DE102020131894B4 - Cultivation insert for a culture dish, flow insert for a culture dish and corresponding kit for studying cell dynamics under fluid shear stresses - Google Patents
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Abstract
Kultivierungseinsatz für eine Kulturschale, aufweisend:einen Grundkörper, welcher eine Unterseite und eine Oberseite aufweist,eine durch den Grundkörper verlaufende Durchgangsöffnung, welche sich zwischen der Unterseite und der Oberseite erstreckt;wobei ein erster Rand der Durchgangsöffnung, welcher an der Unterseite angeordnet ist, eine Kultivierungsfläche definiert und eben ausgebildet ist, so dass beim Platzieren des Kultivierungseinsatzes auf eine beliebige ebene Oberfläche der erste Rand vollumfänglich an dieser Oberfläche anliegt.Cultivation insert for a culture dish, comprising: a base body which has a bottom and a top, a through opening running through the base body and extending between the bottom and the top; wherein a first edge of the through opening, which is arranged on the underside, a Cultivation surface is defined and flat, so that when the cultivation insert is placed on any flat surface, the first edge lies fully against this surface.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kultivierungseinsatz für eine Kulturschale, einen Strömungseinsatz für eine Kulturschale und ein entsprechendes Kit, welches diese beiden und die Kulturschale umfasst zum Zwecke des Untersuchens von Zelldynamiken unter Flüssigkeitsschubspannungen.The present invention relates to a cultivation insert for a culture dish, a flow insert for a culture dish and a corresponding kit which includes these two and the culture dish for the purpose of studying cell dynamics under fluid shear stresses.
Die Interaktion von Entzündungszellen, Tumorzellen und Pathogenen (e.g. Bakterien, Viren, Parasiten) mit epithelialen und endothelialen Geweben spielen in der Grundlagenforschung und für die Aufklärung der Pathogenese von Erkrankungen eine wichtige Rolle. So können zum Beispiel Leukozyten in Entzündungsgebieten zunächst an den Zellen adhärieren um im Folgenden durch die Zellschichten in einem komplexen Prozessablauf hindurch wandern (Diapedese oder Transmigration). Es existieren zahlreiche Befunde, die zeigen, dass Flüssigkeitsströmungen wie sie z. B. durch den Blutfluss erzeugt werden einen maßgeblichen Einfluss auf das Endothel und auch Epithel haben sowohl unter physiologischen Bedingungen als auch unter pathologische Bedingungen. Zudem regieren auch suspendierte Zellen auf Strömungen und verändern dadurch ihre Eigenschaften. Das gilt für nahezu alle Formen von Entzündungszellen und scheint auch Tumorzellen und die Interaktion der Zellen mit Pathogenen maßgeblich zu beeinflussen. Um den Einfluss von Schubspannungen auf Endothelzellen zu untersuchen wurden zahlreiche Systeme entwickelt. Dazu gehören beispielsweise Kegel-Platte-Systeme oder Parallelplatten-Systeme. Für die Interaktion von Leukozyten mit Endothelzellen Systeme werden überwiegend Durchflusskammern verwendet, die auf dem Prinzip der parallel angeordneten Platten basieren und kommerziell erhältlich sind. Parallel-Platten-Strömungskammern zeichnen sich dadurch aus, dass zwei Platten durch einen Abstandshalter, welcher typischerweise eine Dicke zwischen 0,3 und 1 mm aufweist, parallel aufeinander geklebt oder anderweitig miteinander in Verbindung gebracht werden. Zwischen den Platten entsteht ein dreidimensionaler Scherspalt, durch den im Experiment eine Flüssigkeit (z.B. Nährmedium oder Puffer) mittels einer Druckdifferenz (durch hydrostatischen Druck oder Pumpe) über Anschlusstücke hindurchströmt. Zellen können über die Anschlüsse in die Strömungskammer hineingegeben werden, wobei sie sich dann auf einer der Platten anheften und kultiviert werden. Durch Zugabe von Zellsuspensionen in die Strömungskammer kann dann zusätzlich unter Strömungen die Adhäsion suspendierter Zellen (z.B. Leukozyten, Tumorzellen oder andere Zellen) an den Zellrasen bestimmt werden. Die Strömungskammern können ebenfalls zur Untersuchung von Schubspannungseffekten an Endothelzellen verwendet werden.The interaction of inflammatory cells, tumor cells and pathogens (e.g. bacteria, viruses, parasites) with epithelial and endothelial tissues play an important role in basic research and in elucidating the pathogenesis of diseases. For example, leukocytes can initially adhere to the cells in areas of inflammation and then migrate through the cell layers in a complex process (diapedesis or transmigration). There are numerous findings that show that fluid flows such as: B. generated by blood flow have a significant influence on the endothelium and epithelium both under physiological conditions and under pathological conditions. In addition, suspended cells also react to currents and thereby change their properties. This applies to almost all forms of inflammatory cells and also appears to have a significant influence on tumor cells and the interaction of cells with pathogens. Numerous systems have been developed to investigate the influence of shear stresses on endothelial cells. These include, for example, cone-plate systems or parallel plate systems. For the interaction of leukocytes with endothelial cell systems, flow chambers are predominantly used, which are based on the principle of parallel plates and are commercially available. Parallel plate flow chambers are characterized by the fact that two plates are glued to one another in parallel or otherwise connected to one another using a spacer, which typically has a thickness between 0.3 and 1 mm. A three-dimensional shear gap is created between the plates, through which a liquid (e.g. nutrient medium or buffer) flows through connection pieces using a pressure difference (through hydrostatic pressure or a pump) in the experiment. Cells can be added into the flow chamber via the ports, where they then attach to one of the plates and are cultured. By adding cell suspensions to the flow chamber, the adhesion of suspended cells (e.g. leukocytes, tumor cells or other cells) to the cell layer can then also be determined under currents. The flow chambers can also be used to study shear stress effects on endothelial cells.
Der Aufbau der bisher verfügbaren Parallel-Strömungssystemen birgt durch das Prinzip des fixierten Aufbaus wesentliche Probleme mit sich, auf die im Folgenden eingegangen werden soll.
- 1) Die Platte, auf der die Zellen wachsen sollen, kann bei den kommerziell erhältlichen Systemen nicht separat oberflächenbeschichtet werden. Durch die feste Konstruktion der Kammern wird dann die obere Platte immer mit beschichtet. Dadurch kann sich das Strömungsverhalten ändern und muss ggf. immer neu bestimmt werden, was einen erheblichen Aufwand bedeutet.
- 2) Da die Versorgung der Zellen während der Wachstumsphase über Diffusion Nährstoffen und Gasen von den Anschlussstücken her in den Scherspalt hinein erfolgen muss, stellt dieser während der Wachstumsphase ein Nadelöhr dar und führt ungünstiger Weise zu einem Gradienten für Nährstoffe, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Metaboliten. Abhilfe dieses erheblichen Problems kann bei den auf dem Markt erhältlichen Kammern durch eine permanente Perfusion erfolgen, die unmittelbar nach der Aussaat der Zellen beginnen muss. Dieses Vorgehen bedeutet jedoch einen erheblichen zusätzlichen Aufwand, insbesondere wenn mehrere Proben untersucht werden sollen.
- 3) Aufgrund der in der Natur der Sache liegenden Kompaktheit der Parallel-Strömungssysteme gestalten sich experimentelle Manipulationen des Zellrasens, z.B. ein „scratch assay“, sehr schwierig oder sind sogar unmöglich.
- 4) Die Zuläufe zum Scherspalt am Ein- und am Auslass führen zu einer gestörten Strömung, so dass das Strömungsprofil quer zur Längenausdehnung des Scherspaltes als auch entlang der Längsausdehnung des Scherspaltes nicht gleichmäßig ist. Insbesondere liegt kein laminares Strömungsprofil vor.
- 5) Bei den derzeit auf dem Markt verfügbaren Strömungssystemen handelt es sich entweder um aufwendig hergestellte und damit teure Einmalartikel oder um zusammenzusetzende Selbstbauten, die aufwendig zusammengebaut werden müssen.
- 1) The plate on which the cells are to grow cannot be surface-coated separately in commercially available systems. Due to the solid construction of the chambers, the top plate is always coated. As a result, the flow behavior can change and may have to be determined again and again, which means considerable effort.
