DE3872943T2

DE3872943T2 - Verfahren zur erzeugung von mikroschwerkraftbedingungen, insbesondere im erdanziehungsfeld sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens.

Info

Publication number: DE3872943T2
Application number: DE8888401198T
Authority: DE
Inventors: Dick Mesland
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-05-19
Also published as: EP0292379B1; ES2034302T3; JPS6463500A; GR3005251T3; CA1294691C; DE3872943D1; EP0292379A1; ATE78618T1; FR2615478A1; JP2749013B2; FR2615478B1; US5093260A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, um ein insbesondere aus einer Zellenkultur bestehendes System, das üblicherweise der Wirkung eines Gravitationsfeldes unterworfen ist, Bedingungen einer Mikrogravitation zu unterwerfen.
Die Erfindung beschreibt gleichermaßen eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Die biologischen Prozesse im Weltraum bilden eine neue Disziplin in dem Bereich der Biotechnologie und sind in der industrialisierten Welt, insbesondere soweit sie sich mit der Herstellung pharmazeutischer Produkte beschäftigen von ständig wachsendem Interesse.
Was die potentiellen Vorteile der Kultur, der Reinigung und der Umformung von tierischen und menschlichen Zellen sowie der mittels dieser Vorgänge unter Bedingungen einer Mikrogravition erhaltenen Zwischenprodukte betrifft, wurden und werden diese anläßlich eines Programms für spezielle Untersuchungen ermittelt, das von der NASA, ESA, l'INDUSTRIE et les LABORATOIRES DE RECHERCHE an Bord eines SPACELABs initiiert wurde.
Insbesondere ist das Interesse der Industrien grundsätzlich auf die Entwicklung der Techniken für eine Trennung (der Proteine, der Zellen, usw...) und der Techniken für ein Züchten von Zellen, wie der Mikroorganismen oder der tierischen und menschlichen Zellen konzentriert.
Die bis zum jetztigen Zeitpunkt durchgeführten Experimente an tierischen und menschlichen Zellen haben eindeutig gezeigt, daß die lebenden Zellen auf Gravitation empfindlich sind und daß sie unter Bedingungen einer Mikrogravitation einen Rhythmus einer Zellenteilung (Proliferation) aufweisen, der bezüglich des in einem Gravitationsfeld vor sich gehenden verändert ist.
Die mobilen Zellen, wie Paramaecium Aurelia, weisen unter Bedingungen einer Mikrogravitation einen höheren Proliferationsrhythmus, jedoch eine kleinere Menge synthetisierter Proteine auf, wogegen die nicht mobilen Zellen, wie Lymphozyten, unter Bedingungen einer Mikrogravitation eine niedrige Proliferationsrate und eine größere Menge synthetisierten Interferons aufweisen.
Es ist folglich leicht zu verstehen, daß eine verringerte Proliferation kombiniert mit einem geringeren Energieverbrauch (wobei sich diese Energieverringerung daraus ergibt, daß die Zellen keine Arbeit gegen die Gravitation verrichten müssen) unter Bedingungen einer Mikrogravitation eine wichtige Herstellung von insbesonders für die pharmazeutische Industrie notwendigen Zellprodukten ermöglichen könnte.
Es versteht sich gleichermaßen, daß, seit dem es möglich war, Bedingungen einer Mikrogravitation in Einrichtungen herzustellen, die dem Erdmagnetfeld unterliegen, die wissenschaftliche Forschung sowie die industriellen Anwendungen der Techniken für Zellenkulturen unter diesen Bedingungen beträchtlich vereinfacht wurden. Was nun das Unterwerfen grundsätzlich irgendeines Systems unter die Bedingungen einer Mikrogravitation betrifft, ist es angebracht, anzumerken, daß diese Bedingungen nur dann erhalten werden können, wenn sich das betroffene System in einem Zustand des freien Falles befindet, das heißt, nur wenn die Gravitationskraft durch eine andere Kraft (was immer die Natur dieser Gleichgewichtskraft sein mag) nicht ausbalanciert (oder im Gleichgewicht gehalten) wird.
Zur Zeit sind verschiedene Verfahren bekannt, um irgendein System während eines gegebenen Zeitraumes Bedingungen einer Mikrogravitation zu unterwerfen, wobei insbesondere das folgende Verfahren bekannt ist:
a) Herabfallen des Systems von der Spitze eines Turms, genannt Schwerelosigkeit.
b) Einbringen des Systems in das Innere eines Flugzeuges, welches der Bahn eines ballistischen Flugs folgt (vgl. in dem ESA-Bulletin, Nr. 42, Mai 1983 den Artikel "Parabolic Aircraft Flights - An effective Tool in preparing Microgravity Experiments").
c) Einbringen des Systems in eine Rakete, die einer Bahn eines ballistischen Fluges folgt, wobei diese Bahn größtenteils außerhalb der Atmosphäre verläuft,
d) Einbringen des Systems in einen Orbit um die Erde.
