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Verfahren zur Haltbarmachung und Lagerung von biologischen Materialien
Die Erfindung betrifft ein. Verfahren zur Haltbarmaehung und Lagerung von biologischen
Materialien.
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Biologische Materialien, die zu einem beträchtlichen Teil aus cellularen
Komponenten, die wäß:rige Flüssigkeiten enthalten, bestehen, sind oft nur mit Schwierigkeit
für längere Zeit haltbar zu machen und zu lagern. Das Verderben und andere nachteilige
Umsetzungen, die in diesen Materialien bei Zimmertemperatur schnell erfolgen, können
zwar weitgehend verlangsamt werden, wenn man die Lagertemperatur auf etwa o° C herabmindert,
es erfolgt jedoch auch dann noch so schnell, daß größtmögliche Eile erforderlich
ist, wenn das biologische Material von seinem Gewinnungsort zum Punkt seiner Verwendung
geschafft werden soll. Wenn man diese Materialien bei noch niedrigeren Temperaturen;
beispielsweise - io bis -2o° oder darunter, lagern würde, könnte man ihre Lebensdauer
und damit ihre Verwendungsfähigkeit beträchtlich erhöhen. Eine Herabminderung der
Temperatur bis zu und unter den Gefrierpunkt ist aber wegen der Schädigung der biologischen
Materialien durch das Ausfrieren und das dadurch bedingte Unbrauchbarwerden für
die beabsichtigten Zwecke im allgemeinen nicht zulässig. Diese Schädigung hat mehrere
Ursachen, von denen einige noch nicht vollständig geklärt sind. Im Falle von biologischen
Materialien mit Zellstruktur scheint die Schädigung wenigstens zum Teil durch die
Bildung von Eiskristallen bed ngt zu sein, die sich zunächst innerhalb der Zellen
bilden und dann wachsen, bis sie die Zellmembranen durchstoßen. In manchen Fällen
scheint die Schädigung auf eine Denatuierung des enthaltenen Eiweißes zurückzuführen
zu sein, die wiederum wahrscheinlich auf eine Extraktion
oder Entfernung
von Wasser aus dem Proteinmolekül bei der Bildung von. Eis zurückzuführen ist. Was
auch immer der Grund dafür sein mag, so ist auf jeden Fall die Schädigung, die auftritt,
wenn ein biologisches Material bis unter seinen Gefrierpunkt gekühlt wird, durch
die Phasenänderung von Wasser zu Eis bedingt.
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Hauptziel der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Haltbarmachung
und Lagerung biologischer Materialien bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt
.ihrer flüssigen Komponenten ohne Sichädigung der Struktur und ohne Beeinträchtigung
der Verwendungsfähiglceit sowie ein Verfahren, nach welchem eine solche Haltbarmachung
und Lagerung für längere Zeit, beispielsweise für einige Monate, bewirkt wird.
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Das Verfähren der vorliegenden Erfindung ist unter anderem auf unbelebte
biologische Materialien, wie Vaccine, Sera, E,ncyme und Hormone, und lebende biologische
Materialien, wie Schimmelpilze, Bakterien und Gewebe, beispielsweise für Transplantationen,
anwendbar. So sind z. B. verschiedene der gebräuchlichen Vaccine bei längerer Lagerung
unstabil und müssen in kurzen Intervallen frisch hergestellt werden. Es würde daher
einen beträchtlichen Vorteil, beispielsweise für das Militär, bedeuten, @ wenn der
Transport solcher Vaccine über längere Strecken und ihre Lagerung und -Haltbarmachung
für längere Zeiten möglichwäre. Auch kann gesundes lebendes Gewebe, wie menschliche
Cornea, de verwendet wird, um geschädigte Teile chirurgisch zu ersetzen., nicht
für längere Zeit gehalten werden, ohne unbrauchbar zu werden, und es ist daher häufig
sehr schwierig, Spender und Empfänger zu koordinieren. Für viele solche Probleme
der Haltbarmaohung bedeutet die vorliegende Erfindung eine bequeme Lösung.
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Es ist bekannt, daß Wasser und wäßrige Lösungen sich beim Abkühlen
unter + 4° beträchtlich ausdehnen. Läßt man diesen Vorgang in einem geschlossenen
Gefäß verlaufen, so tritt eine Druckerhöhung ein, wodurch der Gefrierpunkt herabgesetzt
wird.
