EP2585813A1 - Zellüberwachung mittels streulichtmessung - Google Patents

Zellüberwachung mittels streulichtmessung

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Publication number
EP2585813A1
EP2585813A1 EP11714512.8A EP11714512A EP2585813A1 EP 2585813 A1 EP2585813 A1 EP 2585813A1 EP 11714512 A EP11714512 A EP 11714512A EP 2585813 A1 EP2585813 A1 EP 2585813A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receiving unit
scattered light
substrate
test cells
light detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11714512.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Hayden
Sandro Francesco Tedde
Peter Ertl
Kriemhilt Roppert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthcare GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2585813A1 publication Critical patent/EP2585813A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/51—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid inside a container, e.g. in an ampoule
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/46—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of cellular or enzymatic activity or functionality, e.g. cell viability
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G01N2021/058—Flat flow cell
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4707—Forward scatter; Low angle scatter

Definitions

  • Cell monitoring means scattered light measurement
  • the present invention relates to a device for cell ⁇ monitoring with at least one receiving unit for a plurality of test cells and a measuring device for measuring cell.
  • various Me ⁇ methods and procedures are known in principle, be determined by means of which biological and chemical parameters, for example, are used in medicine for drug testing.
  • In vitro cell assays include label-free methods, such as adherence measurement of cells using impedance spectroscopy, oxygen determination using a Clark electrode or optical sensors, and pH measurement using ion-selective field-effect transistors.
  • fluorescence and chemiluminescence methods are known. These are among the so-called endpoint determinations and have the disadvantage of the mostly associated Zellabtötung.
  • the method of flow cytometry uses light scattering and fluorescence for cell size and cell structure measurements. Is disadvantageous about this method is that by the sample flow only ei ⁇ ne snapshot is guaranteed and the samples are not characterized for a long period.
  • a microscopic check demands a manual working process step or a complex automation.
  • a continuous microscopy control has the disadvantage of high data volumes, high time requirements and complex parallelization. It is an object of the present invention to provide an improved apparatus for measuring cell, by which are avoided in particular a complex or a microscopy control zusharm ⁇ Licher manual work process step.
  • the object is achieved by a device according to claim 1. Further developments and advantageous Ausgestal ⁇ tions of the device are the subject of the dependent claims.
  • the device according to the invention is used for cell monitoring and comprises at least one receiving unit for a plurality of test cells and a first measuring device for cell measurement.
  • the receiving unit comprises an at least partially transparent substrate.
  • the device comprises a second measuring device for scattered light measurement. The second
  • Measuring device has a light source and a scattered light ⁇ detector.
  • the receiving unit, the light source and the scattered light detector are arranged so that at least part of the light generated from the light source incident on the receiving unit and is scattered at least a portion of Testzel ⁇ len in the receiving unit, the receiving unit leaves through the substrate and hits the scattered light detector.
  • This has the advantage that parallel to a cell test, even over long observation periods, a continuous control of the cell state and the cell density of a layer of test cells can be carried out.
  • the device according to the invention allows a combination of cell monitoring and cell measurement, for example electrochemical characterization. No imaging process and no microscopic step are necessary, making cell monitoring easier and thus more cost effective.
  • the device comprises a scattered-light detector with at least one photodiode.
  • the device allows the combination of several tasks, the determination of the cell density, the determination of the cell morpholo- gie, the determination of concentration or density of test cells on a substrate and the determination of dynamic parameters such as growth curves, confluence of the cells and a continuous determination of acute toxicity parameters, which in particular can be done simultaneously.
  • the pre ⁇ direction is integrated on a chip.
  • the photodiode of the scattered-light detector is arranged such that it lies outside of the light impinging on the scattered-light detector, which penetrates the receiving unit with the test cells and the substrate unscattered.
  • the second measuring device comprises an optical filter which is arranged between the receiving unit and the scattered-light detector.
  • the optical filter may be tuned to the Wel ⁇ lenmother of the light generated from the light source, which allows an arrangement of the photodiode in direct-beam direction. It is advantageous if the optical density of the optical filter is dependent on the angle of incidence of the light.
  • the optical filter may be an interference filter. It is expedient to use an optical filter when the photodiode is located centrally in a region of the scattered-light detector detected by light scattered on test cells. It is then advantageous if the extent of the surface of the photodiode is greater than the area of the substrate which is detected by the light incident in the recording unit and, in particular, larger than the substrate.
