DE102018126486B4 - Viewing unit for cell analysis - Google Patents

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Abstract

Betrachtungseinheit zur Analyse von Zellen an einer Probenoberfläche (25), mit folgenden Merkmalen:
ein erstes Gehäuseteil (110) mit einem oder mehreren Fenstern (115);
ein zweites Gehäuseteil (120);
eine Probenhalterung (125) zum Aufnehmen einer Probe (20) mit der Probenoberfläche (25); und
ein Zwischenteil (130) zum Bereitstellen eines Hohlraumes (135) für die Zellanalyse, wenn das Zwischenteil (130) zusammen mit der Probenhalterung zwischen dem ersten Gehäuseteile (110) und den zweiten Gehäuseteile (120) angeordnet ist,
wobei die Probenhalterung und das Fenster (115) derart angeordnet sind, dass eine Wechselwirkung zwischen einer in dem Hohlraum (135) eingebrachten Zellkultur mit der Probenoberfläche (25) über das Fenster (115) beobachtbar ist.

Figure DE102018126486B4_0000
Observation unit for analyzing cells on a sample surface (25), with the following features:
a first housing part (110) having one or more windows (115);
a second housing part (120);
a sample holder (125) for receiving a sample (20) with the sample surface (25); and
an intermediate part (130) for providing a cavity (135) for cell analysis when the intermediate part (130) is arranged together with the sample holder between the first housing parts (110) and the second housing parts (120),
wherein the sample holder and the window (115) are arranged in such a way that an interaction between a cell culture introduced into the cavity (135) and the sample surface (25) can be observed via the window (115).
Figure DE102018126486B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betrachtungseinheit zur Analyse von Zellen und auf ein Verfahren zur Beobachtung von Zellen an einer Probenoberfläche und insbesondere auf eine biologische Betrachtungseinheit für Zellanalysen an Oberflächen unter physiologischen Bedingungen.The present invention relates to an observation unit for analyzing cells and to a method for observing cells on a sample surface, and in particular to a biological observation unit for analyzing cells on surfaces under physiological conditions.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Bei der Entwicklung von Implantaten stellt sich regelmäßig die Frage, wie das Implantatmaterial bzw. die Implantatoberfläche mit dem biologischen System, insbesondere humane Zellen, wechselwirkt. Dazu werden (in vitro) Zellkulturen von tierischen und humanen Zellen eingesetzt, um erste Einsichten in die Wirkung von Materialeigenschaften auf ein reales biologisches System (vorzugsweise menschlich) zu erhalten. Dazu werden Zellkulturen von humanen Zellen häufig in Studien eingesetzt, um Ergebnisse an realem menschlichem Gewebe zu erlangen. Hierbei wird untersucht, wie die Materialien oder die Oberfläche von Materialien auf biologische Komponenten (z. B. auf das Zellverhalten, auf das Gewebe aber auch auf von Zellen produzierten Komponenten wie beispielsweise extra zelluläre Matrix) wirken. Diese Zellkulturuntersuchungen sind zumeist auf 2D-Untersuchungen ausgelegt und lassen eine zeitlich uneingeschränkte Betrachtung, welche die Analyse von Phänomen wie beispielsweise der Zellmigration oder 3D-Interaktion verschiedener Zellkulturen ermöglicht, bei intransparenten Proben nicht zu. Sie können den komplexen physiologischen Zustand nicht abbilden.When developing implants, the question of how the implant material or the implant surface interacts with the biological system, in particular human cells, regularly arises. For this purpose (in vitro) cell cultures of animal and human cells are used to gain initial insights into the effect of material properties on a real biological system (preferably human). For this purpose, cell cultures of human cells are often used in studies to obtain results on real human tissue. Here, it is examined how the materials or the surface of materials affect biological components (e.g. cell behavior, tissue, but also components produced by cells such as the extracellular matrix). These cell culture investigations are mostly designed for 2D investigations and do not allow a time-restricted viewing, which enables the analysis of phenomena such as cell migration or 3D interaction of different cell cultures, with non-transparent samples. They cannot depict the complex physiological state.

Solche Zellkulturuntersuchungen liefern zwar erste Ergebnisse, können jedoch durch fehlende Komplexität das Verhaltens, wie es im Tierversuch abgeprüft wird, nicht abbilden. Daher werden Zellkulturexperimente häufig nur zu einer ersten Prüfung (bspw. auf Toxizität) von Materialeigenschaften vor dem Tierversuch und vor der klinischen Phase eingesetzt. Problematisch für eine Übertragung der im Tierversuch gewonnen Ergebnisse ist jedoch der physiologische Unterschied zwischen Versuchstier und Mensch. Neben ethischen Grundsatzfragen sind Tierversuche zudem erheblich teurer als in vitro Untersuchungen und lassen eine zeitlich fein aufgelöste Studie nicht zu. Durch die große Anzahl von Fehlversuchen (u. a. im Tierexperiment) sind die derzeitigen Entwicklungskosten neuer Implantate sehr hoch.Although such cell culture studies provide initial results, they cannot reflect the behavior as tested in animal experiments due to the lack of complexity. Therefore, cell culture experiments are often only used for an initial test (e.g. for toxicity) of material properties before animal testing and before the clinical phase. However, the physiological difference between laboratory animals and humans is problematic for transferring the results obtained in animal experiments. In addition to fundamental ethical questions, animal experiments are also considerably more expensive than in vitro studies and do not allow for a finely timed study. Due to the large number of failed attempts (e.g. in animal experiments), the current development costs for new implants are very high.

