem Zeitraum eine Messung der physiologischen Veränderungen der Zellen durch den Sensor vorzunehmen.The control means are configured to at least partially remove the cell culture medium via the outflow from the receiving device for a measuring step, to introduce the gas or gas mixture into the receiving device via the gas inlet and thus to bring it into direct contact with the cell culture for a determinable period of time and during the period to measure the physiological changes of the cells by the sensor.

Vorteilhaft ist dadurch erreichbar, dass auch während der Beaufschlagung der Zellen der Zellkultur mit dem Gas oder Gasgemisch bereits eventuelle physiologische Veränderungen der Zellen erkennbar und auswertbar sind. Dies erlaubt also eine Ermittlung des kinetischen Verlaufs des Effektes des Gases oder Gasgemischs und liefert daher vorteilhaft einen erhöhten Informationsgehalt. Es bedarf also keiner aufwendigen Endpunktbestimmungen oder Testmethoden, die die Zellen beim der Detektion der zellphysiologischen Veränderung nachhaltig schädigen. Bevorzugte Messmethoden sind dafür Impedanz-Messungen zur Charakterisierung der Morphologie sowie optische Messmethoden wie etwa Fluoreszenz oder Chemilumineszenz. Somit wird erstmals einen tatsächliche real-time-Messung ermöglicht, da nicht nach der Beaufschlagung der Zellen mit dem zu untersuchenden Gas weitere Tests durchgeführt werden müssen. Advantageously, it can be achieved that even during the admission of the cells of the cell culture with the gas or gas mixture already possible physiological changes of the cells are recognizable and evaluable. This therefore allows a determination of the kinetic profile of the effect of the gas or gas mixture and therefore advantageously provides an increased information content. It therefore requires no elaborate endpoint determinations or test methods that damage the cells in the detection of cell physiological change lasting. Preferred measurement methods are impedance measurements to characterize the morphology and optical measurement methods such as fluorescence or chemiluminescence. Thus, an actual real-time measurement is made possible for the first time, since it is not necessary to carry out further tests after the cells have been exposed to the gas to be examined.

Gleichzeitig ist gegenüber bekannten Messverfahren vorteilhaft, dass eine Löslichkeit der zu untersuchenden Gase in Wasser oder einem anderen flüssigern Medium nicht notwendig ist. Das Messverfahren ist daher besonders vorteilhaft für die Messung von unlöslichen oder schlecht löslichen Gasen wie beispielsweise Kohlendioxid.At the same time, it is advantageous over known measuring methods that solubility of the gases to be investigated in water or another liquid medium is not necessary. The measuring method is therefore particularly advantageous for the measurement of insoluble or poorly soluble gases such as carbon dioxide.

Dabei ist es auch möglich, dass zusätzlich zur Messung der, physiologische Veränderungen der Zellen während der Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch eine Messung auch nach der Beaufschlagung mit dem Gas gemacht oder fortgesetzt wird. Mit anderen Worten wird also auch eine Messung durchgeführt, wenn die Zellen in das Zellkulturmedium zurückgekehrt sind. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn durch die Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch der Sauerstoffverbrauch der Zellen bleibend oder zeitweilig geändert ist. Das wiederum wird bevorzugt auch dann gemessen, wenn die Zellen im Zellkulturmedium sind.It is also possible that, in addition to the measurement of physiological changes in the cells during exposure to the gas or gas mixture, a measurement is made or continued even after the application of the gas. In other words, a measurement is also carried out when the cells have returned to the cell culture medium. This may be advantageous, for example, if the oxygen consumption of the cells is permanently or temporarily changed by exposure to the gas or gas mixture. This in turn is preferably also measured when the cells are in the cell culture medium.

Bevorzugt werden dabei als Zellen tierische, pflanzliche, Insekten- oder menschliche Zellen, insbesondere V79, N2A, A594, HFBE oder HUVE, verwendet. Die Sensoren wiederum messen bevorzugt chemische oder elektrische Messgrößen. Es sind auch Sensoren für optische Messgröße einsetzbar.The cells used are preferably animal, plant, insect or human cells, in particular V79, N2A, A594, HFBE or HUVE. The sensors in turn preferably measure chemical or electrical parameters. It can also be used sensors for optical measurement.

