DE102011115467A1 - Apparatus and method for pressure-cryopreserving a biological sample - Google Patents
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Abstract
Eine Kryokonservierungsvorrichtung (100), die zur Kryokonservierung einer biologischen Probe (1) eingerichtet ist, umfasst einen Druckbehälter (10) mit einer Behälterwand (11) und einem Innenraum (12), der zur Aufnahme der biologischen Probe (1) eingerichtet ist, wobei der Druckbehälter (10) für eine Abkühlung mit einer Absenkung der Temperatur und einer Erhöhung des Druckes im Druckbehälter (10) und für die Kryokonservierung der biologischen Probe (1) konfiguriert mit einer Stelleinrichtung (20) ausgestattet ist, die mit der Behälterwand (11) verbunden ist und mindestens eines von mindestens einem Druckeinstellelement (21–23, 31), mindestens einem Kühlelement (34) und mindestens einem Wärmeleitelement (35–38) umfasst, wobei die Stelleinrichtung (20) für eine zeit- und/oder ortsabhängige Einstellung der Temperatur und des Druckes im Druckbehälter (10) konfiguriert ist. Es werden auch Verfahren zur Kryokonservierung einer biologischen Probe (1), umfassend biologische Zellen (2) und ein Konservierungsmedium (3), und Verfahren zur vitalitätserhaltenden Erwärmung der biologischen Probe (1) beschrieben.A cryopreservation device (100), which is set up for the cryopreservation of a biological sample (1), comprises a pressure vessel (10) having a container wall (11) and an interior (12), which is adapted to receive the biological sample (1) the pressure vessel (10) is configured for cooling with a lowering of the temperature and an increase of the pressure in the pressure vessel (10) and for the cryopreservation of the biological sample (1) configured with an adjusting device (20) which is connected to the vessel wall (11) is connected and at least one of at least one Druckeinstellelement (21-23, 31), at least one cooling element (34) and at least one heat conducting element (35-38), wherein the adjusting device (20) for a time- and / or location-dependent adjustment of Temperature and pressure in the pressure vessel (10) is configured. Also described are methods for cryopreserving a biological sample (1) comprising biological cells (2) and a preservation medium (3), and methods for vitality-preserving heating of the biological sample (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kryokonservierung einer biologischen Probe, umfassend biologische Zellen und ein wässriges Konservierungsmedium, mit einem Druckbehälter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kryokonservierung der biologischen Probe und die Verwendung einer Stabilisatorsubstanz, mit der eine glasartige Phase von Wasser stabilisierbar ist, bei der Kryokonservierung der biologischen Proben. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erwärmung der kryokonservierten biologischen Probe.The invention relates to a device for the cryopreservation of a biological sample, comprising biological cells and an aqueous preservation medium, with a pressure vessel. Furthermore, the invention relates to a method for cryopreserving the biological sample and the use of a stabilizer substance, with which a glassy phase of water is stabilized, in the cryopreservation of biological samples. Furthermore, the invention relates to a method for heating the cryopreserved biological sample.
Die Tieftemperaturkonservierung (Kryokonservierung) von Zellen ist bisher die einzige Möglichkeit, Lebensprozesse auf zellulärer Ebene reversibel (vitalitätserhaltend) so anzuhalten, dass sie nach einer Erwärmung auf physiologische Temperaturen wieder anlaufen können. Die Kryokonservierung findet keine Entsprechung in der Natur. Es werden zwar Organismen, wie z. B. Fische, in polaren Regionen im Eis eingebettet gefunden, die ihre Vitalität für eine begrenzte Dauer erhalten. Diese Organismen sind jedoch nicht vollständig durchgefroren, sondern enthalten in ihren Zellen Glycerin und andere gefrierpunktserniedrigende Stoffe, oder sie exprimieren Proteine (sog. Gefrierschutzproteine), welche die Eisstruktur beeinflussen. Eine dauerhafte Konservierung ist in diesem Zustand nicht möglich, da auch noch bei Temperaturen unter 0°C Diffusionsprozesse über Wochen und Monate zum Zerfall des biologischen Systems führen. Die dauerhafte Konservierung würde vielmehr eine Abkühlung z. B. auf eine Temperatur von flüssigem Stickstoff erfordern, bei der auch die Flüssigkeit in den Zellen gefrieren würde. Dann aber können die Organismen nicht mehr reanimiert werden.Cryopreservation of cells has so far been the only way to reversibly halt vital processes at the cellular level in such a way that they can restart after being heated to physiological temperatures. The cryopreservation finds no equivalent in nature. Although organisms, such. As fish, found in polar regions embedded in ice, which maintain their vitality for a limited duration. However, these organisms are not completely frozen through, but contain in their cells glycerol and other freezing point depressants, or they express proteins (so-called antifreeze proteins) which influence the ice structure. Permanent preservation is not possible in this state, since even at temperatures below 0 ° C, diffusion processes over weeks and months lead to the disintegration of the biological system. The permanent preservation would rather a cooling z. B. require to a temperature of liquid nitrogen, in which the liquid in the cells would freeze. But then the organisms can not be reanimated.
Ein besonderes Problem der Kryokonservierung ist die Kristalleisbildung (kristalline Phase des Wassers) in und außerhalb der Zellen, die unmittelbar oder mittelbar zu irreversiblen Schädigungen führen. Da die Eisbildung einen der primären Gründe für die Zellschädigung darstellt, werden seit Jahrzehnten so genannte Kryoprotektiva (Gefrierschutzzusätze, Kryoadditiva) gesucht und den obligaten physiologischen Medien beigemengt. Kryoprotektiva umfassen typischerweise kleine Moleküle, wie z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO), die in die Zellen eindringen, oder höhermolekulare Substanzen, wie z. B. Zucker, die im Medium außerhalb der Zellen oder an deren Oberfläche verbleiben. Kryoprotektiva sind häufig erst in hohen, zum großen Teil unphysiologischen Konzentrationen (10% bis 50%) wirksam. Sie können daher nur bei niedrigeren als physiologischen Temperaturen (um 4°C) zugesetzt werden, müssen schnell in die Zellen eindringen und nach dem Auftauen sofort ausgewaschen werden.A particular problem of cryopreservation is the formation of crystals ice (crystalline phase of the water) in and outside the cells, which directly or indirectly lead to irreversible damage. Since ice formation is one of the primary causes of cell damage, so-called cryoprotectants (antifreeze additives, cryoadditiva) have been sought for decades and added to the obligate physiological media. Cryoprotectants typically include small molecules, such as. As dimethyl sulfoxide (DMSO), which penetrate into the cells, or higher molecular weight substances, such as. As sugar, which remain in the medium outside the cells or at the surface. Cryoprotectants are often effective only in high, largely unphysiological concentrations (10% to 50%). They can therefore be added only at lower than physiological temperatures (around 4 ° C), must penetrate quickly into the cells and immediately washed out after thawing.
Bisherige Entwicklungen in der Kryokonservierung biologischer Proben sind darauf gerichtet, Kryoprotektiva durch physiologisch und osmotisch weniger problematische Substanzen zu ersetzen, ihre Konzentration zu verringern oder ganz ohne sie auszukommen. Im Ergebnis wurden, abgesehen von den Gefrierschutzproteinen der Organismen selbst, seit der Entdeckung der Gefrierschutzeigenschaften des DMSO und Glycerins sowie einiger Zucker durch Polge und Lovelock nur wenige Stoffgruppen gefunden [1, 2, 3]. Bisher geht man davon aus, dass keine Kryokonservierung von Zellen ohne Zellstress und Zellreparaturprozesse mit Genexpressionen etc. nach dem Auftauen möglich ist, da die Bildung der kristallinen Phase unter physiologischen Bedingungen nicht ganz vermieden werden kann.