Für die Analysen der Wirkungsweise eines Implantats sind insbesondere die ersten Stunden und Tage des Anwachsens am Wichtigsten und sollten daher genau überwacht werden, um ein Verständnis für die Prozesse beim Anwachsen zu entwickeln. Dies ist mittels Tierversuche bisher nicht möglich, da dort die Zugänglichkeit für eine Beobachtung fehlt.The first few hours and days of ingrowth are the most important for analyzing how an implant works and should therefore be closely monitored in order to develop an understanding of the ingrowth processes. So far, this has not been possible using animal experiments, as there is no accessibility for observation.

Daher besteht ein Bedarf nach Betrachtungseinheiten und Verfahren zum Beobachten von Zellkulturen, die die oben genannten Probleme überwinden und insbesondere eine Überwachung eines Anwachsverhaltens der Zellkulturen an Probenoberflächen erlauben.There is therefore a need for viewing units and methods for observing cell cultures that overcome the above-mentioned problems and, in particular, allow the growth behavior of the cell cultures on sample surfaces to be monitored.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Betrachtungseinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.At least part of the above problems are solved by a viewing unit according to claim 1 and a method according to claim 6. The dependent claims relate to advantageous developments of the subject matter of the independent claims.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Betrachtungseinheit zur Beobachtung und Analyse von Zellen oder Zellkulturen an einer Probenoberfläche. Die Zellen können dazu in einer Matrix eingebettet sein, die sich an der Probenoberfläche befindet. Die Betrachtungseinheit umfasst: ein erstes Gehäuseteil mit einem Fenster, ein zweites Gehäuseteil, eine Probenhalterung zum Aufnehmen einer Probe mit der Probenoberfläche, und ein Zwischenteil zum Bereitstellen eines Hohlraumes für die Zellanalyse, wenn das Zwischenteil zusammen mit der Probenhalterung zwischen dem ersten Gehäuseteile und den zweiten Gehäuseteile angeordnet ist. Die Probenoberfläche und das Fenster sind derart angeordnet, dass eine Wechselwirkung zwischen einer in dem Hohlraum eingebrachten Zellkultur mit der Probenoberfläche über das Fenster beobachtbar ist.Embodiments relate to a viewing unit for observing and analyzing cells or cell cultures on a sample surface. For this purpose, the cells can be embedded in a matrix that is located on the sample surface. The scope comprises: a first housing part with a window, a second housing part, a sample holder for receiving a sample with the sample surface, and an intermediate part for providing a cavity for cell analysis when the intermediate part together with the sample holder between the first housing parts and the second Housing parts is arranged. The sample surface and the window are arranged in such a way that an interaction between a cell culture introduced into the cavity and the sample surface can be observed via the window.

Ausführungsbeispiele können insbesondere nicht-transparent Proben nutzen, da die Beobachtung von der gegenüberliegenden Seite erfolgen kann (kann aber auch von der Seite erfolgen). Die Betrachtungseinheit ist nicht auf bestimmte Analysen an Zellen oder Zellkulturen eingeschränkt, sondern erlaubt das Erfassen von allen Änderungen, die in dem Hohlraum geschehen. Dies umfasst nicht nur Analysen der Zellen, sondern auch Beobachtungen zu deren Verhalten (z. B. Segregation von Substanzen, Veränderung der Umgebung durch die Zellen beispielsweise Umbau einer Matrix, in der sich die Zellen befinden). Außerdem wird auch eine Beobachtung und Analyse in der Tiefe der Matrix ermöglicht. Es werden somit auch Zell- oder Matrixveränderungen in Gebieten erfasst, die nicht in direktem Kontakt zur Probenoberfläche stehen.In particular, exemplary embodiments can use non-transparent samples, since the observation can take place from the opposite side (but can also take place from the side). The viewing unit is not limited to specific analyzes on cells or cell cultures, but allows all changes occurring in the cavity to be recorded. This includes not only analyzes of the cells, but also observations of their behavior (e.g. segregation of substances, changes in the environment caused by the cells, for example conversion of a matrix in which the cells are located). In addition, observation and analysis in the depth of the matrix is also made possible. Cell or matrix changes in areas that are not in direct contact with the sample surface are thus also recorded.

Optional ist die Probenhalterung Teil des ersten Gehäuseteils oder des zweiten Gehäuseteils und ist ausgebildet, um verschiedene Proben auswechselbar aufzunehmen oder zu halten.Optionally, the sample holder is part of the first housing part or the second housing part and is designed to interchangeably accommodate or hold different samples.

Optional stellt das erste Gehäuseteil und/oder das zweite Gehäuseteil zumindest einen Verbindungskanal bereit, um ein Medium, insbesondere eine Nährstofflösung, von außen in den Hohlraum einzuführen und/oder ein weiteres Medium abzuführen. Es können beispielswiese 2, 3, 4, ... Verbindungskanäle für verschiedenen Zwecke/Untersuchungen vorgesehen sein. So kann ein Verbindungskanal für die Zufuhr von biologischem Material (z. B. Zellen) oder einer biologischen Komponente genutzt werden, ein anderer Verbindungskanal kann für die Zuleitung eines Analysestoffes genutzt werden und ein Weiterer als Ableitungskanal genutzt werden. Die Verbindungkanäle können alle an oder in einem Gehäuseteil ausgebildet sein oder auf verschiedene Gehäuseteile verteilt werden. Optionally, the first housing part and/or the second housing part provides at least one connection channel in order to introduce a medium, in particular a nutrient solution, into the cavity from the outside and/or to remove another medium. For example, 2, 3, 4, ... connection channels can be provided for different purposes/examinations. A connection channel can be used for the supply of biological material (e.g. cells) or a biological component, another connection channel can be used for the supply of an analysis substance and another can be used as a discharge channel. The connection channels can all be formed on or in one housing part or be distributed over different housing parts.