Es ist vorteilhaft, die die Zellkultur in eine Aufnahmeeinrichtung einzubringen, in die weiterhin auch das Zellkulturmedium eingebracht wird. Das Zellkulturmedium dient dabei zweckmäßig als Nährlösung und sorgt so für den Erhalt der lebenden Zellen. Nachfolgend wird für eine Messung das Zellkulturmedium über einen Abfluss wenigstens teilweise aus der Aufnahmeeinrichtung entfernt. Das Gas oder Gasgemisch wird weiterhin über einen Gaseinlass in die Aufnahmeeinrichtung eingebracht und damit in direkten Kontakt mit der Zellkultur gebracht. Das Einbringen des Gases oder Gasgemischs kann dabei vor, zeitgleich oder nach dem Entfernen des Zellkulturmediums erfolgen. In der Folge wirkt das Gas oder Gasgemisch mehr oder weniger stark auf die Zellen, was je nach Gas oder Gasgemisch physiologische Effekte haben kann. Gleichzeitig werden die physiologischen Effekte, so vorhanden, mittels des Sensors oder der Sensoren aufgenommen. Nachfolgend wird die Aufnahmeeinrichtung zweckmäßig zur Wiederherstellung des Ausgangszustands über einen Zufluss mit Zellkulturmedium gefüllt. Es ist auch möglich, beispielsweise die Zellen nach dem Messschritt auszutauschen.It is advantageous to introduce the cell culture in a receiving device, in which also the cell culture medium is introduced. The cell culture medium serves as a nutrient solution and thus ensures the preservation of the living cells. Subsequently, the cell culture medium is at least partially removed from the receiving device via a drain for a measurement. The gas or gas mixture is further introduced via a gas inlet into the receiving device and thus brought into direct contact with the cell culture. The introduction of the gas or gas mixture can take place before, at the same time or after the removal of the cell culture medium. As a result, the gas or gas mixture acts more or less strongly on the cells, which may have physiological effects depending on the gas or gas mixture. At the same time, the physiological effects, if present, are recorded by means of the sensor or the sensors. Subsequently, the receiving device is expediently filled to restore the initial state via an inflow with cell culture medium. It is also possible, for example, to replace the cells after the measuring step.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Sensor wenigstens einen Teil des Bodens der Aufnahmeeinheit und eine der Messung dienende Oberfläche des Sensors ist der Zellkultur zugewandt. Mit anderen Worten kommen die Zellen der Zellkultur in der Ausgestaltung der Erfindung direkt auf der funktionalen Oberfläche des Sensors zu liegen. Dadurch ist die Kopplung zwischen Sensor und Zellen optimal.In a preferred embodiment of the invention, the sensor forms at least part of the bottom of the receiving unit and a surface of the sensor serving for the measurement faces the cell culture. In other words, in the embodiment of the invention, the cells of the cell culture come to rest directly on the functional surface of the sensor. As a result, the coupling between sensor and cells is optimal.

Zweckmäßig ist es, wenn die Aufnahmeeinrichtung und die Sensoren oder der Sensor sterilisierbar sind, d. h. in ausreichender Weise gegenüber Hitze, Druck und/oder Lösungsmitteln stabil sind.It is expedient if the receiving device and the sensors or the sensor can be sterilized, d. H. are sufficiently stable to heat, pressure and / or solvents.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Einstellung einer Verdünnung des Gases oder Gasgemischs vor oder während der Einbringung in die Aufnahmeeinrichtung vorgesehen. Wird das Gas oder Gasgemisch vor der Beaufschlagung der Zellen verdünnt, so kann damit bei bestimmten Gasen eine zu starke Reaktion der Zellen vermieden werden und so ein besseres, weil länger andauerndes Signal erreicht werden oder überhaupt das Überleben der Zellen ermöglicht werden.In a further preferred embodiment of the invention means are provided for adjusting a dilution of the gas or gas mixture before or during the introduction into the receiving device. If the gas or gas mixture is diluted prior to the application of the cells, it can be avoided for certain gases too strong reaction of the cells and so a better, because longer lasting signal can be achieved or even the survival of the cells are made possible.

Vorteilhaft ist es, wenn ein oder mehrere Sensoren für Parameter des Gases oder Gasgemischs vorgesehen sind. Diese können dann vorteilhaft beispielsweise zur Bestimmung von Feuchte und/oder Temperatur des Gases oder Gasgemischs verwendet werden.It is advantageous if one or more sensors are provided for parameters of the gas or gas mixture. These can then be advantageously used, for example, to determine the humidity and / or temperature of the gas or gas mixture.