Was die Dauer der Bedingungen einer Mikrogravitation betrifft, die mit Hilfe der ersten drei Verfahren a) bis c) hergestellt sind, nähert sich diese auf 5 Sekunden, 30 Sekunden beziehungsweise 10 Minuten.
Jedoch nur das vierte, unter d) beschriebene Verfahren trägt grundsätzlich für Bedingungen einer Mikrogravitation mit kontinuierlicher Dauer Sorge.
In Anbetracht dessen, daß die Zellenkultur im allgemeinen Inkubationszeiten erfordert, die von einigen Tagen bis zu einigen Wochen reichen, ist ersichtlich, daß nur das vierte Verfahren es ermöglichen kann, die Kultur während der ganzen Inkubationsperiode unter Bedingungen einer wirksamen Mikrogravitation auszuführen.
Zur Zeit gibt es nur eine Einrichtung, die es vermag und dies bis zu einem gewissen Grad, Bedingungen einer Mikrogravitation mit kontinuierlicher Dauer zu simulieren. Es handelt sich um den CLINOSTAT, dessen Prinzip darin besteht, daß Pflanzen oder Zellen um eine horizontale Achse so gedreht werden, daß die Richtung des Vektors der Gravitationsbeschleunigung kontinuierlich geändert wird und daß sie "die Orientierung verlieren", das heißt, sie verbleiben unfähig, den Einfluß eines in einer genauen Richtung wirkenden Gravitationsfeldes zu empfinden.
Zwei Varianten dieser Einrichtung wurden in der Grundlagenforschung verwendet:
1) der sich mit einer kleinen Geschwindigkeit drehende CLINOSTAT, der zum Untersuchen des Verhaltens der Pflanzen unter Bedingungen einer Mikrogravitation weitverbreitet verwendet wird (vgl. Proc.2nd European Symposium on Life Sciences Research in Space, Porz.Wahn, Germany 4-6 June 1984 (ESA SP-212-August 1984)) und 2) der sich mit einer großen Geschwindigkeit drehende CLINOSTAT, der seit kurzem verwendet wird, um das Verhalten von Zellen und von kleinen Organismen unter Bedingungen einer Mikrogravitation zu untersuchen (vgl. die vorangehend unter 1 angeführte Veröffentlichung sowie Proceedings of a workshop on Space Biology, Köln, Germany 9-11 March 1983 (ESA-SP-206, May 1983)).
Diese Einrichtungen weisen jedoch zwei wichtige Nachteile auf:
a') sie tragen keine Sorge für Bedingungen einer wirksamen Mikrogravitation,
b') wenn sie zum Untersuchen des Verhaltens von Zellen verwendet werden, soll die sich drehende Röhre, aus der jede Einrichtungsart besteht, einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen, um die Zentrifugalbeschleunigung zu minimieren (die natürlich auf kontinuierliche Weise wirkt).
Wird die Tatsache beseite gelegt, daß die mit Hilfe eines CLINOSTATS erhaltenen Ergebnisse sich von den aus Weltraummissionen erhaltenen oft beträchtlich unterscheiden (vgl.insbesondere The Physiologist, Vol.28, No.6, Suppl.,1985 und The Physiologist, Vol. 28, No.6., Suppl.,1985), was wahrscheinlich auf den unter a') erwähnten Nachteil zurückzuführen ist, ist an dieser Stelle hervorzuheben, daß die unter b') beschriebene Einschränkung (und die einen anderen Nachteil des CLINOSTATS darstellt) dieser Einrichtung die notwendige expermentelle Flexibilität entzieht und eine Verwendung in großem Maßstab verhindert. Folglich bezweckt die vorliegende Erfindung für ein Verfahren Sorge zu tragen, um ein System, das insbesondere von einer Zellenkultur gebildet ist und üblicherweise der Wirkung eines Gravitationsfeldes unterworfen ist, Bedingungen einer Mikrogravitation zu unterwerfen, was den Erfordernissen der Praxis besser entspricht, als die zur Zeit bekannten Verfahren.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, welche den Einsatz dieses Verfahrens ermöglicht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, um ein System, das insbesondere von einer Zellenkultur gebildet ist und üblicherweise der Wirkung eines Gravitationsfeldes unterworfen ist, das durch seinen Vektor für Gravitationsbeschleunigung gegebener Größe definiert ist und insbesondere von dem Erdgravitationsfeld gebildet ist, Bedingungen einer Mikrogravitation zu unterwerfen, wobei das Verfahren mit Hilfe einer ortsfesten Einrichtung durchgeführt wird und dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses die folgenden Stufen umfaßt:
i) eine Anfangsbeschleunigung geeigneter Größe wird dem System erteilt, die durch Unterwerfen des Systems einer Beschleunigungsphase mit geeigneter Dauer erhalten wird, wobei diese Beschleunigung entlang einer um einen geeigneten Winkel bezüglich der Vertikale geneigten Richtung so gerichtet wird, daß dieses letztere in dem Gravitationsfeld einer Wurfbahn folgt, die auf die Beschleunigungsphase folgt und die entsprechend einer aufsteigenden Phase und einer absteigenden Phase verläuft, deren entsprechende Dauer die Gesamtdauer der Wurfphase, das heißt jener Phase definieren, während welcher das System die Wurfbahn beschreibt,