- [1]
Polge C, Smith AU, Parkes AS (1949), Nature 164: 666 - [2]
Lovelock JE (1954), Biochemical Journal 56 (2): 265–270 - [3]
Lovelock JE, Bishop MWH, 1959, Nature 183: 1394–1395
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Polge C, Smith AU, Parkes AS (1949), Nature 164: 666 - [2]
Lovelock JE (1954), Biochemical Journal 56 (2): 265-270 - [3]
Lovelock JE, Bishop MWH, 1959, Nature 183: 1394-1395
Der Erfolg der Kryokonservierung kann durch eine Vitalitätsrate (Überlebensrate), z. B. durch den Quotienten der Anzahl lebender Zellen nach und vor der Kryokonservierung, charakterisiert werden. Es ist bekannt, dass die Vitalitätsrate von der Zellart, dem Volumen und verschiedenen anderen, in der Regel bereits empirisch optimierten Randbedingungen, abhängt. Aufgrund der Notwendigkeit einer schnellen Diffusion der Kryoprotektiva in die Zellen und der geordneten Wärmeableitung nach außen, versagen, die herkömmlichen Kryokonservierungsverfahren bei makroskopischen Objekten, wie Geweben, Organen und ganzen Organismen bisher ohne Ausnahme. Vielmehr führt die herkömmliche Kryokonservierung unter Zusatz von Kryoprotektiva nur bei suspendierten Zellen und kleinsten Gewebestücken (< 0,5 mm3) zu praktikablen Vitalitätsraten. Stark wasserhaltige Pflanzenzellen, sowie ein Vielzahl großer tierischer Zellen, wie z. B. die Oozyten der Katzen und anderer Spezies, entziehen sich bisher einer Kryokonservierung vollständig. Andererseits werden mit kryokonservierten Krebszellen Vitalitätsraten von mehr als 90% erreicht.The success of cryopreservation may be due to a vitality rate (survival rate), e.g. B. by the quotient of the number of living cells after and before the cryopreservation, characterized. It is known that the vitality rate depends on the cell type, the volume and various other, usually already empirically optimized, boundary conditions. Due to the need for rapid diffusion of the cryoprotectants into the cells and the orderly dissipation of heat to the outside, the conventional cryopreservation methods have so far failed without exception for macroscopic objects such as tissues, organs and whole organisms. Rather, conventional cryopreservation with the addition of cryoprotectants leads to practicable vitality rates only for suspended cells and minute pieces of tissue (<0.5 mm 3 ). Highly water-containing plant cells, as well as a variety of large animal cells, such. As the oocytes of cats and other species, so far elude cryopreservation completely. On the other hand, vitality rates of more than 90% are achieved with cryopreserved cancer cells.
Der Erfolg der Kryokonservierung hängt insbesondere von den physikalisch-biologischen Randbedingungen, z. B. den Eigenschaften des Wassers und denen der Kryoprotektiva, ab. Bisher wird angenommen, dass Kryoprotektiva durch Diffusion in alle Zellen gelangen müssen und die Wärme in kurzer Zeit (ms bis min) nach außen abgeführt werden muss, da nur von dort gekühlt werden kann. Es wird ferner angenommen, dass diese Bedingungen aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des auch in den Zellen dominierenden Wassers und der geringen Diffusionsgeschwindigkeit von Kryoprotektiva durch die Zellmembranen nur bei sehr kleinen Objekten (Zellen suspendiert in einer Nährlösung und unter Zusatz von Gefrierschutzmitteln) erfüllt sind.The success of the cryopreservation depends in particular on the physical-biological boundary conditions, eg. As the properties of the water and those of the cryoprotectants from. So far, it has been assumed that cryoprotectants must pass through diffusion into all cells and the heat must be dissipated to the outside in a short time (ms to min), since only from there can be cooled. It is further assumed that these conditions are met due to the thermal conductivity of the dominating even in the cells of water and the low diffusion rate of cryoprotectants through the cell membranes only in very small objects (cells suspended in a nutrient solution and with the addition of cryoprotectant).
Um die Bildung der kristallinen Phase zu vermeiden, wurde in der Praxis versucht, biologische Proben durch schnelle Abkühlung in eine glasartige oder amorphe Phase (vitrifizierter Zustand) zu überführen, was jedoch selbst bei der Verwendung von Kryoprotektiva nur einen beschränkten Erfolg hatte. Allgemein galt daher bis zu einer Veröffentlichung von J. L. M. Leunissen et al. [4] die Vorstellung, dass eine Vitrifizierung (Vitrifikation) zellulärer Zellsuspensionen ohne Zusätze aus physikalischen Gründen nicht erreichbar wäre.
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J. L. M. Leunissen und H. Yi (2009) Journal of Microscopy, 235: 25–35
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JLM Leunissen and H. Yi (2009) Journal of Microscopy, 235: 25-35
Von
Es besteht angesichts der sich entwickelnden regenerativen Medizin und Biotechnologie sowie des Umweltschutzes und der Arterhaltung ein dringendes Interesse, die Nachteile der herkömmlichen Kryokonservierung zu vermindern oder zu überwinden.There is an urgent interest in reducing or overcoming the disadvantages of conventional cryopreservation in view of evolving regenerative medicine and biotechnology as well as environmental protection and conservation.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kryokonservierungsvorrichtung bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden und die insbesondere eine Kryokonservierung mit einer erhöhten Vitalitätsrate und/oder von vergrößerten Probenvolumen ermöglicht. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren zur Kryokonservierung bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden und das insbesondere erlaubt, beim Abkühlen und/oder Auftauen Verfahrensbedingungen so einzustellen, dass eine erhöhte Vitalitätsrate erzielt wird. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erwärmung einer kryokonservierten biologischen Probe bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden und das insbesondere erlaubt, eine vitalitätsbeschränkende Beeinflussung der biologischen Proben beim Übergang in einen aufgetauten Zustand zu unterdrücken.The object of the invention is to provide an improved cryopreservation device which overcomes the disadvantages of conventional techniques and in particular enables cryopreservation with an increased vitality rate and / or increased sample volume. The object of the invention is furthermore to provide an improved method for cryopreservation which overcomes the disadvantages of conventional techniques and which, in particular, makes it possible to adjust process conditions during cooling and / or thawing in such a way that an increased vitality rate is achieved. Furthermore, it is an object of the invention to provide an improved method for heating a cryopreserved biological sample, which overcomes the disadvantages of conventional techniques and in particular allows to suppress a vitality-limiting influence of the biological samples in the transition to a thawed state.
Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved by devices and methods having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention will become apparent from the dependent claims.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Kryokonservierungsvorrichtung bereitgestellt, die zur Kryokonservierung einer biologischen Probe eingerichtet ist. Die Kryokonservierungsvorrichtung umfasst einen Druckbehälter mit einer Behälterwand und einem Innenraum, der zur Aufnahme der biologischen Probe eingerichtet ist. Der Druckbehälter ist konfiguriert, in einem Kühlbad einer Kühlvorrichtung bis zu einer Kryokonservierungstemperatur, z. B. unterhalb von –138°C, abgekühlt zu werden. Des Weiteren ist der Druckbehälter konfiguriert, dass der Innenraum des Kühlbehälters mit einem Druck beaufschlagt werden kann, der höher als der umgebende Atmosphärendruck ist. Der Druckbehälter ist für die dauerhafte Kryokonservierung der biologischen Probe und Lagerung bei der Kryokonservierungstemperatur und unter Aufrechterhaltung des erhöhten Drucks im Druckbehälter eingerichtet.According to a first aspect of the invention, there is provided a cryopreservation device adapted for cryopreserving a biological sample. The cryopreservation device comprises a pressure vessel having a container wall and an interior adapted to receive the biological sample. The pressure vessel is configured to be stored in a cooling bath of a cooling device up to a cryopreservation temperature, e.g. Below -138 ° C, to be cooled. Furthermore, the pressure vessel is configured such that the interior of the cooling tank can be pressurized to a pressure higher than the surrounding atmospheric pressure. The pressure vessel is designed for the permanent cryopreservation of the biological sample and storage at the cryopreservation temperature while maintaining the elevated pressure in the pressure vessel.
Gemäß der Erfindung umfasst der Druckbehälter eine Stelleinrichtung, die für eine zeit- und/oder ortsabhängige Einstellung der Temperatur und des Druckes im Druckbehälter eingerichtet ist. Die Stelleinrichtung ist mit der Behälterwand des Druckbehälters verbunden und geeignet, die Einstellung der Kryokonservierungstemperatur und des Druckes im Innenraum des Druckbehälters zeit- und/oder ortsabhängig zu beeinflussen. Die Stelleinrichtung ist dazu eingerichtet, die Abkühlung und/oder Erwärmung der biologischen Probe entsprechend einer vorbestimmten Temperatur-Zeitfunktion gezielt zu steuern. Des Weiteren ist die Stelleinrichtung geeignet, die Temperaturverteilung im Druckbehälter zu beeinflussen. Des Weiteren ist die Stelleinrichtung geeignet, den Druck im Druckbehälter gemäß einer vorbestimmten Druck-Zeitfunktion zu steuern. Die Temperatur- und Druck-Zeitfunktionen können relativ zueinander eingestellt werden. Beispielsweise ermöglicht die Stelleinrichtung, gezielt zuerst die biologische Probe abzukühlen und anschließend mit einem erhöhten Druck zu beaufschlagen, die Abkühlung und die Druckerhöhung gleichzeitig auszuführen oder zunächst den Druck zu erhöhen und anschließend die Kryokonservierungstemperatur einzustellen. Schließlich ist die Stelleinrichtung geeignet, die den Ort der Druckerzeugung im Druckbehälter zu steuern.According to the invention, the pressure vessel comprises an adjusting device, which is set up for a time- and / or location-dependent adjustment of the temperature and the pressure in the pressure vessel. The adjusting device is connected to the container wall of the pressure vessel and suitable to influence the setting of the cryopreservation temperature and the pressure in the interior of the pressure vessel time and / or location-dependent. The adjusting device is set up to specifically control the cooling and / or heating of the biological sample in accordance with a predetermined temperature-time function. Furthermore, the adjusting device is suitable for influencing the temperature distribution in the pressure vessel. Furthermore, the adjusting device is adapted to control the pressure in the pressure vessel according to a predetermined pressure-time function. The temperature and pressure-time functions can be adjusted relative to each other. For example, the adjusting device allows targeted first to cool the biological sample and then with an increased pressure to apply the cooling and the pressure increase simultaneously or first to increase the pressure and then adjust the cryopreservation temperature. Finally, the actuator is suitable to control the location of pressure generation in the pressure vessel.
