DE102019124678B3

DE102019124678B3 - Vorrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem Medium

Info

Publication number: DE102019124678B3
Application number: DE102019124678.4A
Authority: DE
Inventors: Detlef Ritter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend eine Konstruktion, die zumindest einer Standard-Multiwellplatte in der Anzahl und Anordnung der Wells und gegebenenfalls darin eingehängter als Inserts ausgebildeter Wells sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet ist, zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen oder flüssigen Medium, insbesondere in einem gasförmigen oder flüssigen Expositionsmedium oder einem flüssigen Erhaltungsmedium, wobei das gasförmige oder flüssige Medium zumindest einem Well zuleitbar ist, wobei der Boden des Wells durch zumindest einen mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, als Ersatz eines insbesondere ein biologisches Testsystem tragenden Bodens, beispielsweise einer ein biologisches Testsystem tragenden permeablen Trägers, eines Wells ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem Medium.
Bei der Durchführung von in-vitro-Experimenten mit biologischen Testsystemen, insbesondere mit Zellen, Zellkulturen oder Geweben, wird üblicherweise - unabhängig von der Zielsetzung der Experimente bzw. der Untersuchungen - eine Substanz in Kontakt mit dem biologischen Testsystem gebracht, eine so genannte Exposition.
Das biologische Testsystem bzw. biologische Prüfsystem wird hierbei einer Expositionsatmosphäre, die durch ein Expositionsmedium gebildet wird, ausgesetzt. Das Expositionsmedium kann die Substanz, die auch als Test- oder Prüfsubstanz bezeichnet wird, enthalten und/oder diese zumindest teilweise bilden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, wenn das Expositionsmedium ohne Substanz bzw. Test- oder Prüfsubstanz ausgebildet ist.
Bei den biologischen Testsystemen kann es sich beispielsweise um Eukaryonten-Kulturen verschiedener Spezies und unterschiedlicher Organe, besonders bevorzugt um Zelllinien, Primärzellisolate, Gewebeschnitte, rekonstruierte Gewebe wie Kokulturen, oder genetisch veränderte Zellen, Prokaryonten-Kulturen, verschiedenartige Gewebe oder Multi-Organ-Kultursysteme, bekannt im Zusammenhang mit „human-on-a-chip“-Technologien, handeln.
Das Expositionsmedium kann flüssig oder gasförmig sein. In der EP 3 039 118 B1 finden sich in Absatz [0159] und den zugehörigen 5 - 9 entsprechende Anwendungsbeispiele.
Das gasförmige Expositionsmedium kann als ein reines Gas oder Gasgemisch vorliegen, d. h. alle darin enthaltenen Stoffe, insbesondere Atome, Moleküle, etc., befinden sich in der Gasphase, und/oder es kann auch als Träger für Fest- und/oder Flüssigstoffe dienen. Insbesondere können so Aerosole, beispielsweise Bioaerosole, zerstäubte Flüssigkeiten, zerstäubte Suspensionen oder zerstäubte Emulsionen, kleine Flüssigkeitströpfchen (beispielsweise Pflanzenschutzmittel oder pharmakologisch wirksame Substanzen als Sprühnebel, etc.), Schwebeteilchen oder Feststoffpartikel (beispielsweise Holzstaub, etc.) als zu tragende Substanzen in dem Trägergas enthalten sein. Unter dem allgemeinen Begriff „Substanzen“ fallen im Sinne der Erfindung auch die vorgenannten „Stoffe“ sowie „Fest- und Flüssigstoffe“.
Bei den genannten in-vitro-Experimenten kann es sich um gezielte Manipulationen durch pharmakologisch wirksame Substanzen handeln. Es kann sich bei den genannten in-vitro-Experimenten aber auch um solche handeln, die beispielsweise im Rahmen von so genannten Tissue-Engineering-Techniken Einfluss auf Zellwachstum oder -differenzierung nehmen sollen. Auch kann es sich bei den genannten in-vitro-Experimenten um toxikologische Untersuchungen unterschiedlichster Substanzen bzw. Stoffe handeln.
Hinsichtlich der Art und Weise, wie die Substanzen mit den biologischen Testsystemen in Kontakt gebracht werden, kann man grundsätzlich zwei Arbeitsweisen unterscheiden, nämlich zum einen die statische Exposition und zum anderen die dynamische Exposition, die auch als Perfusion bzw. perfusive Exposition bezeichnet wird. Die beiden Arbeitsweisen können auch in einer festgelegten Reihenfolge, beispielsweise zeitlich alternierend, zur Anwendung gebracht werden.
Im Falle der statischen Exposition wird die Substanz einmalig oder auch wiederholt, insbesondere additiv, aber nicht kontinuierlich zum biologischen Testsystem gegeben, auf dem sie dann für einen gewissen Zeitraum verbleibt, ohne ausgetauscht zu werden.
Im Falle der dynamischen Exposition wird die Substanz kontinuierlich zu- und abgeleitet, etwa um eine höhere Effektivität oder Sensitivität in der Untersuchung zu erzeugen, oder auch aufgrund physikalisch/chemischer oder anderer Eigenschaften der Testsubstanzen, des biologischen Testsystems oder anderer Randbedingungen der Untersuchung.
Möglichkeiten zur Durchführung statischer Expositionen sind in vielfältiger Weise verwirklicht und in breiter Auswahl kommerziell erhältlich. Üblicherweise wird dabei die in einem Puffer oder Kulturmedium aufgenommene, insbesondere suspendierte oder gelöste Substanz in ein Well bzw. eine Vertiefung bzw. Kavität einer Multiwell-Platte gegeben, in welcher sich auch das biologische Testsystem befindet.
Möglichkeiten zur Durchführung dynamischer Expositionen sind dagegen weniger vielfältig vorhanden.
Zur Durchführung von dynamischen Expositionen bzw. Perfusionsexpositionen mit gasförmigen oder flüssigen Expositionsmedien ist in der EP 3 039 118 B1 ein geeigneter ALI- (Air Liquid Interface) Expositionsapparat beschrieben. Dieser zeichnet sich auch dadurch aus, dass durch die Verwendung von Standard-Multiwellplatten eine Kompatibilität mit der üblichen Standardausrüstung eines Labors gegeben ist.
Bei dem vorgenannten ALI-Expositionsapparat wird ein Erhaltungsmedium bzw. Nährmedium üblicherweise von der Unterseite an die das biologische Testsystem enthaltenen Wells, insbesondere Kulturgefäße, sogenannte Inserts, zur Erhaltung des biologischen Testsystems herangeführt. Unter einem Erhaltungsmedium im Sinne der Erfindung wird hier und im Folgenden ein Kulturmedium, auch als Nährmedium bezeichnet, mit oder ohne Zusätzen oder eine Salzlösung verstanden. Das Expositionsmedium bzw. die Expositionsatmosphäre, in der die Substanz bzw. die Test- oder Prüfsubstanz gasförmig bzw. Luft getragen vorhanden ist, wird von der Oberseite an das biologische Testsystem herangeführt. Im vorgenannten Fall befindet sich das biologische Testsystem auf der Oberseite eines den Boden des Wells, insbesondere des Kulturgefäßes, bildenden permeablen Träges, insbesondere einer Membran. Auch eine horizontal gespiegelte Anordnung kann vorliegen, bei der das biologische Testsystem jeweils auf der Unterseite eines den Boden des Wells, insbesondere des Kulturgefäßes, bildenden permeablen Trägers, insbesondere einer Membran, angeordnet ist. Das Expositionsmedium bzw. die Expositionsatmosphäre, in der die Substanz bzw. die Test- oder Prüfsubstanz gasförmig bzw. Luft getragen vorhanden ist, wird dann von unten an das biologische Testsystem herangeführt und das Erhaltungsmedium bzw. Nährmedium wird von oben an das biologische Testsystem zur Erhaltung desselben herangeführt.
Im Zusammenhang mit den vorgenannten in-vitro-Experimenten, bei denen Standard-Multiwellplatten in ALI-Expositionsapparaten, wie beispielsweise in der EP 3 039 118 B1 offenbart, Anwendung finden, ist eine genaue Analyse der tatsächlich auf die Oberfläche des biologischen Testsystems applizierten Menge und/oder Art der Substanzen wünschenswert.
Standard-Multiwellplatten sind im Bereich der Zell- und Gewebekulturtechnik als Standardprobengefäße bekannt. Sie dienen zur Aufnahme und zur Untersuchung unterschiedlichster biologischer Testsysteme. Bei den Standard-Multiwellplatten handelt es sich um laborgängige Einweg-Massenprodukte, die einen hohen Durchsatz von biologischen Testsystemen ermöglichen. Typischerweise sind solche Standard-Multiwellplatten rechteckig ausgebildet und aus Kunststoff, beispielsweise Polystyren, Polypropylen, Polycarbonat oder Polyethylen, gefertigt.
Dabei sind einzelne Wells, die auch als Vertiefungen oder Kavitäten bezeichnet werden, zur Aufnahme der biologischen Testsysteme auf einer solchen Platte, im Wesentlichen matrixförmig angeordnet. Bei den Wells kann es sich um Aufnahmen handeln, die bereits in der Standard-Multiwellplatte integriert sind, oder um solche, die als separate Kulturgefäße, so genannte Inserts, in vorhandene integrierte Wells oder in entsprechend angeordnete Aussparungen der Standard-Multiwellplatte aufgenommen sind.
Es sind Standard-Multiwellplatten der Konfigurationsgrößen 6-Well, 12-Well, 24-Well, 48-Well, 96-Well oder mit weiter gesteigerten Well-Dichten bis 3456 Wells bekannt. Standard-Multiwellplatten werden auch als standardisierte PCR (Polymerase Chain Reaction) - Platten, Mikrotiterplatten bzw. HTS (High-Throughput-Screening) - Mikrotiterplatten bezeichnet.
Eine allgemein anerkannte Normierung der Bemaßung und des Aufbaus einer Standard-Multiwellplatte ist durch die Society for Laboratory Automation and Screening (SLAS), einer der American National Standards Institute (ANSI) nahestehenden Gesellschaft von Wissenschaftlern und Ingenieuren, in den Normen (http://www.slas.org/education/microplate.cfm):

