DE10202872A1 - Bioreaktor mit Bündeln von nebeneinander parallel angeordneten und unterschiedlich durchströmten mikroporösen Kapillarschläuchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Kultur von pflanzlichen, tierischen oder menschlichen Zellen, gekennzeichnet durch einen abgeschlossenen Raum 1 für die Zellen 2, der von Bündeln 3 von nebeneinander parallel angeordneten und unterschiedlich durchströmten mikroporösen Kapillarschläuchen 4 mit jeweils unterschiedlicher Porengröße durchquert wird und der an beiden Seiten des abgeschlossenen Raums 1 mehrere quer zur Längsachse der Kapillarschläuche angeordnete Trennwände 5 besitzt, die Verteilerräume 6 bilden zur Versorgung und Entsorgung der Zellen durch unterschiedliche bioaktive wässerige Lösungen, die durch die unterschiedlichen Kapillarschläuche strömen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Versorgung von Zellkulturen, der aus einem abgeschlossenen Gefäss mit Bündeln von unterschiedlich durchströmten mikroporösen Kapillaren aufgebaut ist und ein Verfähren zur Herstellung desselben.
• Bioreaktoren werden benötigt, um Zellen zu kultivieren und Nutzen aus ihrer Vermehrung oder aus ihren Stoffwechselprozessen zu ziehen. Dazu müssen die entsprechenden Lebensbedingungen geschaffen werden. Die Zellen werden hierzu in einer Nährlösung kultiviert, die alle erforderlichen Stoffe enthält. Mit den Lebensfunktionen werden jedoch Nährstoffe verbraucht und es werden Stoffwechselabbauprodukte gebildet. Das ursprüngliche Gleichgewicht geht verloren und die verbrauchten Nährstoffe müssen neu zugeführt werden und die Stoffwechselabbauprodukte müssen entfernt werden. Dies geschieht gewöhnlich mit wässerigen Lösungen oder Gasen, die entweder direkt oder durch Mischung und Konvektion zugeführt werden. Dies wird vor allem für Kulturen von Einzellern wie beispielsweise Hefepilzen genutzt.
• Zellen von mehrzelligen Lebewesen wie Pflanze, Tier oder Mensch können als einzelne Zellen in einer Lösung jedoch meist nicht gedeihen. Sie benötigen eine Oberfläche oder andere Zellen, an die sie sich anhaften können. Es bildet sich ein Zellverbund. In diesem Fall muss die Versorgung und Entsorgung der Zellen durch Diffusion geschehen. Besteht die Zellkultur aus nur wenigen Zellen, so gelingt diese Aufgabe leicht, handelt es sich jedoch um eine grössere Zellmenge, so ist die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und die Entsorgung der Stoffwechselabbauprodukte schwierig, weil die Diffusionswege zu lang sind. Kurze Diffusionswege erreicht man hingegen, wenn man Zellen im Inneren von Kapillarschläuchen kultiviert und von der Kapillarschlauchaußenseite diffusiv mit Nährstoffen versorgt. Jedoch ist in diesem Fall durch den kleinen Kapillarschlauchdurchmesser auch die Menge der Zellen begrenzt.
• In der Patentschrift DE 199 32 439 A1 wird ein Bioreaktor beschrieben, bei dem eine gewebeartige Aufnahmeeinrichtung für die Anhaftung der Zellen vorgesehen ist, die konvektiv durchströmt wird. Durch eine Schichtung der Aufnahmeeinrichtung kann eine Kultivierung auch einer größeren Zellmenge erreicht werden. Mit wachsender Erfahrung mit der Kultivierung von Zellen hat man aber die Erfahrung gemacht, daß man auf die konvektive Durchströmung verzichten muß. Durch das Wachstum der Zellen entstehen nämlich Zellhaufen ohne Zwischenräume, die als Konvektionskanäle dienen könnten.
• In der natürlichen Umgebung der Zellen dagegen werden Konvektionskanäle gebildet, weil in einer größeren Zellmenge neue Kapillarblutgefäße entstehen. Durch ein Einsprossen von Kapillarblutgefäßen wird also die konvektive Durchströmung eines Zellhaufens gewährleistet. Man hat versucht, diese konvektive Durchströmung der Zellenhaufen durch ein enges Netzwerk von mikroporösen Kapillarschläuchen, die mit wässerigen Lösungen oder Gasen durchströmt werden, zu erreichen. Auf diese Weise kann man bei kurzen Diffusionswegen einen konvektiven Transport von Nährstoffen und Stoffwechselabbauprodukten erreichen. Die Porengrösse der Kapillarschläuche wird so gewählt, dass die erforderlichen Stoffe die Wände durch Diffusion durchdringen und so die Zellen erreichen können. Die Porengrösse der Kapillarschläuche kann weiterhin so gewählt werden, dass der Austausch von immunaktiven Substanzen und Zellen verhindert werden kann. Auf diese Weise kann die Zellkultur auch vor der Kontamination mit anderen Einzellern wie Bakterien geschützt werden.