Optional weist der Hohlraum in dem Zwischenteil eine Höhe (in Richtung senkrecht zum Fenster) in einem Bereich von 100 µm bis 700 µm (oder zwischen 150 µm bis 400 µm oder ca. 200 µm oder noch mehr, z. B. bis zu 3 mm oder 10 mm) auf und ist ausgebildet, um zweidimensionale (2-D) oder dreidimensionale (3-D) Zellanalysen zu ermöglichen.Optionally, the cavity in the intermediate part has a height (in the direction perpendicular to the window) in a range from 100 µm to 700 µm (or between 150 µm to 400 µm or about 200 µm or even more, e.g. up to 3 mm or 10 mm) and is designed to enable two-dimensional (2-D) or three-dimensional (3-D) cell analysis.

Optional umfasst die Betrachtungseinheit zumindest ein Dichtelement auf zumindest einer Seite des Zwischenteils, um den Hohlraum abzudichten.Optionally, the viewing unit comprises at least one sealing element on at least one side of the intermediate part to seal the cavity.

Optional umfasst die Betrachtungseinheit weiter zumindest eine Halterung für zumindest einen Sensor oder Aktuator, um weitere Untersuchungen an den Zellen oder der Zellkultur zu ermöglichen. Die weiteren Untersuchungen können beispielsweise den pH-Wert bestimmen oder ändern oder einen Strom oder ein Magnetfeld erzeugen oder mechanische Anregung ausführen und die Reaktion der Zellen oder Zellmatrix darauf erfassen.Optionally, the viewing unit also includes at least one holder for at least one sensor or actuator, in order to enable further examinations of the cells or the cell culture. The further examinations can, for example, determine or change the pH value or generate a current or a magnetic field or carry out mechanical stimulation and record the reaction of the cells or cell matrix to it.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Betrachtungssystem mit zumindest zwei Betrachtungseinheiten, wie sie zuvor beschrieben wurden. Die zumindest zwei Betrachtungseinheiten können nebeneinander angeordnet sein oder miteinander verschaltetet sein (z.B. parallel oder seriell). Das Betrachtungssystem ist daher ausgebildet, um verschiedene Proben oder verschiedene Zellen oder verschiedene Zellkulturen aufzunehmen. Die einzelnen Betrachtungseinheiten können auch identische Kammern mit identischen Proben aufweisen, um parallel unter gleichen Bedingungen verschiedene Zellkulturen zu untersuchen. Das Betrachtungssystem kann auch integral in einem Gesamtgehäuse integriert sein, wobei das erste und zweite Gehäuseteil Teile des Gesamtgehäuses sein können.Embodiments also relate to a viewing system with at least two viewing units as previously described. The at least two consideration units can be arranged next to one another or connected to one another (e.g. in parallel or in series). The viewing system is therefore designed to record different samples or different cells or different cell cultures. The individual observation units can also have identical chambers with identical samples in order to examine different cell cultures in parallel under the same conditions. The viewing system can also be integrally integrated into an overall housing, with the first and second housing parts being able to be parts of the overall housing.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Analyse und Beobachtung von Zellen an einer Probenoberfläche. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Bereitstellen einer Probe in einer Betrachtungseinheit, wie sie zuvor definiert wurde;
  • - Einbringen einer Zellkultur in den Hohlraum der Betrachtungseinheit (z. B. in einem geeigneten Medium oder einer 3D-Matrix); und
  • - Beobachten eines Zellwachstums oder einer Wechselwirkung zwischen der Zellkultur und der Probenoberfläche. (Wechselwirkung mit der Matrix, in der die Zellen eingebunden sind und die ebenfalls mit der Oberfläche interagiert);
Embodiments also relate to a method for analyzing and observing cells on a sample surface. The procedure includes the steps:
  • - providing a sample in a viewing unit as previously defined;
  • - introducing a cell culture into the cavity of the viewing unit (e.g. in a suitable medium or a 3D matrix); and
  • - Observing cell growth or interaction between the cell culture and the sample surface. (Interaction with the matrix in which the cells are embedded and which also interacts with the surface);

Optional umfasst das Einbringen der Zellkultur zumindest einen der folgenden Schritte:

  • - zumindest teilweises Zuführen von Zellen über zumindest einen Verbindungskanal der Betrachtungseinheit;
  • - Aufbringen der Zellkultur (z. B. Monokultur oder Kokultursysteme) auf die Probenoberfläche und Einbringen der Zellkultur zusammen mit der Probe in die Betrachtungseinheit;
  • - Einbringen einer Suspension oder einer biologischen Probe oder 3-D Zellkulturmatrix (z. B. Kollagenmatrix), die die zu analysierenden Zellen aufweist.
Optionally, introducing the cell culture includes at least one of the following steps:
  • - at least partially supplying cells via at least one connection channel to the viewing unit;
  • - Applying the cell culture (e.g. monoculture or co-culture systems) to the sample surface and introducing the cell culture together with the sample into the observation unit;
  • - Introduction of a suspension or a biological sample or 3-D cell culture matrix (e.g. collagen matrix) containing the cells to be analyzed.