• ANSI/SLAS 1-2004: Microplates - Footprint Dimensions
• ANSI/SLAS 2-2004: Microplates - Height Dimensions
• ANSI/SLAS 3-2004: Microplates - Bottom Outside Flange Dimensions
• ANSI/SLAS 4-2004: Microplates - Well Positions
• ANSI/SLAS 6-2012: Microplates - Well Bottom Elevation

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die im Zusammenhang mit den vorgenannten in-vitro-Experimenten, bei denen Standard-Multiwellplatten in ALI-Expositionsapparaten, wie sie beispielsweise in der EP 3 039 118 B1 offenbart sind, Anwendung finden, eine genaue Analyse der tatsächlich auf die Oberfläche des biologischen Testsystems applizierten Menge und/oder Art der Substanzen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen oder flüssigen Medium, insbesondere in einem gasförmigen oder flüssigen Expositionsmedium oder in einem flüssigen Erhaltungsmedium, umfasst eine Konstruktion, die zumindest einer Standard-Multiwellplatte in der Anzahl und Anordnung der Wells und gegebenenfalls darin eingehängter als Inserts ausgebildeter Wells sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet ist, wobei das gasförmige oder flüssige Expositionsmedium zumindest einem Well zuleitbar ist. Erfindungsgemäß ist der Boden des Wells durch zumindest einen mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, als Ersatz eines ein biologisches Testsystem tragenden Bodens, beispielsweise eines ein biologisches Testsystem tragenden permeablen Trägers, eines Wells, ausgebildet.
Dadurch, dass die Vorrichtung bzw. deren Konstruktion einer Standard-Multiwellplatte in der Anzahl und Anordnung der Wells und gegebenenfalls der darin eingehängten als Inserts ausgebildeten Wells sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet ist, kann diese vorteilhaft dort Verwendung finden, wo gleichzeitig eine größere Anzahl von Proben zu untersuchen ist, und Laborgeräte, insbesondere Schüttelgeräte, Heizgeräte, Pipettiergeräte oder Mikroskope, zur Verfügung stehen, die für die Verwendung von Standard-Multiwellplatten eingerichtet sind.
Durch den erfindungsgemäß angeordneten Schwingsensor, der vorzugsweise ein piezoelektrischer Resonator ist, also auf der Piezo- oder Schwingkristalltechnologie basiert, können Massen von Substanzen bis in den Nanogrammbereich quantifiziert werden.
Der Schwingsensor ist vorteilhaft als piezoelektrische Quarzmikrowaage (QCMB = Quarz Cristal Micro Balance) ausgeführt.
Prinzipiell können für den Schwingsensor als piezoelektrische Mikrowaage alle piezoelektrischen Materialien verwendet werden. Am häufigsten verwendet wird jedoch α-Quarz. Quarzkristalle sind vergleichsweise günstig und einfach herzustellen. Die Funktionsweise eines Schwingsensors ist bekannt. Zunächst ist der Quarzkristall durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Schwingungen anzuregen. Das elektrische Feld wird angelegt, indem ein Paar Elektroden zum Beispiel durch Verdampfen oder Sputtern direkt auf die Hauptflächen des Quarzkristalls aufgebracht wird. Die Elektroden sind in der Regel ca. 100 nm dick. Grundsätzlich kann jedes elektrisch leitfähige Material, welches sich auf Quarz aufbringen lässt, für die Elektroden verwendet werden. Die gängigsten Elektroden-Materialien sind Aluminium, Silber und Gold. Durch elektrische Messung des Eigenfrequenzschwingungsverhaltens des Quarzes lassen sich geringste Massenveränderungen an dessen Oberfläche detektieren. Dazu sind der Schwingsensor bzw. dessen Elektroden elektrisch mit einem Steuerungssystem verbunden.
Grundsätzlich lassen sich mittels des Schwingsensors, insbesondere des Quarzes, Substanzen detektieren, die sich aufgrund eines Depositions- und/oder Adsorptionsvorgangs auf der Auffangfläche bzw. Oberfläche des Quarzes befinden.
Die Ablagerungs- bzw. Depositionsmechanismen können