  • the substrate is exchangeable.
  • the entire receiving unit can be designed to be interchangeable.
  • the receiving unit is a microtiter plate.
  • Such embodiments of the device have the advantage that the use of inexpensive substrates is possible.
  • microtiter plates are available in bulk.
  • exchange bare substrates or exchangeable recording units have the further advantage of simplifying the device and the measurements made therewith. Also, a higher throughput is possible.
  • the receiving unit may be configured as a microfluidic channel .
  • This embodiment allows a supply of the test cells with a nutrient solution, which is particularly advantageous over a longer period of measurement.
  • the receiving unit forms part of the first measuring device for cell measurement and the substrate is designed as a sensor electrode.
  • This embodiment has the Prior ⁇ part that the same test cells are characterized simultaneously electronically or electrochemically and means
  • Scattered light can be detected and monitored.
  • the second measuring device and the receiving unit are movable relative to each other.
  • a scanning of the entire test cells is possible.
  • Large-area substrates enable a high throughput of test cells.
  • only the light source with respect to a fixed recording unit and a fes ⁇ th scattered light detector is moved.
  • the scattered light detector may comprise segmented photodiodes.
  • the first measuring device comprises at least one electrode for the electrochemical analysis of the test cells.
  • the first test device can be at least one ion-selective electrode umfas ⁇ sen.
  • the first measurement means comprise at least one electrode for impedance measurement ⁇ of the test cells.
  • such electrodes are integrated in the substrate of the receiving unit.
  • the substrate may be a test chip.
  • FIG. 2 shows a plan view of the further embodiment of the device
  • FIG. 3 shows a side view of a further embodiment of the device
  • Figure 4 shows a further embodiment of the receiving unit and the scattered light detector as well as a traversing ⁇ bare light source
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the recording unit
  • Figure 6 shows a side view of test cells on a
  • Figure 7 shows a plan view of test cells on a sub ⁇ strat
  • Figure 8 shows a side view of test cells on a
  • FIG. 9 shows a plan view of test cells on a sub ⁇ strat. Based on embodiments, the invention is presented in more detail.
  • a device for cell monitoring is provided which comprises two measuring devices.
  • the first measuring device is used for cell measurement and comprises a receiving unit 30 for a plurality of test cells 2.
  • FIG. 1 shows the receiving unit 30 in the form of a microfluidic channel, as shown in plan view in FIG. This has min ⁇ least an inlet 32 and an outlet 32 for the testme ⁇ dium, the test cells 2 on.
  • the transparent substrate 31 is covered with a sufficiently dense monolayer of test cells 2, as can be seen clearly in FIG.
  • the embodiment of the receiving unit 30 as a microfluidic channel he ⁇ laubt a continuous feeding of a nutrient solution for the test cells 2.
  • Figure 1 further shows a Streulichtdetek- tor 50 with a single large-area photodiode 51 shows the top view in Figure 2, that the extension A of the photo ⁇ diode 51 is larger than the area covered by test cells 2 Sub ⁇ strat 31.
  • the side view 51 shows in Figure 1 that Aufnah- meech 30 and scattered light detector 50 are arranged horizontally, the receiving unit 30 above the scattered light detector 50. Above the receiving unit 30 is a light source ⁇ 10.
  • the light source 10 emits coherent monochromatic light ⁇ .
  • Convenient is a laser light source.
  • the side view in Figure 1 also shows vertically in the
  • Receiving unit incident light IIa which leaves the receiving unit 30 through the substrate 31 after the scattering at the test cells 2.
  • the substrate 31 is made to be transparent to light of the light source 10.
  • the scattered light IIb leaves the receiving unit and forms a stray light ⁇ cone. This is completely detected by the sufficiently large-area Fotodio ⁇ de 51 of the scattered light detector 50.
  • Zvi ⁇ rule of the horizontal arrangement of the recording unit 30 above the scattered light detector 50, an optical shearing filter is 4.
  • the optical density of the filter is dependent on the angle of incidence of the light. In this way, directly transmitted light from the light source, which was not scattered at the test cells 2, can be filtered out.
  • the design of the receiving unit 30 as a microfluidic channel allows the integration of the device on a test chip. Alternatively, an in vitro test chip is integrated within the microfluidic channel.
  • Figure 3 shows a side view of another execution ⁇ of the invention.
  • the receiving unit 30, the optical filter 4 and the scattered light detector 50 are mounted horizontally one above the other.