Weiterhin ist bevorzugt eine Einrichtung zur Befeuchtung des Gases oder Gasgemischs vorhanden. Damit kann das Gas oder Gasgemisch vor oder während der Einbringung in die Aufnahmeeinrichtung angefeuchtet werden.Furthermore, a device for moistening the gas or gas mixture is preferably present. Thus, the gas or gas mixture can be moistened before or during the introduction into the receiving device.

Besonders bevorzugt ist eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur von wenigstens einem Teil der Vorrichtung vorgesehen. Damit kann vorteilhaft der Teil der Vorrichtung, beispielsweise der Bereich um die Aufnahmeeinrichtung auf einer weitgehend konstanten Temperatur gehalten werden. Der bevorzugte Temperaturbereich ist dabei 5°C bis 65°C, vorzugsweise 15°C bis 45°C. Dadurch wird der Einfluss der umgebenden Temperatur auf die Messergebnisse reduziert. Zusätzlich kann Kondensation vermieden werden.Particularly preferred is a device for controlling the temperature of at least a part of the device is provided. In this way, advantageously, the part of the device, for example the area around the receiving device, can be kept at a largely constant temperature. Of the preferred temperature range is 5 ° C to 65 ° C, preferably 15 ° C to 45 ° C. This reduces the influence of the surrounding temperature on the measurement results. In addition, condensation can be avoided.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Dabei zeigen dabei im EinzelnenPreferred, but by no means limiting embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The features are shown schematically and corresponding features are marked with the same reference numerals. Hereby show in detail

1 einen Querschnitt einer geöffneten Vorrichtung zur online Messung physiologischer Veränderungen einer Zellkultur bei Beaufschlagung mit gasförmigen Substanzen mit separatem Verteilstück und Verbindungsstück, 1 a cross-section of an open device for online measurement of physiological changes in a cell culture when exposed to gaseous substances with separate distribution and connector,

2 einen Querschnitt einer geschlossenen Vorrichtung zur online Messung physiologischer Veränderungen einer Zellkultur, 2 a cross section of a closed device for online measurement of physiological changes in a cell culture,

3 einen Querschnitt einer geschlossenen Vorrichtung zur online Messung physiologischer Veränderungen einer Zellkultur mit einer Ummantelung, 3 a cross section of a closed device for online measurement of physiological changes of a cell culture with a sheath,

4 Komponenten für eine Vorrichtung zur online Messung physiologischer Veränderungen einer Zellkultur inklusive der Beschlagungsvorrichtung. 4 Components for a device for the online measurement of physiological changes in a cell culture including the fogging device.

Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst als Aufnahmeeinheit für Zellen ein Kulturgefäß 1 mit einer Reihe von Komponenten sowie eine Beaufschlagungsvorrichtung 15, die ebenfalls eine Reihe weiterer Komponenten umfasst. Dabei ist die Beaufschlagungsvorrichtung 15 gegenüber dem Kulturgefäß 1 in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet.This in 1 illustrated embodiment includes as a receiving unit for cells a culture vessel 1 with a number of components as well as a loading device 15 , which also includes a number of other components. In this case, the loading device 15 opposite the culture vessel 1 slidably disposed in the vertical direction.

Das Kulturgefäß 1 umfasst ein Substrat 12 eines Sensorchips. Auf dem Substrat 12 des Sensorchips sind mehrere planare (elektro) chemische und physikalische Sensoren 2 ausgebildet, sodass in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Chipfläche von 0,7088 cm2 fünf Protonenaktivitätssensoren, fünf Sauerstoffsensoren und ein Impedanzsensor untergebracht und mit Betriebsschaltungen verbunden sind. Der Sensorchip wird mit einem nicht dargestellten Hebel auf den Kontakten der Betriebsschaltung befestigt. Weiterhin ist im Kulturgefäß 1 auf den physikalischen Sensoren 2 eine Zellkultur 3 ausgebildet. Dabei bilden die Sensoren 2 den Boden des Kulturgefäßes 1, so dass die Zellen der Zellkultur 3 direkt auf den Sensoren anhaften.The culture vessel 1 includes a substrate 12 a sensor chip. On the substrate 12 of the sensor chip are several planar (electro) chemical and physical sensors 2 formed so that in this embodiment, on a chip area of 0.7088 cm 2 five proton activity sensors, five oxygen sensors and an impedance sensor housed and connected to operating circuits. The sensor chip is fastened with a lever, not shown, on the contacts of the operating circuit. Furthermore, in the culture vessel 1 on the physical sensors 2 a cell culture 3 educated. The sensors form this 2 the bottom of the culture vessel 1 so that the cells of the cell culture 3 attach directly to the sensors.

