DE102020200193A1 - Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe, die eine Vielzahl von in einer Flüssigkeit suspendierter Zellen umfasst mit einem die Probe bevorratenden Reservoir, aus dem die Probe mittels einer Förderpumpe durch einen Hohlkanal förderbar ist, längs dem eine Belichtungseinheit angeordnet ist, die unter Vorgabe einer kontrollierbaren Belichtungsintensität und Belichtungsdauer die in der Probe enthaltenen und durch den Hohlkanal mit einer durch die Förderpumpe vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Zellen belichtet, sowie mit einer Zellen-Analyse und/oder -Sortiereinrichtung, die stromab zum Hohlkanal mit diesem fluidisch verbunden ist.
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe.
- Stand der Technik
- Zur quantitativen Vermessung sowie auch der molekularen Charakterisierung biologischer Zellen werden so genannte Durchflusszytometer eingesetzt, die eine Durchflussmesszelle umfassen, zumeist in Form einer lichttransparenten Mikrokanalküvette, durch die Zellen aus einer bevorrateten Zellsuspension vereinzelt in serieller Abfolge strömen. Längs der Mikrokanalküvette ist eine Lichtquelleanordnung angeordnet, zumeist in Form wenigstens eines Lasers, dessen Lichtstrahl jede einzelne Zelle bei Durchtritt der Zellen durch einen definierten Messbereich längs der Mikrokanalküvette seitlich bestrahlt bzw. durchstrahlt. Mittels geeignet angeordneter Fotodetektoren sind sowohl streuende Anteile des anregenden Laserlichtes sowie auch durch die Laserstrahlung initiierte Fluoreszenzlichterscheinungen, die in aller Regel von an den Zellen bzw. Zellbestandteilen anhaftenden Fluoreszenzmarkern herrühren, erfassbar, die der simultanen Analyse von physikalischen und molekularen Eigenschaften der einzelnen Zellen dienen.
- Aus der Druckschrift
WO 2005/017498 A1 - Besteht alternativ zu oder in Kombination mit der Analyse der Zellen der Bedarf nach einer Zellsortierung, so gelangen die Zellen, die üblicherweise in einer transluzenten Flüssigkeit suspendiert sind, gegebenenfalls nach Durchtritt durch das Durchflusszytometer in eine Mikrokapillare, durch die die Zellen vereinzelt seriell nacheinander hindurchströmen. Typischerweise werden die längs der Mikrokapillare durchströmenden Zellen mit einem Laserstrahl beaufschlagt und gegebenenfalls zur Fluoreszenz angeregt. Das pro Zelle auftretende Streu- und gegebenenfalls Fluoreszenzlicht wird von Detektoren erfasst. Mittels eines am Kapillarauslass angebrachten Vibrators wird der Flüssigkeitsstrom in kleine Tröpfchen unterteilt, die nach Austritt aus der Mikrokapillare einen elektrostatischen Sortiermechanismus passieren, durch den die Zellen je nach Sortiervorgaben in getrennt platzierte Auffangbehältnisse überführt werden.
- Die vorstehenden Systeme zur Zellanalyse und -sortierung stellen Werkzeuge für biologische Forscher im Bereich der Optogenetik dar, mit deren Hilfe wertvolle Erkenntnisse über intrazelluläre Prozesse gewonnen werden können. Insbesondere erlaubt es die Optogenetik hochkomplexe und überaus schnell ablaufende biochemische Reaktionen sowie auch bioelektrische Signalübertragungen innerhalb einer Zelle zu analysieren und ggf. zu kontrollieren. Mit den verfügbaren Mitteln zur Zellanalyse sowie Zellsortierung sind jedoch nur begrenzte Möglichkeiten zur kontrollierten optischen Interaktion mit biologischen Zellen zum Zwecke der Analyse sowie kontrollierten Einflussnahme auf intrazelluläre Prozesse möglich.
- Darstellung der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu ergreifen, mit denen der Umfang zur Gewinnung von Informationen sowie auch der Umfang zur Beeinflussung bzw. Kontrolle von intrazellulären Ereignissen erheblich gegenüber den bisher angewandten und vorstehend beschriebenen Techniken vergrößert werden soll.
