DE102013203161A1

DE102013203161A1 - Körperflüssigkeitensensor und Verfahren zur Vermessung der Eigenschaften von Körperflüssigkeiten

Info

Publication number: DE102013203161A1
Application number: DE201310203161
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bohrn; Maximilian Fleischer; Christian Guijarro Reznicek; Evamaria Stütz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-08-28
Also published as: WO2014131590A1

Abstract

Es werden ein Körperflüssigkeitensensor und ein Verfahren zur Vermessung einer Körperflüssigkeit angegeben, umfassend: – ein Gehäuse zur Aufnahme einer Zellkultur mit lebenden Zellen, – Mittel zur Zuführung der Körperflüssigkeit zu den Zellen der Zellkultur, – wenigstens einen Sensor zur Messung von physiologischen Veränderungen der Zellen durch eine Beaufschlagung mit der Körperflüssigkeit, – einen Zufluss zur Zuführung eines flüssigen Zellkulturmediums zur Aufnahmeeinheit, – einen Abfluss zur Abführung des flüssigen Zellkulturmediums von der Aufnahmeeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensor für metabolische Parameter der Zellen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Körperflüssigkeitensensor sowie ein Verfahren zur Vermessung der Eigenschaften von Körperflüssigkeiten.
Die Behandlung einer Krankheit setzt eine geeignete Diagnose der Krankheit voraus. Die Diagnose ist oft auch bei schweren Krankheiten schwer und die Entdeckung der jeweiligen Krankheit erfolgt spät. Auch bei der laufenden Behandlung ist es nachteilig, dass eine Überwachung des Zustands, beispielsweise des Blutbilds des Patienten typischerweise nicht durchgehend und nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit erfolgen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Körperflüssigkeitensensor anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messverfahren zur Untersuchung von Körperflüssigkeiten anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Körperflüssigkeitensensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung besteht in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Körperflüssigkeitensensor zur Untersuchung einer Körperflüssigkeit umfasst die folgenden Elemente:

– ein Gehäuse zur Aufnahme einer Zellkultur mit lebenden Zellen,
– Mittel zur Zuführung der Körperflüssigkeit zu den Zellen der Zellkultur,
– wenigstens einen Sensor zur Messung von physiologischen Veränderungen der Zellen durch eine Beaufschlagung mit der Körperflüssigkeit 5),
– einen Zufluss zur Zuführung eines flüssigen Zellkulturmediums zur Aufnahmeeinheit,
– einen Abfluss zur Abführung des flüssigen Zellkulturmediums von der Aufnahmeeinheit.

Der Sensor ist dabei ein Sensor für metabolische Parameter der Zellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung einer Körperflüssigkeit mittels einer Zellkultur mit lebenden Zellen werden

– die Zellen der Zellkultur zur Herstellung eines Ausgangszustands durch ein flüssiges Zellkulturmedium bedeckt,
– die Zellen in einem nachfolgenden Messschritt mit der Körperflüssigkeit beaufschlagt,
– während des Messschritts mit wenigstens einem Sensor physiologische Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung ermittelt,