  • a light source 10 is mounted, which emits a directed light beam IIa with a defined beam diameter.
  • the beam diameter is set smaller than the extent A of a single photodiode 51 of the scattered light detector 50.
  • the scattered light detector 50 has a plurality of photodiodes 51. These are in a regular grid on the
  • the receiving unit comprises an inlet and outlet 32 for the test cells 2, a necessary nutrient solution or generally a test medium.
  • Test cells 2 form a dense monolayer on the substrate 31.
  • the substrate 31 is a transparent chip with one or more integrated sensors, for example a Clark electrode, an electrode for pH measurement, and interdigital structures for impedance measurement for determining the adhesion. rence of the test cells 2.
  • Figure 4 shows a further embodiment of the invention, here specifically, various embodiments of the receiving unit 30.
  • recording unit 30 and Streulichtde ⁇ Tektor 50 arranged horizontally one above the other.
  • a light source 10 which is movable.
  • the light source 10 can be guided over the entire sub ⁇ strat 31.
  • the scattered-light detector 50 may comprise a single large-area photodiode 51, as shown in FIG. 1 and FIG. 5, or a plurality of segmented photodiodes 51, as shown in FIG. 3 and FIG.
  • seg ⁇ mented photodiode 51 is the beam diameter of the incident light, that is detected by the incident light region B, is less than the dimension A of the photodiodes 51, see Figure 2.
  • the receiving unit 30 is designed as a microtiter plate.
  • the microtiter plate ie the receiving unit 30 itself, thus also forms the substrate 31.
  • Commercial microtiter plates offer different corrugations.
  • the side views in FIGS. 4 and 5 show corrugations 33 a with a planar substrate bottom and wells 33 b, which represent hemispherical depressions in the substrate 31.
  • An optical filter 4 is mounted between the pickup unit 30 and the scattered light detector 50. Opti ⁇ cal filter 4 rests directly on the scattered light detector 50th
  • the receiving unit 30 again lies directly on the opti- see filter 4.
  • the designed as a microtiter Auf ⁇ receiving unit 30 is interchangeable. For example, instead of a movement of the light source 10, the receiving unit 30 and / or the scattered-light detector 50 can also be moved.
  • Figure 6 shows a side view
  • Figure 7 is a plan view of a filled with test cell substrate 31.
  • Confluent Testzel ⁇ len 2a form a tight monolayer on the substrate 31.
  • the top view in Figure 9 shows that rounded cells 2b, as shown in Figure 8 are, on the other hand, do not form a dense mono ⁇ position.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Zellüberwachung von Testzellen angegeben. Diese weist mindestens eine Aufnahmeeinheit (30) für die Testzellen und eine erste Messeinrichtung zur Zellmessung auf. Mittels einer zweiten Messeinrichtung, die eine Lichtquelle (10) und einen Streulichtdetektor (50) umfasst, kann eine Zellüberwachung während der Zellmessung vorgenommen werden. Dazu weist die Aufnahmeeinheit ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Substrat (31) auf und ist so zwischen Lichtquelle und Streulichtdetektor angeordnet, das wenigstens ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts (11a) in die Aufnahmeeinheit einfällt, an den Testzellen gestreut wird und nach Verlassen der Aufnahmeeinheit durch das Substrat auf den Streulichtdetektor trifft.

Description

Beschreibung
Zellüberwachung mittels Streulichtmessung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zell¬ überwachung mit mindestens einer Aufnahmeeinheit für eine Mehrzahl von Testzellen und einer Messeinrichtung zur Zellmessung . Im Bereich der Zellmessung sind prinzipiell verschiedene Me¬ thoden und Verfahren bekannt, mittels derer biologische sowie chemische Parameter bestimmt werden, die in der Medizin beispielsweise zur Medikamentenerprobung dienen. In-vitro- Zelltests umfassen markierungsfreie Methoden, beispielsweise die Adherenzmessung von Zellen mittels Impedanzspektroskopie, die Sauerstoffbestimmung mittels einer Clark-Elektrode oder mittels optischer Sensoren, sowie die pH-Messung mittels ionenselektiver Feldeffekttransistoren. Daneben sind Fluoreszenz- und Chemilumineszenz-Verfahren bekannt. Diese zählen zu den sogenannten Endpunktsbestimmungen und haben den Nachteil der meist einhergehenden Zellabtötung .