Gemäß der Erfindung umfasst die Stelleinrichtung mindestens ein Druckeinstellelement, mindestens ein Kühlelement und/oder wenigstens ein Wärmeleitelement. Das Druckeinstellelement ist konfiguriert, die Druck-Zeitfunktion, einen Ort eines primären Druckeintrags und/oder die Höhe des Drucks einzustellen, mit dem der Innenraum des Druckbehälters beaufschlagt wird. Entsprechend sind das Kühlelement und/oder das Wärmeleitelement, ggf. in Verbindung mit der Wirkung der Kühlvorrichtung, eingerichtet, die Temperatur-Zeitfunktion, die räumliche Temperaturverteilung und die Kryokonservierungstemperatur zu steuern.According to the invention, the adjusting device comprises at least one Druckeinstellelement, at least one cooling element and / or at least one heat conducting element. The pressure adjusting element is configured to adjust the pressure-time function, a location of a primary pressure input and / or the amount of pressure applied to the interior of the pressure vessel. Accordingly, the cooling element and / or the heat-conducting element, optionally in conjunction with the action of the cooling device, are arranged to control the temperature-time function, the spatial temperature distribution and the cryopreservation temperature.
Die biologische Probe enthält biologische Zellen und ein wässriges Konservierungsmedium. Die biologischen Zellen umfassen einzelne Zellen, wie z. B. einzelne Stammzellen, Vorläuferzellen, Fibroblasten, Keimzellen, Zellgruppen, insbesondere aus den genannten Zelltypen, Gewebestücke oder Organe oder deren Teile. Die biologischen Zellen können sogar komplette Organismen, insbesondere von Kleinstlebewesen, wie Würmer oder Insekten, bilden. Das Konservierungsmedium umfasst ein wässriges physiologisches Medium (Nährmedium, Kultivierungsmedium), wie es aus der Kultivierung biologischer Zellen bekannt ist.The biological sample contains biological cells and an aqueous preservation medium. The biological cells comprise individual cells, such as. B. individual stem cells, progenitor cells, fibroblasts, germ cells, cell groups, in particular from the cell types mentioned, pieces of tissue or organs or parts thereof. The biological cells may even form complete organisms, especially microorganisms such as worms or insects. The preservation medium comprises an aqueous physiological medium (nutrient medium, culture medium) as known from the cultivation of biological cells.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Kryokonservierung der biologischen Probe bereitgestellt, bei dem die biologische Probe in einem Druckbehälter angeordnet und der Druckbehälter in einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird, bis die biologische Probe in den kryokonservierten Zustand in einer zumindest teilweise glasartigen Phase überführt ist. Gemäß der Erfindung erfolgt eine zeit- und/oder ortsabhängige Einstellung der Temperatur und des Druckes im Druckbehälter unter Verwendung einer Stelleinrichtung mit mindestens einem Druckeinstellelement, mindestens einem Kühlelement und/oder mindestens einem Wärmeleitelement. Vorzugsweise wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kryokonservierung biologischer Proben die Kryokonservierungsvorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung verwendet.According to a second aspect of the invention, there is provided a method of cryopreserving the biological sample by placing the biological sample in a pressure vessel and cooling the pressure vessel in a cooling device until the biological sample is transferred to the cryopreserved state in an at least partially glassy phase , According to the invention, a time- and / or location-dependent adjustment of the temperature and the pressure in the pressure vessel using an adjusting device with at least one Druckeinstellelement, at least one cooling element and / or at least one heat-conducting takes place. The cryopreservation device according to the first aspect of the invention is preferably used to carry out the method according to the invention for the cryopreservation of biological samples.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erwärmung einer biologischen Probe, umfassend biologische Zellen und ein Konservierungsmedium in einem gefrorenen Zustand, die in einer glasartigen Phase in einem Druckbehälter angeordnet ist, bereitgestellt. Gemäß der Erfindung wird die Temperatur des Druckbehälters und der biologischen Probe erhöht und während der Temperaturerhöhung im Druckbehälter ein erhöhter Druck oberhalb des umgebenden Atmosphärendrucks aufrechterhalten. Vorzugsweise wird das Verfahren zur Erwärmung der biologischen Probe unter Verwendung der Kryokonservierungsvorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgeführt.According to a third aspect of the invention there is provided a method of heating a biological sample comprising biological cells and a preservation medium in a frozen state disposed in a glassy phase in a pressure vessel. According to the invention, the temperature of the pressure vessel and the biological sample is increased and maintained during the temperature increase in the pressure vessel, an elevated pressure above the ambient atmospheric pressure. Preferably, the method of heating the biological sample is carried out using the cryopreservation device according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird vorgeschlagen, mindestens eine Stabilisatorsubstanz (d. h. eine einzelne Substanz oder eine Mischung von mehreren Substanzen) bei der Kryokonservierung biologischer Proben als Bestandteil des Konservierungsmediums zu verwenden, die geeignet ist, bei der Erhöhung der Temperatur einer biologischen Probe, umfassend biologische Zellen und ein Konservierungsmedium, vorzugsweise bis zum Übergang in den flüssigen Zustand einen glasartigen Zustand der unterkühlten Schmelze ohne Kristallisation zu erhalten.According to a fourth aspect of the invention, it is proposed to use at least one stabilizer substance (ie a single substance or a mixture of several substances) in the cryopreservation of biological samples as a constituent of the preservation medium which is suitable for increasing the temperature of a biological sample biological cells and a preservation medium, preferably until the transition to the liquid state to obtain a glassy state of the supercooled melt without crystallization.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass beim Einfrieren wässriger Systeme die Bildung der kristallinen Phase vermieden und stattdessen die glasartige Phase (amorphe Phase) erzeugt werden kann, indem das wässrige System mit einem Druck beaufschlagt wird. Die Überführung der biologischen Probe in den kryokonservierten Zustand, die Kryokonservierung und/oder die Erwärmung der kryokonservierten Proben erfolgen in einem Bereich des Phasendiagramms des wässrigen Systems, in dem die glasartige Phase bevorzugt gebildet wird. Da die Überlebensrate der biologischen Zellen in der biologischen Probe in der glasartigen Phase erheblich höher als in der kristallinen Phase ist, ermöglicht die Erfindung eine erhöhte Vitalitätsrate der Kryokonservierung.The invention is based on the recognition that when freezing aqueous systems, the formation of the crystalline phase can be avoided and instead the glassy phase (amorphous phase) can be produced by applying a pressure to the aqueous system. The transfer of the biological sample into the cryopreserved state, the cryopreservation and / or the heating of the cryopreserved samples take place in a region of the phase diagram of the aqueous system in which the glassy phase is preferably formed. Since the survival rate of the biological cells in the biological sample in the vitreous phase is considerably higher than in the crystalline phase, the invention enables an increased vitality rate of the cryopreservation.