- 2) Since the cells must be supplied with nutrients and gases during the growth phase via diffusion from the connecting pieces into the shear gap, this represents a bottleneck during the growth phase and unfortunately leads to a gradient for nutrients, oxygen, carbon dioxide and metabolites. This significant problem can be remedied in the chambers available on the market through permanent perfusion, which must begin immediately after the cells have been seeded. However, this procedure involves considerable additional effort, especially if several samples are to be examined.
- 3) Due to the inherent compactness of the parallel flow systems, experimental manipulations of the cell layer, e.g. a “scratch assay”, are very difficult or even impossible.
- 4) The inlets to the shear gap at the inlet and outlet lead to a disturbed flow, so that the flow profile is not uniform across the longitudinal extent of the shear gap or along the longitudinal extent of the shear gap. In particular, there is no laminar flow profile.
- 5) The flow systems currently available on the market are either elaborately manufactured and therefore expensive disposable items or self-assembled items that have to be laboriously assembled.
Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ausgehend von der schlechten Handhabbarkeit und der nicht genau genug definierten Kultur- und Strömungsbedingungen der aus dem Stand der Technik bekannten Strömungskammern, ein entsprechendes System zu bereitzustellen, bei dem diese Probleme behoben oder zumindest teilweise vermieden werden.Against this background, the object of the present invention can be seen as, starting from the poor handling and the culture and flow conditions of the flow chambers known from the prior art, not being defined precisely enough, to provide a corresponding system in which these problems are eliminated or at least can be partially avoided.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Ansatz zugrunde, für die Phase, in welcher der Zellrasen ausgebildet wird, also in welcher die Zellen auf einer Oberfläche ausgesät und kultiviert werden, und für die üblicherweise darauffolgende Phase, in der Experimente an dem herangezüchteten Zellrasen durchgeführt werden, jeweils eine abgewandelte, speziell an die Voraussetzungen dir jeweiligen Phase angepasste Vorrichtung vorzusehen. Die Besonderheit liegt erfindungsgemäß darin, dass beide Vorrichtungen als Aufsätze ausgebildet sind, die in eine Kulturschale einsetzbar sind, beispielsweise in eine kommerziell erhältliche Kulturschale, und dass das mittels einer ersten Vorrichtung in der Kultivierungsphase (nachfolgend als Kultivierungseinsatz bezeichnet) erzielte Ergebnis - der Zellrasen - im Rahmen der Experimentierphase innerhalb einer zweiten Vorrichtung (nachfolgend als Strömungseinsatz bezeichnet) verwendet wird. Hierzu weist sowohl der Kultivierungseinsatz als auch der Strömungseinsatz einen ausgewiesenen Bereich auf, welcher jeweils als Schnittstellenbereich zur verwendeten Kulturschale fungiert. Mittels des Schnittstellenbereiches kann jede der beiden Vorrichtungen an die Kulturschale ankoppeln. Die beiden Schnittstellenbereiche weisen in beiden Vorrichtungen im Wesentlichen die gleiche Größe auf, so dass die Dimension des mittels der Kultiviervorrichtung ausgebildeten Zellrasens an die mittels des Strömungseinsatzes verwendbare Zellrasengröße, insbesondere an einen Boden eines Strömungskanals, angepasst ist.The present invention is based on the approach for the phase in which the cell lawn is formed, i.e. in which the cells are sown on a surface and cultivated, and for the usually subsequent phase in which experiments are carried out on the cultivated cell lawn, a modified device is to be provided that is specifically adapted to the requirements of the respective phase. The special feature according to the invention is that both devices are designed as attachments that can be inserted into a culture dish, for example into a commercially available culture dish, and that the result achieved by means of a first device in the cultivation phase (hereinafter referred to as the cultivation insert) - the cell lawn - is used as part of the experimental phase within a second device (hereinafter referred to as flow insert). For this purpose, both the cultivation insert and the flow insert have a designated area, which each functions as an interface area to the culture dish used. Using the interface area, each of the two devices can be coupled to the culture dish. The two interface areas have essentially the same size in both devices, so that the dimension of the cell lawn formed by means of the cultivation device is adapted to the cell lawn size that can be used by means of the flow insert, in particular to a bottom of a flow channel.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann im Grunde genommen jede beliebige Kulturschale verwendet werden, beispielsweise runde, kommerziell erhältliche Einmalkulturschalen, die entweder komplett aus Kunstsoff (z. B. Polycarbonat) gefertigt sind oder als sogenannte „glas bottom dishes“ vorliegen, also Schalen mit einem Glasboden, wobei der Glasboden hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften einem Mikroskopie-Deckglas entspricht und damit für hochauflösende mikroskopische Bildanalyse geeignet ist. Bei Bedarf können selbstverständlich auch anders geformte Kulturschalen, beispielsweise mit rechteckiger Grundform, verwendet werden. Grundsätzlich kann die Form und Dimension des Kultivierungs- wie auch des Strömungseinsatzes frei gewählt werden mit der Maßgabe, dass ihre Form und Dimension an die damit verwendete Kulturschale angepasst ist.For the purposes of the present invention, basically any culture dish can be used, for example round, commercially available disposable culture dishes, which are either made entirely of plastic (e.g. polycarbonate) or are available as so-called “glass bottom dishes”, i.e. bowls with a glass bottom, whereby the glass bottom corresponds to a microscopy cover glass in terms of its optical properties and is therefore suitable for high-resolution microscopic image analysis. If necessary, differently shaped culture dishes, for example with a rectangular basic shape, can of course also be used. In principle, the shape and dimension of the cultivation and flow insert can be freely chosen, provided that their shape and dimension is adapted to the culture dish used with it.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Untersuchung heterogener Zellinteraktionen und der Zelltransmigration durch Zellrasen mittels lichtmikroskopischer Techniken.The present invention is particularly suitable for studying heterogeneous cell interactions and cell transmigration through cell lawns using light microscopic techniques.
Erfindungsgemäß wird in verschiedenen Ausführungsformen ein Kultivierungseinsatz für eine Kulturschale bereitgestellt mit einem Grundkörper, welcher eine Unterseite und eine Oberseite aufweist und mit einer durch den Grundkörper verlaufende Durchgangsöffnung, welche sich zwischen der Unterseite und der Oberseite erstreckt. Der Kultivierungseinsatz ist so ausgestaltet, dass ein erster Rand der Durchgangsöffnung, welcher an der Unterseite angeordnet ist, eine Kultivierungsfläche definiert und eben ausgebildet ist, so dass beim Platzieren des Kultivierungseinsatzes auf eine beliebige ebene Oberfläche der erste Rand vollumfänglich an dieser Oberfläche anliegt.According to the invention, in various embodiments, a cultivation insert for a culture dish is provided with a base body which has a bottom and a top and with a through opening running through the base body and extending between the bottom and the top. The cultivation insert is designed in such a way that a first edge of the through opening, which is arranged on the underside, defines a cultivation surface and is flat, so that when the cultivation insert is placed on any flat surface, the first edge lies fully against this surface.