ii) eine Beschleunigung wird zu dem Ende jeder absteigenden Phase dem System wiederholend erteilt, wobei eine solche Beschleunigung geeignet ist, das System einer neuen Wurfbahn folgen zu lassen, das Verhältnis zwischen der Dauer der Wurfphase und der Dauer der Beschleunigungsphase gleich ist dem Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung und die Anzahl aufeinanderfolgender Wiederholungen geeignet ist, eine vorbestimmte Zeitperiode zu überdecken.
Gemäß einem bevorzugten Durchführungsmodus des Verfahrens gemäß der Erfindung, das auf ein aus einer Kultur von Zellen in Suspension bestehendes System angewandt wird, ist die Dauer der Stufe ii) zumindest gleich der Inkubationszeit von Zellen und das Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung zumindest gleich n, wobei n zumindest gleich 1, um während einer Zeitdauer Bedingungen für eine Mikrogravitation zu erhalten, die gleich ist 10 . n % der entsprechenden Inkubationszeit, wobei die Unempfindlichkeit der Zellen in Suspension auf Beschleunigungen kurzer Dauer berücksichtigt wird.
Gemäß einem anderen bevorzugten Durchführungsmodus des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der Winkel, welchen die Richtung der dem System erteilten Beschleunigung mit der Vertikale bildet, gleich Null, das heißt, daß die Bahn vertikal verläuft.
Gemäß einem vorteilhaften Durchführungsmodus des Verfahrens wird entsprechend der Erfindung die dem System erteilte Beschleunigung mittels Druckluft erhalten.
Gemäß einer vorteilhaften Variante dieses Durchführungsmodus wird die dem System erteilte Beschleunigung mit Hilfe einer elektromagnetischen Kraft erhalten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gleichermaßen eine ortsfeste Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie in Kombination folgendes aufweist:
i*) ein Mittel, das bestimmt ist, um das System zu enthalten, das Bedingungen einer Mikroschwerkraft unterworfen werden soll,
ii*) Mittel, die bestimmt sind, um das System einer Anfangsbeschleunigungsphase geeigneter Dauer in einem Gravitationsfeld zu unterwerfen, um dieses einer ersten Wurfphase folgen zu lassen, welche jene Phase ist, während welcher das System eine Wurfbahn beschreibt und welche aus einer aufsteigenden Phase, die auf die Beschleunigungsphase folgt und aus einer absteigenden Phase besteht, wobei die Mittel auch bestimmt sind, nach der ersten Wurfbahn dem System auf wiederholende Weise neue Beschleunigungsphasen zu erteilen, welche dieses neuen Wurfbahnen folgen lassen, wobei das Verhältnis zwischen der Dauer der Wurfphase und der Dauer der Beschleunigungsphase gleich ist dem Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung,
iii*) Mittel zum Erfassen der Bewegungsrichtung des Systems, wenn sich dieses in den aufsteigenden und absteigenden Phasen jeder Wurfbahn befindet, wobei die Mittel zum Erfassen das Einsetzen der Mittel ii*) zu dem Ende jeder absteigenden Phase auslösen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung weisen die Mittel, um dem System eine Beschleunigung wiederholend zu erteilen eine Drucklufteinrichtung auf, die durch eine Düse auf das System gelenkt wird, die vertikal gerichtet ist (so, daß sie das System einer vertikalen Bahn folgen läßt) und deren Durchtritt mittels eines Ventils gesteuert wird, das zu dem Ende jeder absteigenden Phase durch die Mittel zum Erfassen betätigt wird und während der für den Behälter zum Erlangen der erforderlichen Beschleunigung notwendigen Zeit aufrechterhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Anordnung dieser ersten Ausführungsform weisen die Mittel zum Erfassen zwei Richtungssensoren für die Bewegung des das System enthaltenden Behälters auf, die aus zwei verschiedenen Einrichtungen, in vertikaler Ausrichtung angeordneten Lichtquelle/Phototransistor bestehen, wobei die Lichtquellen und die Phototransistoren bezüglich der vertikalen Bahn des Behälters beidseitig so angebracht sind, daß folgendes erfaßt wird: ein erster Durchgang dieses letzteren, wenn er sich in der aufsteigenden Phase jeder Bahn befindet und sodann sein zweiter Durchgang, wenn er sich in der absteigenden Phase befindet, die unmittelbar darauffolgt, wobei die Erfassung des zweiten Durchgangs während eines Zeitintervalls das Einschalten eines Verzögerers auslöst, das gleich der Zeit ist, die zwischen dem Augenblick, zu dem dieser zweiter Durchgang erfolgt und dem Ende der absteigenden Phase verstreicht, wenn eine Einrichtung zum Steuern des Ventils (Elektroventil) für eine Steuerung des Luftdurchtritts aktiviert wird, um dieses Ventil