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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Reagenzienkit zur Kultivierung von Zellen, umfassend ein biokompatibles
Material auf Basis von Chitosan und einer Säure, z.B. als flexible Folie
oder/und poröse Matrix,
sowie das biokompatible Material in gestützter Form.
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Die Deutsche Patentanmeldung 199
48 120.2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer biokompatiblen
dreidimensionalen Matrix, wobei eine wässrige Lösung eines Chitosans und einer
im Überschuss
vorliegenden Säure,
insbesondere einer Hydroxycarbonsäure, eingefroren wird und das
Wasser bei vermindertem Druck absublimiert wird, wobei die überschüssige Säure vor
dem Einfrieren oder nach dem Absublimieren des Wassers entfernt,
insbesondere neutralisiert wird. Weiterhin wird eine durch das Verfahren
erhältliche
Matrix offenbart, die zur Herstellung von Implantaten verwendet
werden kann.
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Die Deutsche Patentanmeldung 101
17 234.6 offenbart biokompatible nichtporöse Materialien auf Basis von
Chitosan und einer Säure,
insbesondere einer Hydroxycarbonsäure. Diese Materialien können beispielsweise
in Form einer Folie vorliegen.
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Die Deutsche Patentanmeldung 101
53 470.1 offenbart die Verwendung der o.g. biokompatiblen Materialien
auf Basis von Chitosan und einer Säure als Mittel auf dem Gebiet
der Neurochirurgie, insbesondere als Nervenschiene, sowie zur Reparatur
von Sehnen und Bändern.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe bestand darin, neue Anwendungen für Materialien
auf Basis von Chitosan und einer Säure, insbesondere einer Hydroxycarbonsäure, bereitzustellen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden
Erfindung betrifft daher einen Reagenzienkit zur Kultivierung von
Zellen, umfassend:
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- (a) ein biokompatibles Material auf Basis von Chitosan und
einer Säure,
- (b) mindestens ein Zellkulturgefäß und
- (c) gegebenenfalls Mittel zur Manipulation oder/und zur Fixierung
des biokompatiblen Materials oder/und Mittel zur Manipulation von
Zellen.
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Das biokompatible Material liegt
vorzugsweise in steriler Form vor, so dass es unmittelbar zum Kultivieren
von Zellen eingesetzt werden kann. Das Material liegt zweckmäßigerweise
in vorgefertigtem Format, entsprechend dem jeweils verwendeten Zellkulturgefäß, vor.
Weiterhin kann das Material in trockener Form oder in feuchter Form,
z.B. vorgequollen in einer wässrigen
Pufferlösung,
bereitgestellt werden. Je nach Anwendung kann das biokompatible Material
in Form einer porösen
dreidimensionalen Matrix oder/und in Form einer nichtporösen flexiblen Folie
vorliegen.
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Neben dem biokompatiblen Material
enthält der
Reagenzienkit ein oder mehrere Zellkulturgefäße, beispielsweise Kunststoff-
oder Glaszellkulturgefäße. In einer
bevorzugten Ausführungsform
(siehe 1), verwendet
man als Zellkulturgefäß eine Platte
mit mehreren ggf. herausnehmbaren Vertiefungen, z.B. eine Transwellplatte.
Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
enthält
die Platte insgesamt 3 Vertiefungen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist,
ist das Zellkulturgefäß eine Flasche.
Daneben sind selbstverständlich
weitere, auf dem betreffenden Gebiet bekannte Zellkulturgefäße geeignet,
wie etwa Petrischalen, Mikrotiterplatten mit 3, 6, 12, 48, 96 oder mehr
Vertiefungen, Flachboden-Kulturflaschen etc.
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In einer ersten Ausführungsform
ist das Material in Form einer flexiblen, insbesondere nichtporösen Folie
gemäß der Deutschen
Anmeldung 101 17 234.6. Die Folie hat eine Dicke von vorzugsweise
1 μm-200 μm, besonders
bevorzugt von 10 μm-50 μm und ist
erhältlich
durch:
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- – Bereitstellen
einer wässrigen
Lösung
eines Chitosans und einer im Überschuss
vorliegenden Säure, insbesondere
einer Hydroxycarbonsäure,
- – Trocknen
der Lösung
ohne Einfrieren und
- – Entfernen
von überschüssigen Säuren vor oder/und
nach dem Trocknen, vorzugsweise durch Neutralisation.
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Die Folie kann in vorgefertigten
Stücken,
z.B. Streifen oder runden Stücken,
in geeigneten Dimenisonen entsprechend dem verwendeten Zellkulturgefäß hergestellt
werden. Besonders bevorzugt enthält der
Kit ein oder mehrere Stücke
der nichtporösen
Folie vorgefertigt in trockener Form, z.B. direkt eingepasst in
das Zellkulturgefäß. Dabei
können
gegebenenfalls Fixiermittel zur Befestigung der Folien in den Zellkulturgefäßen, z.B.
Dichtungsringe, vorhanden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das biokompatible Material auf Basis von Chitosan und einer
Säure eine
poröse
Matrix. Besonders bevorzugt wird eine biokompatible poröse Matrix
gemäß der deutschen
Anmeldung 199 48 120.2 verwendet, die erhältlich ist durch:
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- – Bereitstellen
einer wässrigen
Lösung
eines Chitosans und einer im Überschuss
vorliegenden Säure, insbesondere
einer Hydroxycarbonsäure,
- – Einfrieren
und Trocknen der Lösung,
insbesondere durch Absublimieren bei verringertem Druck und
- – Entfernen
von überschüssiger Säure vor
oder/und nach dem Einfrieren, insbesondere durch Neutralisation
mit einer geeigneten Base, z.B. NaOH.
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Auch die poröse Matrix wird vorzugsweise
in Form von vorgefertigten Stücken
mit einem dem jeweils verwendeten Zellkulturgefäß angepassten Volumen bereitgestellt.
Um eine bessere Benetzung der Matrix während der Zellkultur zu gewährleisten,
wird sie vorzugsweise in feuchter Form in einer wässrigen Lösung in
einem oder mehreren Aufbewahrungsgefäßen eingesetzt. Ein Aufbewahrungsgefäß kann dabei
mehrere Matrixstücke
enthalten, die mit geeigneten Manipulationsmitteln, z.B. Zangen
oder Löffeln,
in die Zellkulturgefäße überführt werden
können.
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In noch einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
enthält
der Reagenzienkit das biokompatible Material in Form einer gestützten porösen dreidimensionalen
Matrix oder/und einer gestützten nichtporösen flexiblen
Folie. Dabei ist das biokompatible Material auf einem inerten Träger aufgebracht, z.B.
einem Träger
aus Kunststoffen, Metallen, Metalloxiden, Keramiken, Gläsern, Mineralien
und Kombinationen davon. Ein weiterer bevorzugter inerter Träger sind
auch Partikel, z.B. aus den zuvor genannten Materialien. Für bestimmte
Ausführungsformen,
z.B. einer Kultivierung in Rollerflaschen, kann der inerte Träger beispielsweise
ein Kunststoffnetz, z.B. ein Nylonnetz, sein.
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Das Aufbringen des biokompatiblen
Materials auf den inerten Träger
erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Verfestigung des Materials
während des
Herstellungsprozesses in Anwesenheit des Trägermaterials erfolgt.
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Das biokompatible Material ist hervorragend für die Kultivierung
eukaryontischer Zellen, insbesondere Säugerzellen einschließlich humaner
Zellen, geeignet. Je nach Art der zu kultivierenden Zellen kann
das Material hinsichtlich des Porositätsgrads und der Porengröße variiert
werden. So ist beispielsweise die poröse Matrix insbesondere zur
Kultivierung von Leberzellen, aber auch anderen Zelltypen, wie etwa
primäre
und etablierte Zellen bzw. Zelllinien humanen oder tierischen Ursprungs.
z.B. CHO-Zellen, 3T3-Zellen, HeLa-Zellen, Hep2-Zellen, Chondrocyten,
Fibroblasten, Keratinocyten, Nervenzellen etc. geeignet. Die nichtporöse Folie
ist wiederum insbesondere zur Kultivierung von Haut- und Nervenzellen geeignet.
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Neben den zuvor genannten Bestandteilen kann
der Reagenzienkit weiterhin gegebenenfalls Mittel zur Manipulation
oder/und zur Fixierung des biokompatiblen Materials, beispielsweise
Zangen, Löffel,
Halteringe etc., oder/und Mittel zur Manipulation von Zellen, z.B.
Spritzen, Spatel etc., enthalten. Auch diese Materialien liegen
vorzugsweise in steriler Form vor.
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Die Herstellung der Matrices und
Folien auf Basis von Chitosan und Säuren erfolgt im Wesentlichen
nach dem in den Deutschen Anmeldungen 199 48 120.2 und 101 17 234.6
angegebenen Verfahren, sofern nichts anderes angegeben ist. Vorzugsweise wird
zunächst
eine wässrige
Lösung
eines teilweise deacetylierten Chitosans und einer im Überschuss vorliegenden
Säure hergestellt.
Unter Überschuss wird
dabei verstanden, dass der pH der wässrigen Lösung im Sauren liegt, vorzugsweise
unterhalb von pH ≤ 4.
Dadurch sind die freien Aminogruppen des Chitosans zumindest teilweise
protoniert, wodurch die Löslichkeit
in Wasser gesteigert wird. Die Säuremenge
ist nicht kritisch. Sie muss lediglich so gewählt sein, dass das Chitosan
in Lösung
geht. Eine übermäßige Säurezugabe
wird nach Möglichkeit
vermieden, da überschüssige Säure wieder
entfernt werden muss, und dadurch die Aufarbeitung bei großen Säuremengen
erschwert wird. Günstig
sind Säuremengen,
die eine 0,05 bis 1 N, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 N, insbesondere
0,1 bis 0,3 N Lösung
ergeben. Die Chitosanmenge wird vorzugsweise so gewählt, dass sich
eine 0,01 bis 0,5 M, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 M Lösung ergibt.
Durch die Konzentration der Chitosanlösung kann Einfluss auf die
Struktur der Matrix, insbesondere deren Porengröße genommen werden. Auf diese
Weise lässt
sich die Porengröße der Matrix auf
den jeweiligen Zelltypus abstimmen, mit dem die Matrix besiedelt
werden soll.
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Chitosan hat wegen seiner Herstellung
aus natürlichen
Quellen kein einheitliches Molekulargewicht. Je nach Quelle und
Aufbereitungsverfahren kann das Molekulargewicht zwischen 20 kDa
bis über 1000
kDa betragen.
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Für
die Herstellung der dreidimensionalen Matrix ist das Chitosan hinsichtlich
seines Molekulargewichts keinen Beschränkungen unterworfen. Für die Herstellung
der wässrigen
Chitosanlösung
wird eine Säure
verwendet, bei der es sich um eine anorganische Säure oder
vorzugsweise um eine organische Säure, besonders bevorzugt um
eine Alkyl- oder Aryl-Hydroxycarbonsäure handelt.
Geeignet sind insbesondere Hydroxycarbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen,
wobei eine oder mehrere Hydroxylgruppen sowie eine oder mehrere
Carboxylgruppen im Molekül
vorhanden sein können.
Spezifische Beispiele sind Glycolsäure, Milchsäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Zitronensäure und
Mandelsäure.
Besonders bevorzugt ist Milchsäure.
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Bei Herstellung einer porösen Matrix
wird die Lösung
aus Chitosan und Säure
zunächst
durch Zugabe von Base zumindest teilweise neutralisiert und dann
eingefroren oder ohne vorherige Neutralisation direkt eingefroren.
Die Neutralisation vor dem Einfrieren ist bevorzugt. Der pH-Wert
nach der Neutralisation beträgt
im Allgemeinen 5,0 bis 7,5, vorzugsweise 5,5 bis 7,0 und insbesondere
6,0 bis 7,0.
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Nach dem Einfrieren wird das Wasser
unter vermindertem Druck absublimiert, beispielsweise im Druckbereich
von 0,001 bis 3 hPa.
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Zur Herstellung einer nichtporösen Folie
wird die Lösung
nicht gefroren und absublimiert, sondern ohne Einfrieren bei gegebenenfalls
erhöhter
Temperatur oder/und verringertem Druck getrocknet und vorzugsweise
nach Trocknung neutralisiert. Die entstehende nichtporöse Matrix
ist in feuchtem Zustand stark belastbar und dehnbar.
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Durch die große Anzahl von Amino- und Hydroxygruppen
ist das Material beliebig modifizierbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind Liganden kovalent oder nicht kovalent an das Chitosan gebunden,
vorzugsweise an die freien Aminogruppen des Chitosans. Als Liganden
können
z.B. Wachstumsstoffe, Proteine, Hormone, Heparin, Heparansulfate,
Chondroitsulfate, Dextransulfate oder eine Mischung dieser Substanzen
verwendet werden. Die Liganden dienen vorzugsweise zur Kontrolle
und Verbesserung der Zellproliferation.