Bei dem Kultivierungseinsatz handelt es sich um eine Vorrichtung, welche in eine dazu passende Kulturschale einsetzbar ist. Der Kultivierungseinsatz ist dabei derart ausgestaltet, dass er nach Einsetzen in eine passende Kulturschale mit seiner Unterseite am Boden der Kulturschale abdichtend anliegt. Somit kann der erste Rand der Durchgangsöffnung einem unteren Rand der Durchgansöffnung entsprechen. Der untere Rand der Durchgangsöffnung und der (äußere) Rand der Unterseite des Kultivierungseinsatzes können in einer Ebene angeordnet sein, wobei nach dem Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale diese Ebene parallel zur Bodenfläche der Kulturschale angeordnet ist. Nach Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale definiert der untere Rand der Durchgangsöffnung einen Bereich des Bodens der Kulturschale, welcher freiliegt und auf welchem ein Zellrasen ausgebildet werden kann. Der vom unteren Rand der Durchgangsöffnung begrenzte Bereich ist durch diese während der Kultivierungszeit frei zugängig. Der Kultivierungseinsatz kann insgesamt eine Grundfläche aufweisen, deren Dimension nicht über die Größe der Bodenfläche der Kulturschale hinausgeht, so dass nach dem Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale kein Spiel vorhanden ist. Durch dieses passgenaue Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale ist zugleich die Lage der Kultivierungsfläche innerhalb der Kulturschale präzise und zeitlich invariant festgelegt. Die Kultivierungsfläche kann im Prinzip jede beliebige bzw. gewünschte geometrische Form haben, jedoch kann diese praktischerweise eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen.The cultivation insert is a device that can be inserted into a matching culture dish. The cultivation insert is designed in such a way that after it has been inserted into a suitable culture dish, its underside lies in a sealing manner against the bottom of the culture dish. The first edge of the through-opening can therefore correspond to a lower edge of the through-opening. The lower edge of the through opening and the (outer) edge of the underside of the cultivation insert can be arranged in one plane, with this plane being arranged parallel to the bottom surface of the culture dish after the cultivation insert has been inserted into the culture dish. After inserting the cultivation insert into the culture dish, the lower edge of the through opening defines an area of the bottom of the culture dish, which is exposed and on which a cell lawn can be formed. The area delimited by the lower edge of the passage opening is freely accessible during the cultivation period. The cultivation insert can have a total base area whose dimensions do not exceed the size of the bottom area of the culture dish, so that there is no play after the cultivation insert has been inserted into the culture dish. Through this precise insertion of the cultivation insert into the culture dish, the position of the cultivation area within the culture dish is determined precisely and invariantly over time. The cultivation area can in principle have any desired geometric shape, but for practical purposes it can have a rectangular or square shape.
Der erfindungsgemäße Kultivierungseinsatz kann insbesondere für die Zellkultivierung unter Standardzellkulturbedingungen verwendet werden. Dazu werden im Bereich der Kultivierungsfläche Zellen (z.B. Endothel-, Epithelzellen oder andere Zellen) ausgesät und mit einem Standard-Zellkulturschalendeckel abgedeckt. Durch die bereitgestellte großzügig dimensionierte Durchgangsöffnung, welche insbesondere nach oben hin offen ist, können die Zellen unter Standardzellkulturbedingungen wachsen, da diese Zellen, wie in normalen Zellkulturschalen, in ausreichendem Maße während ihrer Proliferationszeit mit Medium und Gasen versorgt werden.The cultivation insert according to the invention can be used in particular for cell cultivation under standard cell culture conditions. For this purpose, cells (e.g. endothelial, epithelial cells or other cells) are seeded in the area of the cultivation area and covered with a standard cell culture dish lid. The generously dimensioned through-opening provided, which is particularly open at the top, allows the cells to grow under standard cell culture conditions since, as in normal cell culture dishes, these cells are adequately supplied with medium and gases during their proliferation time.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kultivierungseinsatzes kann ein zweiter Rand der Durchgangsöffnung, welcher an der Oberseite des Grundkörpers angeordnet ist, eine zweite Fläche beschreiben bzw. definieren, wobei die zweite Fläche größer oder gleich groß wie die Kultivierungsfläche sein kann. Anders ausgedrückt kann die untere Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung kleiner sein als die obere Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung. Mindestens zwei Innenwände der Durchgangsöffnung, beispielsweise zwei sich gegenüberliegende Innenwände, können angeschrägt sein, so dass in einer seitlichen Querschnittsansicht zwischen dem oberen Rand und dem unteren Rand der Durchgangsöffnung eine schräge Fläche verläuft. Dadurch kann der Zugang zu der Kultivierungsfläche weiter vereinfacht werden. Der zweite Rand kann - in Anlehnung an die Bezeichnung des ersten Randes als unterer Rand - als oberer Rand der Durchgangsöffnung aufgefasst werden.According to further embodiments of the cultivation insert, a second edge of the through opening, which is arranged on the top of the base body, can describe or define a second area, wherein the second area can be larger or the same size as the cultivation area. In other words, the lower opening area of the through-hole can be smaller than the upper opening area of the through-opening. At least two inner walls of the through opening, for example two opposing inner walls, can be bevelled, so that in a side cross-sectional view an inclined surface runs between the upper edge and the lower edge of the through opening. This allows access to the cultivation area to be further simplified. The second edge can - based on the designation of the first edge as the lower edge - be understood as the upper edge of the through opening.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kultivierungseinsatzes kann die Kultivierungsfläche in der Draufsicht auf den Kultivierungseinsatz innerhalb der zweiten Fläche angeordnet sein. Insbesondere kann die erste Fläche mittig innerhalb der zweiten Fläche angeordnet sein, wobei in der Draufsicht auf den Kultivierungseinsatz mindestens ein Rand der ersten Fläche mit einem Rand der zweiten Fläche zusammenfallen kann.According to further embodiments of the cultivation insert, the cultivation area can be arranged within the second area in the top view of the cultivation insert. In particular, the first surface can be arranged centrally within the second surface, with at least one edge of the first surface being able to coincide with an edge of the second surface in the top view of the cultivation insert.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kultivierungseinsatzes kann der erste Rand der Durchgangsöffnung als Dichtung wirken oder eine solche aufweisen, so dass nach Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die entsprechende Kulturschale die zur Oberseite hin freiliegende Kultivierungsfläche lateral abgedichtet ist. Dadurch kann das Wachstum der innerhalb der Durchgangsöffnung am Boden der Kulturschale ausgesäten Zellen auf genau diesen Bereich begrenzt werden, welcher in einer nachfolgenden Experimentierphase von einem Fluid überströmt wird. Es kann so sichergestellt werden, dass die dem Zellrasen bereitgestellten Nährstoffe nur von denjenigen Zellen verbraucht werden, welche auch in der später stattfindenden Experimentierphase im Strömungskanal liegen und folglich am Experiment teilnehmen. Zugleich sind keine später nicht am Experiment teilnehmenden Zellen am Gasaustausch in bzw. durch das Nährmedium beteiligt, so dass der Gasaustausch ohne Sättigungseffekte nur durch die Zellen des Zellrasens betrieben wird, welcher später während des nachfolgenden Experiments zu diesem beitragen.According to further embodiments of the cultivation insert, the first edge of the through opening can act as a seal or have one, so that after inserting the cultivation insert into the corresponding culture dish, the cultivation surface exposed towards the top is laterally sealed. This allows the growth of the cells sown within the passage opening on the bottom of the culture dish to be limited to exactly this area, which a fluid flows over in a subsequent experimental phase. In this way it can be ensured that the nutrients provided to the cell layer are only consumed by those cells that are also in the flow channel in the later experimental phase and therefore take part in the experiment. At the same time, no cells that later do not take part in the experiment are involved in the gas exchange in or through the nutrient medium, so that the gas exchange without saturation effects is only carried out by the cells of the cell layer, which later contribute to it during the subsequent experiment.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kultivierungseinsatzes kann der Grundkörper ein biochemisch inertes Material aufweisen, welches zudem bevorzugt autoklavierbar ist. Der Kultivierungseinsatz kann beispielsweise Kunststoffe wie Polyetheretherketon (PEEK), Metalle, wie z. B. Edelstahllegierungen, oder Mischungen daraus aufweisen. Ein biochemisch inerter und autoklavierbarer Kultivierungseinsatz hat den Vorteil, dass er nach einem erfolgten Versuch gereinigt und entsprechend keimfrei gemacht werden kann und mehrfach verwendet werden kann, was unter dem Gesichtspunkt der nachhaltigen Nutzung von Laborequipment von Vorteil ist.According to further embodiments of the cultivation insert, the base body can have a biochemically inert material, which is also preferably autoclavable. The cultivation use can, for example, plastics such as polyetheretherketone (PEEK), metals such as. B. stainless steel alloys, or mixtures thereof. A biochemically inert and autoclavable cultivation insert has the advantage that it can be cleaned after an experiment and made sterile and can be used multiple times, which is advantageous from the perspective of the sustainable use of laboratory equipment.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kultivierungseinsatzes kann nach Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale der vom ersten Rand der Durchgangsöffnung umschlossene (und bevorzugt auch lateral abgedichtete) Bereich der Kultivierungsschale der Kultivierungsfläche entsprechen. Hierzu kann die Unterseite des Kultivierungseinsatzes am Boden der Kulturschale aufliegen, so dass der untere Rand der Durchgangsöffnung eine Fläche am Boden der Kulturschale umschließt, auf welcher nach der Aussaat eine Zellproliferation stattfinden kann. Folglich entspricht nach Abschluss der Kultivierungsphase die Form des sich gebildeten Zellrasens im Wesentlichen der Form der Kultivierungsfläche.According to further embodiments of the cultivation insert, after inserting the cultivation insert into the culture dish, the area of the cultivation dish enclosed by the first edge of the through opening (and preferably also laterally sealed) can correspond to the cultivation area. For this purpose, the underside of the cultivation insert can rest on the bottom of the culture dish, so that the lower edge of the through opening encloses an area on the bottom of the culture dish on which cell proliferation can take place after sowing. Consequently, after completion of the cultivation phase, the shape of the cell lawn formed essentially corresponds to the shape of the cultivation area.