- Aufgrund der Komplexität intrazellulärer Strukturen und die damit verbundenen biochemischen und bioelektrischen Ereignisse, die sowohl innerhalb als auch zwischen Zellen auftreten, ist das Verständnis über Zellen und Zellprozesse in Ihrer Gesamtheit noch lückenhaft. Eine der Ursachen hierfür erscheint nach dem derzeitigen Kenntnisstand darin zu liegen, dass sich die dem Durchflusszytometer zugeführten Zellen in einem weitgehend unspezifischen, d. h. nicht näher definierten Zustand befinden. Das gleiche gilt auch für Zellsorter-Prozesse.
- Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zeitlich unmittelbar vor einer an sich bekannten Zellanalyse mit Hilfe eines Durchflusszytometers oder einer Zellsortierung, vorzugsweise auf der Basis einer Fluoreszenzlicht basierten Zellsortierung, die einzelnen Zellen kontrolliert mit Licht einer bestimmten Menge sowie innerhalb eines bestimmten Zeitraumes zu belichten. Auf diese Weise können bestimmte funktionelle Ereignisse in den Zellen optisch aktiviert oder deaktiviert werden, um so einen definierten Zellzustand zu erhalten.
- Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
- Lösungsgemäß ist eine Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe vorgesehen, die eine Vielzahl von in einer Flüssigkeit suspendierter Zellen umfasst. Die Anordnung umfasst ein die Probe bevorratendes Reservoir, aus dem die Probe mittels einer Förderpumpe durch einen Hohlkanal förderbar ist, längs dem eine Belichtungseinheit angeordnet ist, die unter Vorgabe einer kontrollierbaren Belichtungsintensität und Belichtungsdauer die in der Probe enthaltenen und durch den Hohlkanal mit einer durch die Förderpumpe vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Zellen belichtet. Stromab des Hohlkanals ist eine Zellen-Analyse und/oder -Sortiereinrichtung angebracht, die mit dem Hohlkanal fluidisch verbunden ist.
- Die lösungsgemäße Anordnung, die auch als modularer Belichtungsaufsatz bzw. Belichtungsvorsatz zur Anbringung in Strömungsrichtung vor einem an sich bekannten Durchflusszytometer oder Zellsorter ausgebildet und verwendet werden kann, wird im Weiteren unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
- Gleichwohl eine kontrollierte Belichtung einer Gesamtzellprobe in Verbindung mit einem bekannten Durchflusszytometer zur Zellenanalyse bekannt ist, ist diese bekannte Form der Belichtung für sortierende Durchflusszytometer, kurz FACS-Geräte (fluorescence-activated cell sorting), nicht kompatibel. Die Probenkammern der FACS-Geräte sind klein, im Inneren des jeweiligen Gerätes verbaut und stehen zudem unter Druck. Daher ist es fast unmöglich, einen Belichtungs-Aufsatz für derartige FACS-Geräte zu verwenden. Zudem wird üblicherweise die Gesamtzellprobe belichtet und nachfolgend in den Zytometer aufgenommen. Dies ist für den Vorgang der Zellsortierung unzureichend. Der Zeit-Delay, der zwischen Belichtung und Messung/Sortierung jeder einzelnen Zelle entsteht sollte identisch sein. Zwar wäre eine Belichtung der Zellen entlang des bestehenden KapillarSystems einer FACS-Maschine denkbar, erlaubt allerdings keine ausreichende Kontrolle der Belichtungsdauer, Belichtungsintensität, oder Temperatur der Zellprobe.
- Die hier dargestellte Lösung umgeht die vor-verbaute Probenkammer einer bekannten FACS-Maschine und nutzt stattdessen eine externe Pumpe, welche einen kontrollierten Probenfluss und damit eine kontrollierte Belichtung und Temperierung der Zellprobe entlang einer Kapillare ermöglicht. Ein essentieller Aspekt dabei ist, dass der Zeitabstand zwischen Belichtung und Messung/Sortierung jeder einzelnen Zelle identisch ist. Dadurch ist der Sortierzeitpunkt für jede einzelne Zelle der Gesamtzellprobe identisch.