Mit anderen Worten wird ein Sensor angegeben, der eine Zellkultur aus lebendigen Zellen umfasst, die in einem geeigneten Gefäß angeordnet sind. Das Gefäß ist dabei zweckmäßig so gestaltet, dass die Zellen der Zellkultur die meiste Zeit von einem flüssigen Zellkulturmedium bedeckt sind, um eine möglichst lange Lebensdauer der Zellen zu sichern. Gleichzeitig erlaubt das Gefäß den Einlass einer Körperflüssigkeit, insbesondere Vollblut, Blutserum, Blutplasma, Lymphe, Urin, Speichel und Schweiß. Die Körperflüssigkeit wird dabei den Zellen zugeführt und die Zellen sind somit mit der Körperflüssigkeit beaufschlagbar, wobei dabei das Zellkulturmedium in einer Ausgestaltung entfernbar ist, beispielsweise durch Abpumpen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Körperflüssigkeit mit dem Zellkulturmedium vermischt und dadurch den Zellen zugeführt. Nach einer Messung wird die Körperflüssigkeit bzw. das mit der Körperflüssigkeit vermischte Zellkulturmedium zweckmäßig entfernt und durch neues Zellkulturmedium ersetzt.
Die Körperflüssigkeit wirkt im Folgenden auf die Zellen der Zellkultur. Wirkt sie in einer schwachen oder starken Weise beispielsweise toxisch, so werden die Zellen darauf eine metabolische Veränderung zeigen. Der verwendete Sensor ist ein Sensor für metabolische Parameter der Zellen, d.h. es werden Stoffwechselvorgänge der Zellen beobachtet. Beispielsweise wird ein Sensor zur Messung des Sauerstoffverbrauchs der Zellen, d.h. der Atmung der Zellen verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann ein pH-Sensor zur Messung der Ansäuerung, d.h. Stoffwechselstärke der Zellen, verwendet werden.
Vorteilhaft an der Verwendung eines metabolischen Sensors ist eine deutlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber der bekannten Messung beispielsweise der elektrischen Kapazität, die Aussagen über die Form und Anordnung der Zellen erlaubt.
Als Zellen der Zellkultur kommen bevorzugt tierische, pflanzliche, Insekten- oder menschliche Zellen, insbesondere eine oder mehrere der A549, CHO, CH1, SW480, A2780, HAT-29, MCF-7, HepG2, MDA-MB-231, HCT-116 und CoCa 2 zum Einsatz. Dabei sind die Zellen bevorzugt direkt auf der Oberfläche des Sensors angeordnet. Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor eine die Zellkultur abdeckende Membran umfasst, die für Zellen undurchlässig, aber für Flüssigkeiten durchlässig ist. Diese Membran hält die Zellen der Zellkultur fest und lässt keine Zellen aus der Körperflüssigkeit an die Zellen der Zellkultur herankommen, lässt aber andererseits entsprechend dem Zweck des Sensors die Körperflüssigkeit zu den Zellen der Zellkultur vordringen.
Zweckmäßig ist es, wenn das Gehäuse und der Sensor sterilisierbar sind, d.h. in ausreichender Weise gegenüber Hitze, Druck und/oder Lösungsmitteln stabil sind. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur von wenigstens einem Teil des Körperflüssigkeitensensors vorhanden ist. Damit kann vorteilhaft der Teil des Körperflüssigkeitensensors 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.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. 1 zeigt dabei einen Querschnitt einer geschlossenen Vorrichtung zur Vermessung der Eigenschaften einer Körperflüssigkeit anhand physiologischer Veränderungen einer Zellkultur.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel für einen Körperflüssigkeitensensor 100 umfasst als Aufnahmeeinheit für Zellen ein Kulturgefäß 1 mit einer Reihe von Komponenten. Das Kulturgefäß 1 umfasst ein Substrat 12 eines Sensorchips. Auf dem Substrat 12 des Sensorchips sind mehrere planare Sensoren 2 ausgebildet, sodass in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Chipfläche von beispielsweise 1 cm² ein Sauerstoffsensor und ein pH-Sensor untergebracht und mit Betriebsschaltungen verbunden sind. Der Sensorchip wird mit einem nicht dargestellten Hebel auf den Kontakten einer ebenfalls nicht dargestellten 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.
Das Kulturgefäß 1 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.
Vor einer Beaufschlagung der Zellkultur 3 mit einer Körperflüssigkeit 11 wird über die zwei Abflüsse 9 das Zellkulturmedium 10 abgesaugt, um die Oberfläche der Zellkultur 3 von einem Flüssigkeitsüberstand zu befreien. Über einen Einlass 6 wird für einen definierten Zeitraum die zu untersuchende Körperflüssigkeit 11 in das Verteilstück 5 gepumpt bzw. mittels Druckgefälle eingeströmt.
Die zu untersuchende Körperflüssigkeit 11 tritt durch den Einlass 6 in das Kulturgefäß 1 ein. Dem Einlass 6 gegenüber liegt ein Auslass 7. Durch diesen tritt die Körperflüssigkeit 11 wieder aus. Die Körperflüssigkeit 11 läuft in das Kulturgefäß 1 und überschichtet die Zellkultur 3. Die Zellkultur 3 reagiert – je nach Körperflüssigkeit 11 – mit physiologischen Veränderungen auf den direkten Kontakt. Diese physiologischen Veränderungen werden durch die Sensoren 2 detektiert und über eine Betriebsschaltung an eine Auswerteeinheit weitergeleitet.
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
– die zu untersuchende Körperflüssigkeit 11 wird über zumindest einen Einlass 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 metabolischer 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.

In der Folge kann die Messung wiederholt werden, beispielsweise als regelmäßiger Messzyklus. Dabei findet dann ein regelmäßiger Austausch von Zellkulturmedium 10 und dem Körperflüssigkeit 11 statt. Die Dauer eines Messzyklus kann dabei in weiten Bereichen variiert werden, beispielsweise können die Zellen zwischen 10 Sekunden und 1 Stunde oder mehr mit der Körperflüssigkeit 11 beaufschlagt werden.
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.

Claims

Körperflüssigkeitensensor (100) zur Untersuchung einer Körperflüssigkeit (11), umfassend: – eine Aufnahmeeinheit (1) zur Aufnahme einer Zellkultur (3) mit lebenden Zellen, – Mittel (7) zur Zuführung der Körperflüssigkeit (11) zu den Zellen der Zellkultur (3), – wenigstens einen Sensor (2) für metabolische Zell-Eigenschaften zur Messung von physiologischen Veränderungen der Zellen durch eine Beaufschlagung mit der Körperflüssigkeit (11), – einen Zufluss (8) zur Zuführung eines flüssigen Zellkulturmediums (10) zur Aufnahmeeinheit (1), – einen Abfluss (9) zur Abführung des flüssigen Zellkulturmediums (10) von der Aufnahmeeinheit (1).
Körperflüssigkeitensensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem der Sensor (2) ein Sensor zur Messung des Sauerstoffverbrauchs der Zellen ist.
Körperflüssigkeitensensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensor (2) ein pH-Sensor zur Messung der Stoffwechselstärke der Zellen ist.
Körperflüssigkeitensensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zellen tierische, pflanzliche, Insekten- oder menschliche Zellen, insbesondere A549, CHO, CH1, SW480, A2780, HAT-29, MCF-7, HepG2, MDA-MB-231, HCT-116 und CoCa 2, umfassen.
Körperflüssigkeitensensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zellen direkt auf der Oberfläche des Sensors (2) angeordnet werden.
Körperflüssigkeitensensor (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine die Zellkultur (3) abdeckende Membran, die für Zellen undurchlässig und für Flüssigkeiten durchlässig ist.
Verfahren zur Vermessung einer Körperflüssigkeit (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 der Körperflüssigkeit (11) beaufschlagt werden, – während des Messschritts mit wenigstens einem Sensor (2) für metabolische Eigenschaften der Zellen physiologische Veränderungen der Zellen durch die Beaufschlagung ermittelt werden.