Die Beaufschlagungsvorrichtung 15 weist ein Verteilstück 5 auf, in das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Zufluss 8 und zwei Abflüsse 9 gebohrt sind. Über den Zufluss 8 und die Abflüsse 9 wird die Zellkultur 3 im Kulturgefäß 1 mit einem Zellkulturmedium 10 überschichtet, das beispielsweise als Nährlösung dient. In anderen Ausführungsformen können auch mehrere Zuflüsse 8 und/oder wenigstens zwei Abflüsse 9 vorgesehen sein. Der Ausgangszustand, bei dem das Zellkulturmedium 10 die Zellen der Zellkultur 3 bedeckt, ist in 1 dargestellt.The loading device 15 has a distributor 5 in, in the present embodiment, an inflow 8th and two outlets 9 are bored. About the inflow 8th and the drains 9 becomes the cell culture 3 in the culture vessel 1 with a cell culture medium 10 overlaid, which serves as a nutrient solution, for example. In other embodiments, multiple inflows 8th and / or at least two outlets 9 be provided. The initial state in which the cell culture medium 10 the cells of the cell culture 3 covered, is in 1 shown.

Vor einer Beaufschlagung der Zellkultur 3 mit einem Gas 11 wird über die zwei Abflüsse 9 das Zellkulturmedium 10 abgesaugt, um die Oberfläche der Zellkultur 3 von einem Flüssigkeitsüberstand zu befreien. Über einen Gaseinlass 6 wird für einen definierten Zeitraum das zu untersuchende Gas 11 in das Verteilstück 5 gepumpt bzw. mittels Druckgefälle eingeströmt.Before being exposed to cell culture 3 with a gas 11 is about the two outlets 9 the cell culture medium 10 aspirated to the surface of the cell culture 3 to get rid of a liquid supernatant. Via a gas inlet 6 becomes the gas to be examined for a defined period of time 11 into the distribution section 5 pumped or flowed by pressure gradient.

Der sich ergebende Zustand ist in 2 dargestellt. Dabei ist die Beaufschlagungsvorrichtung 15 enger auf das Kulturgefäß 1 aufgeschoben, so dass zum einen ein Absaugen des Zellkulturmediums 10 über die Abflüsse 9 ermöglicht ist und zum anderen ein gasdichter Abschluss des Kulturgefäßes 1 wenigstens insoweit hergestellt ist, dass das Gas 11 eingeströmt werden kann. Dazu wird bevorzugt der Abstand zwischen der Zellkultur 3 und dem Verteilstück 5 von der ursprünglichen Länge von 1 bis 5 cm, vorzugsweise 2 bis 3 cm, deutlich reduziert.The resulting state is in 2 shown. In this case, the loading device 15 closer to the culture vessel 1 postponed, so that on the one hand, a suction of the cell culture medium 10 over the drains 9 is possible and on the other a gas-tight closure of the culture vessel 1 at least to the extent that the gas is produced 11 can be flowed. For this purpose, the distance between the cell culture is preferred 3 and the distributor 5 from the original length of 1 to 5 cm, preferably 2 to 3 cm, significantly reduced.

Das zu untersuchende Gas 11 tritt durch den Gaseinlass 6 ein das Kulturgefäß 1 ein. Dem Gaseinlass 6 gegenüber liegt ein Gasauslass 7. Durch diesen tritt das Gas 11 wieder aus. Auf dem Wegstück zwischen dem Gaseinlass 6 und dem Gasauslass 7 zweigt im Verteilstück 5 ein Verbindungsstück 4 ab. Das Verbindungsstück 4 ist mit dem Gehäuse des Kulturgefäßes 1 gasdicht verschlossen. Das Gas 11 diffundiert durch das Verbindungsstück 4 in das Kulturgefäß 1 und überschichtet die Zellkultur 3. Die Zellkultur 3 reagiert – je nach Gas 11 – mit physiologischen Veränderungen auf den direkten Kontakt mit dem Gas 11. Diese physiologischen Veränderungen werden durch die Sensoren 2 detektiert und über eine Betriebsschaltung an eine Auswerteeinheit 21 weitergeleitet.The gas to be examined 11 enters through the gas inlet 6 a the culture vessel 1 one. The gas inlet 6 opposite is a gas outlet 7 , Through this the gas enters 11 out again. On the path between the gas inlet 6 and the gas outlet 7 branches in the distribution section 5 a connector 4 from. The connector 4 is with the housing of the culture vessel 1 sealed gas-tight. The gas 11 diffused through the connector 4 in the culture vessel 1 and covers the cell culture 3 , The cell culture 3 reacts - depending on the gas 11 - with physiological changes on the direct contact with the gas 11 , These physiological changes are made by the sensors 2 detected and via an operating circuit to an evaluation 21 forwarded.