Optional umfasst das Beobachten zumindest einen der folgenden Schritte:

  • - Zeitliches Verfolgen des Zellwachstums oder des Anwachsens der Zellen an der Probenoberfläche (z. B. zeitliches Verfolgen des Zellverhaltens wie Formänderungen, Änderungen des Phänotyps, Wachstum, Migrationen, Zellmorphologie, Differenzierungen usw. in Gegenwart der Probe);
  • - Zuführen von Nährstoffen, biologisch wirksamen Komponenten, Arzneimittel oder die Zellen beeinflussende Substanzen bzw. Komponenten über den zumindest einen Verbindungskanal;
  • - Ermitteln einer Sterberate oder einer Teilungsrate oder einer Differenzierungsrate für die Zellen in der Zellkultur;
  • - Wiederholen von Beobachtungen und Analysen für verschiedene Proben oder Probenoberflächen;
  • - eine pH-Wertanalyse;
  • - Untersuchung eines Zellverhaltens oder Zellmatrixverhaltens gegenüber Strom, Magnetfeld, mechanische Belastung etc.
Optionally, the monitoring includes at least one of the following steps:
  • - Time tracking of cell growth or cell growth at the sample surface (e.g. time tracking of cell behavior such as shape changes, phenotype changes, growth, migrations, cell morphology, differentiations, etc. in the presence of the sample);
  • - Supplying nutrients, biologically active components, drugs or substances or components influencing the cells via the at least one connecting channel;
  • - determining a death rate or a division rate or a differentiation rate for the cells in the cell culture;
  • - repeating observations and analyzes for different samples or sample surfaces;
  • - a pH analysis;
  • - Investigation of cell behavior or cell matrix behavior in relation to current, magnetic field, mechanical stress, etc.

Das Beobachten/Analysieren soll sich auch auf biologische Komponenten beziehen. Beispielsweise soll das Zellverhalten und Zellwachstum sowie die Wechselwirkung zwischen den biologischen Komponenten (z.B. Zellen, Metabolite, sekretierte Komponenten, extrazellulärer Matrix, u.a.) und der Probe, insbesondere der Probenoberfläche, untersucht werden.Observing/analyzing should also refer to biological components. For example, cell behavior and cell growth as well as the interaction between the biological components (eg cells, metabolites, secreted components, extracellular matrix, etc.) and the sample, in particular the sample surface, are examined.

Ausführungsbeispiele lösen zumindest einen Teil der eingangs erwähnten Probleme durch eine Kammer (Hohlraum) mit einer Probenoberfläche und mit notwendigen Anschlüsse, Dichtungen sowie der Möglichkeit der exakten Positionierung, sodass Zellanalysen unter physiologischen Bedingungen - vergleichbar zu Tierversuchen im Labormaßstab - durchführbar sind.Exemplary embodiments solve at least some of the problems mentioned at the beginning by using a chamber (cavity) with a sample surface and the necessary connections, seals and the possibility of exact positioning, so that cell analyzes can be carried out under physiological conditions - comparable to animal experiments on a laboratory scale.

Ausführungsbeispiele erlauben insbesondere Analysen hinsichtlich des Einflusses von Oberflächen auf biologische Systeme wie beispielsweise Zellen, extrazelluläre Matrix, Proteine etc., da ein direkter Kontakt einer Proteinoberfläche unter physiologischen Bedingungen möglich ist. Durch eine Betrachtung von verschiedenen Oberflächen und deren Einfluss auf komplexe, zeitabhängige biologische Prozesse können relevante Oberflächenmerkmale bestimmt werden. Zu den Oberflächenmerkmalen gehören beispielsweise die Topographie, Physikochemie, Steifigkeit und anderes mehr.In particular, exemplary embodiments allow analyzes with regard to the influence of surfaces on biological systems such as cells, extracellular matrix, proteins, etc., since direct contact with a protein surface is possible under physiological conditions. By examining different surfaces and their influence on complex, time-dependent biological processes, relevant surface characteristics can be determined. Surface characteristics include, for example, topography, physical chemistry, stiffness and more.

Ein besonderer Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Betrachtungseinheit das Ermitteln von Daten über die Wirkung von Oberflächen ermöglicht, die sonst nur in aufwändigen Tierexperimenten oder während klinischer Studien ermittelt werden konnten. Durch die direkte Verwertbarkeit der Resultate hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen den Zellen und der Oberfläche, die fortlaufend über einen längeren Zeitraum ermittelt werden können, besteht außerdem die Möglichkeit, die Implantattechnik sowie die gezielte Funktionalisierung erheblich zu erweitern oder zu optimieren. Außerdem ist es gemäß Ausführungsbeispielen möglich, die Kammer für 2-D als auch für 3-D Zellkulturen und Kokulturen zu nutzen.A particular advantage of exemplary embodiments is that the observation unit enables the determination of data on the effect of surfaces that could otherwise only be determined in complex animal experiments or during clinical studies. Due to the direct usability of the results regarding the interaction between the cells and the surface, which can be determined continuously over a longer period of time, there is also the possibility of significantly expanding or optimizing the implant technology and the targeted functionalization. In addition, according to exemplary embodiments, it is possible to use the chamber for 2-D as well as for 3-D cell cultures and co-cultures.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erreichen diese Vorteile durch den Hohlraum (Kammer oder Kavität), der einen Zufluss (Verbindungskanal) für ein Medium aufweist. Der vorhandene Zufluss kann auch dazu genutzt werden, um die biologischen Systeme in der Kammer mit Nährstoffen, Wirkstoffen oder Analysesubstanzen zu versorgen/zuzuführen. Auf diese Weise können für das zu betrachtende biologische System physiologische Bedingungen geschaffen werden.Embodiments of the present invention achieve these advantages through the hollow space (chamber or cavity), which has an inflow (connecting channel) for a medium. The existing inflow can also be used to supply/supply the biological systems in the chamber with nutrients, active ingredients or analysis substances. In this way, physiological conditions can be created for the biological system to be considered.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