Die Methode der Durchflusszytometrie nutzt Lichtstreuung und Fluoreszenz zur Zellgrößen- und Zellstrukturmessung. Nachtei- lig an dieser Methode ist, dass durch den Probenfluss nur ei¬ ne Momentaufnahme gewährleistet ist und die Proben nicht über einen längeren Zeitraum charakterisiert werden.
Es ist bekannt, dass während einer Zellmessung, besonders über einen längeren Zeitraum, eine Überwachung des Zellzustandes sowie der Zelldichte einer Lage von Zellen auf einem Substrat notwendig ist. Dafür wird auf eine mikroskopische Kontrolle zurückgegriffen. Eine mikroskopische Kontrolle er¬ fordert einen manuellen Arbeitsprozessschritt oder eine auf- wendige Automatisierung. Eine kontinuierliche Mikroskopiekontrolle hat den Nachteil hoher Datenmengen, hohen Zeitbedarfs sowie aufwendiger Parallelisierung . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Zellmessung bereitzustellen, durch die insbesondere eine aufwendige Mikroskopiekontrolle oder ein zusätz¬ licher manueller Arbeitsprozessschritt vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestal¬ tungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Zellüberwachung und umfasst mindestens eine Aufnahmeeinheit für eine Mehrzahl von Testzellen sowie eine erste Messeinrichtung zur Zellmessung. Die Aufnahmeeinheit umfasst ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Substrat. Die Vorrichtung umfasst eine zweite Messeinrichtung zur Streulichtmessung. Die zweite
Messeinrichtung weist eine Lichtquelle und einen Streulicht¬ detektor auf. Dabei sind die Aufnahmeeinheit , die Lichtquelle und der Streulichtdetektor so angeordnet, dass wenigstens ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts in die Aufnah- meeinheit einfällt und an wenigstens einem Teil der Testzel¬ len in der Aufnahmeeinheit gestreut wird, die Aufnahmeeinheit durch das Substrat verlässt und auf den Streulichtdetektor trifft. Das hat zum Vorteil, dass parallel zu einem Zelltest, auch über lange Beobachtungszeiträume, eine kontinuierliche Kontrolle des Zellzustandes sowie der Zelldichte einer Lage von Testzellen erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Kombination aus Zellüberwachung und Zellmessung, beispielsweise elektrochemischer Charakterisierung. Kein abbildendes Verfahren und kein Mikroskopieschritt sind notwendig, wodurch die Zellüberwachung einfacher und damit auch kostengünstiger wird. Darüber hinaus wird durch die Vermeidung eines zusätzlichen manuellen Arbeitsschrittes eine Zeiteinsparung erzielt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Streulichtdetektor mit mindestens einer Fotodiode. Die Vorrichtung ermöglicht die Kombination mehrerer Aufgaben, die Bestimmung der Zelldichte, die Bestimmung der Zellmorpholo- gie, die Konzentrations- bzw. Dichtebestimmung von Testzellen auf einem Substrat sowie die Bestimmung dynamischer Parameter wie Wachstumskurven, Konfluenz der Zellen und eine kontinuierliche Bestimmung akuttoxischer Parameter, die insbesondere gleichzeitig erledigt werden können. Zweckmäßig ist die Vor¬ richtung auf einem Chip integriert. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Fotodiode des Streulichtdetektors so angeordnet, dass sie außerhalb des auf den Streulichtdetektor auftreffenden Lichts, das die Aufnahmeeinheit mit den Test- zellen sowie das Substrat ungestreut durchdringt, liegt. Das hat den Vorteil, dass kein optischer Filter für das unge- streute Licht notwendig ist und dadurch der Aufbau sehr ein¬ fach und kostengünstig realisiert werden kann. In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die zweite Messeinrichtung einen optischen Filter, der zwischen der Aufnahmeeinheit und dem Streulichtdetektor angeordnet ist. Insbesondere kann der optische Filter auf die Wel¬ lenlänge des von der Lichtquelle erzeugten Lichts abgestimmt sein, was eine Anordnung der Fotodiode in direkter Durchstrahlrichtung erlaubt. Vorteilhaft ist es, wenn die optische Dichte des optischen Filters vom Einfallswinkel des Lichts abhängig ist. Insbesondere kann der optische Filter ein Interferenzfilter sein. Zweckmäßig ist es, einen optischen Fil- ter dann zu verwenden, wenn die Fotodiode zentral in einem von an Testzellen gestreutem Licht erfassten Bereich des Streulichtdetektors liegt. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnung der Oberfläche der Fotodiode größer ist als der vom in die Aufnahmeeinheit einfallenden Licht erfasste Be- reich des Substrats und insbesondere größer als das Substrat.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat austauschbar. Insbesondere kann die gesamte Aufnahmeeinheit austauschbar ausgeführt sein. Beispielsweise ist die Aufnahmeeinheit eine Mikrotiterplatte . Derartige Aus¬ gestaltungen der Vorrichtung haben den Vorteil, dass der Einsatz kostengünstiger Substrate möglich ist. Insbesondere Mikrotiterplatten sind als Massenware erhältlich. Austausch- bare Substrate oder austauschbare Aufnahmeeinheiten haben weiter den Vorteil, die Vorrichtung und damit vorgenommene Messungen zu vereinfachen. Auch wird ein höherer Durchsatz ermöglicht .