Bei der herkömmlichen Kryomikroskopie unter Verwendung von druckfesten Probenröhrchen (siehe oben, [4]) wurde im geschlossenen Probenröhrchen bereits ein erhöhter Druck erzeugt. Bei der herkömmlichen Technik besteht jedoch kein Freiheitsgrad, den Druck- oder Temperaturverlauf beim Einfrieren, während der Kryokonservierung oder beim Erwärmen gezielt entsprechend vorgegebenen Zeitfunktionen zu beeinflussen. Die Erfinder haben festgestellt, dass insbesondere beim Auftauen unweigerlich das beim raschen Abkühlen vermiedene Eis mit all seinen negativen Wirkungen auf die Probe entsteht, wodurch die Zellen abgetötet werden. Vorteilhafterweise wird mit der erfindungsgemäßen Bereitstellung der Stelleinrichtung ermöglicht, dass die Druck-Temperatur-Verläufe zeitlich und/oder räumlich so gesteuert werden, dass im Innenraum des Druckbehälters vorrangig die glasartige Phase der biologischen Probe erzeugt und aufrechterhalten wird. Im Unterschied zur herkömmlichen Technik ermöglicht die Stelleinrichtung, Druck- und Temperaturparameter beim Einfrieren und/oder Auftauen gezielt zu variieren, um eine maximale Vitalitätsrate zu erzielen. Vorteilhafterweise wird damit erfindungsgemäß eine echte Kryokonservierung mit der Möglichkeit des Wiederauftauens und der Revitalisierung der Zellen in der biologischen Probe bereitgestellt, während die Technik von
Gemäß dem o. g. dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, den glasartigen Zustand der Probe, insbesondere des Konservierungsmediums unter Erhaltung des Druckes bis zum Schmelzen des in der Probe enthaltenen Wassers zu erhalten. Vorteilhafterweise wird damit ermöglicht, kryokonservierte biologische Proben, wie z. B. die von
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stelleinrichtung mindestens ein Druckeinstellelement, das mit der Behälterwand und/oder dem Innenraum des Druckbehälters verbunden ist. Vorteilhafterweise sind verschiedene Varianten des Druckeinstellelements möglich, die in Abhängigkeit von der Konservierungsaufgabe und den räumlichen Bedingungen der Kryokonservierung einzeln oder in Kombination gewählt werden können. Gemäß einer ersten Variante kann in der Behälterwand des Druckbehälters mindestens eine Druckschraube vorgesehen sein. Die Behälterwand enthält eine Gewindeöffnung zur flüssigkeitsdichten Aufnahme der Druckschraube. Durch ein Einschrauben der Druckschraube in die Gewindeöffnung kann das freie Volumen des Innenraums im Druckbehälter verringert und entsprechend der Druck im Druckbehälter erhöht werden. Gemäß einer zweiten Variante kann ein Expansionsbereich vorgesehen sein, der mit dem Innenraum des Druckbehälters in Verbindung steht und zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Expansionsmediums eingerichtet ist. Wenn sich das Expansionsmedium im Expansionsbereich ausdehnt, wird entsprechend das freie Volumen im Innenraum verringert und der Druck im Druckbehälter erhöht. Gemäß einer dritten Variante kann das Druckeinstellelement eine Druckklammer umfassen, die von außen auf die Behälterwand wirkt. In diesem Fall ist die Behälterwand aus einem biegsamen Material gebildet, um den von der Druckklammer ausgeübten mechanischen Druck auf den Innenraum des Druckbehälters zu übertragen. Vorteilhafterweise kann die Druckklammer mit Kühlöffnungen ausgestattet sein, um die Abkühlung des Druckbehälters im Kühlbad der Kühlvorrichtung zu beschleunigen. Des Weiteren kann die Druckklammer für eine mechanische oder elektrische Betätigung ausgelegt sein.According to a preferred embodiment of the invention, the adjusting device comprises at least one Druckeinstellelement which is connected to the container wall and / or the interior of the pressure vessel. Advantageously, various variants of Druckeinstellelements are possible, which can be selected individually or in combination depending on the preservation task and the spatial conditions of the cryopreservation. According to a first variant, at least one pressure screw can be provided in the container wall of the pressure vessel. The container wall contains a threaded opening for liquid-tight receiving the pressure screw. By screwing the pressure screw into the threaded opening, the free volume of the interior can be reduced in the pressure vessel and increased according to the pressure in the pressure vessel. According to a second variant, an expansion region can be provided, which communicates with the interior of the pressure vessel and is adapted to receive a liquid or gaseous expansion medium. If the expansion medium expands in the expansion area, the free volume in the interior is correspondingly reduced and the pressure in the pressure vessel is increased. According to a third variant, the Druckeinstellelement may comprise a pressure clamp, which acts from the outside on the container wall. In this case, the container wall is formed of a flexible material to transmit the pressure exerted by the pressure clamp mechanical pressure on the interior of the pressure vessel. Advantageously, the pressure clamp can be equipped with cooling openings in order to accelerate the cooling of the pressure vessel in the cooling bath of the cooling device. Furthermore, the pressure clamp may be designed for mechanical or electrical actuation.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Expansionsbereich mindestens eine Hohlleitung zur Aufnahme des Expansionsmediums, die mit dem Innenraum des Druckbehälters kommuniziert und die vom Druckbehälter absteht. Die Hohlleitung enthält z. B. Wasser, eine wässrige Lösung oder Teile der biologischen Probe. Durch das Abstehen der Hohlleitung vom Druckbehälter wird das Expansionsmedium in der Hohlleitung räumlich vom Innenraum des Druckbehälters getrennt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Abkühlung der Hohlleitung im Kühlbad der Kühlvorrichtung, während sich der übrige Druckbehälter noch auf erhöhter Temperatur, z. B. bei Raumtemperatur befindet. In der Hohlleitung kann kristallines Eis erzeugt werden, welches sich hin zum Innenraum ausdehnt, dessen übriges Volumen verringert und somit eine Erhöhung des Druckes im Innenraum bewirkt. Gemäß einer bevorzugten Variante weist die Hohlleitung Verzweigungen auf. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine Vergrößerung des Volumens des Expansionsbereichs im Vergleich zu einer einzelnen, unverzweigten Hohlleitung. Gleichzeitig ermöglicht die verzweigte Hohlleitung eine Beeinflussung der Zeitfunktion der Druckerzeugung im Druckbehälter. Alternativ und zusätzlich können mehrere Hohlleitungen vorgesehen sein, die in verschiedenen Raumrichtungen vom Druckbehälter abstehen. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine Beeinflussung der Druckerzeugung in Abhängigkeit von der Orientierung des Druckbehälters relativ zum Kühlbad der Kühlvorrichtung.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the expansion region comprises at least one hollow conduit for receiving the expansion medium, which communicates with the interior of the pressure vessel and which protrudes from the pressure vessel. The hollow line contains z. As water, an aqueous solution or parts of the biological sample. By protruding the hollow conduit from the pressure vessel, the expansion medium in the hollow conduit is spatially separated from the interior of the pressure vessel. This advantageously allows a cooling of the hollow conduit in the cooling bath of the cooling device, while the remaining pressure vessel is still at elevated temperature, for. B. is at room temperature. In the hollow conduit crystalline ice can be generated, which expands towards the interior, reduces the remaining volume and thus causes an increase in the pressure in the interior. According to a preferred variant, the hollow conduit has branches. Advantageously, this makes it possible to increase the volume of the expansion area in comparison to a single, unbranched hollow conduit. At the same time, the branched hollow line makes it possible to influence the time function of the pressure generation in the pressure vessel. Alternatively and additionally, a plurality of hollow conduits may be provided which protrude from the pressure vessel in different spatial directions. Advantageously, this makes it possible to influence the pressure generation as a function of the orientation of the pressure vessel relative to the cooling bath of the cooling device.
Wenn die erfindungsgemäß vorgesehene Stelleinrichtung ein Kühlelement umfasst, so wird dieses vorzugsweise durch eine Kühlleitung gebildet, die im Druckbehälter angeordnet ist. Die Kühlleitung verläuft durch den Innenraum des Behälters. Sie ist dazu eingerichtet, mit einem Kühlmittel, wie z. B. mit flüssigem Stickstoff, durchströmt zu werden. Vorteilhafterweise ermöglicht die Kühlleitung eine Einstellung des Beginns und der Zeitfunktion der Temperaturabsenkung im Druckbehälter. If the adjusting device provided according to the invention comprises a cooling element, then this is preferably formed by a cooling line, which is arranged in the pressure vessel. The cooling line runs through the interior of the container. It is adapted to with a coolant such. B. with liquid nitrogen to be flowed through. Advantageously, the cooling line allows adjustment of the beginning and the time function of the temperature reduction in the pressure vessel.
Wenn die erfindungsgemäß vorgesehene Stelleinrichtung ein Wärmeleitelement umfasst, so wird dieses vorzugsweise durch ein Außenprofil auf einer Außenseite des Druckbehälters, ein Innenprofil auf einer Innenseite des Druckbehälters und/oder Wärmeleitkörper im Inneren des Druckbehälters gebildet. Diese Varianten von Wärmeleitelementen ermöglichen, bei der Abkühlung des Druckbehälters den Wärmetransport vom Druckbehälter in das Kühlbad zu beschleunigen.If the adjusting device provided according to the invention comprises a heat-conducting element, this is preferably formed by an outer profile on an outer side of the pressure vessel, an inner profile on an inner side of the pressure vessel and / or heat-conducting body in the interior of the pressure vessel. These variants of heat conducting elements make it possible to accelerate the transport of heat from the pressure vessel into the cooling bath during the cooling of the pressure vessel.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kryokonservierungsvorrichtung besteht darin, dass der Druckbehälter mit einer Vielzahl geometrischer Formen herstellbar ist. Besonders bevorzugt sind Varianten der Erfindung, bei denen die Behälterwand des Druckbehälters die Gestalt eines Rohres, einer Kugel oder eines Zylinders, z. B. eines flachen Zylinders (Dose), aufweist. Ein rohrförmiger Druckbehälter kann gerade oder gekrümmt gebildet sein. In beiden Fällen kann jeweils die räumliche Verteilung der Temperatur- und Druckeinstellung im Druckbehälter durch dessen Gestalt beeinflusst werden.Another advantage of the cryopreservation device according to the invention is that the pressure vessel can be produced with a large number of geometric shapes. Particularly preferred variants of the invention in which the container wall of the pressure vessel, the shape of a tube, a sphere or a cylinder, for. B. a flat cylinder (box) has. A tubular pressure vessel may be straight or curved. In both cases, the spatial distribution of the temperature and pressure setting in the pressure vessel can each be influenced by its shape.
Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Kryokonservierungsvorrichtung beziehen sich auf die Gestaltung des Innenraums des Druckbehälters. Gemäß einer Variante der Erfindung kann im Innenraum ein Innenbehälter vorgesehen sein, der zur Aufnahme der biologischen Probe eingerichtet ist. In diesem Fall ist die biologische. Probe im Innenbehälter vom übrigen Volumen des Innenraums stofflich getrennt. Dies ermöglicht eine Beeinflussung der glasartigen Phase in der unmittelbaren Umgebung der biologischen Probe. Gemäß einer weiteren Variante kann im Innenraum ein Substrat angeordnet sein, das zur adhärenten Aufnahme biologischer Zellen, die Teil der biologischen Probe sind, eingerichtet ist. Das Substrat kann z. B. im Innenbehälter angeordnet sein. Als Substrat sind Substratmaterialien geeignet, die für adhärente Zellkulturen verwendet werden, wie z. B. Kunststoff oder Glas. Gemäß einer weiteren Variante kann eine Segmentierung des Innenraums in Innenraumabschnitte vorgesehen sein. Die Segmentierung ermöglicht vorteilhafterweise die gezielte Einstellung von verschiedenen Druck-Temperatur-Bedingungen in jedem der Innenraumabschnitte. Gemäß einer weiteren Variante kann im Innenraum eine Sensoreinrichtung angeordnet sein, die mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Drucksensor umfasst. Die Sensoreinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine Messung der Temperatur und/oder des Druckes im Innenraum. In Abhängigkeit von dem mindestens einen Signal der Sensoreinrichtung kann die Kryokonservierung gesteuert werden. Schließlich kann mit einer weiteren Variante der Erfindung im Innenraum ein Substanzreservoir angeordnet sein, das zur Freigabe einer Substanz in den Innenraum eingerichtet ist. Das Substanzreservoir umfasst z. B. Hohlkugeln, die unter der Wirkung eines erhöhten Druckes im Innenraum zerstört werden können, um eine Substanz freizusetzen. Die genannten Varianten der Innenraum-Gestaltung können einzeln oder in Kombination vorgesehen sein.Further advantageous features of the cryopreservation device according to the invention relate to the design of the interior of the pressure vessel. According to a variant of the invention may be provided in the interior of an inner container, which is adapted to receive the biological sample. In this case, the biological. Sample in the inner container from the remaining volume of the interior materially separated. This allows influencing the glassy phase in the immediate vicinity of the biological sample. According to a further variant, a substrate can be arranged in the interior, which is set up for the adherent recording of biological cells which are part of the biological sample. The substrate may, for. B. be arranged in the inner container. As a substrate substrate materials are suitable, which are used for adherent cell cultures, such. As plastic or glass. According to a further variant, a segmentation of the interior can be provided in interior sections. The segmentation advantageously enables the targeted adjustment of different pressure-temperature conditions in each of the interior sections. According to a further variant, a sensor device may be arranged in the interior, which comprises at least one temperature sensor and / or at least one pressure sensor. The sensor device advantageously allows a measurement of the temperature and / or the pressure in the interior. Depending on the at least one signal of the sensor device, the cryopreservation can be controlled. Finally, with a further variant of the invention, a substance reservoir can be arranged in the interior, which is set up to release a substance into the interior. The substance reservoir comprises z. B. hollow spheres that can be destroyed under the effect of increased pressure in the interior to release a substance. The mentioned variants of the interior design can be provided individually or in combination.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Behälterwand mit einer Optikeinheit ausgestattet sein. Die Optikeinheit umfasst eine abbildende Optik, die für eine optische Beobachtung des Innenraums des Druckbehälters eingerichtet ist. Die Optikeinheit ermöglicht eine optische Überwachung des Zustands der biologischen Probe während der Kryokonservierung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the container wall may be equipped with an optical unit. The optical unit comprises an imaging optics, which is set up for an optical observation of the interior of the pressure vessel. The optical unit allows optical monitoring of the state of the biological sample during cryopreservation.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Varianten der Druck- und Temperatureinstellung im Druckbehälter, um auf verschiedenen Wegen im Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm der biologischen Probe zu den gewünschten Kryokonservierungsbedingungen zu gelangen. Beispielsweise ist es gemäß einer ersten Variante möglich, zuerst den Druck im Druckbehälter mit dem mindestens einen Druckeinstellelement zu erhöhen und anschließend die Temperatur im Druckbehälter mit der Kühlvorrichtung abzusenken. Die Druckerhöhung und die Temperaturabsenkung erfolgen jeweils gemäß vorbestimmten, getrennten Zeitfunktionen. Gemäß einer zweiten Variante können die Erhöhung des Druckes und die Absenkung der Temperatur so eingestellt werden, dass sich die jeweiligen Zeitfunktionen überlappen, indem die Absenkung der Temperatur vor Erreichung des Enddruckes oder umgekehrt die Erhöhung des Druckes vor Erreichung der Kryokonservierungstemperatur gestartet wird. Schließlich ist es gemäß einer weiteren Variante möglich, zunächst die Temperatur im Druckbehälter bis zur Kryokonservierungstemperatur abzusenken und anschließend den Druck im Druckbehälter zu erhöhen. Welche der genannten Varianten gewählt wird, hängt von den Bedingungen der konkreten Kryokonservierungsaufgabe, insbesondere vom Aufbau der Kryokonservierungsvorrichtung und der Zusammensetzung der biologischen Probe, ab. Die optimale Variante kann empirisch durch Tests ausgewählt werden, bei denen unter den konkreten Anwendungsbedingungen die Vitalitätsrate der biologischen Probe für die verschiedenen Varianten getestet wird. In gleicher Weise ist es möglich, die Druck- und Temperatur-Zeitfunktionen, insbesondere in Bezug auf die Geschwindigkeit der Druckerhöhung und der Temperaturabsenkung und/oder die Gestalt der Funktion, wie z. B. eine Stufenform, zu wählen.Advantageously, there are different variants of the pressure and temperature setting in the pressure vessel in order to arrive in different ways in the pressure-temperature-state diagram of the biological sample to the desired Kryokonservierungsbedingungen. For example, according to a first variant, it is possible first to increase the pressure in the pressure vessel with the at least one pressure setting element and then to lower the temperature in the pressure vessel with the cooling device. The pressure increase and the temperature reduction are in each case according to predetermined, separate time functions. According to a second variant, the increase of the pressure and the lowering of the temperature can be adjusted so that the respective time functions overlap by starting the lowering of the temperature before reaching the final pressure or vice versa the increase of the pressure before reaching the Kryokonservierungstemperatur. Finally, according to a further variant, it is possible first to lower the temperature in the pressure vessel to the cryopreservation temperature and then to increase the pressure in the pressure vessel. Which of the mentioned variants is chosen depends on the conditions of the specific cryopreservation task, in particular on the structure of the cryopreservation device and the composition of the biological sample. The optimal variant can be selected empirically by tests in which the vitality rate of the biological sample for the different variants is tested under the specific conditions of use. In the same way it is possible, the pressure and temperature-time functions, in particular with respect to the speed of the pressure increase and the temperature reduction and / or the shape of the function, such. B. a step shape to choose.
Wenn das Druckeinstellelement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Expansionsbereich in Gestalt einer vom Druckbehälter abstehenden Hohlleitung umfasst, wird die Druck-Temperatur-Einstellung vereinfacht. Der Druck kann im Druckbehälter erhöht werden, indem zuerst die mindestens eine Hohlleitung in das Kühlbad der Kühlvorrichtung getaucht wird. Ein Expansionsmedium in der mindestens einen Hohlleitung dehnt sich aus, so dass der Druck im übrigen Druckbehälter ansteigt. Anschließend wird auch der übrige Druckbehälter in das Kühlbad der Kühlvorrichtung getaucht, um so für die biologische Probe im Innenraum des Druckbehälters die Kryokonservierungstemperatur einzustellen.If, according to a preferred embodiment of the invention, the pressure-setting element comprises an expansion region in the form of a hollow line projecting from the pressure vessel, the pressure Temperature setting simplified. The pressure can be increased in the pressure vessel by first immersing the at least one hollow conduit in the cooling bath of the cooling device. An expansion medium in the at least one hollow conduit expands, so that the pressure in the rest of the pressure vessel increases. Subsequently, the remaining pressure vessel is immersed in the cooling bath of the cooling device, so as to set the cryopreservation temperature for the biological sample in the interior of the pressure vessel.