  • 1 zeigt eine Betrachtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and accompanying drawings of the various embodiments, which, however, should not be taken to limit the disclosure to the specific embodiments used for explanation and understanding only.
  • 1 12 shows a viewing unit according to an embodiment of the present invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Betrachtungseinheit für Zellanalysen an einer Oberfläche 25 einer Probe 20. Die Betrachtungseinheit umfasst ein erstes Gehäuseteil 110, ein zweites Gehäuseteil 120, eine Probenhalterung 125 ein Zwischenteil 130 und ein optionales Dichtelement 140. Die Probe 20 mit der Probenoberfläche 25 wird durch die Probenhalterung 125 beispielhaft zwischen dem ersten Gehäuseteil 110 und dem Zwischenteil 130 gehalten. Die Probe 20 selbst braucht nicht Teil der Betrachtungseinheit zu sein, sondern ist durch die Probenhalterung nur entsprechend platzierbar. Beispielsweise kann die Probenhalterung 125 - wie in der 1 dargestellt - ein integraler Bestandteil des zweiten Gehäuseteils 120 sein (muss es aber nicht). Sie kann auch Bestandteil des ersten Gehäuseteils 110 sein, wobei das zweite Gehäuseteil 120 dann nur einen Deckel als Abschluss oder Dichtung bildet. 1 shows an embodiment of the observation unit for cell analyzes on a surface 25 of a sample 20. The observation unit comprises a first housing part 110, a second housing part 120, a sample holder 125, an intermediate part 130 and an optional sealing element 140. The sample 20 with the sample surface 25 is through the sample holder 125 is held between the first housing part 110 and the intermediate part 130, for example. The sample 20 itself does not need to be part of the observation unit, but can only be placed appropriately using the sample holder. For example, the sample holder 125 - as in the 1 shown - be an integral part of the second housing part 120 (but it does not have to be). It can also be part of the first housing part 110, in which case the second housing part 120 then only forms a cover as a closure or seal.

Das erste Gehäuseteil 110 umfasst ein oder mehrere Fenster 115, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als eine transparente Scheibe ausgebildet ist und in eine Öffnung des ersten Gehäuseteils 110 einsetzbar ist. Auf der transparenten Scheibe 115 wird das Zwischenteil 130 aufgesetzt, wobei das Zwischenteil 130 einen Hohlraum 135 durch eine längliche Öffnung definiert. Auf das Zwischenteil 130 ist ein ringförmiges Dichtelement 140 angeordnet, welches mittig die Probe 20 aufnimmt bzw. diese umschließt. Die Probenoberfläche 25 ist auf der Seite der Probe 20 angeordnet, die dem Fenster 115 zugewandt ist, um z. B. ein Anwachsen der Zellkultur auf der Probenoberfläche 25 zusammen mit dem Wachstum der Zellkultur beobachten zu können.The first housing part 110 comprises one or more windows 115, which in the exemplary embodiment shown is designed as a transparent pane and can be inserted into an opening in the first housing part 110. The intermediate part 130 is placed on the transparent pane 115, the intermediate part 130 defining a cavity 135 through an elongated opening. An annular sealing element 140 is arranged on the intermediate part 130 and accommodates the sample 20 in the center or encloses it. The sample surface 25 is arranged on the side of the sample 20 facing the window 115, e.g. B. to be able to observe an increase in the cell culture on the sample surface 25 together with the growth of the cell culture.

Abschließend wird das zweite Gehäuseteil 120 aufgebracht. Das zweite Gehäuseteil 120 kann beispielsweise mit dem ersten Gehäuseteile 110 fest verschlossen werden, wozu beispielsweise Schraubverbindungen o. ä. vorgesehen sein können. Ein oder mehr optional vorhandene Stifte können ein Verdrehen des ersten Gehäuseteils 110 relativ zu dem zweiten Gehäuseteile 120 verhindern. Das zweite Gehäuseteil 120 umfasst beispielhaft eine Haltestruktur für die Probe 20, sodass mehrere oder verschiedene Proben innerhalb des zweiten Gehäuseteils 120 nacheinander platzierbar sind. Außerdem umfasst beispielhaft das zweite Gehäuseteile 120 beispielhaft einen ersten und einen zweiten Verbindungskanal 121,122, über den beispielsweise ein Medium in den Hohlraum 135 nach dem Zusammensetzen der Betrachtungseinheit eingeführt bzw. herausgeleitet werden kann. Es können auch mehr als zwei Verbindungskanäle vorhanden sein. Ebenso können zumindest einige der Verbindungskanäle als Teil des ersten Gehäuseteils 110 ausgebildet sein. Das Medium kann beispielsweise eine Nährlösung, Arzneimittel, die Zellkultur selbst oder Teile davon oder andere Substanzen umfassen.Finally, the second housing part 120 is applied. The second housing part 120 can, for example, be firmly closed with the first housing part 110, for which purpose screw connections or the like can be provided, for example. One or more optional pins may prevent twisting of the first housing part 110 relative to the second housing part 120 . The second housing part 120 includes, for example, a holding structure for the sample 20 so that several or different samples can be placed one after the other within the second housing part 120 . In addition, the second housing parts 120 by way of example, a first and a second connection channel 121, 122, via which, for example, a medium can be introduced into or led out of the cavity 135 after the viewing unit has been assembled. There can also be more than two connecting channels. Likewise, at least some of the connection channels can be formed as part of the first housing part 110 . The medium can, for example, comprise a nutrient solution, pharmaceuticals, the cell culture itself or parts thereof, or other substances.

Die Probe 20 ist dabei beispielsweise aus einem Implantatmaterial und kann verschiedene Oberflächenstrukturen aufweisen, die das Zellwachstum oder Anwachsen der Zellkulturen erleichtern. Die Zellkulturen können beispielhaft vor dem Zusammensetzen der Betrachtungseinheit auf die Probenoberfläche aufgebracht werden. Optional ist es ebenfalls möglich, dass die Probe 20 mehrere Probenabschnitte aus verschiedenen Materialien oder mit verschiedenen Oberflächenstrukturen aufweist, um parallel an verschiedenartigen Proben Untersuchungen anzustellen.The sample 20 is made from an implant material, for example, and can have different surface structures that facilitate cell growth or the growth of cell cultures. The cell cultures can, for example, be applied to the sample surface before the observation unit is assembled. Optionally, it is also possible for the sample 20 to have several sample sections made of different materials or with different surface structures in order to carry out tests on different types of samples in parallel.

