DE102020118369B3 - Exposure apparatus - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit biologischen Testsystemen, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre mit einem Expositionsmedium beaufschlagt werden.The invention relates to an exposure apparatus for carrying out in-vitro experiments with biological test systems which are perfused with an exposure medium while forming an exposure atmosphere.
Description
Die Erfindung betrifft einen Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre auf bzw. oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind.The invention relates to an exposure apparatus for carrying out in vitro experiments with technical replicas of at least one biological test system, which can be exposed to an exposure medium perfusively with the formation of an exposure atmosphere on or above the biological test system.
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, so genannte Exposition.When performing in vitro experiments with biological test systems, in particular with cells, cell cultures or tissues, a substance is usually brought into contact with the biological test system, so-called exposure, regardless of the objective of the experiments or the investigations.
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 bilden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, wenn das Expositionsmedium ohne Substanz bzw. Test- oder Prüfsubstanz ausgebildet ist.The biological test system or biological test system is exposed to an exposure atmosphere that is formed by an exposure medium. The exposure medium can contain the substance, which is also referred to as test substance or test substance, and / or form it. In some cases it may be desirable for the exposure medium to be in the form of a substance or test substance or test substance.
Bei dem biologischen Testsystem kann es sich um eine Eukaryonten-Kultur, besonders bevorzugt um Zelllinien, Primärzellisolate, Gewebeschnitte, rekonstruierte Gewebe wie Kokulturen, oder genetisch veränderte Zellen, oder eine Prokaryonten-Kultur handeln.The biological test system can be a eukaryote culture, particularly preferably cell lines, primary cell isolates, tissue sections, reconstructed tissue such as cocultures, or genetically modified cells, or a prokaryote culture.
Das Expositionsmedium kann flüssig oder gasförmig sein.The exposure medium can be liquid or gaseous.
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, zerstäubte Flüssigkeiten, kleine Flüssigkeitströpfchen (beispielsweise Pflanzenschutzmittel als Sprühnebel, etc.), Schwebeteilchen, Feststoffpartikel (beispielsweise Holzstaub, etc.), gasförmige Suspensionen, zerstäubte Suspensionen oder Emulsionen als zu tragende Substanzen in dem Trägergas enthalten sein.The gaseous exposure medium can be present as a pure gas or gas mixture, i.e. H. all substances contained therein, in particular atoms, molecules, etc., are in the gas phase, and / or it can also serve as a carrier for solid and / or liquid substances. In particular, aerosols, atomized liquids, small liquid droplets (e.g. pesticides as spray mist, etc.), suspended particles, solid particles (e.g. wood dust, etc.), gaseous suspensions, atomized suspensions or emulsions can be contained in the carrier gas as substances to be carried.
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.The in-vitro experiments mentioned can involve targeted manipulations using pharmacologically active substances. The in-vitro experiments mentioned can also be those that are intended to influence cell growth or differentiation, for example in the context of so-called tissue engineering techniques. The in-vitro experiments mentioned can also be toxicological investigations of a wide variety of substances or substances.
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.With regard to the way in which the substances are brought into contact with the biological test systems, a basic distinction can be made between two modes of operation, namely on the one hand static exposure and on the other hand dynamic exposure, which is also referred to as perfusion or perfusive exposure.
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.In the case of static exposure, the substance is added once or repeatedly, in particular additively, but not continuously, to the biological test system, on which it then remains for a certain period of time without being exchanged.
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.In the case of dynamic exposure, the substance is continuously added and discharged, for example in order to generate greater effectiveness or sensitivity in the investigation, or due to physical / chemical or other properties of the test substances, the biological test system or other boundary conditions of the investigation.
Zur Durchführung von dynamischen Expositionen bzw. Perfusionsexpositionen mit Expositionsmedien ist in der
Der in der
- • Verwendung von in vitro kultivierten Zellen und Geweben
- • Verwendung von so genannten „Membrankulturen“, d.h. Zellen und Gewebe, die auf mikroporösen oder filterartigen Substraten kultiviert wurden
- • Verwendung einer möglichst großen Anzahl von Kulturen in einem einzigen experimentellen Ansatz (in verschiedenen „Wells“) als Voraussetzung zur Realisierung von Experimenten im höheren Durchsatz („Higher Throughput“, „HT“), resultierend in einer Verkleinerung der Fläche der einzelnen Kultur.
- • Oberseitige („apikale“) Heranführung eines Mediums (z.B. ein Aerosol in der Gasphase) an die Kultur („Expositionsmedium“)
- • Definierte Verteilung des Expositionsmediums über unterschiedliche Kulturen (als „technische Replikate“ verwendete, identisch behandelte Wells).
- • Versorgung der Kulturen mit Kulturmedium
- • Konstruktive Trennung der Bereiche, die der Heranführung des Expositionsmediums dienen, und der Bereiche, die der Kulturmediumversorgung dienen, um einen Kontakt und damit die physikalisch chemische Vermischung der beiden Medien auszuschließen
- • Thermostatisierung
- • Gezielte Wärmeverteilung, um Effekte wie „thermische Präzipitation“, auch „Thermophorese“ genannt, durch gezielt eingestellte Temperaturgradienten vorwiegend zwischen den Oberflächen der Kulturen und dem überströmenden Expositionsmedium zu ermöglichen
- • Beobachtung der Kulturen mittels fluoreszenzspektroskopischer Methoden in der Expositionssituation, z. B. durch Fluoreszenzmikroskopie oder ähnlichen Systemen, die als „Multiwell Platten Reader“ bekannt sind
- • Verwirklichung der technischen Lösung in Form eines möglichst kompakten Expositionsapparats
- • Use of cells and tissues cultivated in vitro
- • Use of so-called “membrane cultures”, ie cells and tissue that have been cultivated on microporous or filter-like substrates
- • Use of the largest possible number of cultures in a single experimental approach (in different "wells") as a prerequisite for carrying out experiments with higher throughput ("Higher Throughput", "HT"), resulting in a reduction in the area of the individual culture.