Vorzugsweise ist eine dauerhafte Lagerung der biologischen Probe unter Aufrechterhaltung des erhöhten Druckes, insbesondere in flüssigem Stickstoff oder im Dampf des flüssigen Stickstoffs vorgesehen. Besonders bevorzugt erfolgt die Lagerung der Probe im Druckbehälter.Preferably, a permanent storage of the biological sample is provided while maintaining the elevated pressure, in particular in liquid nitrogen or in the vapor of the liquid nitrogen. Particularly preferably, the storage of the sample takes place in the pressure vessel.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Kryokonservierung enthält das Konservierungsmedium mindestens eine Stabilisatorsubstanz, die geeignet ist, bei der Erhöhung der Temperatur der biologischen Probe, vorzugsweise bis zu dem Übergang in den flüssigen Zustand, die glasartige Phase der unterkühlten Schmelze zu stabilisieren (erhalten). Vorteilhafterweise bewirkt die Stabilisatorsubstanz, dass die glasartige Phase bis zu höheren Temperaturen erhalten bleibt, als dies ohne die Stabilisatorsubstanz der Fall wäre. Die glasartige Phase wird beim Auftauen länger aufrecht erhalten, und die Bildung der kristallinen Phase wird vermieden. Des Weiteren ist die Glasübergangstemperatur des Konservierungsmedium durch die Stabilisatorsubstanz erhöht. Die Stabilisatorsubstanz ergibt eine verringerte Zahl von Nukleationskeimen im Konservierungsmedium, so dass die Nukleationswahrscheinlichkeit verringert und die Eisbildung beim Auftauen minimiert wird.According to a particularly preferred embodiment of the method for cryopreservation, the preservation medium contains at least one stabilizer substance which is suitable for stabilizing the glassy phase of the supercooled melt when the temperature of the biological sample is increased, preferably until it changes to the liquid state. , Advantageously, the stabilizer substance causes the glassy phase to be maintained at higher temperatures than would be the case without the stabilizer substance. The glassy phase is maintained longer on thawing, and the formation of the crystalline phase is avoided. Furthermore, the glass transition temperature of the preservation medium is increased by the stabilizer substance. The stabilizer substance results in a reduced number of nucleation nuclei in the preservation medium, thus reducing the likelihood of nucleation and minimizing ice formation on thawing.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die obigen Aufgaben gelöst, in dem der biologische Probe, z. B. einer Zellsuspension, die mindestens eine Stabilisatorsubstanz zugesetzt wird. Es wird die mindestens eine Stabilisatorsubstanz verwendet, wie sie für die herkömmliche Kryokonservierung nur bedingt oder gar nicht angewendet wurde bzw. erfindungsgemäß ihre Wirkung bei viel geringeren Konzentrationen entfaltet und diese eine andere ist, als die der bekannten Kryoprotektiva. Als Stabilisatorsubstanz werden vorzugsweise Stoffe gewählt, die bei Normaldruck nicht in die Zellen eindringen und daher normalerweise keine Anwendung in der herkömmlichen Kryokonservierung von Zellen und Geweben finden. Das Bemerkenswerte an der Verwendung der Stabilisatorsubstanz ist, dass Experimente der Erfinder zeigten, dass bei einem Zusatz von z. B. von Percoll bzw. Ficoll im Bereich von wenigen Prozent Säugerzellen, die Druckschockgefrier- und Auftauprozedur analog zu Publikation [4] mit hoher Überlebensrate (> 97%) überstanden. Dies ist umso erstaunlicher, da nicht von einem Eindringen in die Zellen auszugehen ist.According to this embodiment, the above objects are achieved, in which the biological sample, e.g. B. a cell suspension, which is added at least one stabilizer substance. The at least one stabilizer substance is used, as it has been used only conditionally or not at all for conventional cryopreservation or according to the invention develops its effect at much lower concentrations and this is different than that of the known cryoprotectants. As the stabilizer substance preferably substances are selected which do not penetrate into the cells at atmospheric pressure and therefore normally find no use in the conventional cryopreservation of cells and tissues. The remarkable thing about the use of the stabilizer substance is that experiments by the inventors showed that with an addition of z. B. Percoll or Ficoll in the range of a few percent mammalian cells, the Druckschockgefrier- and thawing procedure similar to publication [4] with high survival rate (> 97%) survived. This is all the more astonishing since it can not be assumed that the cells have penetrated the cells.
Die überraschende Wirkung der Stabilisatorsubstanz ist, dass sie erstmalig beim Auftauen der Probe den Rückweg über die Kombination hoher Druck/schnelles Tiefkühlen und Druckgesteuerte Erwärmung bei nahezu unbeeinflusster Vitalität der Zellen erlaubt. Es ist also die Kombination mindestens einer, im Konservierungsmedium gelösten Substanz, die über die Beeinflussung der Wasserstruktur und des Vorhandenseins von Nukleationskeimen die Rückkehr aus dem nitrifizierten Bereich erlaubt.The surprising effect of the stabilizer substance is that, for the first time during the thawing of the sample, it allows the return path via the combination of high pressure / rapid freezing and pressure-controlled heating with virtually unaffected vitality of the cells. Thus, it is the combination of at least one substance dissolved in the preservation medium which allows the return from the nitrified region by influencing the water structure and the presence of nucleation germs.
Die Stabilisatorsubstanz unterscheidet sich stofflich, in ihrer Wirkung und/oder in Bezug auf die bevorzugt gewählte Konzentration von den herkömmlichen Kryoprotektiva. Im Unterschied zur Stabilisatorsubstanz wird durch herkömmliche Kryoprotektiva die Zahl der Nukleationskeime gezielt erhöht, um die Bildung einer möglichst großen Anzahl von Eiskristallen beim Einfrieren zu fördern. Mit der Anzahl von Eiskristallen verringert sich aber auch deren Chance auf Größenwachstum, so dass durch herkömmliche Kryoprotektiva große Kristalle verhindert werden. Hierzu wird bei herkömmlichen Kryoprotektiva eine Verteilung und hohe Beweglichkeit im Konservierungsmedium bis in die Zellen gewünscht.The stabilizer substance differs materially, in its effect and / or in relation to the preferred concentration selected from the conventional cryoprotectants. In contrast to the stabilizer substance, the number of nucleation germs is deliberately increased by conventional cryoprotectants in order to promote the formation of the largest possible number of ice crystals during freezing. However, with the number of ice crystals, their chance of size growth also decreases, so that large crystals are prevented by conventional cryoprotectants. For this purpose, in conventional cryoprotectants a distribution and high mobility in the preservation medium is desired to the cells.
Vorzugsweise ist die Stabilisatorsubstanz aus mindestens einer der Substanzgruppen ausgewählt, die langkettige ungeladene Polymere mit einem Molekulargewicht größer als 500 g/mol, insbesondere größer als 1000 g/mol, Monosaccharide, Di- und Oligosaccharide, Polysaccharide, Stärke-Derivate, wie z. B. Stärke-Hydrolyse-Produkte, Zuckeralkohole, wasserlösliche Polymere, Kolloide (Nanopartikeldispersionen), insbesondere mit Silber-, Gold, Diamant- und/oder Nanotube-Partikeln, Dendrimere, Polykationen, und Polyanionen umfassen. Als besonders geeignet erwiesen sich langkettige Polysaccharide, insbesondere aus Saccharose und Epichlorhydrin hergestellte hydrophile Copolymerisate (Ficoll, reg. Name), und/oder Polivinylpyrrolidone, insbesondere mit Polyvinylpyrrolidon beschichtetes Kieselgel, (Percoll, reg. Name), mit einer molekularen Masse zwischen 2.000 und mehreren Mio. g/mal, Nanopartikeldispersionen, insbesondere Silber-, Gold, Diamant- und/oder Nanotube-Partikel, sind besonders vorteilhaft, da sie geeignet sind, die Wärmeleitfähigkeit des Konservierungsmediums zu verringern. Vorteilhafterweise ist die Stabilisatorsubstanz biokompatibel, so dass die Zellen in der biologischen Probe durch die Stabilisatorsübstanz nicht ungünstig beeinflusst werden.Preferably, the stabilizer substance is selected from at least one of the substance groups, the long-chain uncharged polymers having a molecular weight greater than 500 g / mol, in particular greater than 1000 g / mol, monosaccharides, di- and oligosaccharides, polysaccharides, starch derivatives, such as. Starch hydrolysis products, sugar alcohols, water-soluble polymers, colloids (nanoparticle dispersions), especially with silver, gold, diamond and / or nanotube particles, dendrimers, polycations, and polyanions. Long-chain polysaccharides, in particular hydrophilic copolymers prepared from sucrose and epichlorohydrin (Ficoll, reg. Name), and / or Polivinylpyrrolidone, in particular polyvinylpyrrolidone-coated silica gel (Percoll, reg. Name), having a molecular mass of between 2,000 and 2,000, have proven particularly suitable several million g / times, nanoparticle dispersions, in particular silver, gold, diamond and / or nanotube particles, are particularly advantageous since they are suitable for reducing the thermal conductivity of the preservation medium. Advantageously, the stabilizer substance is biocompatible, so that the cells in the biological sample are not adversely affected by the stabilizer substance.