- Figurenliste
- Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
-
1 lösungsgemäße Anordnung mit einer Vielzahl einzelner Lichtwellen sowie -
2 lösungsgemäße Anordnung mit wenigstens einem, vorzugsweise mehreren Lichtleitern zur Belichtung der Zellen. - Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
-
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer lösungsgemäßen Anordnung, die folgende Komponenten umfasst: - In einem Reservoir
1 ist eine optisch aktivierbare biologische Probe2 bevorratet, die eine Vielzahl biologische Zellen3 , suspendiert in einer transluzenten, d. h. lichtdurchlässigen Flüssigkeit4 , vorsieht. Die biologische Probe2 ist innerhalb des Reservoirs1 vorzugsweise auf eine vorgebbare Temperatur mit Hilfe einer Thermoeinheit5 temperiert. - Mit Hilfe einer Fluidförderpumpe
6 , deren Fördervolumen bzw. Fördergeschwindigkeit v mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung7 kontrollierbar ist, gelangt die in dem Reservoir1 bevorratete biologische Probe2 über Fluidleitungen8 in eine Kapillare9 , die einen Hohlkanal10 umfasst mit einem Kapillardurchmesser11 , der nicht größer bemessen ist als die Summe der Durchmesser zweier in der Probe2 enthaltenen Zellen3 , d. h. die längs der Kapillare9 hindurchtretenden Zellen3 durchströmen die Kapillare9 vereinzelt, d. h. seriell hintereinander. - Die Kapillare
9 weist eine lichttransparente Kapillarwand12 auf. - In dem in
1 illustrierten Ausführungsbeispiel ist außerhalb des Hohlkanals9 , d. h. außerhalb der Kapillare9 , eine Vielzahl einzelner Lichtquellen13 angeordnet, die wenigstens abschnittsweise längs des Hohlkanals10 in axialer Abfolge zum Hohlkanal jeweils nebeneinander angeordnet sind und einzeln oder in Gruppen (131, 132, 133) über die Steuer- und/oder Regeleinrichtung7 ansteuerbar sind. - Die Vielzahl der einzelnen Lichtquellen
13 ist vorzugsweise sowohl axial nebeneinander sowie auch in Umfangsrichtung um den Hohlkanal10 angeordnet. Auf diese Weise können die innerhalb des Hohlkanals10 an den Lichtquellen13 vorbeiströmenden Zellen3 von allen Seiten gleichmäßig mit Licht beaufschlagt werden. - Um den Lichteintrag auf die einzelnen Zellen
3 beim Durchtritt durch den Hohlkanal10 bzw. durch die Kapillare9 möglichst individuell und vielgestaltig vornehmen zu können, bietet es sich an, die einzelnen Lichtquellen13 in Gruppen 131, 132, 133 zusammenzufassen. Die Lichtquellen jeder zugeordneten Gruppe 131, 132, 133 emittieren jeweils eine bestimmte Wellenlänge mit einer bestimmt vorgebbaren Lichtintensität, λ131, λ132, λ133. Die Wellenlängen λ131, λ132, λ133 sowie auch die zugehörigen Lichtintensitäten unterscheiden sich vorzugsweise voneinander. Grundsätzlich ist es möglich, die einzelnen Lichtquellengruppen 131, 132, 133 ... so zu wählen, dass pro Lichtquellegruppe 131, 132, 133, etc... wenigstens eine Lichtquelle13 enthalten ist. - Durch die große Anzahl der in axialer Erstreckung sowie in Umfangsrichtung um den Hohlkanal
10 angeordneten Lichtquellen13 kann der Lichteintrag auf die einzelnen Zellen3 in Bezug auf Strahlungsmenge bzw. Strahlungsintensität sowie auch in Bezug auf Wellenlänge mit Hilfe der Steuer- und Regeleinheit7 individuell vorgegeben werden. - Die aus der Kapillare
9 austretenden, optisch vorkonditionierten Zellen3 gelangen über eine weiterführende Fluidleitung14 in eine an sich bekannte Zellen-Analyse und/oder Sortiereinrichtung15 . - In vorteilhafter Weise ist die Kapillare
9 thermisch mit einen Wärmetauscher16 gekoppelt, der für eine vorgebbare Temperatur der biologischen Probe2 innerhalb der Kapillare9 sorgt. Der Wärmetauscher16 kann als Pelltierelement ausgebildet sein oder, wie in1 dargestellt, in Form einer TemperiereinheitT ausgebildet sein, die mit einem Fluidkreislauf17 verbunden ist, längs dem eine Wärmeträgerflüssigkeit geführt wird, die zumindest abschnittsweise durch einen Ringkanal18 hindurchtritt, der von einem den Hohlkanal10 bzw. die Kapillare9 radial umfassenden HohlzylinderH radial nach außen begrenzt wird. Die durch den Ringkanal18 hindurchströmende Wärmeträgerflüssigkeit koppelt über die dem Hohlkanal zugeordnete Hohlkanalwand bzw. Kapillarwand thermisch an und vermag somit die innerhalb des Hohlkanals10 strömende biologische Probe2 zu temperieren. - In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Lichtquellen