- • Upper ("apical") approach of a medium (eg an aerosol in the gas phase) to the culture ("exposure medium")
- • Defined distribution of the exposure medium over different cultures (identically treated wells used as "technical replicates").
- • Supply of cultures with culture medium
- • Constructive separation of the areas that serve to bring the exposure medium up and the areas that serve to supply the culture medium in order to exclude contact and thus the physico-chemical mixing of the two media
- • Thermostatic control
- • Targeted heat distribution in order to enable effects such as “thermal precipitation”, also known as “thermophoresis”, through specifically set temperature gradients mainly between the surfaces of the cultures and the overflowing exposure medium
- • Observation of the cultures using fluorescence spectroscopic methods in the exposure situation, e.g. B. by fluorescence microscopy or similar systems known as "multiwell plate readers"
- • Realization of the technical solution in the form of an exposure apparatus that is as compact as possible
Der in der
Die Nutzung von Wellplatten mit einer höheren Anzahl von Wells resultiert in verschiedenen strömungstechnischen, physikalischen und konstruktiven Konsequenzen, die eine reine Skalierung des in der
Weitere Expositionsapparate sind aus der
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre auf bzw. oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind, zu verbessern, insbesondere diesen so zu verbessern, dass sich dieser für Plattenformate mit höherem Durchsatz, z.B. für 96-Wellplatten, eignet.On the basis of this prior art, the invention is based on the object of developing an exposure apparatus for carrying out in vitro experiments with technical replicates of at least one biological test system, which can be exposed to an exposure medium perfusively with the formation of an exposure atmosphere on or above the biological test system, to improve, in particular to improve it so that it is suitable for plate formats with higher throughput, e.g. for 96-well plates.
Diese Aufgabe wird mit einem Expositionsapparat, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved with an exposure apparatus which has the features of claim 1. Further developments and advantageous configurations of the invention emerge from the subclaims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die reine Skalierung des in der
- • Eine Vervielfachung des Prinzips der individuellen Exposition einzelner Wells resultiert ebenso in der Notwendigkeit der entsprechenden Vervielfachung der Erzeugung von extern betriebenen Expositionsflüssen. Dies stellt einen erheblichen technischen Aufwand und eine erhöhte experimentelle Unsicherheit dar und führt zu einem massiven Raumbedarf der experimentellen Installation.
- • Die geometrischen Verhältnisse der einzelnen Wells in Plattensystemen mit einer höheren Anzahl von Wells, beispielsweise bei 96- Wellplatten, sind aus der Notwendigkeit des Beibehaltens der äußeren Plattenabmessungen, insbesondere aus Kompatibilitätsgründen, deutlich anders als in Multiwellplatten mit weniger Wells, beispielsweise bei 6- oder 12-Wellplatten. Mit zunehmender Anzahl von Wells pro Multiwellplatte wird daher das geometrische Verhältnis der Höhe des Wells zu seiner Bodenfläche immer größer; die Wells werden in ihrem Querschnitt immer schmaler und höher.
- • A multiplication of the principle of the individual exposure of individual wells also results in the necessity of the corresponding multiplication of the generation of externally operated exposure flows. This represents a considerable technical effort and increased experimental uncertainty and leads to a massive space requirement for the experimental installation.
- • The geometrical relationships of the individual wells in plate systems with a higher number of wells, for example with 96-well plates, are clearly different than in multiwell plates with fewer wells, for example with 6 or 12-well sheets. As the number of wells per multiwell plate increases, the geometric ratio of the height of the well to its base area increases; the wells become ever narrower and taller in their cross-section.
Expositionsapparate, wie sie beispielsweise in der
Ein Arbeiten ohne jegliches Einleitungsrohr, das auf einer rein diffusiven oder durch Sedimentation getriebenen Abscheidung von Stoffen aus dem Expositionsmedium führen würde, wäre durch den hierdurch erzeugten Mangel an Effektivität und Reproduzierbarkeit ebenfalls kein vorteilhafter Weg.Working without any inlet pipe, which would lead to a purely diffusive or sedimentation-driven separation of substances from the exposure medium, would also not be an advantageous option due to the lack of effectiveness and reproducibility that this creates.