Alternativ kann die Aufnahmeeinheit als Mikrofluidkanal aus¬ gestaltet sein. Diese Ausgestaltung erlaubt eine Versorgung der Testzellen mit einer Nährlösung, was insbesondere über einen längeren Zeitraum der Messung vorteilhaft ist.
Zweckmäßig bildet die Aufnahmeeinheit einen Teil der ersten Messeinrichtung zur Zellmessung und das Substrat ist als Sensorelektrode ausgestaltet. Diese Ausgestaltung hat den Vor¬ teil, dass dieselben Testzellen gleichzeitig elektronisch oder elektrochemisch charakterisiert werden und mittels
Streulicht erfasst und überwacht werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zweite Messeinrichtung und die Aufnahmeeinheit relativ zuein- ander verfahrbar. Somit ist ein Abrastern der gesamten Testzellen möglich. Großflächige Substrate ermöglichen einen hohen Durchsatz an Testzellen. Alternativ ist nur die Lichtquelle gegenüber einer festen Aufnahmeeinheit und einem fes¬ ten Streulichtdetektor verfahrbar. Der Streulichtdetektor kann segmentierte Fotodioden umfassen.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Messeinrichtung mindestens eine Elektrode zur elektrochemischen Analyse der Testzellen umfasst. Alternativ oder auch zusätzlich kann die erste Test- einrichtung mindestens eine ionenselektive Elektrode umfas¬ sen. Des Weiteren kann alternativ oder auch zusätzlich die erste Messeinrichtung mindestens eine Elektrode zur Impedanz¬ messung der Testzellen umfassen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind derartige Elektroden im Sub- strat der Aufnahmeeinheit integriert. Zum Beispiel kann das Substrat ein Testchip sein. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 der ange¬ hängten Zeichnung beschrieben: Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der
Vorrichtung,
Figur 2 zeigt eine Draufsicht der weiteren Ausführungsform der Vorrichtung,
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungs- form der Vorrichtung,
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Aufnahmeeinheit und des Streulichtdetektors sowie eine verfahr¬ bare Lichtquelle,
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Aufnahmeein- heit,
Figur 6 zeigt eine Seitenansicht von Testzellen auf einem
Substrat,
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf Testzellen auf einem Sub¬ strat,
Figur 8 zeigt eine Seitenansicht von Testzellen auf einem
Substrat und
Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf Testzellen auf einem Sub¬ strat . Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher vorgestellt. Es wird eine Vorrichtung zur Zellüberwachung bereitgestellt, die zwei Messeinrichtungen umfasst. Die erste Messeinrichtung dient zur Zellmessung und umfasst eine Aufnahmeeinheit 30 für eine Mehrzahl von Testzellen 2. Figur 1 zeigt die Aufnahmeeinheit 30 in Form eines Mikrofluidkanals , wie in der Draufsicht in Figur 2 gezeigt. Dieser weist min¬ destens einen Einlass 32 und einen Auslass 32 für das Testme¬ dium, die Testzellen 2, auf. Das transparente Substrat 31 ist mit einer ausreichend dichten Monolage von Testzellen 2 be- deckt wie sie besonders in Figur 7 deutlich zu erkennen ist. Die Ausführung der Aufnahmeeinheit 30 als Mikrofluidkanal er¬ laubt eine kontinuierliche Zuführung einer Nährlösung für die Testzellen 2. Figur 1 zeigt weiterhin einen Streulichtdetek- tor 50 mit einer einzelnen großflächigen Fotodiode 51. Die Draufsicht in Figur 2 zeigt, dass die Ausdehnung A der Foto¬ diode 51 größer ist als das von Testzellen 2 bedeckte Sub¬ strat 31. Die Seitenansicht 51 in Figur 1 zeigt, dass Aufnah- meeinheit 30 und Streulichtdetektor 50 horizontal angeordnet sind, die Aufnahmeeinheit 30 oberhalb des Streulichtdetektors 50. Oberhalb der Aufnahmeeinheit 30 befindet sich eine Licht¬ quelle 10. Die Lichtquelle 10 emittiert kohärentes monochro¬ matisches Licht. Zweckdienlich ist eine Laserlichtquelle. Die Seitenansicht in Figur 1 zeigt weiterhin senkrecht in die