• Die Anwendung dieses Prinzips wird in der Patentschrift DE 42 30 194 C2 beschrieben. In dem dort beschriebenen Bioreaktor werden beispielsweise Leberzellen eines Tieres in einem von der Außenwelt abgeschlossenen Raum durch Diffusion am Leben und in ihren spezifischen Funktionen gehalten. Dies wird ermöglicht durch eine Vielzahl von mikroporösen Kapillarschläuche, die vom Blut eines leberkranken Patienten durchströmt werden. Die Poren dieser mikroporösen Kapillarschläuche sind so gestaltet, dass immunaktive Stoffe und Zellen sie nicht durchdringen können. So können die Zellen eines Tieres mit dem Blut eines Menschen am Leben und in ihren spezifischen Funktionen gehalten und genutzt werden. Es werden Bündel von Kapillarschläuchen mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlichen Aufgaben verwendet: ein Bündel für die Versorgung mit Sauerstoff, eins für die Durchströmung mit dem Blutplasma des Patienten und eins für die Abfuhr der Galle. Die mikroporösen Kapillarschläuche bilden so ein dreidimensionales Netz, in dessen Zwischenräumen die Zellen wachsen. Dieses dreidimensionale Netz ist jedoch schwierig zu fertigen, weil die Bündel einerseits kompakt an den beiden Enden an unterschiedliche Versorgungswege angeschlossen werden müssen und auf der anderen Seite in der Mitte sich dispersiv durchdringen sollen. Das Einbringen von möglicherweise erforderlichen weiteren Kapillarschlauchbündel würde eine Fertigung noch weiterhin erschweren.
• Diese Schwierigkeit dieses und anderer Bioreaktoren ist darin begründet, daß die im natürlichen Blutgefäßsystem vorkommenden Verteilung eines zentralen Blutstroms auf viele einzelne periphere kleine Blutströme in den Kapillaren technisch nicht leicht nachzuahmen ist. In der Fertigung werden die Kapillarschläuche nämlich durch Extrusion oder Spinnen hergestellt. Diese Methode ermöglicht die Fertigung von Kapillarschläuchen großer Länge, die aber keine Verzweigungen enthalten, wie sie in den natürlichen Blutgefäßen zu finden sind.
• Allen diesen Bioreaktoren ist gemeinsam, daß sie entweder zu wenig Zellen enthalten oder daß sie zu schwierig zu fertigen sind.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bisherigen Lösungen zu vermeiden und die Aufgabe auf technisch bessere und sichere Weise zu lösen. Insbesondere soll das Problem der Verteilung eines zentralen Flüssigkeitsstroms auf viele einzelne periphere kleine Flüssigkeitsströme in den Kapillarschläuchen gelöst werden, so daß unterschiedliche Lösungen durch unterschiedliche Kapillarschläuche geleitet werden können.
• Dies wird dadurch erreicht, daß der Bioreaktor aus Bündeln von parallel nach Art eines Flachbandkabels angeordneten unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuchen aufgebaut wird, die im Montageprozeß auf einfache Weise von Automaten gefügt und geöffnet werden können. Auf diese Weise können Verteilerräume geschaffen werden, die die jeweils unterschiedlichen bioaktiven wässerigen Lösungen oder Gase in die entsprechenden mikroporösen Kapillarschläuche leiten. So kann beispielsweise ein mikroporöser Kapillarschlauch von Blutplasma durchströmt werden, ein weiterer mit Sauerstoff für die Oxygenierung, ein weiterer mit Kohlendioxyd für die Regulation des pH- Wertes, ein weiterer mit einer Dialysatflüssigkeit, ein weiterer kann zur Ableitung von Galle dienen, wenn die Zellkultur aus Leberzellen besteht. Auch können Fluide nach der Passage für die Diagnose ausgewertet werden. In die Bündel können weiterhin Lichtleiter eingefügt werden für die Einkopplung von Licht für die Synthese im Bioreaktor oder auch für die Auskopplung von Licht für die Diagnose durch Bioluminiszens. Einkopplung und Auskopplung des Lichts erfolgt dabei zweckmäßig durch die Stirnflächen der Lichtleiter 15 an den Abschlußwänden 11 und 12. Die Lichtleiter 15 können dabei mit einer Oberflächenstruktur an den Mantelflächen versehen sein, um die Einkopplung und Auskopplung des Lichts an der Mantelfläche zu erleichtern. Wenn es sich beispielsweise um eine Zellkultur von Nervenzellen handelt, so können dem Bündel weiterhin für die Zuleitung und Ableitung von elektrischen Impulsen elektrische Leiter beigefügt werden, die in ihrer Länge eine Isolierung tragen und an bestimmten Stellen Kontaktstellen tragen. Zweckmäßig werden solche elektrische Leiter in der Form von Flachbandkabeln hergestellt. Die Freilegung der Kontaktbereiche kann in gleicher Weise wie bei den Kapillarschläuchen durch mechanische oder optische Mittel von Automaten erfolgen.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die parallele Anordnung von unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuchen die Diffusionswege zu den Zellen kurz sind, weil der Abstand der einzelnen Kapillarschläuche im Bündel zueinander und der Abstand von Bündel zu Bündel optimal auf die Diffusionsgeschwindigkeit der gelösten Stoffe in den jeweiligen wässerigen Lösungen eingestellt werden kann.
• Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
• Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Bioreaktors.
• In dem abgeschlossenen Raum 1 für die Zellen 2 befinden sich die Kapillarschlauchbündel 3, die sich jeweils aus parallel angeordneten einzelnen Kapillarschläuchen 4 zusammensetzen. Sie durchdringen die Trennwände 5. Mit ihren offenen Enden sind die Kapillarschläuche mit den jeweiligen unterschiedlichen Verteilerräumen 6 für die Zuleitungen 7 und Ableitung 8 verbunden. Die Pfeile 9 und 10 zeigen die Richtung der Durchströmung für einen Kapillarschlauch. Durch die quer zur Längsachse der Kapillarschläuche angeordneten Trennwände 5 wird erreicht, das jeder Kapillarschlauch mit der ihm eigenen Porengröße mit dem entsprechenden Vereilerraum verbunden ist und somit mit der dafür geeigneten bioaktiven wässerigen Lösung durchströmt werden kann. Die Abschlußwände 11 und 12 bilden dabei den Abschluss des Bioreaktors.
• Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung. In diesem Fall durchdringen die Bündel 3 der Kapillarschläuche 4 alle Trennwände 5. Die nebeneinander parallel angeordneten und unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuche 4 sind hier durch Klebung, Schweißung oder durch gesonderte Verbinder 13 nach der Art eines Flachbandkabels miteinander verbunden und bilden so ein Bündel 3. Durch ein mechanisches Schneidwerkzeug, durch einen Laser oder durch andere Mittel können die einzelnen Kapillarschläuche durchtrennt werden und so die für die spätere Durchströmung erforderlichen Öffnungen 14 erhalten. Dieser Vorgang kann sehr gut automatisiert werden, da durch die Anordnung der Kapillarschläuche in einem Flachband das Schneidwerkzeug durch nur zwei Koordinaten zugeordnet werden kann. Weiterhin ist hier ein Lichtleiter 15 dargestellt, der in jedem Bündel 3 enthalten ist und der eine oder beide der Abschlußwände 11 und 12 durchdringt. Auf diese Weise kann Licht in den Bioreaktor eingebracht werden und auch herausgeleitet werden.
• Fig. 3 zeigt die Herstellung einer Trennwand 5. Die einzelnen Kapillarschläuche 4 unterscheiden sich hier beispielsweise auch in Bezug auf ihren Durchmesser. Durch die Verbinder 13 werden sie zu zu flachen Bündeln 3 zusammengefügt und beispielsweise durch Wickeln in Lagen übereinander gelegt und durch eine Masse 16 aneinander gefügt und so verbunden. Diese Masse 16 kann beispielsweise ein aus einer Düse 17 ausströmender Heißkleber sein oder eine schnell selbst aushärtende Masse oder eine durch Strahlung aushärtende Masse sein. Auf diese Weise können die Bündel 3 Lage um Lage miteinander verbunden werden, wobei entweder eine Endwand oder eine Trennwand - wie in Fig. 2 dargestellt - gebildet wird. Die einzelnen Bündel 3 werden mit einem Abstand zwischen ihnen so gefügt, daß Zwischenräume entstehen, durch die das Fluid in den Verteilerräumen 6 quer zur Längsachse der Kapillarschläuche 4 strömen kann. Bei dem Vorgang des Fügens oder auch vorher kann das Freischneiden der einzelnen Kapillarschläuche 4 und damit die Bildung der Öffnungen 14 erfolgen. Auch können die Verbinder 13 endlose Bänder bilden, wenn dies für die Fertigung zweckmäßig erscheint.