Die Erfindung sieht deshalb einen Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems, die perfusiv unter Ausbildung einer Expositionsatmosphäre auf bzw. oberhalb des biologischen Testsystems mit einem Expositionsmedium beaufschlagbar sind, vor, der einen Expositionsaufsatz umfasst, der auf eine Multiwellplatte aufsetzbar ist, wobei der Expositionsapparat
- • mehrere Ableitungsrohre aufweist, die jeweils einem bestimmten, mit biologischem Testsystem versehenen Well der Multiwellplatte zugeordnet sind, wobei das Ableitungsrohr nach dem Aufsetzen des Expositionsaufsatzes auf die Multiwellplatte mit dem unteren Ende in den Well ragt,
- • zumindest einen Ableitungsraum aufweist, in den die Ableitungsrohre mit ihren oberen Enden münden,
- • zumindest einen Ableitungsanschluss aufweist, der mit zumindest einem Ableitungsraum strömungsverbunden ist und an dem eine Unterdruck erzeugende Vorrichtung anschließbar ist,
- • mehrere Zuleitungsrohre aufweist, die jeweils einem bestimmten, mit biologischem Testsystem versehenen Well der Multiwellplatte zugeordnet sind, wobei das Zuleitungsrohr nach dem Aufsetzen des Expositionsaufsatzes auf die Multiwellplatte mit seinem unteren Ende in den Well mündet,
- • zumindest einen Zuleitungsraum aufweist, in den die Zuleitungsrohre mit ihren oberen Enden münden,
- • zumindest einen Zuleitungsanschluss aufweist, der mit zumindest einem Zuleitungsraum strömungsverbunden ist und an dem eine Expositionsmediumquelle anschließbar ist,
wobei das untere Ende des Ableitungsrohres näher am Boden des Wells bzw. am biologischen Testsystem angeordnet ist als das untere Ende des Zuleitungsrohres,
wobei mittels der am Ableitungsanschluss angeschlossenen und einen Unterdruck erzeugenden Vorrichtung, ein Expositionsmedium aus der am Zuleitungsanschluss angeschlossenen Expositionsmediumquelle in den Zuleitungsraum, von dort in die mit dem Zuleitungsraum verbundenen Zuleitungsrohre, von dort zur Ausbildung der Expositionsatmosphäre in das jeweils einem Zuleitungsrohr zugeordnete Well bzw. über das darin angeordnete biologische Testsystem, von dort in das jeweils dem Well zugeordnete Ableitungsrohr, von dort in den mit den Ableitungsrohren strömungsverbundenen Ableitungsraum zum Ableitungsanschluss leitbar bzw. förderbar ist.The invention therefore provides an exposure apparatus for carrying out in-vitro experiments with technical replicates of at least one biological test system, which can be exposed to an exposure medium perfusively with the formation of an exposure atmosphere on or above the biological test system, which comprises an exposure attachment that is exposed to a multiwell plate can be attached, whereby the exposure apparatus
- • has several drainage tubes which are each assigned to a specific well of the multiwell plate provided with a biological test system, the drainage tube protruding into the well with the lower end after the exposure attachment has been placed on the multiwell plate,
- • has at least one drainage space into which the drainage pipes open with their upper ends,
- • has at least one discharge connection which is flow-connected to at least one discharge space and to which a device generating negative pressure can be connected,
- • has several feed pipes, each assigned to a specific well of the multiwell plate provided with a biological test system, the lower end of the feed pipe opening into the well after the exposure attachment has been placed on the multiwell plate,
- • has at least one supply space into which the supply pipes open with their upper ends,
- • has at least one supply line connection which is flow-connected to at least one supply line space and to which a source of exposure medium can be connected,
wherein the lower end of the drainage tube is arranged closer to the bottom of the well or to the biological test system than the lower end of the supply tube,
whereby, by means of the device connected to the discharge connection and generating a negative pressure, an exposure medium from the exposure medium source connected to the feed connection into the feed space, from there into the feed pipes connected to the feed space, from there to the formation of the exposure atmosphere into the well or via the respective feed pipe the biological test system arranged therein can be guided or conveyed from there into the drainage pipe assigned to the respective well, from there into the drainage space that is flow-connected to the drainage pipes to the drainage connection.
Der in der
Der erfindungsgemäße Expositionsapparat zeichnet sich gegenüber dem in der
Eine gestaltbare dichte Heranführung des Expositionsmediums an das biologische Testsystem wird dennoch möglich durch das Ableitungsrohr, das vorteilhaft in gewünschter Weise eng gestaltet werden kann, da Verluste durch ein ungünstiges Querschnitt/LängenVerhältnis beim Abtransport des Expositionsmedium vom biologischen Testsystem keine Bedeutung mehr haben.A dense approach of the exposure medium to the biological test system which can be designed is nevertheless possible through the drainage pipe, which can advantageously be made narrow as desired, since losses due to an unfavorable cross-section / length ratio are no longer relevant when the exposure medium is transported away from the biological test system.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Multiwellplatte temperierbar ist, wobei vorzugsweise zumindest eine elektrische Heizvorrichtung, insbesondere eine Heizplatte, oder eine Thermostatisierungseinrichtung, welche vorzugsweise unterhalb der Multiwellplatte angeordnet ist, einsetzbar ist. Die Heizvorrichtung oder Thermostatisierungseinrichtung ist vorteilhaft derart ausgebildet und angeordnet, dass diese die Temperatur eines oder mehrerer Wells bzw. eines Wachstumsmediums zur Optimierung der Wachstumsbedingungen des biologischen Testsystems steuert, wodurch auf einen separaten Inkubator bzw. Brutschrank verzichtet werden kann und insbesondere auch ein laborferner Betrieb des Expositionsapparats möglich ist. Vorteilhaft ist die Heizvorrichtung oder Thermostatisierungseinrichtung derart ausgebildet und angeordnet, dass sich innerhalb des Expositionsapparats ein thermischer Gradient ausbildet, der insbesondere zur gezielten Abscheidung von Substanzen aus einem Aerosolstrom mittels Thermophorese nutzbar ist. Zur Ausbildung des thermischen Gradienten kann es vorteilhaft sein, wenn auch an wenigstes einer anderen nicht unterhalb der Multiwellplatte vorgesehenen Stelle des Expositionsapparates, beispielsweise