Dabei wird das Gas 11 in diesem Beispiel in einer Labor-Messumgebung mit synthetischer Luft als Trägergas 24 vermischt und mit einem Gasbefeuchter 16 auf eine relative Feuchte von mindestens 60% gebracht. Das Gas, welches die Beaufschlagungsvorrichtung 15 über den Gasauslass 7 verlässt, wird einem Abgasbehälter 23 zugeführt. In anderen Messumgebungen kann beispielsweise die Verdünnung und/oder die Weiterleitung in den Abgasbehälter 23 weggelassen werden. Alternativ oder zusätzlich zur Verdünnung kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um den Volumenstrom des Gases 11, der die Zellen erreicht und überstreicht, zu regeln.This is the gas 11 in this example in a laboratory measuring environment with synthetic air as carrier gas 24 mixed and with a gas humidifier 16 brought to a relative humidity of at least 60%. The gas, which is the loading device 15 over the gas outlet 7 leaves, becomes an exhaust tank 23 fed. In other measuring environments, for example, the dilution and / or forwarding into the exhaust gas tank 23 be omitted. Alternatively or in addition to dilution may be a device be provided to the volume flow of the gas 11 that reaches and delves the cells to settle.

Das Verbindungsstück 4, beispielsweise als Schlauchstück ausgebildet, weist dabei bevorzugt ein flexibles, glattes, inertes, sterilisierbares und gasundurchlässiges Material, insbesondere Silikon, Kautschuk, Fluorkautschuk, Polyethylen oder Polyethylenterephtalat auf. Das Verteilstück 5 wiederum weist bevorzugt ein festes, glattes, inertes, sterilisierbares, gasundurchlässiges und korrosionsbeständiges Material, insbesondere Edelstahl, Glas oder Keramik auf. Das Verteilstück 5 ist auf das Verbindungsstück 4 aufgesteckt.The connector 4 , For example, designed as a piece of tubing, preferably has a flexible, smooth, inert, sterilizable and gas-impermeable material, in particular silicone, rubber, fluororubber, polyethylene or polyethylene terephthalate. The distribution piece 5 in turn, preferably has a solid, smooth, inert, sterilizable, gas-impermeable and corrosion-resistant material, in particular stainless steel, glass or ceramic. The distribution piece 5 is on the connector 4 attached.

Eine Messung läuft also in diesem Beispiel nach dem folgenden Schema ab:

  • das Zellkulturmedium 10 wird über zumindest einen der Abflüsse 9 teilweise oder komplett aus dem Kulturgefäß 1 entfernt, und
  • – das zu untersuchende Gas 11 über zumindest einen Gaseinlass 6 in das Kulturgefäß 1 eingebracht und gelangt somit in direkten Kontakt mit der Zellkultur 3,
  • der Sensor 2 oder die Sensoren 2 messen die Veränderungen physiologischer Parameter der Zellkultur 3,
  • – eine Auswerteelektronik erfasst die Signale, die die Sensoren 2 aufgrund der Änderungen erzeugen und wertet diese aus, und
  • – das Kulturgefäß 1 wird über den Zufluss 8 wieder mit Zellkulturmedium 10 gefüllt.
A measurement thus runs in this example according to the following scheme:
  • - the cell culture medium 10 is about at least one of the outflows 9 partially or completely from the culture vessel 1 removed, and
  • - the gas to be analyzed 11 via at least one gas inlet 6 in the culture vessel 1 introduced and thus comes into direct contact with the cell culture 3 .
  • - the sensor 2 or the sensors 2 measure changes in physiological parameters of cell culture 3 .
  • - A transmitter detects the signals that the sensors 2 because of the changes, it generates and evaluates, and
  • - the culture vessel 1 is about the inflow 8th again with cell culture medium 10 filled.