Claims (9)

1. Bioreaktor zur Kultur von pflanzlichen, tierischen oder menschlichen Zellen gekennzeichnet durch einen abgeschlossenen Raum 1 für die Zellen 2, der von Bündeln 3 von nebeneinander parallel angeordneten und unterschiedlich durchströmten mikroporösen Kapillarschläuchen 4 mit gleicher oder unterschiedlicher Porengröße durchquert wird und der an beiden Seiten des abgeschlossenen Raums 1 mehrere quer zur Längsachse der Kapillarschläuche angeordnete Trennwände 5 besitzt, die Verteilerräume 6 bilden zur Versorgung und Entsorgung der Zellen durch unterschiedliche bioaktive wässerige Lösungen, die durch die unterschiedlichen Kapillarschläuche strömen.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der parallel angeordneten Kapillarschläuche eine für die entsprechende Versorgung oder Entsorgung optimale Porengröße besitzt.

3. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinander parallel angeordneten und gleich oder unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuche 4 durch Klebung, Schweißung oder durch gesonderte Elemente 13 nach der Art eines Flachbandkabels miteinander verbunden sind und so ein Bündel 3 bilden.

4. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel 3 sich über die gesamten Verteilerräume 6 erstrecken und die Zuordnung des jeweiligen Kapillarschlauchs 4 zum jeweiligen Verteilerraum 6 durch einen Schneidvorgang erfolgt.

5. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der Kapillarschläuche 4 für eine Analyse des Zustands der Zellkultur genutzt werden.

6. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel 3 der Kapillarschläuche 4 Lichtleiter enthalten, die für die Einkopplung von Licht in die Zellkultur genutzt werden und für die Auskopplung von Licht zum Zweck der Analyse.

7. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel 3 der Kapillarschläuche 4 elektrische Leiter enthalten, die elektrische Impulse nach außen leiten können.

8. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Bündels 3 in unterschiedlichen Farben gefertigt werden um die Identifikation beim Vorgang des Öffnens zu erleichtern.

9. Bioreaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kapillarschläuche 4 im Gegenstrom zu den restlichen durchströmt wird.