Der Hohlraum 135 in dem Zwischenteil 130 ist beispielhaft derart ausgebildet, dass die Probenoberfläche 25 eine vollständige Begrenzung oberhalb bzw. auf einer Seite des Hohlraumes 135 bildet. Der Hohlraum 135 kann sich seitlich in Form von zwei länglich gestalteten Hohlraumerweiterungen 136, 137 über die Probenoberfläche 25 hinaus erstrecken, um darüber Kontakt mit dem ersten und/oder dem zweiter Verbindungskanal 121,122 herzustellen. Das Dichtelement 140 kann dazu beispielhaft zwei Durchgangsöffnungen 141, 142 aufweisen, durch die die Verbindungskanäle 121,122 hindurchgeführt werden, um nach dem Zusammensetzen der Betrachtungseinheit einen fluiden Kontakt zu dem Hohlraum 135 herzustellen.The cavity 135 in the intermediate part 130 is formed, for example, in such a way that the sample surface 25 forms a complete boundary above or on one side of the cavity 135 . The cavity 135 can extend laterally in the form of two elongate cavity extensions 136, 137 beyond the sample surface 25 in order to make contact with the first and/or the second connecting channel 121, 122. For this purpose, the sealing element 140 can, for example, have two through-openings 141, 142, through which the connecting channels 121, 122 are passed, in order to establish fluid contact with the cavity 135 after the viewing unit has been assembled.

Die gezeigte Betrachtungseinheit ist insbesondere zur Beobachtung und Analyse von Zellkulturen und deren Wechselwirkung mit der Probenoberfläche 25 während des Zellwachstums geeignet. Das Fenster 115 an der beispielhaften Unterseite der Betrachtungseinheit erlaubt eine fortlaufende Beobachtung das Wachstum der Zellkulturen. Der zumindest eine Verbindungskanal 121, 122 ermöglicht die Zufuhr/Abfuhr einer Nährstofflösung, von Arzneimittel oder anderer Substanzen. Damit kann/können beispielsweise der pH-Wert oder eine Sättigung geändert werden oder auch Entzündungsreaktionen ausgelöst werden bzw. entsprechend abgebildet/simuliert werden. Der Durchmesser der Verbindungskanäle 121,122 ist dabei insbesondere so gewählt, dass keine Spannungen in dem zugeführten Medium - insbesondere, wenn (weitere) Zellkulturen zugeführt werden sollen. Solche Spannungen können ansonsten einen negativen Einfluss auf das resultierende Ergebnis haben.The viewing unit shown is particularly suitable for observing and analyzing cell cultures and their interaction with the sample surface 25 during cell growth. The window 115 on the exemplary underside of the viewing unit allows continuous monitoring of the growth of the cell cultures. The at least one connection channel 121, 122 enables the supply/removal of a nutrient solution, medicinal product or other substances. In this way, for example, the pH value or saturation can be changed or inflammatory reactions can be triggered or correspondingly mapped/simulated. The diameter of the connecting channels 121, 122 is selected in particular so that no stresses in the medium supplied - especially if (further) cell cultures are to be supplied. Such stresses can otherwise have a negative impact on the resulting result.

Ein mögliches Schema für die Zellanalysen, um eine Eignung einer Oberfläche einschätzen zu können, kann beispielsweise hinsichtlich der folgenden Parameter ausgeführt:

  1. a) wie oft teilen sich die Zellen (Ermittlung der Zellteilungsrate);
  2. b) wie oft sterben die Zellen (Ermittlung der Sterberate);
  3. c) wie gut differenzieren sich die Zellen (Ermittlung der Differenzierungsrate);
  4. d) wie ist das Migrationsverhalten von Zellen.
A possible scheme for the cell analyzes to be able to assess the suitability of a surface can be carried out with regard to the following parameters, for example:
  1. a) how often do the cells divide (determination of cell division rate);
  2. b) how often the cells die (determination of the death rate);
  3. c) how well the cells differentiate (determination of the differentiation rate);
  4. d) how is the migration behavior of cells.

Vor oder während der Untersuchung kann der Hohlraum 135 beispielsweise (mehr oder weniger) vollständig mit einer geeigneten Zellkulturmatrix (z. B. Kollagenen) bzw. einer geeigneten Probe oder Suspensionsmedium gefüllt werden, in die die Zellen eingemischt sind bzw. auf eine Kollagenoberfläche aufgebracht sind. Somit wird es möglich, dass sowohl 2-D Zellanalysen als auch das 3-D Wachstum untersucht werden kann. Hierzu kann der Hohlraum 135 beispielsweise eine Höhe in einem Bereich von 100 ... 700 µm oder ca. 200 µm (oder bis zu 10 mm oder bis zu 3mm) aufweisen. Die Zellkulturmatrix kann beispielhaft ein Kollagen 1A-umfassen. Es kann aber auch eine andere Zellkulturmatrix umfasst sein, wie sie beispielsweise bei der Blutgerinnung erzeugt wird.For example, before or during the examination, the cavity 135 can be (more or less) completely filled with a suitable cell culture matrix (e.g. collagens) or a suitable sample or suspension medium in which the cells are mixed or applied to a collagen surface . This makes it possible for both 2-D cell analyzes and 3-D growth to be examined. For this purpose, the cavity 135 can have a height in a range of 100 to 700 μm or approximately 200 μm (or up to 10 mm or up to 3 mm). The cell culture matrix can, for example, comprise a collagen 1A. However, another cell culture matrix can also be included, such as is produced during blood coagulation, for example.