In der Folge kann die Messung wiederholt werden, beispielsweise als regelmäßiger Messzyklus. Dabei findet dann ein regelmäßiger Austausch von Zellkulturmedium 10 und dem Gas 11 statt. Da die Zellen nach dem Austausch von Zellkulturmedium 10 und dem Gas 11 dem Gas 11 direkt ausgesetzt sind, kann als Gas 11 oder entsprechendes Gasgemisch auch ein Gas 11 oder mehrere Gase 11 vorhanden sein, die nicht oder geringfügig wasserlöslich sind. Die Dauer eines Messzyklus kann dabei in weiten Bereichen variiert werden, beispielsweise können die Zellen zwischen 10 Sekunden und 24 Stunden oder mehr mit dem Gas 11 beaufschlagt werden.As a result, the measurement can be repeated, for example as a regular measurement cycle. In this case, there is a regular exchange of cell culture medium 10 and the gas 11 instead of. Since the cells after the exchange of cell culture medium 10 and the gas 11 the gas 11 can be exposed directly, as a gas 11 or corresponding gas mixture also a gas 11 or more gases 11 be present, which are not or slightly soluble in water. The duration of a measurement cycle can be varied within wide ranges, for example, the cells between 10 seconds and 24 hours or more with the gas 11 be charged.

Werden mehrere Sensoren 2 verwendet, so sind dies bevorzugt solche Sensoren, die sich gegenseitig praktisch nicht chemisch und physikalisch beeinflussen, um möglichst aussagekräftige und unabhängige Signale zu bekommen.Become several sensors 2 are preferred, such sensors that affect each other virtually not chemically and physically to get the most meaningful and independent signals.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die die Zuläufe 8, die Abläufe 9, die Gaseinlässe 6, die Gasauslässe 7 und das Kulturgefäß 1 autoklavierbar und sterilisierbar sind.It is also beneficial if the feeds 8th , the processes 9 , the gas inlets 6 , the gas outlets 7 and the culture vessel 1 autoclavable and sterilizable.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind das Verteilstück 5 und das Verbindungsstück 4 ineinander integriert. Das Verbindungsstück 5 wird dann ohne beispielsweise ein Schlauchelement direkt auf das Kulturgefäß 1 aufgeschoben. In diesem Fall sind die die Gaseinlässe 6 und die Gasauslässe 7 in einem Ummantelungselement 13 integriert, das Teil des Verteilstücks 5 ist. Die Ummantelung 13 weist bevorzugt ein inertes, sterilisierbares, gasundurchlässiges und korrosionsbeständiges Material, insbesondere, Silikon, Kautschuk, Fluorkautschuk, Polyethylen, Polyethylenterephtalat, Edelstahl, Glas oder Keramik auf. 3 shows a further embodiment. In this embodiment, the distribution piece 5 and the connector 4 integrated into each other. The connector 5 is then without example, a hose element directly on the culture vessel 1 postponed. In this case they are the gas inlets 6 and the gas outlets 7 in a sheath element 13 integrated, the part of the distribution 5 is. The jacket 13 preferably comprises an inert, sterilizable, gas impermeable and corrosion resistant material, in particular, silicone, rubber, fluororubber, polyethylene, polyethylene terephthalate, stainless steel, glass or ceramic.

4 zeigt ein System aus mehreren Messeinheiten 25a ... c der Art, wie sie in den 1 bis 34 dargestellt sind. Diese sind im gezeigten Beispiel in ein Laborsystem integriert. 4 shows a system of several measuring units 25a ... c the way they are in the 1 to 34 are shown. These are integrated in the example shown in a laboratory system.

Das Laborsystem umfasst eine Versorgung mit synthetischer Luft 24 und eine Gasbefeuchtungseinrichtung 16. Diese beliefern ein Verteilsystem 20 mit befeuchteter synthetischer Luft als Trägergas. Ein Gasbehälter 22 ist ebenfalls an das Verteilsystem 20 angeschlossen und liefert das Testgas. Das Verteilsystem 20 beliefert die drei Messeinheiten 25a ... c mit dem reinen Trägergas oder einem Gemisch aus dem Trägergas und dem Testgas. Weiterhin gibt es für jede der Messeinheiten 25a ... c ein Behältnis 18 zur Nachlieferung des Zellkulturmediums 10 und eine Auswerteeinheit 21. Weiterhin sind ein Abgasbehälter 23 und ein Zellkulturmedium-Abfallbehälter 19 vorgesehen.The laboratory system includes a supply of synthetic air 24 and a gas humidifier 16 , These supply a distribution system 20 with humidified synthetic air as carrier gas. A gas container 22 is also to the distribution system 20 connected and supplies the test gas. The distribution system 20 supplies the three measuring units 25a ... c with the pure carrier gas or a mixture of the carrier gas and the test gas. Furthermore, there are for each of the measuring units 25a ... c a container 18 for subsequent delivery of the cell culture medium 10 and an evaluation unit 21 , Furthermore, an exhaust gas tank 23 and a cell culture medium waste container 19 intended.