Aufnahmeeinheit einfallendes Licht IIa, das nach der Streuung an den Testzellen 2 die Aufnahmeeinheit 30 durch das Substrat 31 verlässt. Das Substrat 31 ist so ausgeführt, dass es für Licht der Lichtquelle 10 durchlässig ist. Das gestreute Licht IIb verlässt die Aufnahmeeinheit und bildet einen Streulicht¬ kegel. Dieser wird von der ausreichend großflächigen Fotodio¬ de 51 des Streulichtdetektors 50 vollständig erfasst. Zwi¬ schen der horizontalen Anordnung von der Aufnahmeeinheit 30 oberhalb des Streulichtdetektors 50 befindet sich ein opti- scher Filter 4. Die optische Dichte des Filters ist abhängig vom Einfallswinkel des Lichts. Damit kann direkt transmit- tiertes Licht der Lichtquelle, das nicht an den Testzellen 2 gestreut wurde, herausgefiltert werden. Die Ausgestaltung der Aufnahmeeinheit 30 als Mikrofluidkanal erlaubt die Integrati- on der Vorrichtung auf einen Testchip. Alternativ ist innerhalb des Mikrofluidkanals ein In-vitro-Testchip integriert.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungs¬ form der Erfindung. Dabei sind wieder die Aufnahmeeinheit 30, der optische Filter 4 sowie der Streulichtdetektor 50 horizontal übereinander angebracht. Oberhalb der Aufnahmeeinheit 30 ist eine Lichtquelle 10 angebracht, die einen gerichteten Lichtstrahl IIa mit definiertem Strahldurchmesser aussendet. Der Strahldurchmesser ist geringer gewählt als die Ausdehnung A einer einzelnen Fotodiode 51 des Streulichtdetektors 50.
Der Streulichtdetektor 50 weist eine Mehrzahl von Fotodioden 51 auf. Diese sind in einem regelmäßigen Raster auf dem
Streulichtdetektor 50 angebracht. In direkter Transmissions- richtung des Lichtstrahls liegt keine Fotodiode 51. Diese An¬ ordnung erlaubt den Einsatz kostengünstigerer optischer Filter 4 mit geringerer Filterwirkung. Die Aufnahmeeinheit um- fasst einen Ein- und Auslass 32 für die Testzellen 2, eine notwendige Nährlösung oder allgemein ein Testmedium. Die
Testzellen 2 bilden eine dichte Monolage auf dem Substrat 31. Das Substrat 31 ist ein transparenter Chip mit einem oder mehreren integrierten Sensoren, beispielsweise eine Clark- Elektrode, eine Elektrode zur pH-Wert-Messung sowie Interdi- gitalstrukturen zur Impedanzmessung zur Bestimmung der Adhe- renz der Testzellen 2.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, hier speziell verschiedene Ausführungsformen der Aufnahmeein- heit 30. Wiederum sind Aufnahmeeinheit 30 und Streulichtde¬ tektor 50 horizontal übereinander angeordnet. Oberhalb der Aufnahmeeinheit 30 befindet sich eine Lichtquelle 10, die verfahrbar ist. Die Lichtquelle 10 kann über das gesamte Sub¬ strat 31 geführt werden. Der Streulichtdetektor 50 kann eine einzelne großflächige Fotodiode 51 aufweisen, wie in Figur 1 und Figur 5 gezeigt, oder eine Mehrzahl segmentierter Fotodioden 51, wie in Figur 3 und Figur 4 gezeigt. Im Fall der seg¬ mentierten Fotodioden 51 ist der Strahldurchmesser des einfallenden Lichts, d.h. der vom einfallenden Licht erfasste Bereich B, geringer als die Ausdehnung A der Fotodioden 51, siehe Figur 2. Die Ausdehnung A der Fotodioden 51 ist unabhängig vom Lichtkegel so groß zu wählen, dass ausreichend viele streuende Zellen 2 erfasst sind. Die Aufnahmeeinheit 30 ist als Mikrotiterplatte ausgestaltet. Die Mikrotiterplatte, also die Aufnahmeeinheit 30 selbst, bildet somit auch das Substrat 31. Kommerzielle Mikrotiterplatten bieten unterschiedliche Wellformen an. Die Seitenansichten in den Figuren 4 und 5 zeigen Wells 33a mit ebenem Substratboden und Wells 33b, die halbkugelförmige Vertiefungen im Substrat 31 dar- stellen. Ein optischer Filter 4 ist zwischen der Aufnahmeeinheit 30 und dem Streulichtdetektor 50 angebracht. Der opti¬ sche Filter 4 liegt direkt auf dem Streulichtdetektor 50 auf. Die Aufnahmeeinheit 30 liegt wiederum direkt auf dem opti- sehen Filter 4 auf. Die als Mikrotiterplatte ausgeführte Auf¬ nahmeeinheit 30 ist austauschbar. Beispielsweise kann anstatt einer Bewegung der Lichtquelle 10 auch die Aufnahmeeinheit 30 und/oder der Streulichtdetektor 50 verfahren werden.