Die Erfindung soll jedoch nicht auf eine spezifische Zellkulturmatrix (z. B. Kollagen oder eine kollagenfreie Matrix) oder auf eine spezifische Anwendung eingeschränkt werden. Die Zellkulturmatrix wird vielmehr nur zur Kultivierung der Zellen genutzt und sollte dafür geeignet sein (d. h. eine geeignete 3D-Zellkulturmatrix umfassen). Der Hohlraum 135 soll nur insoweit eingeschränkt sein, dass er einen direkten Kontakt einer Probenoberfläche 25 mit den Zellen oder extrazellulären Bestandteilen ermöglicht und außerdem einen optischen Zugang über das Fenster 115 zur mikroskopischen Betrachtung der Zellreaktionen an der Oberfläche 25 in Abhängigkeit der Zeit zulässt.However, the invention is not intended to be limited to a specific cell culture matrix (e.g., collagen or a collagen-free matrix) or to a specific application. Rather, the cell culture matrix is only used to cultivate the cells and should be suitable for this (i.e. include a suitable 3D cell culture matrix). The cavity 135 is intended to be restricted only to the extent that it allows direct contact of a sample surface 25 with the cells or extracellular components and also allows optical access through the window 115 for microscopic observation of the cell reactions at the surface 25 as a function of time.

Ausführungsbeispiele bieten insbesondere die folgenden Vorteile:

  • - Die Betrachtungseinheit erlaubt eine Zellanalysen, ohne dafür Tierversuche einzusetzen oder andere klinische Studien durchzuführen, da bereits im Vorfeld die Wirkung von Implantaten besser ermittelt werden kann. Um beispielsweise die Wirkungsweise von Implantaten mittels Tierversuche nachzuweisen, ist eine Bewertung zu mehreren Zeitpunkten unerlässlich, woraus sich eine erhebliche Anzahl von Versuchstieren ergibt.
  • - Neben den Kosten für die Tierhaltung sowie der Durchführung der Versuche können Kosten für die histologische Aufbereitung der gewonnenen Präparate und deren Auswertung vermieden werden.
  • - Da sowohl Tierversuche als auch klinische Studien bei der Neuentwicklung von Implantaten vorgeschrieben sind, besteht durch deren Substitution oder Verringerung oder durch eine gezielte Vorauswahl der nur vielversprechenden Implantate ein erhebliches Einsparpotenzial.
  • - Im Gegensatz zu derzeit genutzten Betrachtungseinheiten, ermöglichen Ausführungsbeispiele die Betrachtung von Zellkulturen während die Zellkultur(en) mit einer Oberfläche 25 einer Probe 20 interagieren. Insbesondere kann ein Eindringen oder ein Anwachsen an Oberflächen unmittelbar beobachtet werden.
  • - In der Kammer (Hohlraum 135) ist ausreichend Platz verfügbar, um Zellen gegenüber Medien oder Substanzen zu testen.
Exemplary embodiments offer the following advantages in particular:
  • - The observation unit allows cell analysis without using animal experiments or conducting other clinical studies, since the effect of implants can be better determined in advance. For example, in order to demonstrate the mode of action of implants using animal experiments, an evaluation at several points in time is essential, resulting in a significant number of experimental animals.
  • - In addition to the costs for keeping animals and carrying out the experiments, costs for the histological preparation of the specimens obtained and their evaluation can be avoided.
  • - Since both animal experiments and clinical studies are required when developing new implants, there is considerable savings potential through their substitution or reduction or through a targeted pre-selection of only promising implants.
  • - In contrast to currently used viewing units, exemplary embodiments allow for the viewing of cell cultures while the cell culture(s) interact with a surface 25 of a sample 20 . In particular, penetration or growth on surfaces can be observed directly.
  • - Sufficient space is available in the chamber (cavity 135) to test cells against media or substances.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures can be essential for the implementation of the invention both individually and in any combination.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE LIST

2020
Probesample
2525
Probenoberflächesample surface
110110
erstes Gehäuseteilfirst housing part
115115
FensterWindow
120120
zweites Gehäuseteilsecond housing part
121,122121,122
ein oder mehrere Verbindungskanäleone or more connecting channels
125125
Probenhalterungsample holder
130130
Zwischenteilintermediate part
135135
Hohlraumcavity
136,137136,137
Hohlraumerweiterungen für die VerbindungskanäleCavity extensions for the connecting channels
140140
zumindest ein Dichtelementat least one sealing element
141, 142141, 142
Durchgangsöffnungen für die VerbindungskanäleThrough openings for the connecting channels

Claims (10)