• auf dem Prinzip der Sedimentation, bei der Substanzen mit ausreichender Partikelmasse aufgrund der Gravitation absinken,
• auf dem Prinzip der Impaktion, bei der Substanzen mit ausreichender Partikelmasse unter entsprechenden Strömungsverhältnissen oder Strömungsgeometrien durch ihre Trägheit bei Richtungswechseln, beispielsweise bei der Staupunktströmung, aus einer Strömung herausgetragen werden
• auf dem Prinzip der Diffusion, bei der bei ausreichend kleinen Partikeln durch statistische Bewegung ein Kontakt erfolgt, insbesondere durch Brown'sche Molekularbewegung oder durch Stöße mit Gasmolekülen
• auf anderen Effekten, insbesondere bei ungewöhnlichen Partikelgeometrien, beispielsweise faserigen Partikeln, wie Asbest

Die Ablagerungs- bzw. Depositionsmechanismen können durch die Strömungsmechanik, beispielsweise durch Rohrgeometrien, Flussraten etc., und zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch Anwendung der Thermophorese in einem ALI-Expositionsapparat, beeinflusst werden.
Die Anhaftungs- bzw. Adsorptionsmechanismen können

• auf einer unspezifische Adsorption, bei der Oberflächeneffekte wirken, die aber keine spezifische Bindung von Substanzen auf der Auffangfläche des Schwingsensors bzw. Oberfläche des Quarzes bewirken
• auf einer spezifischen Adsorption, bei der aufgrund einer besonderen Oberflächenaufbereitung oder -beschichtung der Auffangfläche des Schwingsensors bzw. der Oberfläche des Quarzes eine selektive Anlagerung von Molekülen, gegebenenfalls über chemische Bindungen, erfolgt, beispielsweise aufgrund einer hygroskopischen Beschichtung eine Anlagerung von Wasser oder beispielsweise aufgrund einer Oberflächenaufbereitung mit speziellen Reaktionspartnern eine Anlagerung von mit diesen Reaktionspartnern reagierenden Analyten