am Expositionsaufsatz, eine Heizvorrichtung oder Thermostatisierungseinrichtung angeordnet ist.It can be advantageous if the temperature of the multiwell plate can be controlled, wherein preferably at least one electrical heating device, in particular a heating plate, or a thermostating device, which is preferably arranged below the multiwell plate, can be used. The heating device or thermostating device is advantageously designed and arranged in such a way that it controls the temperature of one or more wells or of a growth medium to optimize the growth conditions of the biological test system, whereby on a separate one Incubator or incubator can be dispensed with and, in particular, operation of the exposure apparatus away from the laboratory is possible. The heating device or thermostating device is advantageously designed and arranged in such a way that a thermal gradient is formed within the exposure apparatus, which can be used in particular for the targeted separation of substances from an aerosol flow by means of thermophoresis. To form the thermal gradient, it can be advantageous if a heating device or thermostating device is also arranged at at least one other point of the exposure apparatus not provided below the multiwell plate, for example on the exposure attachment.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das untere Ende des Ableitungsrohres im unteren Drittel, vorzugsweise im unteren Viertel, besonders bevorzugt im unteren Fünftel, ganz besonders bevorzugt im unteren Sechstel des Wells angeordnet ist.It can be advantageous if the lower end of the discharge pipe is arranged in the lower third, preferably in the lower quarter, particularly preferably in the lower fifth, very particularly preferably in the lower sixth of the well.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Ableitungsrohr austauschbar ist, vorzugsweise durch ein Ableitungsrohr mit einer anderen Bemaßung, beispielsweise mit einem anderen inneren Durchmesser und/oder einer anderen Länge, und/oder mit einem anderen Material. Durch die Materialauswahl lassen sich die Eigenschaften des Ableitungsrohres in gewünschter Weise gezielt beeinflussen. So kann die Materialauswahl Einfluss auf die Oberflächeneigenschaft der Innenwandung des Ableitungsrohres haben, wodurch ein Effekt im Hinblick auf die Partikeladsorption an der Innenwandung erzielt wird. Zudem lässt sich durch die Materialauswahl die Elektrostatik, die Wärmeleitung und Wärmekapazität des Ableitungsrohres in gewünschter Weise beeinflussen.It can be advantageous if the discharge pipe is exchangeable, preferably by a discharge pipe with a different dimension, for example with a different inner diameter and / or a different length, and / or with a different material. Through the choice of material, the properties of the discharge pipe can be specifically influenced in the desired manner. The choice of material can thus have an influence on the surface properties of the inner wall of the discharge pipe, as a result of which an effect is achieved with regard to particle adsorption on the inner wall. In addition, the electrostatics, heat conduction and heat capacity of the discharge pipe can be influenced in the desired manner through the choice of material.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Länge, mit der das Ableitungsrohr in das Well ragt, einstellbar ist, vorzugsweise durch Verschieben des Ableitungsrohrs innerhalb des Expositionsaufsatzes.In addition, it can be advantageous if the length with which the drainage tube protrudes into the well is adjustable, preferably by moving the drainage tube within the exposure attachment.
Das Zuleitungsrohr, das auch sehr kurz als einfache Öffnung innerhalb einer Wandung oder als Hülse ausgebildet sein kann, ermöglicht durch seine Ausgestaltung in Länge und Form, auf die strömungstechnische Heranführung des Expositionsmediums an die Oberfläche des biologischen Testsystems, insbesondere an die Zelloberfläche, Einfluss zu nehmen.The supply pipe, which can also be designed as a very short simple opening within a wall or as a sleeve, thanks to its design in length and shape, enables the flow of the exposure medium to the surface of the biological test system, in particular the cell surface, to be influenced .
Es kann vorteilhaft sein, wenn das untere Ende des Zuleitungsrohres im oberen Drittel, vorzugsweise im oberen Viertel, besonders bevorzugt im oberen Fünftel, ganz besonders bevorzugt im oberen Sechstel des Wells angeordnet ist.It can be advantageous if the lower end of the supply pipe is arranged in the upper third, preferably in the upper quarter, particularly preferably in the upper fifth, very particularly preferably in the upper sixth of the well.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Zuleitungsrohr austauschbar ist, vorzugsweise durch ein Zuleitungsrohr mit einer anderen Bemaßung, beispielsweise mit einem anderen inneren Durchmesser und/oder einer anderen Länge, und/oder mit einem anderen Material. Durch die Materialauswahl lassen sich die Eigenschaften des Zuleitungsrohres in gewünschter Weise gezielt beeinflussen. So kann die Materialauswahl Einfluss auf die Oberflächeneigenschaft der Innenwandung des Zuleitungsrohres haben, wodurch ein Effekt im Hinblick auf die Partikeladsorption an der Innenwandung erzielt wird. Zudem lässt sich durch die Materialauswahl die Elektrostatik, die Wärmeleitung und Wärmekapazität des Zuleitungsrohres in gewünschter Weise beeinflussen.It can be advantageous if the feed pipe is exchangeable, preferably by a feed pipe with a different dimension, for example with a different inner diameter and / or a different length, and / or with a different material. The properties of the supply pipe can be influenced in a targeted manner by the choice of material. The choice of material can thus have an influence on the surface properties of the inner wall of the feed pipe, whereby an effect is achieved with regard to particle adsorption on the inner wall. In addition, the electrostatics, heat conduction and heat capacity of the supply pipe can be influenced in the desired manner through the choice of material.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Länge, mit der das Zuleitungsrohr in das Well ragt, einstellbar ist, vorzugsweise durch Verschieben des Zuleitungsrohrs innerhalb des Expositionsaufsatzes.It can be advantageous if the length with which the supply pipe protrudes into the well is adjustable, preferably by moving the supply pipe within the exposure attachment.