13 zumindest teilweise innerhalb des Ringkanals18 angeordnet, so dass sie von der Wärmeträgerflüssigkeit umströmt und auf einem gleichbleibend vorgebaren Temperaturniveau gehalten werden können. Auf diese Weise können lokale Überhitzungen, die von den einzelnen Lichtquellen13 ausgehen können, vermieden werden. - Die lösungsgemäße Anordnung vermag durch die mit Hilfe der Förderpumpe
6 vorgebbare Fließgeschwindigkeit v die Verweilzeit und somit die Belichtungszeit der einzelnen Zellen3 innerhalb der Kapillare9 exakt vorzugeben. Durch die Vielzahl der einzelnen Lichtquellen13 , die einzeln oder in Gruppen wellenlängenselektiv und hinsichtlich ihrer Strahlungsintensität mit Hilfe der Steuer- und Regeleinheit7 vorgebbar betrieben werden können, können die auf die einzelnen Zellen3 applizierte Lichtmenge bzw. Lichtintensität sowie auch die Lichtwellenlängen bzw. Wellenlängenspektren individuell vorgegeben werden. Somit lassen sich die biologischen Zellen3 unmittelbar vor einer an sich bekannten Zellenanalyse, bspw. mit Hilfe eine Durchflusszytometers, oder vor einer Zellsortierung in einer definiert vorgebbaren Weise optisch konditionieren. -
2 stellt eine alternative Ausführungsform zur Realisierung der lösungsgemäßen Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe2 dar. Im Unterschied zu der in1 dargestellten Anordnung, die eine Vielzahl einzelner Lichtquellen13 zum Zwecke einer kontrollierten Belichtung bzw. Bestrahlung der durch die Kapillare9 hindurchströmenden Zellen3 vorsieht, besitzt die Ausführungsform gemäß2 wenigstens einen Lichtleiter19 , bspw. in Form einer Glasfaser, der außerhalb des Hohlkanals10 längs der Kapillare9 angeordnet ist. Der Lichtleiter19 ist mit einer Lichtquelle20 verbunden. Zudem sieht der Lichtleiter19 seitlich zu dessen Längserstreckung wenigstens einen auf den Hohlkanal10 gerichteten Lichtauslassbereich21 vor, durch den Licht in den Hohlkanal10 treten kann. Der wenigstens eine Lichtaustrittsbereich21 ist bspw. durch eine lokale Aufrauhung des Lichtleiters19 realisierbar. Durch die Aufrauhung können Streulichtanteile aus dem Lichtleiter19 seitlich austreten. Durch die axiale LängeI des Lichtaustrittsbereiches21 lässt sich die Belichtungs- bzw. Beleuchtungsdauer der Zellen3 , die durch die Kapillare9 mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit v hindurchtreten, vorgegeben. - Der in
2 illustrierte Lichtleiter19 sieht insgesamt drei gleich dimensionierte, axial jeweils voneinander beabstandete Lichtauslassbereiche21 vor. - Optional lässt sich längs der Kapillare
9 wenigstens ein zweiter Lichtleiter20 anordnen, in den ebenfalls Licht aus einer Lichtquelle22 eingekoppelt wird. Die Lichtquellen20 und22 können identisch oder über unterschiedliche Wellenlängen verfügen. Auch die Anzahl, Anordnung und Länge der Lichtaustrittsbereiche23 längs des Lichtleiters20 können sich von den Lichtaustrittsbereichen21 des Lichtleiters19 unterscheiden. Selbstverständlich kann eine nahezu beliebige Vielzahl derartiger Lichtleiter längs und in Umfangsrichtung um die Kapillare9 angeordnet werden. - Die Anordnung gemäß
2 sieht ebenfalls einen Wärmetauscher16 vor, dessen zugeordneter Fluidkreislauf17 durch einen wenigstens abschnittsweise längs der Kapillare9 angeordneten Ringkanal18 verläuft. Optional befinden sich die Lichtleiter19 ,20 innerhalb des von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Ringkanals18 , die auf diese Weise eine gleichbleibende Temperierung erfahren. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Reservoir
- 2
- Biologische Probe
- 3
- Zellen
- 4
- transluzente Flüssigkeit
- 5
- Thermoeinheit
- 6
- Fluidförderpumpe
- 7
- Steuer- und Regeleinrichtung
- 8
- Fluidleitung
- 9
- Kapillare
- 10
- Hohlkanal
- 11
- Kapillardurchmesser
- 12
- Kapillarwand
- 13
- Lichtquelle
- 14
- Fluidleitung
- 15
- Zellen-Analyseeinrichtung bzw. Zellen-Sortiereinrichtung
- 16
- Wärmetauschereinheit
- 17