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Das Verfahren nach vorliegender Erfindung wird demgemäß durchgeführt,
indem man, das beispiels--weise in einem wasserundurchlässigen flexiblen Sack befindliche
biologische Material in einem für diesen Zweck geeigneten Behälter nach dem Auffüllen
mit Wasser und Verschließen durch Abkühlen unter ausreichenden Druck setzt. Dieser
Druck ist -abhängig von der Temperatur auf die man abkühlt. Auf diese Weise können
Drucke bis zu 2ooo Atm. bei Temperaturen bis herab, zu mindestens - 2ö° erreicht
werden. Es können auch höhere- Drucke angewendet werden, jedoch sind sie bei Temperaturen
unter -2o° nicht erforderlich. Für die Lagerung bei Temperaturen zwischen - 20 und
o° kann der Druck gewünschtenfalls geringer - gehalten werden als 2ooo Atm., er
ruß aber stets so groß. bleiben, daß die Bildung von Eiskristallen bei der betreffenden
Temperatur unterbleibt. Wenn nun das biologische, Material verwendet werden -soll,
ruß zunächst die Temperatur ohne Verminderung des Druckas erhöht werden: Es dürfen
sich dabei jedoch noch keine Eiskristalle bilden. .Die Begründung dafür liegt darin,
daß, wenn man als erstes den Druck vermindern würde, sich Eiskristalle bilden.,
bevor der normale Schmelzpunkt erreicht ist. Das biologische Material ruß somit,
bevor der Gesamtdruck entfernt wird, auf über o° erwärmt werden bzw. kann man den
Druck während des. Erwämmens allmählich reduzieren. Er ruß aber immer so hoch bleiben,
daß das Ausfirieren des biologischen Materials unterbleibt.
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Eine Variante des oben beschriebenen VeTfahrens besteht darin, daß
das. haltbar zu machende biologische Material zunächst bei einer Temperatur von
mehr als o° unter einen, Druck von mehr als 2ooo Atm. gesetzt wird, und dann bis
auf -2o' oder darunter .gekühlt wird. Bei Temperaturen unter -2o° bildet sieh je
nach dem Druck und der Art des biologischen, Materials ohne Expansion eine allotrope
Modifikation. von Eis (Eis II) in dem biologischen Material. Diese Form dies Eises
hat nicht die nachteiligen Expamsi.onseigenschaften der normalen allotropen Eisform
(Eis I) und zeigt daher keine Neigung, durch: die Expansion die Zellen des bsologiisahen
Materials zu zerstören. Daher kann dieses Verfahren in gewissen Fällen angewendet
werden, wenn eine Lagerung bei Temperaturen unter -2o° erwünscht ist und wenn das
biologische- Material durch die ohne Expansion erfolgende Bildung der allotropen
Eisform nicht denaturiert oder sonstwne geschädigt wird.
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Es" sei darauf hingewiesen, d@aß gemäß dieser Variante des oben beschriebenen
Verfahrens die Temperatur de.s biologischen; Materials bis über den normalen Schmelzpunkt
erhöht werden ruß, bevor der Druck wenigstens auf unter 2ooo Atm, vermindert wird,
da sich anderenfalls sofert unter wahrscheinEch beträchtlicher Schädigung des Materials
Eis I bildet.
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Es können verschiedene--gebräuchliche Apparaturen für die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Dia in der Zeichnung beschriebene,
Vorrichtung ist wegen ihrer einfachen Konstruktion und der -im wesentlichen autormatischen
Durchführung des Verfahrens besonders ;geeignet. In. der Zeiahüung' ist eine dickwandige,
vorzugsweises zylindrische Druckkammer io dargestellt, die einen .dickwandigen Deckel
i i, 'der durch die Bolzen 12 auf der Kammer io befestigt werden kann, besitzt.
Die Dichtung 13 paßt in die Aushebungen 14 und 15 der Druckkammer bzw. des Deckels,
so.daß, wenn der Deckel fest aufgesehrauht wird, der Raum in der Kammer gegen Ein-
oder Austritt von Flüssigkeit oder Dämpfen dicht verschlossen. ist.
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Das haltbar zu machende biologische Material 16 wird in einen flüssigkeitsdichten
plastischen Sack 17 gegeben, der. an seiner Öffnung 18 verschlossen wird. Dieser
Sack wird dann, wie gezeigt, in die Kammer io gebracht und Wasser 19 zugegeben,
um die Kammer ganz aufzufüllen. Dann wird der Deckel i i fest aufgeschraubt und
die Anordnung Ausfrierbedingungen unterworfen.
Das Wasser ig beginnt
dann sich in Eis umzuwandeln, wobei es sich ausdehnt. Da das Wasser in dem biologischen
Material 16 in Form einer wäßrigen Lösung vorliegt, also einen niedrigeren Gefrierpunkt
als reines Wasser aufweist, friert es bei einem gegebenen Druck nicht bei der gleichen
Temperatur wie reines Wasser. Sein Gefrierpunkt isst bei einem gegebenen Druck immer
etwas niedriger als der des reinen Wassers i9. Das Wasser i9 friert in ausreichender
Menge, um die Kammer auf einen von der Temperatur abhängenden Druck zu bringen,
und schließlich ist der Druck bei -2o° auf igio Atm. gestiegen, ohne daß das biologische
Material 16 gefroren ist.
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Es ist selbstverständlich, daß die Kammeer 1o und der Deckel i i fest
genug sein müssen, um beträchtlichen Drucken zu widerstehen. Außerdem ruß dafür
gesorgt werden, daß in oder um den Sack 17 oder an anderer Stelle in der Kammer
io beim Füllen und Schließen keine Gas- oder Lufteinschlüsse auftreten. Die genaue
Form .und Lage des Sackes in dem Behälter ist nicht wesentlich. Er könnte beispielsweise
von dem Deckel herabhängen und auf allen Seiten von Wasser umgeben sein.