Ferner wird erfindungsgemäß in verschiedenen Ausführungsformen ein Strömungseinsatz für eine Kulturschale bereitgestellt, welcher einen Grundkörper aufweist mit einer Unterseite und eine Oberseite. Grundsätzlich kann die äußere Form des Strömungseinsatzes der äußeren Form des Kultivierungseinsatzes entsprechen. Der Strömungseinsatz weist ferner einen im Wesentlichen quaderförmigen Strömungskanal auf, welcher in dem Grundkörper ausgebildet ist und an einem Ende einen Zulauf und an dem entsprechend anderen Ende einen Auslauf aufweist, wobei der Strömungskanal eine Decke und zwei Seitenwände aufweist und zur Unterseite hin offen ist, wobei die offene Unterseite des Strömungskanals seiner Grundfläche entspricht. Der Strömungseinsatz weist ferner eine erste Kammer, welche einen Zulauf und einen Auslauf aufweist, wobei der Auslauf fluidmechanisch mit dem Zulauf des Strömungskanals gekoppelt ist, und eine zweite Kammer auf, welche einen Zulauf und einen Auslauf aufweist, wobei der Zulauf fluidmechanisch mit dem Auslauf des Strömungskanals gekoppelt ist. Die erste Kammer kann als eine Art Beruhigungskammer für das im Rahmen von Strömungsexperimenten in den Strömungskanal einzulassende Fluid wirken. Das heißt, dass die erste Kammer, welche schachtförmig ausgebildet sein kann, für möglicherweise an der Oberfläche des sich in der ersten Kammer befindlichen Fluids durch dessen Einleiten auftretende Turbulenzen als ein Retentionsraum wirkt, so dass sich diese Turbulenzen nicht auf den Strömungskanal ausdehnen können bzw. von diesem größtenteils entkoppelt werden.Furthermore, according to the invention, in various embodiments, a flow insert for a culture dish is provided, which has a base body with a bottom and a top. In principle, the external shape of the flow insert can correspond to the external shape of the cultivation insert. The flow insert further has a substantially cuboid-shaped flow channel, which is formed in the base body and has an inlet at one end and an outlet at the corresponding other end, the flow channel having a ceiling and two side walls and being open towards the underside the open bottom of the flow channel corresponds to its base area. The flow insert further has a first chamber which has an inlet and an outlet, the outlet being fluid-mechanically coupled to the inlet of the flow channel, and a second chamber which has an inlet and an outlet, the inlet being fluid-mechanically coupled to the outlet of the Flow channel is coupled. The first chamber can act as a kind of calming chamber for the fluid to be admitted into the flow channel as part of flow experiments. This means that the first chamber, which can be designed in the shape of a shaft, acts as a retention space for any turbulence that may occur on the surface of the fluid located in the first chamber due to its introduction, so that this turbulence cannot extend to the flow channel or be largely decoupled from this.
Der Strömungskanal ist dabei derart eingerichtet, dass am Übergang zwischen dem Auslauf der ersten Kammer und dem Zulauf des Strömungskanals eine bevorzugt im Wesentlichen vertikale Seitenwand der ersten Kammer kontinuierlich knickfrei in die Decke des Strömungskanals übergeht. An dem knickfreien Übergang zwischen der Seitenwand der ersten Kammer und der Decke des Strömungskanal kann beispielsweise eine abgerundete Kante angeordnet sein, so dass die beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zur Decke des Strömungskanals verlaufende Seitenwand zu ihrem unteren Ende hin eine sie mit der Decke des Strömungskanals verbindende Krümmung aufweist. Dabei kann die Decke des Strömungskanals beispielsweise horizontal und damit parallel zum Boden der Kulturschale angeordnet sein, in die der Strömungseinsatz eingesetzt ist. Die Form des knickfreien Übergangs zwischen der der Seitenwand der ersten Kammer und der Decke des Strömungskanals kann beispielsweise im Querschnitt längs zum Strömungskanal durch eine stetig differenzierbare Funktion beschrieben sein.The flow channel is set up in such a way that at the transition between the outlet of the first chamber and the inlet of the flow channel, a preferably essentially vertical side wall of the first chamber merges continuously into the ceiling of the flow channel without kinks. For example, a rounded edge can be arranged on the kink-free transition between the side wall of the first chamber and the ceiling of the flow channel, so that the side wall, which runs, for example, essentially perpendicular to the ceiling of the flow channel, has a curvature connecting it to the ceiling of the flow channel towards its lower end having. The ceiling of the flow channel can, for example, be arranged horizontally and thus parallel to the bottom of the culture dish into which the flow insert is inserted. The shape of the kink-free transition between the side wall of the first chamber and the ceiling of the flow channel can, for example, be described in cross section along the flow channel by a continuously differentiable function.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann die Grundfläche der ersten Kammer größer sein als, bevorzugt mindestens doppelt so groß wie der maximale Querschnitt des Übergangs zwischen dem Auslauf der ersten Kammer und dem Zulauf des Strömungskanals. Im Allgemeinen kann der Übergang zwischen dem Auslauf der ersten Kammer und dem Zulauf des Strömungskanals eine rechteckige Form aufweisen. Die Höhe der Rechtecksform kann über den Übergang zwischen der Seitenwand der ersten Kammer und der Decke des Strömungskanals gemäß dem gekrümmten Übergang zwischen den beiden graduell abnehmen.According to further embodiments of the flow insert, the base area of the first chamber can be larger than, preferably at least twice as large as, the maximum cross section of the transition between the outlet of the first chamber and the inlet of the flow channel. In general, the transition between the outlet of the first chamber and the inlet of the flow channel can have a rectangular shape. The height of the rectangular shape can gradually decrease over the transition between the side wall of the first chamber and the ceiling of the flow channel in accordance with the curved transition between the two.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann die erste Kammer zur Unterseite des Grundkörpers offen sein. Anders ausgedrückt kann das Niveau des Bodens der ersten Kammer dem Niveau des Bodens des Strömungskanals entsprechen, wobei der Boden in beiden Bereichen durch die Oberfläche des Kulturschalenbodens gebildet sein kann (im Falle des Bodens des Strömungskanals ist dieser dann mit dem Zellrasen bedeckt). Insbesondere kann der bodenseitige Übergang zwischen der ersten Kammer und dem Strömungskanal kanten- bzw. stufenfrei sein.According to further embodiments of the flow insert, the first chamber can be open to the underside of the base body. In other words, the level of the floor of the first chamber can correspond to the level of the floor of the flow channel, whereby the floor in both areas can be formed by the surface of the culture dish floor (in the case of the floor of the flow channel, this is then covered with the cell lawn). In particular, the bottom-side transition between the first chamber and the flow channel can be free of edges or steps.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann die erste Kammer einen Boden aufweisen, wobei ein unterer Rand des Auslaufs der ersten Kammer auf Höhe des unteren Randes am Zulauf des Strömungskanals angeordnet sein kann. Der Boden der ersten Kammer kann durch eine gesonderte Materialschicht gebildet sein, welche beispielsweise vom einer Bodenseite zu der gegenüberliegenden Bodenseite, an der der Übergang zum Strömungskanal angeordnet ist, abfällt. Durch einen geeignet geformten Boden, welcher insbesondere uneben sein kann, können die Strömungseigenschaften des Strömungseinsatzes optimiert werden im Hinblick auf eine laminare Strömung im Strömungskanal.According to further embodiments of the flow insert, the first chamber can have a bottom, wherein a lower edge of the outlet of the first chamber can be arranged at the level of the lower edge at the inlet of the flow channel. The bottom of the first chamber can be formed by a separate material layer which, for example, slopes from one bottom side to the opposite bottom side on which the transition to the flow channel is arranged. By means of a suitably shaped floor, which can in particular be uneven, the flow properties of the flow insert can be optimized with regard to a laminar flow in the flow channel.