Das Laborsystem ermöglicht ein parallele Messung an den drei Messeinheiten 25a ... c, wobei das Zellkulturmedium 10 regelmäßig erneuert werden kann und eine Nullpunktsmessung an reiner befeuchteter synthetischer Luft möglich ist. Eine Messung mit dem Zellsensor ist aber auch außerhalb eines Laborsystems möglich.The laboratory system allows a parallel measurement at the three measuring units 25a ... c, where the cell culture medium 10 can be renewed regularly and a zero point measurement of pure humidified synthetic air is possible. However, a measurement with the cell sensor is also possible outside of a laboratory system.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2007/01669 A1 [0003] WO 2007/01669 A1 [0003]
  • WO 2008/11876 A2 [0003] WO 2008/11876 A2 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Messung eines Gases oder eines Gasgemischs (11) mittels einer Zellkultur (3) mit lebenden Zellen, bei dem – die Zellen der Zellkultur (3) zur Herstellung eines Ausgangszustands durch ein flüssiges Zellkulturmedium (10) bedeckt werden, – die Zellen in einem nachfolgenden Messschritt mit dem Gas oder Gasgemisch (11) beaufschlagt werden, wobei das Gas oder Gasgemisch (11) dabei wenigstens teilweise ungelöst in direkten Kontakt mit wenigstens einem Teil der Zellen tritt, – während des Messschritts mit wenigstens einem Sensor (2) physiologische Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch (11) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Zellkultur (3) mit dem Gas oder Gasgemisch (11) zeitgleich zur Messung der physiologischen Veränderungen durch den Sensor (2) durchgeführt wird.Method for measuring a gas or a gas mixture ( 11 ) by means of a cell culture ( 3 ) with living cells, in which - the cells of the cell culture ( 3 ) for the preparation of a starting state by a liquid cell culture medium ( 10 ), - the cells in a subsequent measuring step with the gas or gas mixture ( 11 ), the gas or gas mixture ( 11 ) at least partially unsolved in direct contact with at least a part of the cells, - during the measuring step with at least one sensor ( 2 ) physiological changes of the cells by exposure to the gas or gas mixture ( 11 ), characterized in that the application of the cell culture ( 3 ) with the gas or gas mixture ( 11 ) at the same time as the measurement of physiological changes by the sensor ( 2 ) is carried out. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem als Zellen tierische, pflanzliche, Insekten- oder menschliche Zellen, insbesondere V79, N2A, A594, HFBE oder HUVE, verwendet werden.A method according to claim 1, wherein the cells used are animal, plant, insect or human cells, in particular V79, N2A, A594, HFBE or HUVE. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem – die Zellkultur (3) in eine Aufnahmeeinrichtung (1) eingebracht wird, – das Zellkulturmedium (10) in die Aufnahmeeinrichtung (1) eingebracht wird, – nachfolgend das Zellkulturmedium (10) über einen Abfluss (9) wenigstens teilweise aus der Aufnahmeeinrichtung (1) entfernt wird, – das Gas oder Gasgemisch (11) über einen Gaseinlass (6) in die Aufnahmeeinrichtung (1) eingebracht und damit in direkten Kontakt mit der Zellkultur (3) gebracht wird, – nachfolgend die Aufnahmeeinrichtung (1) über einen Zufluss (8) mit Zellkulturmedium (10) gefüllt wird.Process according to claim 1, in which - the cell culture ( 3 ) in a receiving device ( 1 ), - the cell culture medium ( 10 ) in the receiving device ( 1 ), - subsequently the cell culture medium ( 10 ) via an outflow ( 9 ) at least partially from the receiving device ( 1 ), - the gas or gas mixture ( 11 ) via a gas inlet ( 6 ) in the receiving device ( 1 ) and thus in direct contact with the cell culture ( 3 ), - subsequently the receiving device ( 1 ) via an inflow ( 8th ) with cell culture medium ( 10 ) is filled. Verfahren Anspruch 3, bei dem eine Messung der physiologischen Veränderungen durch den Sensor (2) durchgeführt auch durchgeführt wird, wenn die Zellen der Zellkultur (3) durch das Zellkulturmedium (10) bedeckt sind.Method according to claim 