zu öffnen und es während eines Zeitintervalls geöffnet zu halten, das notwendig ist, um dem Behälter die erforderliche Beschleunigung zu erteilen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Anordnung der Einrichtung nach der Erfindung wirken die Mittel um dem Behälter, welcher die Kultur von Zellen in Suspension enthält, die Bescheunigung zu erteilen, mit Mitteln zum Empfangen des Behälters zu dem Ende der absteigenden Phase und zum vertikalen Führen dieses Behälters unter der Wirkung der Strömung von Druckluft zusammen, die folgendes aufweisen: einen Sitz, der bestimmt ist, um den Behälter aufzunehmen und zentral durchgebohrt ist, um das Durchströmen der Druckluft zu ermöglichen sowie Federn zum Tragen dieses Sitzes, die symmetrisch um die vertikale Bahn angeordnet sind und an einem Rahmen zum Tragen der Richtungssensoren befestigt sind.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung weisen die Mittel, um dem System eine Beschleunigung wiederholend zu erteilen, einen Elektromagneten auf, der auf eine bewegliche Stange wirkt, die mit der vertikalen Bahn ausgerichtet ist, welcher der das System enthaltende Behälter folgt.
Gemäß einer vorteilhaften Anordnung dieser zweiten Ausführungsform weisen die Mittel zum Erfassen in Kombination folgendes auf:
einen Sitz, der an dem oberen Ende der beweglichen Stange befestigt ist und bestimmt ist, um den Behälter zu dem Ende der absteigenden Phase aufzunehmen,
eine Feder, die ebenso mit der vertikalen Bahn ausgerichtet ist, wie die bewegliche Stange des Elektromagneten und mit dem unteren Ende dieser Stange verbunden ist, wobei das untere Ende der Feder mit dem Rahmen der Einrichtung verbunden ist.
Außer den vorangehenden Anordnungen umfaßt die Erfindung noch andere Anordnungen, die aus der folgenden Beschreibung hervorgehen werden.
Die Erfindung wird mit Hilfe der folgenden Beschreibungsergänzung besser verstanden, die Bezug auf die angefügten Zeichnungen nimmt, bei welchen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, die dazu bestimmt ist, das Verfahren, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, einzusetzen, Figur 2 eine gleichermaßen schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Einrichtung um das Verfahren nach der Erfindung einzusetzen, Figur 3 ein Diagramm von Blöcken, welche den Mitteln zum elektronischen Erfassen der Bewegungsrichtung (aufsteigend und absteigend) eines Systems entsprechen, das Bedingungen einer Mikrogravitation unterworfen werden soll, wenn dieses jede der Wurfbahnen durchläuft, die von der in Figur 1 gezeigten Einrichtung auf wiederholende Weise dem System erteilt werden und Figur 4 ein Diagramm, das von der Zeit abhängig die verschiedenen Phasen der elektronischen Erfassung der Bewegungsrichtung des Systems veranschaulicht, welches die Wurfbahn durchläuft.
Es versteht sich jedoch, daß dies Zeichnungen und die entsprechenden beschreibenden Teile nur zum Veranschaulichen des Gegenstands der Erfindung angeführt sind, ohne diesen auf irgendeine Weise einzuschränken.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, um ein System und insbesondere eine Kultur von Zellen in Suspension, die üblicherweise der Wirkung eines Gravitationsfeldes unterworfen ist, Bedingungen einer Mikrogravitation gemäß den Bedingungen, die bei den vorangehenden Anordnungen genau angegeben wurden zu unterwerfen.
Auf Grund dieser Anordnungen ist ersichtlich, daß , obwohl die Bedingungen einer Mikrogravitation mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt werden, infolge der Tatsache unstetig (oder aussetzend) sind, daß der Wurfphase notwendigerweise eine Beschleunigungsphase vorangeht, die Bedingungen für eine Mikrogravitation grundsätzlich nach Belieben angenähert werden können, die eine im wesentlichen stetige Eigenschaft, insbesondere während der ganzen Inkubationszeit aufweist und dies umso mehr, als die Zellen in Suspension auf Beschleunigungen kurzer Dauer faktisch unempfindlich sind, wobei in Wirklichkeit unter diesen Bedingungen Grund dafür besteht, daß damit zu rechnen ist, daß die Perioden kurzer Dauer, welche der Beschleunigungsphase entsprechen, die Effekte der Mikrogravitation nicht beseitigen, die während der Wurfphase so erzeugt werden, daß gesagt werden kann, daß das Verfahren gemäß der Erfindung in der Praxis das Erzeugen von Bedingungen einer Mikrogravitation im wesentlichen während der ganzen Inkubationszeit ermöglicht. Als Beispiel der Unempfindlichkeit der Zellen auf die Beschleunigungen kurzer Dauer, kann der Umstand angeführt werden, nach welchem lebende Zellen leicht für einen Augenblick Zentrifugalbeschleunigungen unterworfen werden können, die mehrere Hunderte Male der Erdgravitationsbeschleunigung pro Minute entsprechen, ohne praktisch meßbare Effekte zu empfinden.