Es kann vorteilhaft sein, wenn das Medium, vorzugsweise das gasförmige oder flüssige Expositionsmedium, von oben auf die die Oberseite des Schwingsensors bildende Auffangfläche leitbar ist oder wenn das Medium, vorzugsweise das flüssige Erhaltungsmedium, von unten auf die die Unterseite des Schwingsensors bildende Auffangfläche leitbar ist.
Wie bereits ausgeführt kann das Expositionsmedium nicht nur gasförmig, sondern auch flüssig sein. In der EP 3 039 118 B1 finden sich in Absatz [0159] und den zugehörigen 7 - 9 entsprechende Anwendungsbeispiele für flüssige Expositionsmedien. Auch aus solchen flüssigen Expositionsmedien ist die quantitative und/oder qualitativen Analyse von Substanzen möglich. Für die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare quantitative und qualitative Analyse bzw. spezifische Detektion von Substanzen aus flüssigen Expositionsmedien werden vorzugsweise Schwingsensoren bzw. Kristalle verwendet, die durch eine Oberflächenbearbeitung bzw. -beschichtung eine spezifische Bindung an bestimmte im flüssigen Expositionsmedium enthaltene Moleküle, wie Biomoleküle, zulassen.
Es kann von Vorteil sein, wenn die quantitative und/oder qualitative Analyse von Substanzen in einem Medium in Form einer Online-Messung, vorzugsweise in Echtzeit, erfolgt.
Für allgemeine Analysen sind piezoelektrische Quarzmikrowaagen in Ausführungen mit einzelnen oder auch mehreren kombinierten Wägeplätzen beispielsweise in der US 2007/0251323 A1 oder auch in dem Artikel „Low-cost scalable quartz crystal microbalance array for environmental sensing“ (Muckley et al., Org. Sens. Bioelec 9944) offenbart. Kommerziell angeboten werden piezoelektrische Quarzmikrowaagen beispielsweise unter www.opengcm.com oder www.lot-gd.com.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese zumindest die Standard-Multiwellplatte eines ALI-Expositionsapparats, welche zumindest ein mit einem biologischen Testsystem versehenes Well aufweist, reversibel ersetzt.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, beim zu ersetzenden Teil oder bei den zu ersetzenden Teilen des eine Standard-Multiwellplatte aufweisenden ALI-Expositionsapparats ausgewählte permeable Träger mit darauf positioniertem biologischen Testsystem durch jeweils einen Schwingsensor zu ersetzen. Alle darüber hinaus durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu ersetzenden Teile des ALI-Expositionsapparats, insbesondere die Standard-Multiwellplatte mit Ihren Wells und den darin gegebenenfalls eingehängten als Inserts ausgebildeten Wells, ohne ihren als permeablen Träger ausgebildeten Boden, werden durch repräsentative Nachbildungen, die auch als Ersatzkonstruktionen bezeichnet werden können, ersetzt, soweit sie nicht funktionell von Bedeutung sind.
Dadurch ist eine genaue Analyse der tatsächlich auf die Oberfläche des biologischen Testsystems applizierten Masse der im Expositionsmedium allgemein enthaltenen Substanzen oder wenigstens einer bestimmten Substanz möglich. Vorteilhaft lassen sich hierbei kleinste Massen im Bereich von einigen µg/cm² und weniger bestimmen.
Dadurch, dass die Vorrichtung bzw. Konstruktion zumindest einer Standard-Multiwellplatte in der Anzahl und Anordnung der Wells und gegebenenfalls der darin eingehängten als Inserts ausgebildeten Wells sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet ist, ist ein Austausch zumindest mit der in dem ALI-Expositionsapparat angeordneten und ein biologisches Testsystem in zumindest einem Well tragenden Standard-Multiwellplatte einfach und schnell zu bewerkstelligen. Insbesondere ist durch die erfindungsgemäße Konstruktion ein gelegentlicher Umbau bestehender ALI-Expositionsapparate zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen im Medium möglich. Es ist also nicht erforderlich, einen eigenen Expositionsapparat, der nur zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen im Medium Verwendung findet und hierzu eine feste Anordnung von Schwingsensoren aufweist, vorzuhalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit vorteilhaft vorübergehend für den Untersuchungszeitraum im ALI-Expositionsapparat, also im Originalgerät, eingebracht werden, in dem üblicherweise die Exposition des biologischen Testsystems stattfindet. Dadurch wird der Geräteaufwand im Experiment gering gehalten und es ist eine Vergleichsmessung im exakt identischen Expositionsapparat möglich.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese in einem ALI-Expositionsapparat zumindest gegen die dort vorgesehene Standard-Multiwellplatte austauschbar ist, können vorteilhaft die strömungstechnischen Gegebenheiten, die sich bei der Verwendung mit Gasen, Dämpfen und Aerosolen ergeben, repräsentiert werden. Die quantitative und/oder qualitative Analyse von Substanzen im Medium kann dadurch unter den gleichen Bedingungen des strömenden Mediums stattfinden, wie bei der Durchführung der in-vitro-Experimente mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems. Die vom Medium durchströmten Teile sind vorteilhaft die gleichen.
Auf diese Weise kommt bei der in der Ersatzmessung mit Schwingsensoren nachgestellten Situation ein Abbild zustande, bei dessen Einsatz durch vergleichbare konstruktive Bedingungen repräsentative Messergebnisse der Schwingkristallanalytik im Vergleich zur Originalsituation bei der Zellexposition zu erwarten sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Anordnung des Schwingsensors derart ist, dass dessen Auffangfläche der Oberfläche des biologischen Testsystems des ersetzten das biologische Testsystem tragenden Bodens gleichkommt.
Durch eine derartige Nachbildung lassen sich die Bedingungen des strömenden Expositionsmediums bei der Durchführung der in-vitro-Experimente mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems noch besser bei der quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen im Medium repräsentieren.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese eine Konstruktion umfasst, die neben der Standard-Multiwellplatte auch zumindest einen weiteren Teile des ALI-Expositionsapparats nachbildet und diesen reversibel ersetzt, vorzugsweise derjenige Teil des ALI-Expositionsapparats, der das Erhaltungsmedium aufweist.
Dadurch, dass weitere Teile des bei der Durchführung der in-vitro-Untersuchung eingesetzten ALI-Expositionsapparates, wie das Erhaltungsmedium, durch repräsentative Konstruktionen aus einem vorgegebenen Material ersetzt werden, kommt in der Ersatzmessung mit Piezokristallwaagen nachgestellten Situation ein Abbild zustande, bei dessen Einsatz durch vergleichbare konstruktive Bedingungen repräsentative Messergebnisse der Schwingkristallanalytik im Vergleich zur Originalsituation bei der Zellexposition zu erwarten sind.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Erhaltungsmedium in der Konstruktion durch ein festes Material, insbesondere durch einen Kunststoff, oder durch ein flüssiges Material, das dicht in der Konstruktion eingeschlossen ist, ersetzt ist.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung oder die Konstruktion aus einem oder mehr als einem Material gefertigt ist, das im Wesentlichen die gleichen Wärmekapazitätseigenschaften und/oder Wärmeleitungseigenschaften aufweist wie der oder die reversibel ersetzbaren Teile des ALI-Expositionsapparats.