3, wherein a measurement of the physiological changes by the sensor ( 2 ) is also carried out when the cells of the cell culture ( 3 ) through the cell culture medium ( 10 ) are covered. Vorrichtung zur Messung eines Gases oder eines Gasgemischs (11), aufweisend: – mindestens eine Aufnahmeeinheit (1) zur Aufnahme einer Zellkultur (3) mit lebenden Zellen, – mindestens einen Sensor (2) zur Messung von physiologischen Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung mit dem Gas oder Gasgemisch (11), – einen Gaseinlass (6) zur Zuführung des Gas oder Gasgemischs (11) zu den Zellen der Zellkultur (3), – einen Zufluss zur Zuführung eines flüssigen Zellkulturmediums (10) zur Aufnahmeeinheit (1), – einen Abfluss zur Abführung des flüssigen Zellkulturmediums (10) von der Aufnahmeeinheit (1), – Steuerungsmitteln, die ausgestaltet sind, für einen Messschritt das Zellkulturmedium (10) über den Abfluss (9) wenigstens teilweise aus der Aufnahmeeinrichtung (1) zu entfernen, das Gas oder Gasgemisch (11) über den Gaseinlass (6) in die Aufnahmeeinrichtung (1) einzubringen und damit für einen festlegbaren Zeitraum in direkten Kontakt mit der Zellkultur (3) zu bringen und in dem Zeitraum eine Messung der physiologischen Veränderungen der Zellen durch den Sensor (2) vorzunehmen.Device for measuring a gas or a gas mixture ( 11 ), comprising: - at least one receiving unit ( 1 ) for receiving a cell culture ( 3 ) with living cells, - at least one sensor ( 2 ) for measuring physiological changes of the cells by exposure to the gas or gas mixture ( 11 ), - a gas inlet ( 6 ) for supplying the gas or gas mixture ( 11 ) to the cells of the cell culture ( 3 ), - an inlet for supplying a liquid cell culture medium ( 10 ) to the recording unit ( 1 ), - a drain for the removal of the liquid cell culture medium ( 10 ) from the receiving unit ( 1 ), - control means, which are designed, for a measuring step, the cell culture medium ( 10 ) over the drain ( 9 ) at least partially from the receiving device ( 1 ), the gas or gas mixture ( 11 ) via the gas inlet ( 6 ) in the receiving device ( 1 ) and thus for a definable period in direct contact with the cell culture ( 3 ) and during the period a measurement of the physiological changes of the cells by the sensor ( 2 ). Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der Sensor (2) wenigstens einen Teil des Bodens der Aufnahmeeinheit (1) bildet und eine der Messung dienende Oberfläche des Sensors (2) der Zellkultur (3) zugewandt ist.Device according to claim 5, in which the sensor ( 2 ) at least a part of the bottom of the receiving unit ( 1 ) and a measuring surface of the sensor ( 2 ) of the cell culture ( 3 ) is facing. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6 mit Mitteln zur Einstellung einer Verdünnung des Gases oder Gasgemischs (11) vor oder während der Einbringung in die Aufnahmeeinrichtung (1).Apparatus according to claim 5 or 6, comprising means for adjusting a dilution of the gas or gas mixture ( 11 ) before or during the introduction into the receiving device ( 1 ). Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einer Einrichtung zur Befeuchtung des Gases oder Gasgemischs (11) vor oder während der Einbringung in die Aufnahmeeinrichtung (1).Device according to one of claims 5 to 7 with a device for humidifying the gas or gas mixture ( 11 ) before or during the introduction into the receiving device ( 1 ). Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 mit wenigstens einem Sensor zur Bestimmung von Parametern des Gases oder Gasgemischs (11), insbesondere zur Bestimmung von Feuchte und/oder Temperatur.Device according to one of claims 5 to 8 with at least one sensor for determining parameters of the gas or gas mixture ( 11 ), in particular for the determination of moisture and / or temperature. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur von wenigstens einem Teil der Vorrichtung.Device according to one of claims 5 to 9, comprising means for controlling the temperature of at least a part of the device.
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