Es ist angebracht, genau anzugeben, falls erforderlich wäre, daß die Bedingungen einer Mikrogravitation an dem Ende der Beschleunigungs (-oder Antriebs-)phase einsetzen und während der ganzen Wurfphase andauern, wobei man nützlicherweise aus diesem Grund insbesondere auf den unter b) auf der Seite 2 angeführten Abschnitt und insbesondere auf die Figur 1 Bezug nehmen kann, von wo man ableiten kann, daß sich die Bedingungen einer Mikrogravitation (oder der "herabgesetzten Gravitation") in einem aufsteigenden und in dem unmittelbar darauffolgenden abfallenden Teil der Wurfbahn zeigen.
Die vorangehenden Betrachtungen rechtfertigen die Meingung des Anmelders, nach welcher das Verfahren zum Erzeugen von Bedingungen einer Mikrogravitation nach der vorliegenden Erfindung so betrachtet wird, daß dieses insbesondere auf spezielle Art auf die Untersuchungen von Zellenkulturen angewendet werden kann.
Ein typischer Wert der Zeitdauer, welche das System zum Beschreiben jeder Beschleunigungsphase und der entsprechenden Wurfphase braucht, ist annähernd gleich 1 Sekunde.
Verschiedene Einrichtungen können zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung entworfen werden, wobei zwei Ausführungsformen dieser Einrichtungen, die nicht einschränkend sind, in den Figuren 1 und 2 repräsentiert sind.
Die Einrichtung nach Figur 1 verwendet eine Einrichtung mit Druckluft, die aus einer Röhre Ac stammt, um einem Behälter R, welcher die Zellkultur in Suspension Sc enthält, die erforderliche Beschleunigung zu erteilen, damit der Behälter auf eine von dieser Beschleunigung abhängigen Höhe ausgeworfen wird, das heißt, um den Behälter jede aufsteigende Phase seiner Bahn fliegen zu lassen, welche der entsprechenden abfallenden Phase vorangeht.
Der Durchtritt von Druckluft, die von der Düse B geliefert wird, wird während der Zeit aufrechterhalten, die notwendig ist, damit der Behälter R die gewollte Beschleunigung erlangt und wird von einem Ventil V gesteuert.
Mittel D zum Erfassen (vgl. auch die Figur 3) der Bewegungsrichtung des Behälters R weisen zwei photoelektrische Richtungssensoren auf, bei welchen jeder aus einer Lichtquelle - L&sub1;, L&sub2; - und einem Phototransistor - T&sub1; beziehungsweise T&sub2; - besteht.
Der Detektor D wirkt mit einem Verzögerer Tf zusammen (in dem Sinne, der im Weiteren beschrieben wird), um die Einrichtung C zum Steuern des Elektroventils V zu aktivieren, welches während der Zeit geöffnet bleibt, die notwendig ist, um den Behälter R die geeignete Beschleunigung unter der Wirkung des passenden Durchflusses von durch die Düse B strömender Druckluft zu erteilen.
Um es genauer auszudrücken: wenn sich der Behälter R auf dem tiefsten Punkt seiner Bahn befindet, (das heißt, wenn er sich in der Position befindet, welche dem Ende einer absteigenden Phase entspricht), erteilt die von der Düse 2 austretende Druckluft der Zellenkultur eine Beschleunigung, die sie die aufsteigende Phase der folgenden Bahn durchlaufen läßt, auf welche die entsprechende absteigende Phase folgt, sobald der Behälter den höchsten Punkt (Gipfel) dieser Bahn erreicht, das heißt, daß er sich an dem Ende der aufsteigenden Phase befindet.
Die Augenblicke für einen Durchtritt des Behälters R durch die von den zwei photoelektrischen Sensoren L&sub1;/T&sub1; und L&sub2;/T&sub2; besetzten Positionen, wenn sich der Behälter in der absteigenden Phase seiner Bahn befindet, werden von diesen zwei Sensoren nacheinander, in Form von Impulsen Id&sub1; und Id&sub2; erfaßt (vgl. die Diagramme a) und b) der Figur 4 bezüglich der Richtungssensoren L&sub1;/T&sub1; beziehungsweise L&sub2;/T&sub2;).
Diese Durchtritte werden von dem Nachweismittel D so gespeichert, daß der Durchtritt durch die von dem Sensor L&sub2;/T&sub2; besetzte Position den Verzögerer Tf während des Zeitintervalls τf auslöst (vgl. das Diagramm c) der Figur 4), das zwischen diesem Durchtritt und dem Ende der absteigenden Phase verstreicht, wenn die Einrichtung C zum Steuern aktiviert wird, um das Elektroventil V während des dafür notwendigen Zeitintervalls τ&sub1; zu öffnen, um dem Behälter R die erforderliche Anfangsbeschleunigung zu erteilen (vgl. das Diagramm d) der Figur 4).