- Fluidkreislauf
- 18
- Ringkanal
- 19
- Lichtleiter
- 20
- Lichtquelle
- 21
- Lichtauslassbereich
- 22
- Lichtquelle
- 23
- Lichtauslassbereich
- I
- Länge des Lichtauslassbereiches
- T
- Temperiereinheit
- H
- Hohlzylinder
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2005/017498 A1 [0003]
Claims (12)
- Anordnung zur optischen Vorkonditionierung einer optisch aktivierbaren biologischen Probe, die eine Vielzahl von in einer Flüssigkeit suspendierter Zellen umfasst mit einem die Probe bevorratenden Reservoir, aus dem die Probe mittels einer Förderpumpe durch einen Hohlkanal förderbar ist, längs dem eine Belichtungseinheit angeordnet ist, die unter Vorgabe einer kontrollierbaren Belichtungsintensität und Belichtungsdauer die in der Probe enthaltenen und durch den Hohlkanal mit einer durch die Förderpumpe vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Zellen belichtet, sowie mit einer Zellen-Analyse und/oder -Sortiereinrichtung, die stromab zum Hohlkanal mit diesem fluidisch verbunden ist.
- Anordnung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal in Art einer lichttransparenten Kapillare ausgebildet ist, mit einem Kapillardurchmesser der nicht größer bemessen ist als die Summe der Durchmesser zweier in der Probe enthaltenen Zellen. - Anordnung nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit eine erste Vielzahl ausserhalb des Hohlkanals angeordnete einzelne Lichtquellen umfasst, die wenigstens abschnittsweise längs des Hohlkanals in axialer Abfolge zum Hohlkanal jeweils nebeneinander angeordnet sind und einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sind. - Anordnung nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit wenigstens eine zweite Vielzahl ausserhalb des Hohlkanals angeordnete einzelne Lichtquellen umfasst, die wenigstens in Umfangsrichtung um den Hohlkanal wenigstens zur ersten Vielzahl an Lichtquellen versetzt angeordnet ist und wenigstens abschnittsweise längs des Hohlkanals in axialer Abfolge zum Hohlkanal jeweils nebeneinander angeordnet sind und einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sind. - Anordnung nach
Anspruch 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Lichtquellen aus einzelnen oder einer Mischung aus den folgenden Leuchtmitteln besteht: LED, Laserdiode, Halogenlampe, Gasentladungslampe, Glühlampe...? - Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit wenigstens einen längs des Hohlkanals angeordneten Lichtleiter vorsieht, der seitlich zur Längserstreckung des Lichtleiters, wenigstens einen auf den Hohlkanal gerichteten Lichtauslassbereich aufweist, und dass der Lichtleiter mit einer Lichtquelle zur Lichteinkopplung in den Lichtleiter optisch gekoppelt ist. - Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal mit einem Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist. - Anordnung nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher in Form eines den Hohlkanal radial umfassenden Hohlzylinders ausgebildet ist, der mit einer dem Hohlkanal zugeordneten Hohlkanalwand einen Ringkanal einschliesst, durch den eine temperierte Flüssigkeit strömt, die am die Hohlkanalwand thermisch ankoppelt, an die auch die Probe innerhalb des Hohlkanals thermisch ankoppelt. - Anordnung nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit zumindest teilweise innerhalb des Ringkanals angeordnet ist und thermisch an die temperierte Flüssigkeit ankoppelt. - Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Förderpumpe und/oder die Belichtungseinheit steuert oder regelt unter Maßgabe einer zeitlich definiert vorgebbaren Bestrahlungszeit der Probe mit Licht einer konstant vorgebbaren Lichtintensität und Wellenlänge, eines vorgebaren Wellenlängenspektrums. - Anordnung nach einem der
Ansprüche 7 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung den Wärmetauscher zur Kontrolle einer vorgebbaren Temperatur überwacht. - Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen-Analyseeinrichtung ein Durchflusszytometer, und dass die Zell-Sortiereinrichtung ein fluoreszenzaktivierter Zellsorter ist.
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