Vorteilhaft lassen sich dadurch einflussnehmende Aspekte der Wärmekapazitäts- oder Wärmeleitungsbedingungen in der unmittelbaren konstruktiven Umgebung der Schwingsensoren berücksichtigen.
Da sowohl die physikalisch-chemischen Vorgänge der Partikeldeposition auf der Quarzoberfläche wie auch die Schwingungseigenschaften des Quarzes selbst, temperaturabhängige Prozesse sind, stellt dies eine erhebliche Herausforderung in der Anwendung der Technologien dar. Bei der Anwendung des in der EP 3 039 118 B1 beschriebenen ALI-Expositionsapparates in der in vitro Exposition von biologischen Testsystemen wird beispielsweise gezielt ein Temperaturgradient zwischen dem zu untersuchenden Aerosol, das über das biologische Testsystem geleitet wird und dem biologischen Testsystem selbst erzeugt. Dieser führt durch das physikalische Phänomen der Thermophorese, auch Thermopräzipitation genannt, zu einer erhöhten Deposition der Aerosolpartikel auf der Oberfläche des biologischen Testsystems. Um diese Verhältnisse, die während der Zellexposition bestehen, auch repräsentativ während einer Ersatzmessung mit einem Schwingsensor abzubilden, ist eine möglichst genaue Nachbildung der konstruktiven und thermischen Verhältnisse im Vergleich zur zellulären Expositionssituation erfindungsgemäß vorgesehen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung oder die Konstruktion aus einem oder mehr als einem Kunststoff gefertigt ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung oder die Konstruktion in einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, gefertigt ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Auffangfläche des Schwingsensors derart oberflächenbehandelt bzw. oberflächenbeschichtet ist, dass sich wenigstens eine Substanz, beispielsweise Wasser, Biomoleküle oder Geruchsstoffe, des Medium selektiv an der Auffangfläche des Schwingsensors bindet oder anlagert und dadurch quantifizierbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Auffangfläche des Schwingsensors bzw. die Oberfläche des Quarzes ein biologisches System und damit eine biologische Oberflächenbeschichtung aufweist. Beispielsweise kann die Oberfläche des Schwingsensors bzw. Quarzes mit Zellen bewachsen sein. In diesem Fall wirkt die adhärente bzw. angewachsene Zellkulturschicht als biologische Oberflächenbeschichtung, wobei zu analysierende Substanzen aus einem Medium spezifisch auf der zellulären Oberfläche binden oder anhaften und durch den damit einhergehenden Massezuwachs messbar werden. Das biologische System kann dabei wie das oben genannte biologische Testsystem zusammengesetzt sein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Auffangfläche des Schwingsensors zum Beispiel mittels hygroskopischer Beschichtung derart ausgebildet ist, dass Wasser aus dem Medium, insbesondere dem gasförmigen Expositionsmedium, beispielsweise aus der Luft, an der Auffangfläche des Schwingsensors bindet und über die damit einhergehende Massenveränderung des Quarzes quantifizierbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Auffangfläche des Schwingsensors mit Reaktionspartnern für spezifisch zu bestimmende Substanzen, die im Medium, beispielweise in einem Bioaerosol, enthalten sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung dort anwendbar ist, wo gleichzeitig eine größere Anzahl von Proben zu untersuchen ist, und Laborgeräte, insbesondere Schüttelgeräte, Heizgeräte, Pipettiergeräte oder Mikroskope, zur Verfügung stehen, die für die Verwendung von Standard-Multiwellplatten eingerichtet sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung 12 Wells, nämlich 3 x 4 Wells, aufweist, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer ersten randseitigen Gruppe von Wells jeweils einen Schwingsensor aufweisen, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer zweiten mittleren Gruppe von Wells keine Schwingsensoren aufweisen und wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer dritten randseitigen Gruppe von Wells jeweils einen Schwingsensor aufweisen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn vorzugsweise stirnseitig eine Anschlussbuchse zur elektrischen Kontaktierung der Schwingsensoren angeordnet ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die elektrischen Kontakte der Anschlussbuchse elektrisch mit einem externen Steuersystem verbindbar sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn in der Vorrichtung eine mit den Schwingsensoren elektrisch verbundene Steuerelektronik, vorzugsweise mit einer eigenen Energiequelle und/oder mit einem entnehmbaren Datenspeicher, integriert ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn unterhalb des Schwingsensors eine Flüssigkeit angeordnet ist, die vorzugsweise mittels einer Bodenplatte und Dichtungen in der Konstruktion eingeschlossen ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Konstruktion neben zumindest einem Well, dessen Boden durch zumindest einen mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, ausgebildet ist, wenigstens ein Well aufweist, dessen Boden als permeabler Träger ausgebildet ist oder einen solchen aufweist, wobei auf diesem ein biologisches Testsystem angeordnet ist, an das von unten und/oder von oben ein Medium, vorzugsweise von unten ein flüssiges Erhaltungsmedium und/oder vorzugsweise von oben ein gasförmiges oder flüssiges Expositionsmedium, heranführbar ist. Es kann vorteilhaft sein, wenn eine solche Vorrichtung 12 Wells, nämlich 3 x 4 Wells, aufweist, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer ersten randseitigen Gruppe von Wells ein Well mit einem Schwingsensor und drei Wells mit jeweils einem biologischen Testsystem aufweisen, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer zweiten mittleren Gruppe von Wells keine Schwingsensoren und kein biologisches Testsystem aufweisen und wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer dritten randseitigen Gruppe von Wells ein Well mit einem Schwingsensor und drei Wells mit jeweils einem biologischen Testsystem aufweisen.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem ALI-Expositionsapparat, wie er in der EP 3 039 118 A1 beschrieben ist, einsetzbar. Die Offenbarung der EP 3 039 118 A1 wird hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Der in der EP 3 039 118 A1 beschriebene ALI-Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind, umfasst