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann im Querschnitt entlang der Strömungsrichtung durch den Kanal das Verhältnis aus Kanalbreite zu Kanalhöhe mindestens zwanzig betragen. Folglich kann der Strömungskanal einem flachen Quader entsprechen, so dass seine fluidmechanischen Eigenschaften, z.B. der Widerstand gegenüber einem diesen durchströmenden Fluid, maßgeblich von der Decke und von dem mit dem Zellrasen belegten Boden bestimmt werden. According to further embodiments of the flow insert, the ratio of channel width to channel height can be at least twenty in the cross section along the flow direction through the channel. Consequently, the flow channel can correspond to a flat cuboid, so that its fluid mechanical properties, e.g. the resistance to a fluid flowing through it, are largely determined by the ceiling and the floor covered with the cell turf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann der Zulauf der ersten Kammer oberhalb des Auslaufs der ersten Kammer angeordnet sein. Dadurch können fluidmechanische Störungen, welche während der Verwendung des Strömungseinsatzes beim Einströmen eines Fluids in die erste Kammer an dessen Oberfläche auftreten können, an der Oberfläche des Fluids gedämpft werden. Insbesondere kann deren Ausbreitung auf den tieferliegenden Bereich der ersten Kammer, insbesondere den Bereich, in dem das Fluid aus der ersten Kammer in den Strömungskanal übertritt, verhindert werden.According to further embodiments of the flow insert, the inlet of the first chamber can be arranged above the outlet of the first chamber. As a result, fluid-mechanical disturbances that can occur on the surface of the flow insert when a fluid flows into the first chamber can be dampened on the surface of the fluid. In particular, their spread to the lower area of the first chamber, in particular the area in which the fluid passes from the first chamber into the flow channel, can be prevented.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann nach Einsetzen des Strömungseinsatzes in die Kulturschale der Boden des Strömungskanals einem entsprechenden Bereich der Oberfläche der Kulturschale entsprechen, an dem die Unterseite des Grundkörpers anliegt. Insbesondere kann dieser Bereich der Kultivierungsfläche entsprechen, auf welcher im Vorfeld mittels des Kultivierungseinsatzes Kulturzellen gezüchtet worden sind. Die Aussage, dass eine entsprechende Oberfläche des Kulturschalenbodens dem Boden des Strömungskanals entspricht, bezieht sich auf die prinzipielle bauliche Ausgestaltung des Strömungskanals und kann insbesondere beinhalten, dass dieser Bereich des Kulturschalenbodens mit einen Zellkulturrasen ausgekleidet ist.According to further embodiments of the flow insert, after inserting the flow insert into the culture dish, the bottom of the flow channel can correspond to a corresponding area of the surface of the culture dish, against which the underside of the base body rests. In particular, this area can correspond to the cultivation area on which culture cells were previously grown using the cultivation insert. The statement that a corresponding surface of the bottom of the culture dish corresponds to the bottom of the flow channel refers to the basic structural design of the flow channel and can in particular include that this area of the bottom of the culture dish is lined with a cell culture turf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann der Übergang zwischen dem Auslauf des Strömungskanals und dem Zulauf der zweiten Kammer einen zum Übergang zwischen dem Auslauf der ersten Kammer und dem Zulauf des Strömungskanals symmetrischen Aufbau aufweisen. Damit kann die zweite Kammer insbesondere einen Zulauf im unteren Bereich, bevorzugt am Boden der zweiten Kammer aufweisen, durch welchen im Betrieb des Strömungseinsatzes das Fluid nach Durchtritt durch den Strömungskanal einströmt. Auch kann die zweite Kammer einen Auslauf aufweisen, welcher oberhalb des Zulaufs angeordnet ist. Zulauf und Auslauf der zweiten Kammer können beispielsweise, analog zur ersten Kammer, in einander gegenüberliegenden Seitenwänden der zweiten Kammer angeordnet sein. Je nach Bedarf und Auslegung des Strömungseinsatzes kann der Zulauf der ersten Kammer höhen- bzw. niveaumäßig oberhalb des Auslaufs der zweiten Kammer angeordnet sein. Dadurch kann sich im Betrieb des Strömungseinsatzes in der ersten Kammer eine höhere Fluidsäule bilden als in der zweiten Kammer. Durch das Mehr an Fluidsäule wird ein hydrostatischer Druck aufgebaut, welcher die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch den Strömungskanal beeinflussen kann. Ebenso kann in weiteren Ausführungsformen die Höhenrelation umgekehrt sein und es kann eine Pumpe verwendet werden, mit welcher die erste Kammer gegen den hydrostatischen Druck des Mehr an Fluidsäule in der zweiten Kammer mit dem Fluid befüllt wird. In noch weiten Ausführungsformen können der Auslauf der ersten Kammer und der Zulauf der zweiten Kammer vertikal betrachtet auf gleicher Höhe angeordnet sein und auch bevorzugt die gleichen Abmessungen aufweisen.According to further embodiments of the flow insert, the transition between the outlet of the flow channel and the inlet of the second chamber can have a structure that is symmetrical to the transition between the outlet of the first chamber and the inlet of the flow channel. The second chamber can therefore in particular have an inlet in the lower region, preferably at the bottom of the second chamber, through which the fluid flows during operation of the flow insert Flows through the flow channel. The second chamber can also have an outlet which is arranged above the inlet. Inlet and outlet of the second chamber can, for example, be arranged in opposite side walls of the second chamber, analogous to the first chamber. Depending on the needs and design of the flow insert, the inlet of the first chamber can be arranged in height or level above the outlet of the second chamber. As a result, during operation of the flow insert, a higher fluid column can form in the first chamber than in the second chamber. The increase in the fluid column creates a hydrostatic pressure, which can influence the flow speed of the fluid through the flow channel. Likewise, in further embodiments, the height relationship can be reversed and a pump can be used with which the first chamber is filled with the fluid against the hydrostatic pressure of the additional fluid column in the second chamber. In even further embodiments, the outlet of the first chamber and the inlet of the second chamber can be arranged at the same height when viewed vertically and also preferably have the same dimensions.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Strömungseinsatzes kann die Breite der ersten Kammer der Breite des Strömungskanals entsprechen und die Breite der zweiten Kammer der Breite des Strömungskanals entsprechen. Damit können die Seitenwände der ersten und zweiten Kammer geradlinig in den Strömungskanal übergehen. Dadurch kann die Bildung von Turbulenzen im Bereich des Übergangs zwischen den Kammern und dem Strömungskanal verhindert oder zumindest reduziert werden.According to further embodiments of the flow insert, the width of the first chamber can correspond to the width of the flow channel and the width of the second chamber can correspond to the width of the flow channel. This means that the side walls of the first and second chambers can merge in a straight line into the flow channel. This allows the formation of turbulence in the area of the transition between the chambers and the flow channel to be prevented or at least reduced.