Figur 6 zeigt eine Seitenansicht, Figur 7 eine Draufsicht auf ein mit Testzellen belegtes Substrat 31. Konfluente Testzel¬ len 2a bilden eine dichte Monolage auf dem Substrat 31. Die Draufsicht in Figur 9 zeigt, dass abgerundete Zellen 2b, wie sie in Figur 8 dargestellt sind, hingegen keine dichte Mono¬ lage bilden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Zellüberwachung mit mindestens einer Aufnahmeeinheit (30) für eine Mehrzahl von Testzellen (2) und einer ersten Messeinrichtung zur Zellmessung, wobei die Aufnahmeeinheit (30) ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Substrat (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor¬ richtung eine zweite Messeinrichtung zur Streulichtmessung mit einer Lichtquelle (10) und mindestens einem Streulichtde- tektor (50) aufweist, wobei die Aufnahmeeinheit (30), die
Lichtquelle (10) und der Streulichtdetektor (50) so angeord¬ net sind, dass wenigstens ein Teil des von der Lichtquelle (10) erzeugten Lichts (IIa) in die Aufnahmeeinheit (30) ein¬ fällt und an wenigstens einem Teil der Testzellen (2) in der Aufnahmeeinheit (30) gestreut wird, die Aufnahmeeinheit (30) durch das Substrat (31) verlässt und auf den Streulichtdetek¬ tor (50) trifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Streulichtdetektor (50) mindestens eine Fotodiode (51) aufweist .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodiode (51) des Streulichtdetektors (50) so angeordnet ist, dass sie außerhalb des auf den Streulichtdetektor (50) auftreffenden Lichts, das die Aufnahmeeinheit (30) mit Test¬ zellen (2) sowie das Substrat (31) ungestreut durchdringt, liegt .
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung einen optischen Filter (4) umfasst, der zwischen der Aufnahmeeinheit (30) und dem Streulichtdetektor (50) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dichte des Filters (4), der insbesondere ein In¬ terferenzfilter ist, vom Einfallswinkel des Lichts abhängig ist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodiode (51) zentral in einem von an den Testzellen (2) gestreutem Licht (IIb) erfassten Bereich des Streulichtdetektors (50) liegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (A) der Oberfläche der Fo¬ todiode (51) größer ist als der vom in die Aufnahmeeinheit (30) einfallenden Licht (IIa) erfasste Bereich (B) des Sub¬ strats (31), insbesondere größer als das Substrat (31).
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (31) austauschbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (30), die ins¬ besondere eine Mikrotiterplatte ist, austauschbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (30) als
Mikrofluidkanal ausgestaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (30) einen Teil der ersten Messeinrichtung zur Zellmessung bildet und das Substrat (31) als Sensorelektrode ausgestaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung und die Aufnahmeeinheit (30) relativ zueinander verfahrbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung mindes¬ tens eine Elektrode zur elektrochemischen Analyse der Test¬ zellen (2) umfasst.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung mindes¬ tens eine ionenselektive Elektrode umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung mindes¬ tens eine Elektrode zur Impedanzmessung der Testzellen (2) umfasst .
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