• einen Expositionsaufsatz, der derart dimensioniert ist, dass dieser auf eine Standard-Multiwellplatte aufsetzbar und mit dieser mittels geeigneter Verbindungselemente verbindbar ist, wobei der Expositionsaufsatz mehrere Leitungselemente mit jeweils zumindest einer Zuleitung und zumindest einer Ableitung für ein Expositionsmedium aufweist,
• wobei jedes Leitungselement aus der zur Standard-Multiwellplatte weisenden Seite des Expositionsaufsatz hervorragt und einem bestimmten Well der Standard-Multiwellplatte zur Ausbildung der Expositionsatmosphäre innerhalb des bestimmten Wells zugeordnet ist,
• wobei die Wells Aufnahmen sind, die bereits in der Standard-Multiwellplatte integriert sind, oder solche, die als separate Kulturgefäße, so genannte Inserts, in vorhandene integrierte Wells oder in entsprechend angeordnete Aussparungen der Standard-Multiwellplatte aufgenommen sind,
• wobei der Expositionsaufsatz einen auf die Standard-Multiwellplatte aufsetzbaren und mit dieser mittels der Verbindungselemente verbindbaren Aufsatzhalterahmen sowie einen bewegbaren auf dem Aufsatzhalterahmen angeordneten und mit diesem verbundenen Aufsatzkopf aufweist,
• wobei das jeweils einem bestimmten Well zugeordnete Leitungselement nach dem Aufsetzen des Expositionsaufsatzes auf die Standard-Multiwellplatte durch Bewegen des mit den Leitungselementen zusammenwirkenden Aufsatzkopfes in Richtung Aufsatzhalterahmen und Standard-Multiwellplatte in das bestimmte Well bewegbar und derart einbringbar ist, dass ein auf der Außenseite des Leitungselements vorgesehenes und dieses umlaufende Dichtmittel das Leitungselement gegenüber der Innenwand des Wells zur Ausbildung einer während des in-vitro-Experiments innerhalb jedes bestimmten Wells abgeschlossenen Expositionsatmosphäre dicht abschließt,
• wobei nur über das jeweils zugeordnete Leitungselement Expositionsmedium zu- und ableitbar ist, wobei der Aufsatzkopf mittels vorzugsweise am Aufsatzkopf angeordneter Ver- und Entriegelungselemente mit dem Aufsatzhalterahmen zur oder während der Durchführung des Experiments derart verriegelbar ist, dass die Leitungselemente festgelegt sind, wobei die Verriegelungselemente den Aufsatzkopf und den Aufsatzhalterahmen vorzugsweise unter Spannung zusammenhalten und
• wobei der Aufsatzkopf nach der Durchführung des Experiments mittels der Ver- und Entriegelungselemente von dem Aufsatzhalterahmen entriegelbar ist, derart, dass die Leitungselemente samt umlaufende Dichtmittel mit Bewegen des Aufsatzkopfes in entgegengesetzter Richtung zur vorherigen aus den Wells lösbar sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem Expositionsmedium die oben genannte Standard-Multiwellplatte mit den vorgesehenen Wells ersetzen, wobei die erfindungsmäße Vorrichtung einfach mit dem Expositionsaufsatz zu verbinden ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch derart ausgebildet sein, dass diese weitere Teile des in der EP 3 039 118 A1 offenbarten ALI-Expositionsapparats ersetzt.
Da der genannte Expositionsaufsatz sowohl auf eine Originalkonstruktion eines ALI-Expositionsapparats als auch auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, also auf eine mit wenigstens einem einen Schwingsensor aufweisenden Well ausgebildete Ersatzkonstruktion des ALI-Expositionsapparats, aufsetzbar und mit dieser mittels geeigneter Verbindungselemente verbindbar ist, kann es zweckmäßig sein, wie bereits oben vorteilhaft ausgeführt, einen vorgegebenen Teil der erfindungsmäßen Vorrichtung originalgetreu nachzubilden, um so quasi eine Kombination aus Originalkonstruktion und Ersatzkonstruktion zu erhalten. Dies gilt selbstverständlich nicht nur für den in der EP 3 039 118 A1 offenbarten ALI-Expositionsapparat, sondern auch für andere ALI-Expositionsapparate, bei denen Multiwellplatten, insbesondere Standard-Multiwellplatten, vorgesehen sind.
Beispielsweise können bei einer Gruppe von vier Wells, denen ein Expositionsmedium zugeführt wird, drei Wells der Originalkonstruktion entsprechend für die Verwendung mit Zellkulturinserts vorgesehen sein, und ein Well mit einem Schwingsensor ausgebildet sein.
Eine derart erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft so verwendbar, dass die quantitative und/oder qualitative Analyse von Substanzen des von oben an den Schwingsensor herangeführten gasförmigen oder flüssigen Expositionsmediums gleichzeitig mit der Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind, erfolgen kann.
Eine derart erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch so verwendbar sein, dass die quantitative und/oder qualitative Analyse von Substanzen, insbesondere von Biomolekülen, in einem flüssigen Erhaltungsmedium, das perfusiv von unten an den erfindungsgemäß vorgesehenen Schwingsensors heranführbar ist, gleichzeitig mit der Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind, erfolgen kann.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die der Originalkonstruktion entsprechenden Wells, vorliegend die drei Wells einer Gruppe, unterschiedliche biologische Testsysteme aufweisen. So kann das erste Well einen ersten Zelltyp, das zweite Well einen zweiten Zelltyp und das dritte Well einen dritten Zelltyp aufweisen, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt im Rahmen einer „human on a chip“-Multi-Organ - in vitro - Strategie verwendbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen

1 schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt eines eine Standard-Multiwellplatte aufweisenden ALI-Expositionsapparats nach dem Stand der Technik,
2 schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion, die den in 1 dargestellten Gegenstand nachbildet,
3 schematisch in Draufsicht eine Standard-Multiwellplatte nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem ALI-Expositionsapparat und
4 schematisch in Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion, die den in 3 dargestellten Gegenstandes nachbildet, zur Verwendung in einem ALI-Expositionsapparat.

Werden in den 1 bis 4 gleiche Bezugsziffern verwendet, so bezeichnen diese gleiche Teile oder Bauteile, so dass zwecks Vermeidung von Wiederholungen nicht bei jeder Figurenbeschreibung erneut auf bereits beschriebene Teile bzw. Bauteile eingegangen werden muss.
1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt eines eine Standard-Multiwellplatte 16 aufweisenden ALI-Expositionsapparats nach dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildetes Well 10, das in einem mit Erhaltungsmedium 12 gefüllten Well 14 der hier teilweise dargestellten Standard-Multiwellplatte 16 des hier nicht weiter dargestellten ALI-Expositionsapparats angeordnet ist. Ein solcher ALI-Expositionsapparat dient zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems 18. Die Durchführung solcher in-vitro-Experimente mit einer ALI-Expositionsvorrichtung ist beispielsweise in der EP 3 039 118 B1 beschrieben. Vorliegend ist das Well 10 als ein Kulturgefäß bzw. Insert im Well 14 der Standard-Multiwellplatte 16 eingehängt. Es ist gut zu erkennen, dass der Boden des Wells 10 in der Standard-Multiwellplatte 16 als permeabler Träger 20 ausgebildet ist, wobei auf diesem 20 das biologische Testsystem 18 angeordnet bzw. angezüchtet ist. Dem Well 10 der Standard-Multiwellplatte 16 ist außerdem das Erhaltungsmedium 12 zugeordnet, das zur Versorgung des biologischen Testsystems 18 in direktem Kontakt mit der Unterseite des Wells 10 bzw. des permeablen Trägers 20 steht, auf der bzw. dem das biologische Testsystem 18 angeordnet ist.
2 zeigt schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion, die den in 1 dargestellten Gegenstand nachbildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion dient bei Verwendung in einem hier nicht dargestellten ALI-Expositionsapparat, in dem die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion anstelle der in 1 dargestellten Originalkonstruktion eingesetzt wird, zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen oder flüssigen Expositionsmedium. Die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion ist einer Standard-Multiwellplatte 16, beispielsweise einer 12-Well-Standard-Multiwellplatte, in der Anzahl und Anordnung der in 1 dargestellten Wells 14 einschließlich darin aufgenommener bzw. eingehängter Wells 10 sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet. Die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion ersetzt auch den in 1 dargestellten Teil, der das Erhaltungsmedium 12 aufweist.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion vorwiegend aus Kunststoff in einem additiven Herstellungsverfahren, nämlich in einem 3D-Druckverfahren, gefertigt.
Der in 1 dargestellte Boden des Wells 10, insbesondere der in 1 dargestellte permeable Träger 20 samt biologischem Testsystem 18, ist in der Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion durch einen in 2 dargestellten mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor 22, vorliegend in Form eines Quarzes als piezoelektrischen Resonator, ersetzt. Die Anordnung des Schwingsensors 22 ist dabei derart, dass dessen Auffangfläche der in 1 dargestellten Oberfläche des biologischen Testsystems 18 gleichkommt. Die Auffangfläche wird durch eine Oberfläche des Quarzes gebildet.
2 zeigt weiterhin die mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigte Nachbildung 24 eines Teils des in 1 dargestellten Wells 10. Der andere Teil des in 1 dargestellten Wells 10, nämlich dessen Boden bzw. vorliegend der Träger 20 samt biologischem Testsystem 18, ist durch den in 2 dargestellten Schwingsensor 22 ersetzt. Die Geometrie der durch die Nachbildung 24 und den Schwingsensor 22 gebildeten Ausnehmung entspricht der Geometrie des in 1 dargestellten Wells 10.
2 zeigt weiterhin die mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigte Nachbildung 26 eines Teils der in 1 dargestellten Multiwellplatte 16, die mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigte Nachbildung 27 eines Teils des in 1 dargestellten Wells 14, und außerdem die mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigte Nachbildung 28 eines Teils des in 1 dargestellten Erhaltungsmedium 12. Das Material der Nachbildung 28 wird dabei so gewählt, dass dieses eine ähnliche Wärmekapazität und/oder eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit wie das in 1 dargestellte Erhaltungsmedium 12 aufweist. Um die Originalkonstruktion noch besser nachzubilden, kann es vorteilhaft sein, wenn das in 1 dargestellte Erhaltungsmedium 12 durch eine Flüssigkeit ersetzt wird, die in der in 2 dargestellten Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion an entsprechende Stelle angeordnet und dicht eingeschlossen ist.
Die anderen Teile der in 1 dargestellten Multiwellplatte 16 und des Erhaltungsmediums 12 werden wie ersichtlich durch Dichtungen 30, 32, eine Leiterplatte 34 und durch eine Bodenplatte 36 mit Befestigungsmitteln 38 ersetzt. Die Bodenplatte 36 dient dabei zur Fixierung der Dichtungen 30, 32, der Leiterplatte 34 und des Schwingsensors 22. Die Bodenplatte 36 wird mittels geeigneter Befestigungsmittel 38, beispielsweise Klemmen, Klebstoffe oder wie vorliegend Schrauben, mit der Nachbildung 26 der Standard-Multiwellplatte verbunden.
In 2 sind weiterhin elektrische Kontakte 40 dargestellt, die auf der Unterseite des Schwingsensors 22 angeordnet und mit der Leiterplatte 34 verbunden sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn ein Bereich zwischen dem Schwingsensor 22 und der Bodenplatte 38 mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt ist. Dadurch lassen sich bei der Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion vorteilhaft die thermischen Verhältnisse, wie sie bei der Originalkonstruktion mit Erhaltungsmedium 12 anzutreffen sind, identisch repräsentieren.
Die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion entspricht in Originalabmessung und Materialähnlichkeit demjenigen Teil des ALI-Expositionsapparats, der durch die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion im ALI-Expositionsapparat ersetzt wird. Dadurch ist eine Kompatibilität gegeben, wodurch eine Ersatzsituation zur repräsentativen Ermittlung deponierter Partikelmassen auf der Oberfläche von biologischen Testsystemen mittels Schwingsensor geschaffen wird.
3 zeigt schematisch in Draufsicht eine Standard-Multiwellplatte 16 nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem ALI-Expositionsapparat.
Bei dieser Standard-Multiwellplatte 16 handelt es sich um eine 12-Well-Standard-Multiwellplatte. Hierbei sind jeweils vier Wells 14 in einer Reihe 42 angeordnet, wodurch sich drei Reihen 42 ergeben. Jede Reihe 42 bildet eine experimentelle Gruppe 44, 46 und 48 bildet.
Wie in 3 ersichtlich sind einige Wells 14 der Standard-Multiwellplatte 16 mit Erhaltungsmedium 12 gefüllt. In diesen mit Erhaltungsmedium 12 gefüllten Wells 14 ist jeweils ein als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildetes Well 10 eingehängt. Bei der vorliegenden Standard-Multiwellplatte 16 sind wie ersichtlich zwei der Wells, vorliegend mit Bezugsziffer 50 gekennzeichnet, aus experimentellen Gründen unbesetzt, enthalten also weder Erhaltungsmedium 12 noch ein als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildetes Well 10. In der Gruppe 44 sind alle Wells 14 mit einem Erhaltungsmedium 12 und jeweils einem als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildeten Well 10 versehen. Jedes Well 10 weist einen Boden auf, der als permeabler Träger mit biologischen Testsystem 18 ausgebildet ist. Diese Gruppe 44 bzw. das jeweilige biologische Testsystem 18 wird einem gasförmigen Expositionsmedium, beispielsweise einem Aerosol, ausgesetzt. In der Gruppe 46 sind zwei Wells 14 mit einem Erhaltungsmedium 12 und jeweils einem als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildeten Well 10 versehen. Jedes Well 10 weist einen Boden auf, der als permeabler Träger mit biologischen Testsystem 18 ausgebildet ist. Diese mit einem Erhaltungsmedium 12 und jeweils einem als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildeten Well 10 versehenen Wells 14 der Gruppe 46 werden keinem gasförmigen Expositionsmedium ausgesetzt und dienen der Kontrolle. In der Gruppe 48 sind alle Wells 14 mit einem Erhaltungsmedium 12 und jeweils einem als Kulturgefäß bzw. Insert ausgebildeten Well 10 versehen. Jedes Well 10 weist einen Boden auf, der als permeabler Träger mit biologischen Testsystem 18 ausgebildet ist. Diese Gruppe 48 bzw. das jeweilige biologische Testsystem 18 wird einem gasförmigen Expositionsmedium, beispielsweise einem Kontroll-Aerosol, ausgesetzt.
4 zeigt schematisch in Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion, die den in 3 dargestellten Gegenstandes nachbildet, um in einem ALI-Expositionsapparat verwendet zu werden.
Die Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion ersetzt die in 3 dargestellte Originalkonstruktion innerhalb eines hier nicht dargestellten ALI-Expositionsapparats, um damit die in der Originalkonstruktion auf die Oberfläche des biologischen Testsystems, beispielsweise einer ALI-Kultur aus Zellen oder Geweben, deponierten Partikelmassen repräsentativ mittels eines Schwingsensors 22, der Elektroden 23 zum Anlegen eines elektrischen Feldes aufweist, zu ermitteln.
Bei dieser mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigten Nachbildung 26 der in 3 dargestellten Standard-Multiwellplatte 16 handelt es sich um eine nachgebildete 12-Well-Standard-Multiwellplatte. Hierbei sind wie bei der in 3 dargestellten Originalkonstruktion jeweils vier nachgebildete Wells in einer Reihe 52 angeordnet, wodurch sich drei Reihen 52 ergeben. Jede Reihe 52 bildet wie in 3 eine experimentelle Gruppe 54, 56 und 58 bildet.
Die in 4 dargestellten nachgebildeten Wells unterscheiden sich wie folgt.
Bei den zu den Gruppen 54 und 58 gehörenden Wells handelt es sich um solche, wie sie jeweils für sich in 3 dargestellt sind. Diese nachgebildeten Wells weisen jeweils einen Schwingsensor 22 auf. Die zur Gruppe 56 gehörenden Wells umfassen einerseits zwei Wells, wie sie in 3 dargestellt sind, allerdings ohne Schwingsensor 22. Diese beiden Wells sind randseitig innerhalb der Gruppe 56 angeordnet und mit der Bezugsziffer 60 gekennzeichnet. Die zur Gruppe 56 gehörenden Wells umfassen andererseits zwei Wells, die lediglich das in 1 dargestellte Well 14 nachbilden. Diese beiden Wells sind mittig innerhalb der Gruppe 56 angeordnet und mit der Bezugsziffer 62 gekennzeichnet.
In der Gruppe 54 weisen alle Wells einen Schwingsensor zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen Expositionsmedium, beispielsweise in einem Aerosol, auf.
In der Gruppe 56 sind alle Wells ohne einen Schwingsensor ausgebildet. Diese Wells der Gruppe 56 werden keinem gasförmigen Expositionsmedium ausgesetzt und dienen der Kontrolle.
In der Gruppe 58 weisen alle Wells einen Schwingsensor 22 zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen Expositionsmedium, beispielsweise in einem Kontroll-Aerosol, auf.
Dargestellt sind weiterhin eine stirnseitig an der Vorrichtung bzw. Ersatzkonstruktion angeordnete Anschlussbuchse 64 zur elektrischen Kontaktierung der Schwingsensoren 22 und mehrere elektrische Kontakte 66 an der Anschlussbuchse 64, die 66 elektrisch mit einem externen Steuersystem verbindbar sind.
Bezugszeichenliste
(ist Teil der Beschreibung)