Betrachtungseinheit zur Analyse von Zellen an einer Probenoberfläche (25), mit folgenden Merkmalen: ein erstes Gehäuseteil (110) mit einem oder mehreren Fenstern (115); ein zweites Gehäuseteil (120); eine Probenhalterung (125) zum Aufnehmen einer Probe (20) mit der Probenoberfläche (25); und ein Zwischenteil (130) zum Bereitstellen eines Hohlraumes (135) für die Zellanalyse, wenn das Zwischenteil (130) zusammen mit der Probenhalterung zwischen dem ersten Gehäuseteile (110) und den zweiten Gehäuseteile (120) angeordnet ist, wobei die Probenhalterung und das Fenster (115) derart angeordnet sind, dass eine Wechselwirkung zwischen einer in dem Hohlraum (135) eingebrachten Zellkultur mit der Probenoberfläche (25) über das Fenster (115) beobachtbar ist.Observation unit for analyzing cells on a sample surface (25), with the following features: a first housing part (110) having one or more windows (115); a second housing part (120); a sample holder (125) for receiving a sample (20) with the sample surface (25); and an intermediate part (130) for providing a cavity (135) for cell analysis when the intermediate part (130) is arranged together with the sample holder between the first housing parts (110) and the second housing parts (120), wherein the sample holder and the window (115) are arranged in such a way that an interaction between a cell culture introduced into the cavity (135) and the sample surface (25) can be observed via the window (115). Betrachtungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Probenhalterung Teil des ersten Gehäuseteils (110) oder des zweiten Gehäuseteils (120) ist und ausgebildet ist, um verschiedene Proben auswechselbar aufzunehmen oder zu halten.unit of consideration claim 1 , wherein the sample holder is part of the first housing part (110) or the second housing part (120) and is designed to accommodate or hold different samples interchangeably. Betrachtungseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Gehäuseteil (110) und/oder das zweite Gehäuseteil (120) zumindest einen Verbindungskanal (121, 122) bereitstellt, um ein Medium, insbesondere eine Nährstofflösung oder zu testende Komponenten oder Substanzen, von außen in den Hohlraum (135) einzuführen und/oder ein weiteres Medium abzuführen.unit of consideration claim 1 or claim 2 , wherein the first housing part (110) and/or the second housing part (120) provides at least one connection channel (121, 122) in order to introduce a medium, in particular a nutrient solution or components or substances to be tested, into the cavity (135) from the outside and/or to discharge another medium. Betrachtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (135) in dem Zwischenteil (130) eine Höhe in einem Bereich von 100 µm bis 10 mm aufweist und derart ausgebildet ist, um zweidimensionale (2-D) oder dreidimensionale (3-D) Zellanalysen zu ermöglichen.A viewing unit according to any one of the preceding claims, wherein the cavity (135) in the intermediate part (130) has a height in a range from 100 µm to 10 mm and is configured to provide two-dimensional (2-D) or three-dimensional (3-D) enable cell analysis. Betrachtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter zumindest ein Dichtelement (140) auf zumindest einer Seite des Zwischenteils (130) umfasst, um den Hohlraum (135) abzudichten.A viewing unit according to any one of the preceding claims, further comprising at least one sealing element (140) on at least one side of the intermediate part (130) to seal the cavity (135). Betrachtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter zumindest eine Halterung für zumindest einen Sensor und/oder für zumindest einen Aktuator aufweist, um weitere Untersuchungen an den Zellen oder der Zellkultur zu ermöglichen.Observation unit according to one of the preceding claims, which further has at least one holder for at least one sensor and/or for at least one actuator in order to enable further examinations of the cells or the cell culture. Betrachtungssystem mit zumindest zwei Betrachtungseinheiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betrachtungseinheiten miteinander verschaltete sind oder nebeneinander angeordnet sind und ausgebildet sind, um verschiedene Proben oder verschiedene Zellen oder verschiedene Zellkulturen aufzunehmen.Observation system with at least two observation units according to one of the preceding claims, wherein the observation units are connected to one another or are arranged next to one another and are designed to accommodate different samples or different cells or different cell cultures. Verfahren zur Beobachtung und Analyse von Zellen an einer Probenoberfläche (25), mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Probe (20) in einer Betrachtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche; Einbringen einer Zellkultur in den Hohlraum (135) der Betrachtungseinheit; und Beobachten von biologischen Komponenten in dem Hohlraum (135).A method for observing and analyzing cells on a sample surface (25), comprising the steps of: providing a sample (20) in a viewing unit according to any one of the preceding claims; introducing a cell culture into the cavity (135) of the viewing unit; and observing biological components in the cavity (135). Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Einbringen der Zellkultur zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: - zumindest teilweises Zuführen von Zellen über zumindest einen Verbindungskanal (121, 122) der Betrachtungseinheit; - Aufbringen der Zellkultur auf die Probenoberfläche (25) und Einbringen der Zellkultur zusammen mit der Probe (20) in die Betrachtungseinheit; - Einbringen einer Suspension oder einer biologischen Probe oder einer 3-D Zellkulturmatrix, die die zu analysierenden Zellen aufweist.procedure after claim 8 , wherein the introduction of the cell culture comprises at least one of the following steps: - at least partial supply of cells via at least one connection channel (121, 122) of the observation unit; - Applying the cell culture to the sample surface (25) and introducing the cell culture together with the sample (20) in the observation unit; - Introduction of a suspension or a biological sample or a 3-D cell culture matrix containing the cells to be analyzed. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Beobachten zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: - Beobachten und Analysieren eines Zellwachstums oder einer Wechselwirkung zwischen der Zellkultur und der Probenoberfläche (25); - Beobachten einer Wechselwirkung der Zellen mit einer umgebenen Matrix, die mit der Probenoberfläche (25) interagiert; - zeitliches Verfolgen des Zellwachstums oder des Anwachsens der Zellen an der Probenoberfläche (25); - Zuführen von Nährstoffen, biologische wirksamen Komponenten, Arzneimittel oder die Zellen beeinflussende Substanzen über den zumindest einen Verbindungskanal (121, 122); - Ermitteln einer Sterberate oder einer Teilungsrate oder einer Differenzierungsrate für die Zellen in der Zellkultur; - Wiederholen von Beobachtungen und Analysen für verschiedene Proben (20) oder Probenoberflächen (25).procedure after claim 8 or claim 9 , wherein the observation comprises at least one of the following steps: - observing and analyzing cell growth or an interaction between the cell culture and the sample surface (25); - observing an interaction of the cells with a surrounding matrix that interacts with the sample surface (25); - time tracking of the cell growth or the growth of the cells on the sample surface (25); - Supplying nutrients, biologically active components, drugs or substances influencing the cells via the at least one connection channel (121, 122); - determining a death rate or a division rate or a differentiation rate for the cells in the cell culture; - repeating observations and analyzes for different samples (20) or sample surfaces (25).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOLA-RUIZ, M.F. [u.a.]: Behavior of Human Osteoblast Cells Cultured on Titanium Discs in Relation to Surface Roughness and Presence of Melatonin. Int. J. Mol. Sci. (2017) 18 (4), Druckseiten 1-16

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