Durch das Vorsehen zumindest eines Ableitungsraumes, in den mehrere Ableitungsrohre münden, und zumindest eines Zuleitungsraumes, von dem mehrere Zuleitungsrohre abgehen, und die erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsrichtung des Expositionsmediums, wird eine erhebliche Reduktion des technischen Aufwandes für die notwendigen Steuerungs- und Regelungsaufgaben erreicht.By providing at least one discharge space, into which several discharge pipes open, and at least one feed space, from which several feed pipes branch off, and the flow direction of the exposure medium provided according to the invention, a considerable reduction in the technical effort for the necessary control and regulation tasks is achieved.
Ohne das Vorsehen solcher Zu- und Ableitungsräume und die damit einhergehende Zusammenfassung der Zu- und Ableitungsräume müssten beispielsweise in einer üblichen 96-Wellplatte 96 einzelne Versorgungen mit Expositionsflüssen und 96 Heranführungen des Expositionsmediums realisiert werden. Das entspräche 192 Schlauchanschlüsse auf einer Grundfläche der Multiwellplatte in einem Format von 13 x 8,5 cm und wäre damit nicht mehr handhabbar.Without the provision of such inlet and outlet spaces and the associated combination of inlet and outlet spaces, for example, 96 individual supplies with exposure flows and 96 feeds of the exposure medium would have to be implemented in a standard 96-well plate. That would correspond to 192 hose connections on a base area of the multiwell plate in a format of 13 x 8.5 cm and would therefore no longer be manageable.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Wells der Multiwellplatte in verschiedene Gruppen unterteilbar sind, wobei verschiedene Gruppen von Wells über entsprechend zugeordnete Zu- und Ableitungsrohren mit verschiedenen Zu- und/oder Ableitungsräumen in Verbindung stehen, so dass jede Gruppe von Wells individuell mit gleichen oder unterschiedlichen Expositionsvolumenströmen eines Expositionsmediums mit oder ohne Testsubstanz durchströmt wird.It can be advantageous if the wells of the multiwell plate can be subdivided into different groups, with different groups of wells being connected to different inlet and / or outlet spaces via correspondingly assigned inlet and outlet pipes, so that each group of wells individually with the same or different exposure volume flows of an exposure medium with or without test substance is flowed through.
Die Verbindung zu einer Gruppe führt zu einem um Faktor 8 bei Zusammenlegung von Spalten einer 12 x 8 Multiwellplatte im 96- Wellformat oder um Faktor 12 bei Zusammenlegung von Reihen einer 12 x 8 Multiwellplatte im 96-Wellformat reduzierten vorgenannten Aufwand.The connection to a group leads to a factor of 8 when merging columns of a 12 x 8 multiwell plate in 96-well format or by a factor of 12 when merging rows of a 12 x 8 multiwell plate in 96-well format.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Unterteilung entlang der Reihen und/oder Spalten der Multiwellplatte ausführbar ist. Dabei können auch mehrere Reihen und/oder mehrere Spalten von Wells zu einer Gruppe von Wells gehören.It can be advantageous if the division can be carried out along the rows and / or columns of the multiwell plate. There can also be several Rows and / or several columns of wells belong to a group of wells.
Es kann vorteilhaft sein, wenn einer Gruppe von Wells der Multiwellplatte keine Zu- und Ableitungsrohre zugeordnet sind, wobei diese Gruppe von Wells als so genannte Kontrollprobe im in-vitro-Experiment mitführbar ist.It can be advantageous if no inlet and outlet pipes are assigned to a group of wells of the multiwell plate, this group of wells being able to be carried along as a so-called control sample in the in vitro experiment.
Es kann vorteilhaft sein, wenn eine Gruppe von Wells über entsprechend zugeordnete Zu- und Ableitungsrohre mit einem Zu- und Ableitungsraum in Verbindung steht, durch welche das Expositionsmedium ohne Testsubstanz der Gruppe von Wells zuleitbar und als so genannte Blindprobe im in-vitro-Experiment mitführbar ist.It can be advantageous if a group of wells is connected to an inlet and outlet space via appropriately assigned inlet and outlet pipes through which the exposure medium can be fed to the group of wells without test substance and carried along as a so-called blank sample in the in vitro experiment is.
Es kann vorteilhaft sein, wenn eine Gruppe von Wells über entsprechend zugeordnete Zu- und Ableitungsrohre mit einem Zu- und Ableitungsraum in Verbindung steht, durch welche das Expositionsmedium mit Testsubstanz der Gruppe von Wells zuleitbar und als eigentliche Probe im in-vitro-Experiment mitführbar ist.It can be advantageous if a group of wells is connected to an inlet and outlet space via appropriately assigned inlet and outlet pipes, through which the exposure medium with test substance can be fed to the group of wells and carried along as the actual sample in the in vitro experiment .
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Ableitungsrohr mit einem strömungsbestimmenden, vorzugsweise den Innenquerschnitt des Ableitungsrohrs verengenden Element versehen ist, das vorzugsweise austauschbar am oberen Ende des Ableitungsrohres angeordnet ist.It can be advantageous if the discharge pipe is provided with an element which determines the flow and preferably narrows the internal cross-section of the discharge pipe, which element is preferably arranged exchangeably at the upper end of the discharge pipe.
Durch die Querschnittsverengung wird der Strömungswiderstand zur Erzeugung eines Druckabfalles erhöht. Dadurch können unterschiedliche Expositionsbedingungen und unterschiedliche Expositionsdosierungen eingestellt werden.The narrowing of the cross-section increases the flow resistance to generate a pressure drop. This means that different exposure conditions and different exposure doses can be set.