Ferner wird erfindungsgemäß in verschiedenen Ausführungsformen ein Kit zum Untersuchen von Zelldynamiken unter Flüssigkeitsschubspannungen bereitgestellt, welches eine Kulturschale, einen zuvor beschriebenen Kultivierungseinsatz sowie einen zuvor beschriebenen Strömungseinsatz umfasst, wobei der Kultivierungseinsatz und der Strömungseinsatz derart ausgebildet sind, dass die Kultivierungsfläche im Wesentlichen der Grundfläche des Strömungskanals entspricht.Furthermore, according to the invention, in various embodiments, a kit for examining cell dynamics under liquid shear stresses is provided, which comprises a culture dish, a previously described cultivation insert and a previously described flow insert, wherein the cultivation insert and the flow insert are designed such that the cultivation area essentially corresponds to the base area of the flow channel corresponds.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kits können der Grundkörper des Kultivierungseinsatzes und der Grundkörper des Strömungseinsatzes derart dimensioniert sein, dass sie passgenau in die Kulturschale eingesetzt werden können. Anders ausgedrückt können die Grundkörper beider Einsätze im Wesentlichen eine vom Umfang her gleiche Grundfläche aufweisen.According to further embodiments of the kit, the base body of the cultivation insert and the base body of the flow insert can be dimensioned such that they can be inserted into the culture dish with a precise fit. In other words, the base bodies of both inserts can essentially have the same base area in terms of circumference.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Kit ferner eine Stabilisierungsschale aufweisen, welche zur Aufnahme der Kulturschale eingerichtet ist und derart dimensioniert ist, dass nach dem Einsetzen der Kulturschale in die Stabilisierungsschale diese dicht am Boden als auch mindestens an einem Teil der Seitenwand der Kulturschale anliegt. Die Form der Stabilisierungsschale kann derart an die Form der Kulturschale angepasst sein, dass sie sehr eng an der Kulturschale anliegt und einen Druck auf den Boden als auch auf mindestens einen Teil der Seitenwand der Kulturschale ausübt. Die Stabilisierungsschale kann verwendet werden, um eine mögliche Vibration der Kulturschale zu unterbinden, welche von dem im Betrieb der Vorrichtung durch den Strömungskanal strömenden Fluid angeregt werden kann. Die Stabilisierungsschale kann folglich als ein Stützkorsett betrachtet werden, welches mindestens den unteren Bereich der Kulturschale, bei Bedarf aber auch die gesamte Außenfläche der Kulturschale umfasst bzw. umgibt, und so eine Schwingung der Kulturschale unterdrückt.According to further embodiments, the kit can further have a stabilization dish, which is set up to hold the culture dish and is dimensioned such that after the culture dish has been inserted into the stabilization dish, it rests tightly on the floor and at least on part of the side wall of the culture dish. The shape of the stabilization dish can be adapted to the shape of the culture dish in such a way that it fits very closely to the culture dish and exerts pressure on the floor as well as on at least part of the side wall of the culture dish. The stabilization dish can be used to prevent possible vibration of the culture dish, which can be excited by the fluid flowing through the flow channel during operation of the device. The stabilization dish can therefore be viewed as a support corset, which includes or surrounds at least the lower region of the culture dish, but if necessary also the entire outer surface of the culture dish, and thus suppresses vibration of the culture dish.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kits kann die Stabilisierungsschale im Boden mindestens eine Öffnung aufweisen, deren Größe und Lage derart gewählt ist, dass die Öffnung, gegebenenfalls durch Drehen der Stabilisierungsschale relativ zur Kulturschale, unter die Kultivierungsfläche angeordnet werden kann. Die Größe der Öffnung kann dabei im Bereich der Größe der Kultivierungsfläche bzw. des Bodens des Strömungskanals liegen, dessen Boden durch den Boden der Kulturschale gebildet wird, welcher mit dem kultivierten Zellrasen belegt ist. Durch die Öffnung hindurch kann das Verhalten der Zellkultur am Boden des Strömungskanals durch ein Mikroskop hindurch beobachtet werden. Die Motivation für eine möglichst kleine Dimension der Öffnung rührt daher, dass es von Vorteil ist, wenn die Stabilisierungsschale über einen möglichst großen Bereich der Außenfläche der Kulturschale an dieser anliegt, um ihre stabilisierende bzw. vibrationsdämpfende Eigenschaft zu entfalten.According to further embodiments of the kit, the stabilization dish can have at least one opening in the base, the size and position of which is selected such that the opening can be arranged under the cultivation area, if necessary by rotating the stabilization dish relative to the culture dish. The size of the opening can be in the range of the size of the cultivation area or the bottom of the flow channel, the bottom of which is formed by the bottom of the culture dish, which is covered with the cultivated cell lawn. Through the opening, the behavior of the cell culture at the bottom of the flow channel can be observed through a microscope. The motivation for the smallest possible dimension of the opening comes from the fact that it is advantageous if the stabilization dish rests on the outer surface of the culture dish over as large an area as possible in order to develop its stabilizing or vibration-damping properties.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Kits kann die Stabilisierungsschale aus einem starren Material, bevorzugt aus Edelstahl, gefertigt sein. Bei Bedarf kann zwischen die Innenseite der Stabilisierungsschale und die Außenseite der Kulturschale ein viskoses, anhaftendes Medium angeordnet werden, um eine Haftung zwischen der Kulturschale und der Stabilisierungsschale zu bewirken. Durch diese Maßnahme kann eine weitere dämpfende Wirkung auf Vibrationen der Kulturschalenwand erreicht werden.According to further embodiments of the kit, the stabilization shell can be made of a rigid material, preferably stainless steel. If necessary, a viscous, adhesive medium can be arranged between the inside of the stabilization dish and the outside of the culture dish in order to effect adhesion between the culture dish and the stabilization dish. This measure can achieve a further dampening effect on vibrations in the culture dish wall.
In weiteren Ausführungsformen wird ferner ein Verfahren zum Untersuchen von Zelldynamiken unter Flüssigkeitsschubspannungen unter Verwendung des hierin beschriebenen Kits bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- i) Bereitstellen eine Kulturschale,
- ii) Einsetzen des Kultivierungseinsatzes in die Kulturschale,
- iii) Heranzüchten von Zellen am Boden der Kulturschale auf der Kultivierungsfläche,
- iv) Herausnehmen des Kultivierungseinsatzes aus der Kulturschale,
- v) Einsetzen des Strömungseinsatzes in die Kulturschale derart, dass die Grundfläche des Strömungskanals über der mit den herangezüchteten Zellen belegte Kultivierungsfläche positioniert wird, und
- vi) Ausbilden einer Flüssigkeitsströmung durch den Strömungskanal durch Einleiten einer Flüssigkeit in die erste Kammer.
- i) provide a culture dish,
- ii) inserting the cultivation insert into the culture dish,
- iii) growing cells at the bottom of the culture dish on the cultivation area,
- iv) removing the cultivation insert from the culture dish,
- v) inserting the flow insert into the culture dish in such a way that the base area of the flow channel is positioned above the cultivation area occupied by the grown cells, and
- vi) Forming a liquid flow through the flow channel by introducing a liquid into the first chamber.
Hierbei sei erwähnt, dass bei der Verwendung des Kultivierungseinsatzes beim Heranzüchten der Zellen die Zellanhaftung und das Zellwachstum automatisch auf den Bereich der Kultivierungsfläche beschränkt werden, da nur dieser Teil des Bodens der Kulturschale für die Besiedlung durch die Zellen zur Verfügung steht. In der zweiten Phase, also nach erfolgter Ausbildung des Zellrasens, muss nur noch der Strömungseinsatz passend in dieselbe Kulturschale eingesetzt werden. Wie bereits erläutert, liegt der große Vorteil darin, dass sich durch Verwendung unterschiedlicher Einsätze die aus der optimalen Ausgestaltung der Versuchsumgebung für die Untersuchung von Zelldynamiken unter Flüssigkeitsschubspannungen ergebenden baulichen Restriktionen nicht auf eine optimale Ausgestaltung der Umgebung auswirken, welche für einen optimale Züchtung des Zellrasens ausgelegt ist.It should be mentioned here that when using the cultivation insert to grow the cells, cell attachment and cell growth are automatically limited to the area of the cultivation area, since only this part of the bottom of the culture dish is available for colonization by the cells. In the second phase, i.e. after the cell layer has formed, all that remains is to insert the flow insert into the same culture dish. As already explained, the big advantage is that by using different inserts, the structural restrictions resulting from the optimal design of the experimental environment for the investigation of cell dynamics under fluid shear stresses do not affect the optimal design of the environment, which is designed for optimal cultivation of the cell lawn is.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann dieses ferner Beobachten der Zelldynamik im Strömungskanal mittels eines Mikroskops durch die Öffnung im Boden der Stabilisierungsschale aufweisen.In further embodiments of the method, this may further include observing the cell dynamics in the flow channel using a microscope through the opening in the bottom of the stabilization shell.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann dieses ferner Platzieren der Kulturschale in der Stabilisierungsschale vor oder nach Einsetzen des Strömungseinsatzes in die Kulturschale aufweisen.In further embodiments of the method, this may further include placing the culture dish in the stabilization dish before or after inserting the flow insert into the culture dish.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, woraus Vorteile und weitere Ausgestaltungen der Erfindung abgeleitet werden können. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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1A und1B zeigen jeweils eine Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kultivierungseinsatzes (perspektivische Ansicht und Querschnittsansicht). -
2A und2B zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungseinsatzes (perspektivische Ansicht und Querschnittsansicht). -
3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer Vorrichtung, welche eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungseinsatzes und eine dazu passende Kulturschale aufweist. -
4 zeigt ein das Ergebnis einer Strömungssimulation zur Untersuchung der Strömung in einem Modell des Strömungskanals des erfindungsgemäßen Strömungseinsatzes. -
5 zeigt eine graphische Auswertung der auftretenden Wandschubspannung der sich im Strömungskanal des erfindungsgemäßen Strömungseinsatzes ausbildenden Strömung. -
6 zeigt eine graphische Auswertung der Abweichung der auf Basis einer dreidimensionalen Strömungssimulation des Strömungskanals berechneten Wandschubspannungsverteilung von einer entsprechenden zweidimensionalen Auslegung.