Die Konzentration (% = vol.%) der Stabilisatorsubstanz vorzugsweise geringer als 30%, besonders bevorzugt geringer als 20%, insbesondere geringer als 10%, wie z. B. geringer als 3% oder geringer als 1% ist. Eine bevorzugte Mindestkonzentration ist 0,1%. The concentration (% = vol.%) Of the stabilizer substance is preferably less than 30%, particularly preferably less than 20%, in particular less than 10%, such. B. less than 3% or less than 1%. A preferred minimum concentration is 0.1%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stabilisatorsubstanz im Konservierungsmedium außerhalb der biologischen Zellen angeordnet. Die Zellen bleiben frei von der Stabilisatorsubstanz, was Vorteile für die Vitalität nach dem Auftauen der Probe hat.According to a further preferred embodiment of the invention, the stabilizer substance is arranged in the preservation medium outside the biological cells. The cells remain free of the stabilizer substance, which has advantages for the vitality after thawing the sample.
Ein weiterer Vorteil der Stabilisatorsubstanz kann darin bestehen, dass diese unter der Wirkung des erhöhten Druckes und der verringerten Temperatur bei der Kryokonservierung ihre Eigenschaften, insbesondere Struktur und/oder Molekulargewicht ändert. Beispielsweise können Moleküle der Stabilisatorsubstanz in Bruchstücke zerlegt werden, so dass sie in das Innere der Zellen eindiffundieren können, um dort eine zusätzliche kryoprotektive Wirkung zu erzielen.A further advantage of the stabilizer substance may be that it changes its properties, in particular structure and / or molecular weight, under the effect of the increased pressure and the reduced temperature during the cryopreservation. For example, molecules of the stabilizer substance can be broken down into fragments so that they can diffuse into the interior of the cells in order to achieve an additional cryoprotective effect there.
Es wird betont, dass bei Zusatz der Stabilisatorsubstanz zum Konservierungsmedium es nicht notwendig ist, dass im Druckbehälter ein erhöhter Druck aufrecht erhalten wird, bis die biologische Probe den Übergang von der unterkühlten Schmelze zum flüssigen Zustand erreicht. In diesem Fall kann der Druck bereits vor Erreichen des Übergangs abfallen, insbesondere bis zum Atmosphärendruck reduziert werden.It is emphasized that when the stabilizer substance is added to the preservation medium, it is not necessary to maintain an elevated pressure in the pressure vessel until the biological sample reaches the transition from the supercooled melt to the liquid state. In this case, the pressure may drop even before reaching the transition, in particular reduced to atmospheric pressure.
Gemäß einer bevorzugten Variante des o. g. dritten Gesichtspunkts der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Erwärmung einer biologischen Probe, umfassend biologische Zellen und ein Konservierungsmedium in einem vitrifizierten Zustand, die mit einer glasartigen Phase in einem Druckbehälter angeordnet ist, bereitgestellt, wobei die Temperatur des Druckbehälters und der biologischen Probe erhöht wird, bis die biologische Probe einen den flüssigen Zustand erreicht, und wobei das Konservierungsmedium die mindestens eine Stabilisatorsubstanz enthält, die geeignet ist, bei der Erhöhung der Temperatur der biologischen Probe, vorzugsweise bis zu dem Übergang in den flüssigen Zustand, den glasartigen Zustand zu stabilisieren.According to a preferred variant of the o. G. Thus, in a third aspect of the invention, there is provided a method of heating a biological sample comprising biological cells and a preservative medium in a vitrified state disposed in a glassy phase in a pressure vessel, wherein the temperature of the pressure vessel and the biological sample is increased; until the biological sample reaches a liquid state, and wherein the preservation medium contains the at least one stabilizer substance capable of stabilizing the glassy state upon elevation of the temperature of the biological sample, preferably until transition to the liquid state.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei Erreichen des Übergangs vom glasartigen Zustand der unterkühlten Schmelze hin zum flüssigen Zustand der Druck im Druckbehälter reduziert. Damit wird eine Schädigung der biologischen Probe nach Erreichen des flüssigen Zustands minimiert. Besonders bevorzugt wird der Druck im Druckbehälter instantan, d. h. insbesondere stufenförmig und mit vernachlässigbarer Verzögerung, reduziert.According to a preferred embodiment of the invention, upon reaching the transition from the glassy state of the supercooled melt to the liquid state, the pressure in the pressure vessel is reduced. This minimizes damage to the biological sample after reaching the liquid state. Particularly preferably, the pressure in the pressure vessel is instantaneous, d. H. in particular stepped and with negligible delay, reduced.
Die Druckreduzierung kann erzielt werden, indem der Druckbehälter freigegeben, z. B. geöffnet, wird, so dass ein Druckausgleich mit einem äußeren atmosphärischen Druck erreicht wird. Vorteilhafterweise ist eine Freigabe des Druckbehälters jedoch nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann die Druckreduzierung auch durch eine Kontraktion der biologischen Probe am Übergang von der unterkühlten Schmelze zum flüssigen Zustand erzeugt werden. Das Volumen der Probe kann sich entsprechend den unten unter Bezug auf die
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der erhöhte Druck oberhalb des Atmosphärendrucks mindestens 100 MPa, insbesondere mindestens 150 MPa und/oder höchstens 300 MPa, insbesondere höchstens 250 MPa. Diese Druckbereiche haben sich als besonders vorteilhaft für einen schnellen Übergang vom glasartigen Zustand zum flüssigen Zustand und umgekehrt erwiesen.According to a further preferred embodiment of the invention, the elevated pressure above the atmospheric pressure is at least 100 MPa, in particular at least 150 MPa and / or at most 300 MPa, in particular at most 250 MPa. These pressure ranges have proven to be particularly advantageous for a rapid transition from the glassy state to the liquid state and vice versa.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Die Erfindung wird im Folgenden zunächst durch eine Erläuterung von Erkenntnissen der Erfinder und anschließend durch die Angabe von Einzelheiten der Kryokonservierungsvorrichtung und der Verfahrensführung beschrieben. Es wird betont, dass die folgenden theoretischen Betrachtungen als Ansatz zur Erklärung der hervorragenden Vitalitätsraten dienen, die mit der erfindungsgemäßen Kryokonservierung erzielt wurden. Die Ausführung der Erfindung ist jedoch nicht an die Vollständigkeit und Richtigkeit der theoretischen Betrachtungen gebunden.The invention will be described in the following by an explanation of findings of the inventors and then by the details of the cryopreservation device and the process control. It is emphasized that the following theoretical considerations serve as an approach to explain the excellent vitality rates achieved with the cryopreservation of the present invention. However, the embodiment of the invention is not bound to the completeness and accuracy of the theoretical considerations.
Theoretische Betrachtungen der Phasendiagramme wässriger Systeme und der Wirkung von StabilisatorsubstanzenTheoretical considerations of the phase diagrams of aqueous systems and the effect of stabilizer substances
Die Kryokonservierung wird bisher empirisch und unter vereinfachenden Annahmen beschrieben. Der empirische Ansatz resultiert aus der Komplexität der Zusammensetzung des Zytoplasmas der biologischen Zellen. Da das Zytoplasma Hunderte von Proteinen, Nukleotide und eine Vielzahl von Kohlenhydraten, Ionen zahlreicher Elemente, nanoskalige Systeme wie Membranen, Organellen und Strukturelemente, wie das Zytoskelett, und gebundenes Wasser an Oberflächen enthält, sind Phasendiagramme des Wassers nur beschränkt nutzbar. Dennoch wird hier zu Illustrationszwecken bei der Erläuterung der Erkenntnisse der Erfinder auf Phasendiagramme des Wassers Bezug genommen, die in den
Das Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm des Wassers (
Wie das Phasendiagramm der
- 1.
Bis 200 MPa liegt sogenanntes LDL-(Low Density Liquid, unterkühlte Flüssigkeit) Wasser in seinen Aggregatszuständen vor, das all die bei Normaldruck auftretenden Anomalien aufweist. - 2. Darüber entstehen HDL-(High Density Liquid) Zustände, die möglicherweise für die Kryokonservierung günstiger wären. Es handelt sich aber um unphysiologisch hohe Drücke (in der Tiefsee werden maximal 100 MPa erreicht).
- 1. Up to 200 MPa, so-called LDL (Low Density Liquid) water is present in its aggregate states, which has all the anomalies occurring at atmospheric pressure.