Wenn sich der Behälter R in der aufsteigenden Phase der Bahn befindet, die er unter der Wirkung der Druckluft durchläuft, unterbricht er die Lichtbündel, die von den Quellen L&sub2; und L&sub1; in der Reihenfolge emittiert werden, wobei dieser erste Durchtritt in Form von Impulsen Ia&sub2; und Ia&sub1; erfaßt wird (vgl. wieder die Diagramme a) und b) der Figur 4) und als solche gespeichert wird, das heißt, als Erfassen der Bewegungsrichtung des nach oben gelenkten Behälters (das heißt, als Durchlaufen der aufsteigenden Phase seiner Bahn) und der zweite Durchtritt des Behälters R als Erfassen der Bewegungrichtung des nach unten gelenkten Behälters erfaßt und gespeichert wird (das heißt, als Durchlaufen der absteigenden Phase seiner Bahn) und diese zweite Erfassung nur das Auslösen des Verzögerers und folglich der Einrichtung zum Steuern des Elektroventils ermöglicht.
Die elektrische Versorgung wird von dem Block W in Figur 3 geliefert.
Die Einrichtung nach Figur 1 kann Mittel G zum Empfangen und zum Führen des Behälters R zu dem Ende der absteigenden Phase aufweisen, wobei ein Sitz S für den Behälter vorgesehen ist, der zentral durchbohrt ist, um das Durchströmen der Druckluft zu ermöglichen und der von Federn M&sub1; getragen ist, die symmetrisch um die aufsteigende, von dem Behälter durchlaufende (vertikale) Bahn herum angeordnet sind und an einem Gestell U zum Tragen der Richtungssensoren L&sub1;/T&sub1; und L&sub2;/T&sub2; befestigt sind.
Die Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens entsprechend der Erfindung. Diese zweite Einrichtung unterscheidet sich von der in der Figur 1 gezeigten Einrichtung im wesentlichen dadurch, daß sie sich auf folgendes bezieht: die Mittel, um der Zellenkultur die gewünschte Beschleunigung zu erteilen und die Mittel zum Erfassen.
Genauer ausgedrückt, bestehen die Mittel zum Erteilen der Beschleunigung am Ende jeder absteigenden Phase in dieser zweiten Einrichtung aus einem Elektromagneten E, der auf eine bewegliche Stange N wirkt, die mit der, vom Behälter R durchlaufenen aufsteigenden (vertikalen) Bahn ausgerichtet ist.
An dem oberen Ende des Kerns ist ein Sitz S befestigt, dazu bestimmt, um den Behälter R am Ende der absteigenden Phase aufzunehmen, wogegen sein unteres Ende mit einer Feder M&sub2; verbunden ist, die ebenfalls mit der vorerwähnten aufsteigenden (vertikalen) Bahn ausgerichtet ist.
Ein Schalter I, der einen Teil einer Aktivierungsschaltung Ca des Elektromagneten E bildet, wird durch das Auftreffen des Behälters R auf dem Sitz S am Ende der absteigenden Phase betätigt, wodurch es ermöglicht wird, den Elektromagneten zu aktivieren und über die vertikale Stange N die notwendige Kraft auszuüben, um dem Behälter R die erforderliche Beschleunigung zu erteilen, damit dieser der gewünschten Bahn folgt.
Auf jeden Fall kann ein Behälter verwendet werden, um die Kultur von Zellen in Suspension aufzunehmen, der grundsätzlich irgendeiner sein kann, der jedoch vorzugsweise kugelförmig ist und aus einem Bio-verträglichen Material wie TEFLON ausgeführt ist, wobei er ein Gewicht besitzt, das verhältnismäßig so verringert ist, daß er dem Gestell der Einrichtung mit Druckluft, wie in Figur 1 gezeigt, angepaßt ist. Es hindert jedoch nichts daran, ein steifes Material zu verwenden, das wie oben ausgeführt irgendeine Form aufweist und aus irgendeinem Bio-verträglichen Material besteht, jedoch im Inneren einer elastischen Kugel Sp angeordnet ist, wobei natürlich in diesem Fall größere Kräfte erforderlich sind, um den die Zellkultur in Suspension enthaltenden Behälter zu werfen, wodurch angezeigt wird, daß diese zweite Art eines Behälters dazu geeignet ist, im Gestell der in der Figur 2 gezeigten Einrichtung verwendet zu werden.
Was immer die Form (kugelförmig, parallelepipedisch, usw.) des Behälters der Zellkultur in Suspension sein mag, wird ein aus einer luftdurchlässigen Membran P bestehender Verschluß so in den Behälter eingefügt, daß die Zellenkultur von der Luft getrennt wird.
Darüber hinaus sollte die Einrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet wird, in jedem Fall den Behälter, welcher die Zellenkultur enthält, langsamen Bewegungen (und dies bevorzugt automatisch) so zu unterwerfen, daß die Richtung des Beschleunigungsvektors, dem dieser Behälter während der aufsteigenden Phase unterworfen ist stetig geändert wird und zwar, damit die mögliche Integration der mit der Gravitation verbundenen Effekte vermieden wird.
Obwohl in den vorangehenden Beispielen angenommen wird, daß die an die Zellenkultur am Ende jeder absteigenden Phase (und folglich am Anfang der folgenden aufsteigenden Phase) erteilte Beschleunigung immer dieselbe ist, hindert nichts daran, die Beschleunigung zu ändern, zum Beispiel in Stufen durch Übergehen von einer Bahn zur nächstfolgenden.