-
1A and1B each show an exemplary embodiment of a cultivation insert according to the invention (perspective view and cross-sectional view). -
2A and2 B show an exemplary embodiment of a flow insert according to the invention (perspective view and cross-sectional view). -
3 shows an exploded perspective view of a device which has an embodiment of the flow insert according to the invention and a matching culture dish. -
4 shows the result of a flow simulation to examine the flow in a model of the flow channel of the flow insert according to the invention. -
5 shows a graphical evaluation of the wall shear stress occurring in the flow forming in the flow channel of the flow insert according to the invention. -
6 shows a graphical evaluation of the deviation of the wall shear stress distribution calculated based on a three-dimensional flow simulation of the flow channel from a corresponding two-dimensional design.
In den
Die Durchgansöffnung 15 weist einen zweiten Rand auf, welcher eine obere Öffnungsfläche 19 definiert. Die obere Öffnungsfläche 19 ist im gezeigten Beispiel ist größer als die Kultivierungsfläche 18, wobei eine Dimension (je nach Auffassung z.B. die Breite) der Öffnungsfläche 19 und die entsprechende Dimension der Kultivierungsfläche 18 gleich sind. Zwei Seitenwände der Durchgangsöffnung 15 sind dabei gerade ausgebildet und zwei weitere Seitenwände 14 sind so ausgebildet, sie im oberen Bereich schräg verlaufen und anschließend in zur Kultivierungsfläche 18 senkrecht angeordnete Seitenwandabschnitte übergehen. Diese Ausgestaltung ist jedoch optional, so dass, insbesondere je nach Größe und Lage der Kultivierungsfläche relativ zur oberen Öffnungsfläche 19 der Durchgangsöffnung 15, die Seitenwände 14 (oder auch alle vier Seitenwände oder eine andere Zahl von Seitenwänden gemäß anderen Ausführungsformen) eine andere Form aufweisen können, z.B. mehrere schräge Segmente aufweisen können oder geradlinig zwischen erstem Rand 17 und zweitem Rand verlaufen können. In der Außenwand des Kultivierungseinsatzes 1 ist ferner im unteren Bereich eine vollumfängliche Dichtlippe 16 angeordnet.The through opening 15 has a second edge which defines an upper opening surface 19. The upper opening area 19 in the example shown is larger than the cultivation area che 18, whereby a dimension (depending on the opinion, for example the width) of the opening surface 19 and the corresponding dimension of the cultivation surface 18 are the same. Two side walls of the through opening 15 are straight and two further side walls 14 are designed so that they run obliquely in the upper area and then merge into side wall sections arranged perpendicular to the cultivation surface 18. However, this configuration is optional, so that, in particular depending on the size and position of the cultivation area relative to the upper opening area 19 of the through opening 15, the side walls 14 (or all four side walls or a different number of side walls according to other embodiments) can have a different shape , for example can have several oblique segments or can run in a straight line between the first edge 17 and the second edge. In the outer wall of the cultivation insert 1, a full sealing lip 16 is also arranged in the lower area.
In den
Der Strömungseinsatz 2 weist ferner eine erste Kammer 27 auf, welche einen Zulauf 271 und einen Auslauf 272 aufweist, wobei der Auslauf 272 fluidmechanisch mit dem Zulauf des Strömungskanals 272 gekoppelt ist bzw. im Wesentlichen diesem entsprechen kann. Ferner weist der Strömungseinsatz 2 eine zweite Kammer 28 auf, welche einen Zulauf 281 und einen Auslauf 282 aufweist, wobei der Zulauf 281 fluidmechanisch mit dem Auslauf des Strömungskanals 29 gekoppelt ist bzw. im Wesentlichen diesem entsprechen kann. Der Strömungseinsatz 2 ist dabei so ausgebildet, dass am Übergang zwischen dem Auslauf 272 der ersten Kammer 27 und dem Zulauf des Strömungskanals eine Seitenwand der ersten Kammer 27 kontinuierlich knickfrei in die Decke des Strömungskanals 29 übergeht. Dieser Aspekt ist in den
In
Der Strömungseinsatz 2 weist eine erste Abdeckung 31, welche auf den Zulauf 271 der ersten Kammer aufgesetzt ist, wobei sich zwischen diesen beiden eine Filterstruktur 32, beispielsweise ein Sieb oder eine Filtermembran, befindet. Ferner kann an der ersten Abdeckung 31 ein Schlauchanschluss ausgebildet sein (in
In
Der Kultivierungseinsatz 1, der Strömungseinsatz 2, die dazu passende Kulturschale 30 sowie optional die Stabilisierungsschale 37 stellen das erfindungsgemäße Kit dar, welches zum Untersuchen von Zelldynamiken unter Flüssigkeitsschubspannungen verwendet werden kann.The cultivation insert 1, the flow insert 2, the matching culture dish 30 and optionally the stabilization dish 37 represent the kit according to the invention, which can be used to investigate cell dynamics under liquid shear stresses.
Vor Beginn des Strömungsexperimentes kann der Kultivierungseinsatz 1 nach dem Ausbilden des zu untersuchenden Zellrasens aus der Kulturschale 30 entnommen und gegen den Strömungseinsatz 2 ausgetaucht werden. Der Strömungseinsatz 2 weist eine in seiner Bodenfläche eine Öffnung auf, deren Dimension der Kultivierungsfläche des Kultivierungseinsatzes 1 entspricht. Zur Unterseite des Strömungseinsatzes ist diese Öffnung offen und entspricht dem offenen Boden des Strömungskanals. Zur Oberseite des Strömungseinsatzes ist diese Öffnung bedeckt und abgedichtet, z.B. durch eine planparallele Glasscheibe, wobei die Bedeckung der Decke des Strömungskanals entspricht. Die Höhe des Strömungskanals kann üblicherweise im Bereich von einigen wenigen Millimetern liegen, etwa bei 1 mm, bei 2 mm oder mehr. nach oben abgedichtet und fixiert ist. Zur Unterseite des Strömungseinsatzes 2 in - außerhalb des Strömungskanals - ist eine gesonderte Abdichtung nicht unbedingt notwendig, da hier nur ein Kapillarspalt zurückbleibt, welcher sich sofort mit dem durch den Strömungskanal strömenden Fluid füllt und die Strömungseigenschaften innerhalb des Strömungskanals nicht beeinflusst.Before the flow experiment begins, the cultivation insert 1 can be removed from the culture dish 30 after the formation of the cell lawn to be examined and replaced with the flow insert 2. The flow insert 2 has an opening in its bottom surface, the dimension of which corresponds to the cultivation area of the cultivation insert 1. This opening is open to the underside of the flow insert and corresponds to the open bottom of the flow channel. Towards the top of the flow insert, this opening is covered and sealed, for example by a plane-parallel glass pane, the covering corresponding to the ceiling of the flow channel. The height of the flow channel can usually be in the range of a few millimeters, for example 1 mm, 2 mm or more. is sealed and fixed at the top. A separate seal is not absolutely necessary on the underside of the flow insert 2 - outside the flow channel - since only a capillary gap remains here, which immediately fills with the fluid flowing through the flow channel and does not influence the flow properties within the flow channel.