Unterschiedlich ausgebildete Elemente können auch vorteilhaft dazu genutzt werden, um unterschiedliche Gruppen oder innerhalb von Gruppen unterschiedliche Untergruppen zu definieren. Solche Gruppen oder Untergruppen können auch durch die Verwendung unterschiedlicher biologischer Testsysteme definiert werden.Differently designed elements can also be used advantageously to define different groups or different subgroups within groups. Such groups or subgroups can also be defined using different biological test systems.
Die durch die Ableitungs- und Zuleitungsräume und die zugehörigen Ab- und Zuleitungsrohren vorgenommene Organisation in Reihen oder Spalten führt somit aufgrund der Bildung von Untergruppen zu keiner Beschränkung der Möglichkeiten, die durch die hohe Anzahl von Wells erwünscht sind.The organization in rows or columns carried out by the drainage and supply spaces and the associated drainage and supply pipes therefore does not restrict the possibilities that are desired due to the high number of wells due to the formation of subgroups.
Zur technischen Realisation von definierten, unterdruckgetriebenen Expositionsmediumflüssen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, beispielsweise mechanische Nadelventile oder elektrische Massenflusskontroller. Entscheidend für den sinnvollen technischen Einsatz sind neben der strömungstechnischen Funktionalität auch Bedienbarkeit und Preis. Im erfindungsgemäßen Expositionsapparat soll zuverlässig eine hohe Anzahl von Expositionsmediumflüssen realisiert werden. Gleichzeitig sollen die notwendigen Maßnahmen für den Anwender möglichst geringgehalten werden, da im Vordergrund der Anwendung des Expositionsapparats die Untersuchungen mit den biologischen Testsystemen, beispielsweise Zellkulturen, stehen, die vom Anwender erhebliche Aufmerksamkeit verlangen.There are different possibilities for the technical realization of defined, vacuum-driven exposure medium flows, for example mechanical needle valves or electrical mass flow controllers. In addition to the fluidic functionality, ease of use and price are also decisive for sensible technical use. In the exposure apparatus according to the invention, a high number of exposure medium flows should be realized reliably. At the same time, the necessary measures for the user should be kept as low as possible, since the focus of the application of the exposure apparatus is on the examinations with the biological test systems, for example cell cultures, which require considerable attention from the user.
Strömungsbestimmende Elemente, insbesondere auch so genannte „kritische Düsen“, die durch einen Druckabfall bei gegebenen negativem Vordruck definierte Volumenflüsse erzeugen, sind erfindungsgemäß bevorzugt. Die konstruktive Zusammenführung mit dem Ableitungsrohr ermöglicht zudem eine extrem kompakte Bauweise.Flow-determining elements, in particular also so-called “critical nozzles”, which generate defined volume flows through a pressure drop with a given negative pre-pressure, are preferred according to the invention. The structural merging with the drainage pipe also enables an extremely compact design.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Expositionsaufsatz derart auf die Multiwellplatte aufsetzbar und mit dieser verbindbar ist, dass die sich während des in-vitro-Experiments innerhalb jedes bestimmten Wells ausbildendende Expositionsatmosphäre dicht abgeschlossen ist, wobei nur über das jeweils dem Well zugeordnete Zuleitungsrohr Expositionsmedium dem Well zuleitbar ist und nur über das jeweils dem Well zugeordnete Ableitungsrohr Expositionsmedium aus dem Well ableitbar ist.It can be advantageous if the exposure attachment can be placed on and connected to the multiwell plate in such a way that the exposure atmosphere that forms within each specific well during the in vitro experiment is tightly sealed, with exposure medium only via the supply pipe assigned to the respective well can be fed to the well and exposure medium can only be discharged from the well via the respective discharge tube assigned to the well.
Es kann von Vorteil sein, wenn zum dichten Abschließen der Expositionsatmosphäre ein oder mehr als ein Dichtmittel zwischen Expositionsaufsatz und Multiwellplatte vorgesehen ist.It can be advantageous if one or more than one sealant is provided between the exposure attachment and the multiwell plate to seal off the exposure atmosphere.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Dichtmittel eine das jeweilige Well bzw. die Öffnung des jeweiligen Wells und/oder eine das jeweilige Zuleitungs- und/oder Ableitungsrohr umlaufende Dichtung ist.It can be advantageous if the sealing means is a seal surrounding the respective well or the opening of the respective well and / or a seal surrounding the respective supply and / or discharge pipe.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Dichtmittel eine auf die Multiwellplatte aufbringbare bzw. aufgebrachte und/oder an der zur Multiwellplatte weisenden Seite des Expositionsaufsatzes anbringbare bzw. angebrachte Dichtmatte mit entsprechenden Aussparungen für die bestimmten Wells bzw. Öffnungen der bestimmten Wells und/oder mit entsprechenden Aussparungen für die den bestimmten Wells zugeordneten Zuleitungs- und/oder Ableitungsrohren ist.It can be advantageous if the sealant is a sealing mat that can be or is attached to the multiwell plate and / or attached or attached to the side of the exposure attachment facing the multiwell plate with corresponding recesses for the specific wells or openings of the specific wells and / or with corresponding Recesses for the supply and / or drainage pipes assigned to the specific wells.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Ableitungsrohr zumindest teilweise innerhalb des Zuleitungsrohres angeordnet ist und aus dieser in Richtung Well vorsteht. Zuleitungsrohr und Ableitungsrohr können insoweit zumindest teilweise konzentrisch ausgebildet sein. Vorteilhaft kann die Strömungsführung somit nach dem Rohr-in-Rohr-Prinzip zumindest teilweise entsprechend koaxial im Gegenstrom erfolgen. Es kann vorteilhaft sein, wenn sich das Ableitungsrohr in seinem zum biologischen Testsystem weisenden Endbereich aufweitet, insbesondere konisch oder durch nicht-lineare Veränderung seines Innendurchmessers mit der Länge, z.B. hyperbolischIt can be advantageous if the discharge pipe is arranged at least partially inside the supply pipe and protrudes therefrom in the direction of the well. In this respect, the supply pipe and the discharge pipe can be at least partially concentric. Advantageously, according to the pipe-in-pipe principle, the flow can thus be carried out at least partially in a correspondingly coaxial countercurrent. It can be advantageous if the drainage pipe is in its biological test system facing end area widens, in particular conically or by non-linear change of its inner diameter with the length, for example hyperbolic
Es kann vorteilhaft sein, wenn das durch die Leitungselemente leitbare Expositionsmedium flüssig oder gasförmig ist, wobei das Expositionsmedium mit oder ohne Testsubstanz versehbar ist.It can be advantageous if the exposure medium that can be conducted through the line elements is liquid or gaseous, the exposure medium being able to be provided with or without a test substance.