- 2. This creates HDL (High Density Liquid) conditions that may be more favorable for cryopreservation. However, these are unphysiologically high pressures (in the deep sea a maximum of 100 MPa is reached).
Bei den metastabilen Zuständen findet man bei einer Temperatur von etwa 136 K = –137°C eine Grenztemperatur unterhalb der ein Glaszustand des Wassers auch bei physiologischen Drücken eingenommen werden könnte. Wasser erstarrt dann wie Glas, nämlich amorph, d. h. ohne Kristallbildung. Die Wassermoleküle bleiben dann an der Stelle, wo sie sich gerade befinden. Dies ist ein metastabiler Zustand. Ihn zu erreichen, ist der Wunschzustand, den man beim Tieffrieren biologischer Objekte anstrebt. Er wird als „Vitrifizierung” bezeichnet. Die Vitrifizierung setzt bei der raschen Fluktuation der Wassermoleküle eine sehr hohe Abkühlrate (> 106°/s) voraus, die bei der Dimension einer Zelle (> 10 μm) bereits durch die begrenzte Wärmeleitfähigkeit des Wassers nicht mehr erreichbar ist (max. einige 104°/s). Mit zunehmender Größe der einzufrierenden Objekte wird der Kühlratenabstand immer dramatischer (viele Zehnerpotenzen), so dass eine echte Vitrifizierung (Bildung einer glasartigen Phase ohne Zusätze) bisher nicht möglich ist.In the metastable states, at a temperature of about 136 K = -137 ° C, a limit temperature is found below which a glassy state of the water could be taken even at physiological pressures. Water then solidifies like glass, namely amorphous, ie without crystal formation. The water molecules then stay where they are. This is a metastable state. Achieving it is the desired state one seeks when deep-freezing biological objects. It is called "vitrification". The vitrification requires a very high cooling rate (> 10 6 ° / s) for the rapid fluctuation of the water molecules, which in the dimension of a cell (> 10 μm) is no longer achievable due to the limited thermal conductivity of the water (max 4 ° / s). As the size of the objects to be frozen increases, the cooling rate gap becomes more and more dramatic (many orders of magnitude), so that true vitrification (formation of a glassy phase without additives) has hitherto not been possible.
Die Erfinder haben festgestellt, dass aufgrund der Anomalie des Wassers im LDL-Bereich der Gefrierpunkt allerdings auch über Druckerhöhung erniedrigt werden kann. Dieser Prozess kehrt sich exakt beim Übergang von LDL zu HDL um, so dass etwa 200 MPa die bevorzugte Druckobergrenze bilden, die für eine Gefrierpunktserniedrigung noch wirksam ist. Danach steigt der Gefrierpunkt, wie in jeder anderen Flüssigkeit normalerweise, mit steigendem Druck wieder an.The inventors have found that due to the anomaly of the water in the LDL range, the freezing point, however, can also be lowered by increasing the pressure. This process reverses exactly upon the transition from LDL to HDL, so that about 200 MPa is the preferred pressure upper limit still effective for freezing point depression. Thereafter, the freezing point, as in any other liquid normally, increases again with increasing pressure.
Der Weg in die Vitrifizierung (glasartige Phase) ist bei diesem Druck der Kürzeste (vgl.
Doch es gibt noch einen weiteren Weg, die Vitrifizierung oder zumindest eine „Pseudo-Vitrifizierung” zu erreichen, in dem man Additiva zugibt, die zu sehr kleinen Eisdomänen führen. Ein wirklich physiologischer Weg ist auch das nicht, aber er wird seit langem beim Einfrieren benutzt und funktioniert auch bei Normaldruck.But there is another way to achieve vitrification or at least a "pseudo-vitrification" by adding additives that lead to very small ice domains. It's not really a physiological path either, but it's been used for a long time in freezing and works well at normal pressure.
Nun besteht prinzipiell noch die Möglichkeit, die Glasübergangstemperatur durch Additiva zu erhöhen. Durch Zugabe von Trehalose lässt sich z. B. die Glasübergangstemperatur bis nahe 0°C verschieben, was für biologische Objekte ideal wäre. Die dafür erforderlichen Konzentrationen der Trehalose liegen jedoch oberhalb jeder physiologischen Verträglichkeit für lebende Zellen. In der Gefrierpunktserniedrigung sind die Gewinne gering (
Gemäß einem praktischen Beispiel ist vorgesehen, eine biologische Probe in an sich bekannter Weise mit biologischen Zellen und einem Konservierungsmedium bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck vorzubereiten. Dem Konservierungsmedium wird mindestens eine Stabilisatorsubstanz vorzugsweise mit einer Konzentration kleiner oder gleich 5% zugesetzt oder dies erfolgt während des Abkühlvorgangs oder auch erst im tiefkalten Zustand bzw. vor dem Auftauen. Es können aber auch höhere Konzentrationen vorgesehen sein. According to a practical example, it is envisaged to prepare a biological sample in a manner known per se with biological cells and a preservation medium at room temperature and under atmospheric pressure. At least one stabilizer substance is preferably added to the preservation medium at a concentration of less than or equal to 5%, or this takes place during the cooling process or else only in the low-temperature state or before thawing. But it can also be provided higher concentrations.
Geeignete Stoffgruppen für die Stabilisatorsubstanz, insbesondere zur Verwendung mit den unten beschriebenen Ausführungsformen der Kryokonservierungsvorrichtung und der Verfahren zum Abkühlen oder zum Erwärmen biologischer Proben, sind:
Weitere Medien, mit denen unter Verwendung der unten beschriebenen Ausführungsformen der Kryokonservierungsvorrichtung und der Verfahren zum Abkühlen oder zum Erwärmen biologischer Proben hervorragende experimentelle Ergebnisse erzielt wurden, sind:
In Experimenten der Erfinder hat sich z. B. das Kryomedium nach Mazur mit einem Zusatz von Ethylenglykol und Dextran als vorteilhaft erwiesen. In experiments of the inventors z. As the cryomedium to Mazur with an addition of ethylene glycol and dextran proved advantageous.
Ausführungsformen der Kryokonservierungsvorrichtung und der Verfahren zum Abkühlen oder zum Erwärmen biologischer ProbenEmbodiments of the cryopreservation device and methods for cooling or heating biological samples
Die
Der Druckbehälter
Zur Aufnahme der Druckschrauben
Gemäß
Für die Kryokonservierung einer biologischen Probe
Zur Kryokonservierung der biologischen Proben wird die gefüllte Kryokonservierungseinrichtung
Beim Eintauchen in das Kühlbad erfolgt zuerst eine Eisbildung an der Innenseite der Behälterwand
Wenn die Kryokonservierungsvorrichtung
Zur vitalitätserhaltenden Erwärmung der biologischen Probe
Die
Die
Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen mit einer unterschiedlichen Darstellung der Zellkerne und des Golgi-Apparates (hier nicht gezeigt) haben ergeben, dass das Schrumpfen lediglich die Zytoplasmakomponenten verdichtet, nicht jedoch die Zellkerne und andere wichtige Zell-Organellen beeinflusst, was für das vitalitätserhaltende Einfrieren und Auftauen von großem Vorteil ist.Fluorescence microscopy studies with a different representation of the cell nuclei and the Golgi apparatus (not shown here) have shown that shrinking only densifies the cytoplasmic components, but does not affect the cell nuclei and other important cell organelles, resulting in vitality-preserving freezing and thawing of large cells Advantage is.
Die
Der Expansionsbereich
Der Expansionsbereich
Zur Kryokonservierung der biologischen Probe
Die Erwärmung zur Wiedergewinnung der biologischen Probe erfolgt gemäß
Der Innenbehälter
Die Außenform des Innenbehälters
Zur Erwärmung der biologischen Probe
Die Kryokonservierung der biologischen Probe
Die
Die Befüllung der Hohlkugel erfolgt durch eine verschließbare Öffnung (nicht dargestellt) in der Behälterwand oder durch eine der Hohlleitungen, die in diesem Fall mit einem Verschlusselement ausgestattet ist. Auch bei diesen Ausführungsformen gestattet die geometrische Orientierung des Druckbehälters
Die
Die örtlichen Verteilungen und Zeitfunktionen der Druckerzeugung und der Temperaturabsenkung in der Kryokonservierungsvorrichtung
Die örtlichen Verteilungen und Zeitfunktionen der Druckreduzierung und, der Temperaturerhöhung in der Kryokonservierungsvorrichtung
Gemäß
Die
Die
Die Löcher
Bei einer abgewandelten, in
Gemäß
Eine abgewandelte Variante des Druckbehälters
Die
Der kugelförmige Druckbehälter
Die erfindungsgemäße Kryokonservierung biologischer Proben, die Organe
Die
Anstelle des langgestreckten Streifens sind kompliziertere Formen des Substrats
Die
Die
In
In den
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the above description, the drawings and the claims may be of importance individually or in combination for the realization of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |