DE3827252C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Trennen von biologischen Mikrosysteme und Zellen, Enzyme, Antikörper usw. enthaltenden Mischungen.

In der Immunologie, Zellbiologie und klinischen Pharmakologie besteht die Notwendigkeit, leistungsfähige analytische und präperative Zelltrennverfahren einzusetzen. Neben den üblichen biologischen und chemischen Verfahren ist aus der DE-OS 35 22 365 eine Vorrichtung zum Trennen bekannt, bei der biologische Partikel, wenn sie nicht eine paramagnetische molekulare Struktur aufweisen, an eine magnetisierbare Struktur gebunden, in flüssiger Phase suspendiert und mittels eines Magnetfeldes von unmagnetischen Partikeln dadurch getrennt werden, daß die magnetisierbaren Partikeln innerhalb des Magnetfeldes festgehalten werden. Daher muß bei dem bekannten Trenngerät nach einer gewissen Zeit das Magnetfeld abgeschaltet werden, um diese Partikel aus dem Kanal, innerhalb dessen sie dem Magnetfeld ausgesetzt waren, zu entfernen. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und erfordert entweder hohen Bedienungsaufwand oder einen erhöhten Automatisierungsgrad mit entsprechenden Kosten. Ein weiterer Nachteil des bekannten Trenngerätes ergibt sich aus der Struktur des Magnetfeldes. Letzteres wird durch Spulen oder Permanentmagnete im Spalt von Eisenjochen erzeugt. Die Feldlinien im Spalt sind infolge dieser Anordnung nahezu parallel, so daß das Magnetfeld bis auf die Randzonen nahezu homogen ist. Bekanntermaßen benötigt man jedoch zur Erzeugung von magnetischen Kräften auf paramagnetische Substanzen inhomogene Magnetfelder (R. Gerber, R. Birss, High Gradient Magnetic Separation, Research Studies Press 1983, S. 5). Es werden somit bei dieser bekannten Vorrichtung nur relativ schwache Magnetkräfte zur Trennung ausgenutzt mit der Folge, daß die Trennung nicht sehr selektiv ist und mehrere Stufen mit erhöhtem apparativem Aufwand erforderlich sind. Die ungünstige Magnetfeldkonfiguration setzt außerdem voraus, daß die zu trennenden Substanzen stark paramagnetisch sind. Für schwach paramagnetische Substanzen ist das bekannte Trenngerät daher nicht anwendbar.

Es ist auch eine andere Vorrichtung zum Trennen (loc. cit., S. 161) bekannt, bei der rote Blutkörperchen mit sogenannten Hochgradienten-Magnetscheidern getrennt werden. Hier werden die paramagnetischen Teilchen von den starken Feldgradienten, die in der Nähe von aufmagnetisierten Drähten einer Stahlwolle in überlagertem homogenen Magnetfeld existieren, angezogen und an den Drähten festgehalten. An diesem Verfahren ist nachteilig, daß die sehr hohen Kräfte, mit denen die Teilchen an Drähten oder ähnlichem festgehalten werden, dazu führen können, daß lebende Zellen absterben und damit die Vitalität der Zellen nach der Trennung unzumutbar niedrig ist.

Aus der DE-PS 36 10 303 ist eine Vorrichtung zum Sortieren paramagnetischer Partikeln bekannt, bei denen die Teilchen in einem Kanal geführt werden, der sich von innen einem gekrümmten langgestreckten Induktionskörper anschmiegt, welcher durch ein nahezu homogenes überlagertes Magnetfeld, das senkrecht zur Krümmung verläuft, aufmagnetisiert ist. Die Anordnung aus Kanal und Induktionskörper rotiert innerhalb des räumlich fest angeordneten Magnetfeldes um eine Achse, die parallel zum Magnetfeld steht. Das Magnetfeld kann durch oberhalb und unterhalb der Anordnung fest positionierte Dauermagnete erzeugt werden. Dabei ist nachteilig, daß bei der Rotation im Magnetfeld innerhalb des Fluids Spannungen und damit auch Ströme induziert werden können, die zu unerwünschten elektrischen Um- oder Aufladungen der Teilchen, zu chemischen Reaktionen und/oder zu Ablagerungen, zu Agglomerationen von Teilchen und schädlichen Turbulenzen im Fluid führen können. Bei Verwendung von Permanentmagneten ist außerdem nachteilig, daß die Feldstärke nicht zur Einstellung der optimalen Trennung veränderlich ist.

Aus der DE-OS 25 28 713 ist eine andere Vorrichtung zum Trennen unterschiedlich magnetisierter Teilchen bekannt, bei welcher das die zu trennenden Teilchen enthaltende Medium durch einen geneigten Kanal geleitet wird, an dessen Oberseite eine Magnetanordnung vorgesehen ist. Die entsprechend magnetisierten Teilchen erfahren dabei eine Auslenkung nach oben, die anderen infolge der Schwerkraft nach unten. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß die Magnetkraft des Magnetsystems nicht veränderbar ist, so daß u. U. Teilchen an den Wandungen festgehalten werden mit der Folge, daß lebende Zellen absterben und die Vitalität der Zellen nach der Trennung zu niedrig ist.

In bekannter Weise wird so vorgegangen, daß

• a) Mikrosysteme aus einer biologischen Grundsubstanz, wie z. B. Protein und darin eingeschlossenen magnetisierbaren Komponenten aktiviert werden,
• b) ein heterogenes Zellgemisch mit diesem Mikrosystem inkubiert wird, wobei nur ein Teil der Zellen reagiert,
• c) das Gemisch aus ferro- und/oder paramagnetischen Teilchen mittels eines Fluids, in dem es suspendiert ist oder wird, einem oder mehreren stark inhomogenen Magnetfeldern ausgesetzt wird, wobei die ferro- und/oder paramagnetischen Anteile durch magnetische Kräfte in Teilbereichen des Fluids angereichert und in anderen Teilen des Fluids abgereichert werden, dieses Fluid nach Passieren mindestens eines Teils des jeweiligen Magnetfeldes kontinuierlich durch Strömungsteiler in mindestens einen Produktstrom mit vorwiegend ferro- oder paramagnetischen Anteilen und mindestens einen Produktstrom mit vorwiegend unmagnetischen oder diamagnetischen Anteilen geteilt wird und der Betrag der wirksamen magnetischen Kräfte, die aus den inhomogenen Magnetfeldern resultieren, in Richtung erhöhter magnetischer Feldstärke abnimmt.

Durch dieses Verfahren können die sehr starken Magnetkräfte, wie sie in der Nachbarschaft von aufmagnetisierten Weicheisenstrukturen vorhanden sind, für die kontinuierliche Zelltrennung genutzt werden, ohne daß die Vitalität reduziert ist. Wird ein langgestreckter weichmagnetischer Körper senkrecht zu seiner längsten Richtung aufmagnetisiert, so werden die Feldlinien in seinem Inneren gebündelt. Sie treten daher mit erhöhter Dichte in ihn ein und wieder aus. Dies hat eine erhöhte Feldstärke an diesen in Feldrichtung liegenden Bereichen zur Folge. Da die Gesamtzahl der Feldlinien konstant ist, bedeutet es gleichzeitig eine Verdünnung der Feldlinien seitlich zur Feldrichtung und damit eine Abnahme der Feldstärke in diesem Bereich. Somit werden ferro- und paramagnetische Stoffe in diesem Bereich von dem aufmagnetisierten Körper abgestoßen. Die abstoßende Kraft ist in unmittelbarer Nähe des weichmagnetischen Körpers, wo die Feldstärke relativ niedrig ist, am größten. Sie nimmt mit der Entfernung von ihm, also mit anwachsender Feldstärke, ab. Die Kraft weist somit in Richtung höherer Feldstärke und nimmt in dieser Richtung ab. Sie ist von der gleichen Größenordnung wie die sehr starken anziehenden Kräfte im Bereich der Feldlinienverdichtung. Unmagnetische Teilchen bleiben von den magnetischen Kräften unbeeinflußt.

Zur besseren Trennung der Teilchen ist es zweckmäßig, unmagnetische, den magnetischen Kräften entgegengesetzte Kräfte auf alle Teilchen einwirken zu lassen. Beispielsweise können bei gekrümmtem Kanal durch die Strömung des Fluids und/oder durch eine Rotation des Systems Zentrifugalkräfte wirksam gemacht werden, die der nach innen gerichteten Magnetkraft entgegenwirken. Auf diese Weise tendieren magnetisierbare Teilchen in Richtung Mittelpunkt der Krümmung und unmagnetisierbare Teilchen radial nach außen. Dies führt zu einer sehr hohen Selektivität.

Dadurch wird ermöglicht, eine kontinuierliche Trennung von magnetisierbaren und unmagnetischen Teilchen durchzuführen, ohne daß die Teilchen mit großer Kraft gegeneinander oder gegen eine Oberfläche gepreßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung verfügbar zu machen, die eine kontinuierliche Trennung biologischer Zellen oder Mikrostrukturen mit hoher Selektivität und gleichzeitig hoher Vitalität ermöglicht. Die Vorrichtung soll eine optimale Trennung durch starke gegeneinander gerichtete magnetische und unmagnetische Kräfte ohne störenden Einfluß durch Spannungen und Ströme ermöglichen, die durch induktive Vorgänge im Magnetfeld entstehen. Außerdem soll bei Verwendung von Permanentmagneten die Feldstärke zur Einstellung der optimalen Trennung veränderbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, eine Vorrichtung zu verwenden, die eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines nahezu homogenen Magnetfeldes, eine parallel zum Magnetfeld drehbar gelagerte und in diesem befindliche Anordnung für das die zu trennenden Teilchen enthaltende Fluid und jeweils mindestens zwei Ausläufe, an deren Anfang vorzugsweise einstellbare Trennbleche zur Einstellung des Verhältnisses der Ströme durch die Ausläufe angebracht sind, langgestreckte Induktionskörper, die entlang den Trennkanälen außenseitig radial verlaufend angeordnet sind, aufweist, wobei die Anordnung rotiert, derart, daß die Magnetanordnung starr mit der Anordnung verbunden ist und mitrotiert. Außerdem können in dem Fall, daß Permanentmagnete zur Magnetfelderzeugung verwendet werden, diese vorteilhaft durch ein Weicheisenjoch verbunden werden, welches die magnetischen Feldlinien im Außenraum führt und so zu einer Erhöhung der Feldstärke beiträgt. In diesem Joch ist zweckmäßig wenigstens ein Spalt vorgesehen, der verstellbar im Verhältnis zwischen 0 und 1 mit Weicheisen und einem unmagnetischen Material ausgefüllt werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schema dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Trennen von biologischen Mikrosystemen und Zellen,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2.

Nach Vorbereitung eines die Mischung enthaltenden Fluids gemäß den Verfahrensschritten a) und b) wird dieses in die Vorrichtung 10 axial von oben mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Fördereinrichtung durch die zentrale Zuleitung 12 eingeführt, die durch ein Joch 14 und den oberen von zwei Magneten 16 sowie in einen zwischen den Magneten in einem Abstand von diesen angeordneten Körper 18 geführt ist, innerhalb dessen sie mit einem Verteilerkanal 20 verbunden ist. Innerhalb des Körpers 18 sind drei koaxial zur Drehachse 21 der rotierbar gelagerten Vorrichtung 10 angeordnete Sortierkanäle 22 vorgesehen, die bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel in horizontaler Ebene über einen Teil des Umfangs des Körpers 18 verlaufend vorgesehen sind. Jedem der kreisbogenförmigen Sortierkanäle 22 ist ein Induktionskörper 24 zugeordnet, der radial außenseitig am jeweiligen Sortierkanal ebenfalls koaxial zur Drehachse 21 verläuft.

Jeder der Sortierkanäle 22 ist an seinem Einlaufende über einen Durchgang 26 mit dem Verteilerkanal 20 verbunden. Auf diese Weise wird das durch die Zuleitung 12 zugeführte Fluid auf die drei Sortierkanäle 22 verteilt.

Jedem der Sortierkanäle ist an seinem Auslaufende ein flächiges Trennelement 28 beispielsweise in Form eines Blechabschnittes zugeordnet, das in Richtung des Verlaufs des Trennkanals 22 gegebenenfalls etwas gebogen ausgeführt und ebenfalls konzentrisch zur Drehachse 21 angeordnet sein kann. Dieses Trennelement 28 erstreckt sich über die gesamte Höhe des jeweiligen Sortierkanals 22, so daß am Auslauf des letzteren dieser unterteilt ist und zwei radial nebeneinander liegende Teilabschnitte 29, 30 des jeweiligen Sortierkanals 22 entstehen, die radial, also in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 21 der Vorrichtung 10, nebeneinander und im wesentlichen koaxial zueinander verlaufen.

Den beiden durch das Trennelement 28 und jeweils einer der beiden Seitenwände des Sortierkanals 22 begrenzten Teilkanälen 29 bzw. 30 ist jeweils ein Sammelkanal 32 bzw. 34 nachgeschaltet. Der Sammelkanal 32 steht über Durchgänge 36 mit den Teilabschnitten 29 sämtlicher Sortierkanäle 22 in Verbindung. Der Sammelkanal 34 steht über Durchgänge 38 mit den Teilabschnitten 30 sämtlicher Sortierkanäle 22 in Verbindung. Dem Sammelkanal 32 ist eine Ableitung 40 nachgeschaltet. Der Sammelkanal 34 setzt sich in einer Ableitung 42 fort. Beide Ableitungen 40 und 42, die in unterschiedliche Trichter münden, sind durch eine entsprechende Bohrung im Joch 14 aus der Vorrichtung 10 herausgeführt.

Innerhalb jedes der kreisbogenförmigen Sortierkanäle 22 werden die magnetisierbaren Teilchen unter der Einwirkung des jeweils zugehörigen Induktionskörpers bzw. des auf diesen zurückgehenden Magnetfeld-Gradienten in Richtung des Pfeiles 48, also nach innen in Richtung auf die Rotationsachse der Vorrichtung 10 bewegt mit der Folge, daß im Verlauf der Strömung des Fluids durch jeden der Sortierkanäle 22 innerhalb des Fluids eine Anreicherung der magnetisierbaren Teilchen in dem der Rotationsachse zugekehrten Bereich jedes der Sortierkanäle 22 erfolgt. Die nicht magnetisierbaren Teilchen werden hingegen unter der Einwirkung der durch die Rotation der Vorrichtung 10 bewirkten Fliehkraft nach außen, also in Richtung des Pfeiles 50 bewegt mit dem Ergebnis, daß im Verlauf der Strömung des Fluids in Richtung auf den Auslauf des jeweiligen Sortierkanals 22 diese nicht magnetisierbaren Teilchen sich in dessen radial äußeren Bereich anreichern. Das Trennelement 28 ist so angeordnet, daß es diese beiden mit unterschiedlichen Partikeln angereicherten Teilströme 52, 54 des Fluids voneinander trennt. Die Teilströme 52, 54 werden dann durch die einzelnen Durchgänge 36 bzw. 38 in die dazugehörigen Sammelkanäle 32 bzw. 34 und über die Leitungen bzw. 42 in die zugehörigen Trichter 44 bzw. 46 gebracht.

Das Trennelement 28 wird von einem innerhalb des Körpers 18 angeordneten Einsatz 56 gehalten, dessen zylindrische Wand mit getrennten Öffnungen für den Durchgang der Teilströme 52, 54 versehen ist. Innerhalb des Einsatzes 56 ist ein senkrecht zu dessen Achse verlaufender Boden 58 angeordnet, der die vom Einsatz 56 umschlossene Kammer in zwei Teilkammern 60, 62 unterteilt. Der Teilstrom 52 gelangt in die obere Teilkammer 60, der Teilstrom 54 in die untere Teilkammer 62, von wo beide Teilströme jeweils über die bereits bezeichneten Durchgänge und Leitungen in die Trichter 44 bzw. 46 gelangen.

Der um seine Längsachse rotierbar innerhalb des Körpers 18 gelagerte Einsatz 56 kann zur Einstellung der Position des Trennelementes 28 verdreht werden. Dazu ist ein Griff oder dergleichen 63 vorgesehen, der nach außen geführt ist und eine entsprechende Betätigung ermöglicht.

Das Joch 14 ist an beiden Seiten mit Luftspalten in Form von jeweils einer Durchbrechung 64 versehen, in die mittels Stellschrauben 66 Körper 68, die teilweise aus Weicheisen bestehen, mehr oder weniger weit eingeführt werden können. In Abhängigkeit von der Position der Körper 68, durch die das Ausmaß bestimmt wird, in welchem der jeweilige Luftspalt mit Weicheisen ausgefüllt ist, verändern sich das magnetische Leitvermögen des Joches 14 und damit die Feldstärke im Bereich zwischen den Permanentmagneten 16. Eine andere, nicht dargestellte Möglichkeit der Veränderung des Magnetfeldes besteht darin, den Abstand zwischen den Permanentmagneten 16 mittels unmagnetischer Abstandshalter zu variieren.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Trennen einer in einem fluiden Medium suspendierten Mischung aus biologischen Mikrosystemen und/oder Zellen, die ferro- oder paramagnetisch sind, und nichtmagnetischen oder diamagnetischen Bestandteilen, mit wenigstens einen Trennkanal, durch welchen die Mischung geleitet wird und innerhalb dessen die Teilchen der Mischung durch magnetische und unmagnetische Kräfte trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetanordnung (16) zur Erzeugung eines nahezu homogenen Magnetfeldes, eine parallel zum Magnetfeld drehbar gelagerte und in diesem befindliche Anordnung (18) mit mindestens einem senkrecht zum Magnetfeld gekrümmten Sortierkanal (22) mit jeweils einem Zulauf für das die zu trennenden Teilchen enthaltende Fluid und jeweils mindestens zwei Ausläufen (29, 30), an deren Anfang bewegliche Trennbleche (28) zur Einstellung des Verhältnisses der Ströme durch die Ausläufe angebracht sind, und langgestreckten Induktionskörper (24), die sich den Sortierkanälen (22) radial außen anschmiegen, sowie Antriebselemente, die die Anordnung in Rotation versetzen, vorgesehen sind und die Magnetanordnung (16) starr mit der den Sortierkanal aufweisenden Anordnung (18) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung aus zwei Permanentmagneten (16), die nahezu scheibenförmig ausgebildet sind, deren Magnetisierungseinrichtungen senkrecht zur Scheibenfläche und parallel zur Drehachse und parallel zueinander sind, sowie aus Verbindungselementen der Permanentmagnete (16) besteht und die Verbindungselemente eine einstellbare Länge haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetanordnung aus zwei Permanentmagneten (16), die nahezu scheibenförmig ausgebildet sind, deren Magnetisierungseinrichtungen senkrecht zur Scheibenfläche und parallel zur Drehachse und parallel zueinander sind, mit einem Weicheisenjoch (14), das die Permanentmagnete umschließt, vorgesehen sind, daß das Joch (14) mindestens einen Spalt (64) aufweist, der in einem Verhältnis zwischen 0 und 1 mit unmagnetischer Materie und weichmagnetischer Materie gefüllt ist, wobei das Verhältnis in Richtung der Magnetfeldlinien beliebig einstellbar ist.