Erfindungsgemäß sind einzelne Wells, die auch als Vertiefungen oder Kavitäten bezeichnet werden, zur Aufnahme der biologischen Testsysteme auf einer Multiwellplatte im Wesentlichen matrixförmig angeordnet. Bei den Wells kann es sich um Aufnahmen handeln, die bereits in der Multiwellplatte integriert sind, oder um solche, die als separate Kulturgefäße, so genannte Inserts, in vorhandene integrierte Wells oder in entsprechend angeordnete Aussparungen der Multiwellplatte aufgenommen sind. Es kann von Vorteil sein, wenn der Boden wenigstens eines Wells der Multiwellplatte als permeabler Träger ausgebildet ist oder einen solchen gegebenenfalls auch zusätzlich aufweist, wobei auf diesem das biologische Testsystem angeordnet ist. Vorzugsweise kann der permeable Träger eine mikroporöse Membran sein. Zur Aufnahme des biologischen Testsystems kann das Well auch durch ein in die Multiwellplatte einbringbares kommerziell erhältliches so genanntes Cell Culture Insert ausgeführt sein, wobei der permeable Träger die Bodenmembran des Wells bildet.According to the invention, individual wells, which are also referred to as depressions or cavities, for receiving the biological test systems are arranged essentially in the form of a matrix on a multiwell plate. The wells can be receptacles that are already integrated in the multiwell plate or those that are received as separate culture vessels, so-called inserts, in existing integrated wells or in correspondingly arranged recesses in the multiwell plate. It can be advantageous if the bottom of at least one well of the multiwell plate is designed as a permeable carrier or, if necessary, also has such a carrier, on which the biological test system is arranged. Preferably the permeable carrier can be a microporous membrane. To accommodate the biological test system, the well can also be designed as a commercially available so-called cell culture insert that can be introduced into the multiwell plate, the permeable carrier forming the bottom membrane of the well.
Es kann von Vorteil sein, wenn die einen Unterdruck erzeugende Vorrichtung eine Peristaltik-Pumpe für flüssige oder eine Membranpumpe für gasförmige Expositionsmedien ist.It can be advantageous if the device generating a negative pressure is a peristaltic pump for liquid or a membrane pump for gaseous exposure media.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Multiwellplatte ein Erhaltungsmedium zuführbar oder zugeordnet ist, das zur Versorgung des biologischen Testsystems in direktem Kontakt mit der Unterseite des Wells bzw. des permeablen Trägers steht, auf der bzw. dem das biologische Testsystem angeordnet ist. 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.It can be advantageous if a maintenance medium can be supplied to or assigned to the multiwell plate which, for supplying the biological test system, is in direct contact with the underside of the well or the permeable carrier on which the biological test system is arranged. A maintenance medium within the meaning of the invention is understood here and below to mean a culture medium, also referred to as nutrient medium, with or without additives or a salt solution.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Erhaltungsmedium perfusiv, also im kontinuierlichen Durchfluss zuführbar ist, um damit beispielsweise die Anwendung für so genannte „Organ-on-a-chip“ Ansätze, in denen unterschiedliche Organkulturen gemeinsam kultiviert werden, zu ermöglichen, oder so genannte kinetische Transportuntersuchungen hinsichtlich des Stoffübergangs über die exponierten Zellen zu ermöglichen, oder gleichzeitig den exponierten Zellen beispielsweise pharmakologisch wirksame Substanzen durch das Kulturmedium zuführen zu können.It can be advantageous if the maintenance medium can be supplied perfusively, i.e. in continuous flow, in order to enable, for example, the use for so-called “organ-on-a-chip” approaches in which different organ cultures are cultivated together, or something like that to enable said kinetic transport studies with regard to the mass transfer via the exposed cells, or at the same time to be able to supply the exposed cells, for example, pharmacologically active substances through the culture medium.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. In dieser zeigt
-
1 schematisch im Querschnitt einen Teilausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Expositionsapparat.
-
1 schematically, in cross section, a partial section from an exposure apparatus according to the invention.