Claims

1. Verfahren, um ein System, das üblicherweise der Wirkung eines Gravitationsfeldes unterworfen ist, das durch seinen Vektor für Gravitationsbeschleunigung gegebener Größe definiert ist und insbesondere von dem Erdgravitationsfeld gebildet ist, Bedingungen einer Mikrogravitation zu unterwerfen, wobei das Verfahren mit Hilfe einer ortsfesten Einrichtung durchgeführt wird und dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses die folgenden Stufen umfaßt:

i) eine Anfangsbeschleunigung geeigneter Größe wird dem System erteilt, die durch Unterwerfen des Systems einer Beschleunigungsphase mit geeigneter Dauer erhalten wird, wobei diese Beschleunigung entlang einer um einen geeigneten Winkel bezüglich der Vertikale geneigten Richtung so gerichtet wird, daß dieses letztere in dem Gravitationsfeld einer Wurfbahn folgt, die auf die Beschleunigungsphase folgt und die entsprechend einer aufsteigenden Phase und einer absteigenden Phase verläuft, deren entsprechende Dauer die Gesamtdauer der Wurfphase, das heißt jener Phase definieren, während welcher das System die Wurfbahn beschreibt,

ii) eine Beschleunigung wird zu dem Ende jeder absteigenden Phase dem System wiederholend erteilt, wobei eine solche Beschleunigung geeignet ist, das System einer neuen Wurfbahn folgen zu lassen, das Verhältnis zwischen der Dauer der Wurfphase und der Dauer der Beschleunigungsphase gleich ist dem Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung und die Anzahl aufeinanderfolgender Wiederholungen geeignet ist, eine vorbestimmte Zeitperiode zu überdecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Stufe ii) zumindest gleich ist der Inkubationszeit von Zellen und das Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung zumindest gleich n, wenn das System aus einer Kultur von Zellen in Suspension besteht, wobei n zumindest gleich 1, um während einer Zeitdauer Bedingungen für eine Mikrogravitation zu erhalten, die gleich ist 10 . n % der Inkubationszeit.

3. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, welchen die Richtung der dem System erteilten Beschleunigung mit der Vertikale bildet, gleich ist Null, das heißt, daß die Bahn vertikal verläuft.

4. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem System erteilte Beschleunigung mittels Druckluft erhalten wird.

5. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die dem System erteilte Beschleunigung mit Hilfe einer elektromagnetischen Kraft erhalten wird.

6. Ortsfeste Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Kombination folgendes aufweist:

i*) ein Mittel (R), das bestimmt ist, um das System (Sc) zu enthalten, das Bedingungen einer Mikroschwerkraft unterworfen werden soll,

ii*) Mittel (Ac, B, C, E; Ca, E), die bestimmt sind, um das System einer Anfangsbeschleunigungsphase geeigneter Dauer in enem Gravitationsfeld zu unterwerfen, um dieses einer ersten Wurfphase folgen zu lassen, welche jene Phase ist, während welcher das System eine Wurfbahn beschreibt und welche aus einer aufsteigenden Phase, die auf die Beschleunigungsphase folgt und aus einer absteigenden Phase besteht, wobei die Mittel (Ac, B, C, E; Ca, E) auch bestimmt sind, nach der ersten Wurfbahn dem System auf wiederholende Weise neue Beschleunigungsphasen zu erteilen, welche dieses neuen Wurfbahnen folgen lassen, wobei das Verhältnis zwischen der Dauer der Wurfphase und der Dauer der Beschleunigungsphase gleich ist dem Verhältnis zwischen der Größe der dem System erteilten Beschleunigung und der Größe der Gravitationsbeschleunigung,

iii*) Mittel (T&sub1;/L&sub1;, T&sub2;/L&sub2;, D; S, M&sub2;, I) zum Erfassen der Bewegungsrichtung des Systems, wenn sich dieses in den aufsteigenden und absteigenden Phasen jeder Wurfbahn befindet, wobei die Mittel zum Erfassen das Einsetzen der Mittel ii*) zu dem Ende jeder absteigenden Phase auslösen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, um dem System eine Beschleunigung wiederholend zu erteilen eine Drucklufteinrichtung aufweisen, die durch eine Düse (B) auf das System gelenkt wird, die vertikal gerichtet ist (so, daß sie das System einer vertikalen Bahn folgen läßt) und deren Durchtritt mittels eines Ventils (V) gesteuert wird, das zu dem Ende jeder absteigenden Phase durch die Mittel zum Erfassen betätigt wird und während der für den Behälter (R) zum Erlangen der erforderlichen Beschleunigung notwendigen Zeit aufrechterhalten wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen zwei Richtungssensoren für die Bewegung des das System enthaltenden Behälters (R) aufweisen, die aus zwei verschiedenen Einrichtungen, in vertikaler Ausrichtung angeordneten Lichtquelle/Phototransistor (L&sub1;/T&sub1;, L&sub2;/T&sub2;) bestehen, wobei die Lichtquellen (L&sub1;/L&sub2;) und die Phototransistoren (T&sub1;, T&sub2;) bezüglich der vertikalen Bahn des Behälters (R) beidseitig so angebracht sind, daß folgendes erfaßt wird: der erste Durchgang dieses letzteren, wenn er sich in der aufsteigenden Phase befindet und sodann sein zweiter Durchgang, wenn er sich in der absteigenden Phase befindet, wobei die Erfassung des zweiten Durchgangs während eines Zeitintervalls (τf) einen Verzögerer (Tf) auslöst, das gleich der Zeit ist, die zwischen dem Augenblick, zu dem sich dieser zweiter Durchgang erfolgt und dem Ende der absteigenden Phase verstreicht, wenn eine Einrichtung (C) zum Steuern des Ventils (V, Elektroventil) für eine Steuerung des Luftdurchtritts aktiviert wird, um dieses Ventil zu öffnen und es während eines Zeitintervalls (τ&sub1;) geöffnet zu halten, das notwendig ist, um dem Behälter (R) die erforderliche Beschleunigung zu erteilen.

9. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (Ac, B, C, V) um dem Behälter (R), welcher die Kultur von Zellen in Suspension enthält, die Bescheunigung zu erteilen, mit Mitteln (G) zum Empfangen des Behälters (R) zu dem Ende der absteigenden Phase und zum vertikalen Führen dieses Behälters unter der Wirkung der Strömung von Druckluft zusammenwirken, die folgendes aufweisen: einen Sitz (S), der bestimmt ist, um den Behälter aufzunehmen und zentral durchgebohrt ist, um das Durchströmen der Druckluft zu ermöglichen sowie Federn (M&sub1;) zum Tragen dieses Sitzes, die symmetrisch um die vertikale Bahn angeordnet sind und an einem Rahmen (U) zum Tragen der Richtungssensoren (L&sub1;/T&sub1;, L&sub2;/T&sub2;) befestigt sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, um dem System eine Beschleunigung wiederholend zu erteilen, einen Elektromagneten (E) aufweisen, der auf eine bewegliche Stange (N) wirkt, die mit der vertikalen Bahn ausgerichtet ist, welcher der das System enthaltende Behälter (R) folgt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen in Kombination folgendes aufweisen:

einen Sitz (S), der an dem oberen Ende der beweglichen Stange (N) befestigt ist und bestimmt ist, um den Behälter (R) zu dem Ende der absteigenden Phase aufzunehmen,

eine Feder (M&sub2;), die ebenso mit der vertikalen Bahn ausgerichtet ist, wie die bewegliche Stange (N) des Elektromagneten (E) und mit dem unteren Ende dieser Stange verbunden ist, wobei das untere Ende dieser Feder (M&sub2;) mit dem Rahmen der Einrichtung verbunden ist.