In
Zwischen der ersten Kammer 27 und dem Strömungskanal gibt es einen ersten Übergangsbereich 41, welcher dem Übergangsbereich zwischen dem Auslass der ersten Kammer 27 und dem Einlass des Strömungskanals 29 entspricht. Analog dazu gibt es am Ausgang des Strömungskanals 29 einen zweiten Übergangsbereich 42 zwischen dem Auslass des Strömungskanals 29 und dem Einlass der zweiten Kammer 28. Der erste Übergangsbereich 41 kann im Grunde genommen dem zweiten Übergangsbereich 42 entsprechen unter dem Aspekt, dass beide Übergangsbereiche jeweils einem kontinuierlichen, knickfreien Übergang aufweisen, wodurch die Entstehung von Turbulenzen unterdrückt werden kann. In dieser Hinsicht können die tatsächlichen Übergänge in einem reellen Ausführungsbeispiel des Strömungseinsatzes 2 gemäß dem in
Das in
Um diese für die Durchführung der Experimente benötigte wohldefinierte und gleichmäßige Flüssigkeitsschubspannung zu erzeugen ist der erste Übergangsbereich 41 von der ersten Kammer 27 in den Strömungskanal 29 so ausgeführt, dass die Fluidströmung der Wandkontur folgen bzw. an dieser gleichmäßig absinken kann, ohne dass es zu lokalen Geschwindigkeitsüberhöhungen oder Strömungsablösungen und den damit verbundenen Rezirkulationsgebieten in der unmittelbaren Nähe des Zulaufs in den Strömungskanal 29 kommt. Durch die rasche Querschnittsänderung wird eine schnelle Beschleunigung des Fluids erzielt, wodurch die Ausbildung einer Grenzschicht vor dem Zulauf in den Strömungskanal 29 unterdrückt wird. Im Strömungskanal selbst werden die gewünschte Wandschubspannung und die damit verbundene Scherkraft an den zu untersuchenden Zellen über die Strömungsgeschwindigkeit bzw. bei gegebener Querschnittsfläche über den Massenstrom eingestellt.In order to generate this well-defined and uniform liquid shear stress required for carrying out the experiments, the first transition region 41 from the first chamber 27 into the flow channel 29 is designed so that the Fluid flow can follow the wall contour or sink evenly along it without causing local speed increases or flow separations and the associated recirculation areas in the immediate vicinity of the inlet into the flow channel 29. The rapid change in cross-section results in a rapid acceleration of the fluid, whereby the formation of a boundary layer in front of the inlet into the flow channel 29 is suppressed. In the flow channel itself, the desired wall shear stress and the associated shear force on the cells to be examined are set via the flow velocity or, for a given cross-sectional area, via the mass flow.
Der einzustellende Massenstrom lässt sich in Abhängigkeit der gewünschten Schubspannung wie folgt abschätzen / ermitteln:
Die maximale Strömungsgeschwindigkeit für eine laminare Strömung, welche zugleich vorteilhafterweise eine konstante Wandschubspannung zur Folge hat, ist durch die kritische Reynoldszahl begrenzt (Remax≈2000) und hängt von der Geometrie des Spaltes, der Dichte und der Viskosität des strömenden Fluids ab. Die Reynolds-Zahl berechnet sich zu
Durch ein hohes Verhältnis von Kanaltiefe zu Kanalhöhe, bevorzugt im Bereich von 20 oder mehr, wird sichergestellt, dass der Einfluss der Grenzschicht an den Seitenwänden des Strömungskanals 29 gering ist und die Schubspannung auf nahezu der gesamten Fläche (≥90%) des Strömungskanals 29 Spalts konstant ist. In
Die in
Die hierin vorgestellte erfindungsgemäße Kultivierungseinsatz und Strömungseinsatz können im Rahmen des ebenfalls beschriebenen Kits mit vielfältigen „Grundgefäßen“, meist in Form von Kulturschalen verwendet werden. So können sie wahlweise in Petrischalen unterschiedlicher Geometrie und Größe sowie in „multi well dishes“ (z.B. 6-well dishes) parallel verwendet werden.The cultivation insert and flow insert according to the invention presented here can be used as part of the kit also described with a variety of “basic vessels”, mostly in the form of culture dishes. They can be used in parallel in Petri dishes of different geometries and sizes as well as in “multi-well dishes” (e.g. 6-well dishes).
Damit können mehrere Strömungsexperimente zeitgleich durchgeführt und Zeitrafferaufnahmen mit einem automatisierten und motorisierten Mikroskop erzeugt werden. Das einfache und schnelle Auswechseln der Einsätze gegeneinander erlaubt zudem die lege artis-Extraktion von Zellen zur Gewinnung von DNA und RNA sowie (abhängig von der Größe der Kulturschale) für proteinbiochemische Untersuchungen (z.B. Western Blots, IP). In die erste Kammer können Zellen, wie z. B. Leukozyten oder Tumorzellen, durch einen Zugang eingespritzt werden.This allows several flow experiments to be carried out at the same time and time-lapse images to be created with an automated and motorized microscope. The simple and quick exchange of the inserts also allows the lege artis extraction of cells to obtain DNA and RNA as well as (depending on the size of the culture dish) for protein biochemical studies (e.g. Western Blots, IP). Cells such as: B. leukocytes or tumor cells, can be injected through an access.
Insgesamt können im Zusammenhang mit der hierin beschriebenen Erfindung die folgende Vorteile genannt werden:
- 1) Die Zellen werden unter Standardkulturbedingungen gezüchtet und sind keinen Gradienten von Gasen, Nährstoffen und Metaboliten ausgesetzt. Dadurch kann eine gute homogene Zellqualität über den gesamten angezüchteten Zellrasen erreicht werden.
- 2) Die Einsätze sind bevorzugt autoklavierbar und relativ kostengünstig herstellbar. Damit sind die Einsätze zugleich wiederverwendbar, was ihren Einsatz umweltfreundlich und kostengünstig macht.
- 3) Das Einsetzten und die Entnahme der Einsätze wird durch einfache und sterile Werkzeuge vorgenommen, so dass Kontaminationen weitgehend ausgeschlossen sind. Bei Bedarf kann auf beiden Einsetzen mindestens eine Markierung vorgesehen sein, beispielsweise eine kleine Materialaussparung, etwa eine Kerbe, welche mit jeweils einer entsprechenden auf der Kulturschale angebrachten Markierung, z.B. ebenfalls einer Materialaussparung oder einer Farbmarkierung, in Überlapp gebracht werden. Dadurch kann eine genaue Ausrichtung des Strömungskanals in dem Strömungseinsatz relativ zum ausgebildeten Zellrasen erreicht werden.
- 5) Es können nach Bedarf durch eine einfache Skalierungsoperation Kultivierungs- und Strömungseinsätze unterschiedlicher Größe (nach Bedarf) hergestellt werden.
- 6) Der Einsatz kommerziell erhältlicher Zellkulturschalen macht die Verwendung der Einsätze ebenfalls kostengünstig.
- 1) Cells are grown under standard culture conditions and are not exposed to gradients of gases, nutrients and metabolites. This allows good, homogeneous cell quality to be achieved across the entire cultured cell layer.
- 2) The inserts are preferably autoclavable and can be produced relatively inexpensively. This means that the inserts are also reusable, which makes their use environmentally friendly and cost-effective.
- 3) The inserts are inserted and removed using simple and sterile tools, so that contamination is largely excluded. If necessary, at least one marking can be provided on both inserts, for example a small material recess, such as a notch, which is brought into overlap with a corresponding marking made on the culture dish, for example also a material recess or a color marking. As a result, a precise alignment of the flow channel in the flow insert relative to the formed cell layer can be achieved.
- 5) Cultivation and flow inserts of different sizes (as needed) can be manufactured as needed through a simple scaling operation.
- 6) The use of commercially available cell culture dishes also makes the use of the inserts cost-effective.
Claims (15)
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DE102020131894A1 DE102020131894A1 (en) | 2022-06-02 |
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DE (1) | DE102020131894B4 (en) |
-
2020
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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RIEHL, B.D. [u.a.]: Macro and microfluidic flows for skeletal regenerative medicine. Cells (2012) 1 (4) 1225-45 |
TOVAR-LOPEZ, F. [u.a.]: A Microfluidic System for Studying the Effects of Disturbed Flow on Endothelial Cells. Front. Bioeng. Biotechnol. (2019) 7:81, Druckseiten 1-7 |
Also Published As
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