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Die Materialien werden vor Einsatz
in der Zellkultur sterilisiert, um Keimfreiheit zu garantieren. Die
Sterilisation kann durch Temperaturbehandlung, z.B. durch Autoklavieren,
Dampfbehandlung etc. oder/und durch Bestrahlung, z.B. Gammastrahlenbehandlung,
erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Sterilisation in einer physiologisch
verträglichen
gepufferten Lösung,
z.B. in PBS, um eine vollständige
Benetzung der Matrix bzw. der Folie mit Flüssigkeit und die Abwesenheit
größerer Lufteinschlüsse sicherzustellen.
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Bei Kultivierung der Zellen wird
das Material in einem Zeitraum von ca. 5-8 Wochen oder länger abgebaut.
Die Abbauzeiten können über den
Deacetylierungsgrad des Chitosans und die Konzentration des Materials
eingestellt werden.
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Noch ein weiterer Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist ein biokompatibles Material auf Basis
von Chitosan und einer Säure
in gestützter
Form, vorzugsweise aufgebracht auf einen inerten Träger, wie
zuvor beschrieben. Das Material kann in Form einer gestützten dreidimensionalen
porösen
Matrix, in Form einer gestützten
nichtporösen
flexiblen Folie oder/und in einer Kombination davon sein.
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Das gestützte Material kann einerseits – wie zuvor
beschrieben – als
Bestandteil von Reagenzienkits zur Kultivierung von Zellen eingesetzt werden. Andererseits
kann das Material jedoch auch als Implantat eingesetzt werden. Hierzu
ist der inerte Träger vorzugsweise
ein biokompatibles Material, z.B. ein Ersatzmaterial für Knochen,
Gelenke, Zahnersatz, Sehnen und Bänder, etc., wie etwa eine Metallprothese
(z.B. Titan), oder eine Keramik- oder Mineral(z.B. Apatit)prothese.
Durch Aufbringen der Matrix oder/und der Folie auf das Implantatmaterial
kann die Biokompatibilität
bei der Implantation verbessert werden, wodurch sich das Einwachsen
der Implantate im Körper
erleichtert.
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Weiterhin soll die vorliegende Erfindung durch
die nachfolgenden Figuren erläutert
werden:
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Reagenzienkits.
Der Reagenzienkit umfasst eine Platte (2) mit mehreren
Vertiefungen (4a, 4b, 4c), die gegebenenfalls
herausnehmbar sein können.
Weiterhin enthält
der Kit ein Aufbewahrungsgefäß (6)
mit Schraubverschluss (8), das mit einer wässrigen
Pufferlösung
(10) gefüllt
ist, in der sich Stücke
der porösen
Matrix (12) in einer dem Kulturgefäß angepassten Dimension in
vorbenetzter Form befinden. Alternativ oder zusätzlich kann der Kit auch eine
nichtporöse
flexible Folie (14) enthalten, die direkt in den Vertiefungen
der Zellkulturplatte, gegebenenfalls mit einem Fixierungsmittel,
befestigt sein kann oder auch abgepackt, z.B. in sterilen Plastikverpackungen,
vorliegen kann. Darüber
hinaus kann der Reagenzienkit Mittel zur Manipulation des biokompatiblen
Materials, z.B. eine Zange, oder/und Mittel zur Manipulation von
Zellen, z.B. eine Spritze oder ein Spatel, enthalten.
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Eine weitere Ausführungform eines erfindungsgemäßen Reagenzienkits
ist in 2 gezeigt. Dort
befindet sich in einer Kulturflasche (16) mit Schraubverschluss
(18) oder in einer anderen Kulturflasche, z.B. einer Rollerkulturflasche,
das biokompatible Material in gestützter Form (20), z.B.
auf einem Nylonnetzträger.
Das gestützte
biokompatible Material (20) ist dabei vorzugsweise derart
angeordnet, dass es am Innenrand der Kulturflasche im wesentlichen über deren
gesamten Umfang anliegt. Zur Kultivierung muss nur noch Medium in
die Kulturflasche (16) eingefüllt und die Matrix mit Zellen
besiedelt werden. Alternativ kann die gestützte Matrix auch in Flachbodenflaschen
eingelegt werden, z.B. zur Bedeckung der Kulturfläche, um
eine Oberflächenvergrößerung zu
erreichen.