10: Well (Kulturgefäß, Insert)
12: Erhaltungsmedium
14: Well einer Standard-Multiwellplatte
16: Standard-Multiwellplatte
18: biologisches Testsystem
20: permeabler Träger
22: Schwingsensor
23: Elektrode
24: Nachbildung (Teil eines Wells 10)
26: Nachbildung (Teil der Standard-Multiwellplatte 16)
28: Nachbildung (Teil des Erhaltungsmediums 12)
30: Dichtung
32: Dichtung
34: Leiterplatte
36: Bodenplatte
38: Befestigungsmittel
40: elektrische Kontakte
42: Reihe
44: Gruppe
46: Gruppe
48: Gruppe
50: unbesetztes Well 14
52: Reihe
54: Gruppe
56: Gruppe
58: Gruppe
60: Nachbildung Well (ohne Schwingsensor)
62: Nachbildung Well (ohne Schwingsensor)
64: Anschlussbuchse
66: elektrische Kontakte

Claims

Vorrichtung umfassend eine Konstruktion, die zumindest einer Standard-Multiwellplatte in der Anzahl und Anordnung der Wells und gegebenenfalls darin eingehängter als Inserts ausgebildeter Wells sowie in der Breite, in der Länge und vorzugsweise auch in der Höhe nachgebildet ist, zur quantitativen und/oder qualitativen Analyse von Substanzen in einem gasförmigen oder flüssigen Medium, insbesondere in einem gasförmigen oder flüssigen Expositionsmedium oder einem flüssigen Erhaltungsmedium, wobei das gasförmige oder flüssige Medium zumindest einem Well (10) zuleitbar ist, wobei der Boden des Wells (10) durch zumindest einen mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor (22), vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, als Ersatz eines insbesondere ein biologisches Testsystem (18) tragenden Bodens, beispielsweise einer ein biologisches Testsystem (18) tragenden permeablen Trägers (20), eines Wells (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion derart ausgebildet ist, dass das Medium, vorzugsweise das gasförmige oder flüssige Expositionsmedium, von oben auf die die Oberseite des Schwingsensors (22) bildende Auffangfläche leitbar ist und/oder dass das Medium, vorzugsweise das flüssige Erhaltungsmedium, von unten auf die die Unterseite des Schwingsensors (22) bildende Auffangfläche leitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest die Standard-Multiwellplatte (16) eines ALI-Expositionsapparats, welche (16) zumindest ein mit einem biologischen Testsystem (18) versehenes Well (10) aufweist, reversibel ersetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Schwingsensors (22) derart ist, dass dessen Auffangfläche der Oberfläche des biologischen Testsystems (18) des ersetzten das biologische Testsystem (18) tragenden Bodens (20) gleichkommt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Konstruktion umfasst, die neben der Standard-Multiwellplatte eines ALI-Expositionsapparats auch zumindest einen anderen Teil des ALI-Expositionsapparats nachbildet und diesen reversibel ersetzt, vorzugsweise denjenigen Teil des ALI-Expositionsapparats, der das Erhaltungsmedium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhaltungsmedium in der Konstruktion durch ein festes Material, insbesondere durch einen Kunststoff, oder durch ein flüssiges Material, das dicht in der Konstruktion eingeschlossen ist, ersetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese oder die Konstruktion aus einem oder mehr als einem Material gefertigt ist, das im Wesentlichen die gleichen Wärmekapazitätseigenschaften und/oder Wärmeleitungseigenschaften aufweist wie der oder die reversibel ersetzbaren Teile des ALI-Expositionsapparats.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese oder die Konstruktion aus einem oder mehr als einem Kunststoff gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese oder die Konstruktion in einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangfläche des Schwingsensors (22) derart oberflächenbehandelt bzw. oberflächenbeschichtet ist, dass sich wenigstens eine Substanz, beispielsweise Wasser, Biomoleküle oder Geruchsstoffe, des Mediums selektiv an der Auffangfläche des Schwingsensors (22) bindet oder anlagert und dadurch quantifizierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangfläche des Schwingsensors (22) hygroskopisch beschichtet ist, dass sich Wasser aus dem Medium, insbesondere dem gasförmigen Expositionsmedium, auf der Auffangfläche des Schwingsensors (22) bindet und dadurch quantifizierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangfläche des Schwingsensors (22) mit Reaktionspartnern für spezifisch zu bestimmende im Medium enthaltene Substanzen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangfläche des Schwingsensors (22) ein biologisches System und damit eine biologische Oberflächenbeschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese dort anwendbar ist, wo gleichzeitig eine größere Anzahl von Proben zu untersuchen ist, und Laborgeräte, insbesondere Schüttelgeräte, Heizgeräte, Pipettiergeräte oder Mikroskope, zur Verfügung stehen, die für die Verwendung von Standard-Multiwellplatten eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese 12 Wells, nämlich 3 x 4 Wells, aufweist, wobei vier in Reihe (52) angeordnete Wells (24) einer ersten randseitigen Gruppe (54) von Wells (24) jeweils einen Schwingsensor (22) aufweisen, wobei vier in Reihe (52) angeordnete Wells (60, 62) einer zweiten mittleren Gruppe (56) von Wells (60, 62) keine Schwingsensoren (22) aufweisen und wobei vier in Reihe (52) angeordnete Wells (24) einer dritten randseitigen Gruppe (58) von Wells (24) jeweils einen Schwingsensor (22) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise stirnseitig eine Anschlussbuchse (64) zur elektrischen Kontaktierung der Schwingsensoren (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (66) der Anschlussbuchse (64) elektrisch mit einem externen Steuersystem verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser eine mit den Schwingsensoren (22) elektrisch verbundene Steuerelektronik, vorzugsweise mit einer eigenen Energiequelle und/oder mit einem entnehmbaren Datenspeicher, integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Schwingsensors (22) eine Flüssigkeit angeordnet ist, die vorzugsweise mittels einer Bodenplatte (36) und Dichtungen (30, 32) in der Konstruktion eingeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion neben zumindest einem Well (27), dessen Boden durch zumindest einen mit einer Auffangfläche für die zu analysierenden Substanzen versehenen Schwingsensor (22), vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, ausgebildet ist, wenigstens ein Well (10) aufweist, dessen Boden als permeabler Träger (20) ausgebildet ist oder einen solchen aufweist, wobei auf diesem ein biologische Testsystem (18) angeordnet ist, wobei an den Schwingsensor und/oder an das biologische Testsystem von unten und/oder von oben ein Medium, vorzugsweise von unten ein flüssiges Erhaltungsmedium und/oder vorzugsweise von oben ein gasförmiges oder flüssiges Expositionsmedium, heranführbar ist,
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass diese 12 Wells, nämlich 3 x 4 Wells, aufweist, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer ersten randseitigen Gruppe von Wells ein Well mit einem Schwingsensor (22) und drei Wells mit jeweils einem biologischen Testsystem (18) aufweisen, wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer zweiten mittleren Gruppe von Wells keine Schwingsensoren (22) und kein biologisches Testsystem (18) aufweisen und wobei vier in Reihe angeordnete Wells einer dritten randseitigen Gruppe von Wells ein Well mit einem Schwingsensor und drei Wells mit jeweils einem biologischen Testsystem aufweisen.