Der erfindungsgemäße Expositionsapparat zur Durchführung von in-vitro-Experimenten mit technischen Replikaten wenigstens eines biologischen Testsystems
- •
mehrere Ableitungsrohre 20 aufweist, die jeweils einem bestimmten, vorzugsweise mit biologischem Testsystem10 versehenen Well22 der Multiwellplatte 18 zugeordnet sind,wobei das Ableitungsrohr 20 nach dem Aufsetzen des Expositionsaufsatzes16 auf dieMultiwellplatte 18 mitdem unteren Ende 24 indas Well 22 ragt, - • zumindest einen Ableitungsraum
26 aufweist, in den dieAbleitungsrohre 20 mitihren oberen Enden 28 münden, - • zumindest einen hier nicht dargestellten Ableitungsanschluss aufweist, der mit zumindest einem Ableitungsraum
26 strömungsverbunden ist und an dem eine hier nicht dargestellte Unterdruck erzeugende Vorrichtung anschließbar ist, - •
mehrere Zuleitungsrohre 30 aufweist, die jeweils einem bestimmten, vorzugsweise mit biologischem Testsystem10 versehenen Well22 der Multiwellplatte 18 zugeordnet sind,wobei das Zuleitungsrohr 30 nach dem Aufsetzen des Expositionsaufsatzes16 auf dieMultiwellplatte 18 mit seinem unteren Ende32 indas Well 22 mündet, - • zumindest einen Zuleitungsraum
34 aufweist, in den dieZuleitungsrohre 30 mitihren oberen Enden 36 münden, - • zumindest einen hier nicht dargestellten Zuleitungsanschluss aufweist, der mit zumindest einem Zuleitungsraum
34 strömungsverbunden ist und an dem eine hier nicht dargestellte Expositionsmediumquelle anschließbar ist,
wobei das untere
wobei mittels der am Ableitungsanschluss angeschlossenen und einen Unterdruck erzeugenden Vorrichtung,
- • several drainage pipes
20th has, each with a specific, preferably with abiological test system 10 provided well22nd the multiwell plate18th are assigned, the drainage pipe20th after putting on theexposure attachment 16 onto the multiwell plate18th with thelower end 24 in the well22nd protrudes - • at least one drainage room
26th has, in which the drainage pipes20th with their upper ends28 flow out, - • has at least one discharge connection, not shown here, which has at least one discharge space
26th is flow-connected and to which a device that generates negative pressure, not shown here, can be connected, - • several supply pipes
30th has, each with a specific, preferably with abiological test system 10 provided well22nd the multiwell plate18th are assigned, the feed pipe30th after putting on theexposure attachment 16 onto the multiwell plate18th with itslower end 32 in the well22nd flows into - • at least one
supply room 34 has, in which the supply pipes30th with their upper ends36 flow out, - • has at least one lead connection, not shown here, which has at least one
lead space 34 is flow-connected and to which an exposure medium source (not shown here) can be connected,
being the
wherein by means of the device connected to the discharge connection and generating a negative pressure, an exposure medium
Vorliegend sind Wells
Der Expositionsaufsatz
Zum dichten Abschließen der Expositionsatmosphäre
Erfindungsgemäß ist vorliegend jedes Ableitungsrohr
In
Durch die Heizvorrichtung oder Thermostatisierungseinrichtung wird erreicht, dass sich innerhalb des Expositionsapparats ein thermischer Gradient ausbildet, der insbesondere zur gezielten Abscheidung von Substanzen aus einem Aerosolstrom mittels Thermophorese nutzbar ist.The heating device or thermostating device ensures that a thermal gradient is formed within the exposure apparatus, which can be used in particular for the targeted separation of substances from an aerosol flow by means of thermophoresis.
Das Ableitungsrohr
Zur Ausbildung des thermischen Gradienten ist der Expositionsapparat schichtartig aufgebaut und umfasst einen oberen Abschluss
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- biologisches Testsystembiological test system
- 1212th
- ExpositionsatmosphäreExposure atmosphere
- 1414th
- ExpositionsmediumExposure medium
- 1616
- ExpositionsaufsatzExposure essay
- 1818th
- Standard-MultiwellplatteStandard multiwell plate
- 2020th
- AbleitungsrohrDrainage pipe
- 2222nd
- WellWell
- 2424
- unteres Endelower end
- 2626th
- AbleitungsraumDrainage room
- 2828
- oberes Endetop end
- 3030th
- ZuleitungsrohrSupply pipe
- 3232
- unteres Endelower end
- 3434
- ZuleitungsraumSupply room
- 3636
- oberes Endetop end
- 3838
- Bodenfloor
- 4040
- Elementelement
- 4242
- Dichtmittelsealant
- 4444
- oberer Abschlussupper degree
- 4646
- Raum für ErhaltungsmediumSpace for maintenance medium
- 4848
- Oberer Teil des ExpositionsapparatsUpper part of the exposure apparatus
- 5050
- Abgrenzung (Dichtung)Demarcation (seal)
- 5252
- Mittlerer Teil des ExpositionsapparatsMiddle part of the exposure apparatus
- 5454
- unterer Abschluss (mit Heizplatte)lower end (with heating plate)
Claims (24)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020118369.0A DE102020118369B3 (en) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | Exposure apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020118369.0A DE102020118369B3 (en) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | Exposure apparatus |
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DE102020118369B3 true DE102020118369B3 (en) | 2021-11-18 |
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ID=78280803
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DE102020118369.0A Active DE102020118369B3 (en) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | Exposure apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020118369B3 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100112690A1 (en) | 2007-02-27 | 2010-05-06 | David Eddington | Insert device for multiwell plate |
DE102009039868A1 (en) | 2009-09-03 | 2011-03-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Arrangement of explosion devices for carrying out a process for monitoring the effect of a gaseous medium on a biological test system under use of an extra cellular metabolizing system, comprises a permeable carrier |
WO2015027998A1 (en) | 2013-08-30 | 2015-03-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Exposure apparatus |
-
2020
- 2020-07-13 DE DE102020118369.0A patent/DE102020118369B3/en active Active
Patent Citations (3)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |