EP4702121A2 - ZELLKULTURMEMBRANEINSATZ SOWIE VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERFASSUNG MINDESTENS EINER ELEKTROCHEMISCHEN GRÖßE EINER ZELLKULTUR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellkulturmembraneinsatz (120) sowie eine Vorrichtung (110) und ein Verfahren (210) zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur (112). Die Zellkultur (112) kann hierbei mindestens einen beliebigen Zelltypus mindestens einer Spezies in Mono- oder Ko-kultur umfassen, wobei Zellkulturen, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sind, besonders bevorzugt sind. Der Zellkulturmembraneinsatz (120) umfasst hierbei - einen offenen Träger (128), der eingerichtet ist, eine Zellkultur (112) mindestens einem Gas oder Aerosol (114) auszusetzen, wobei in den Träger (128) eine Membran (130) eingebracht ist, welche mindestens eine Oberfläche (132) aufweist, die zur Aufnahme der Zellkultur (112) eingerichtet ist, wobei die Membran (130) o Poren (134) zur Diffusion von Nährmedium (136) durch die Membran (130), und o an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur (112) eingerichteten Oberfläche (132) eine Elektrodenanordnung (130) aufweist, wobei die Elektrodenanordnung (130) mindestens zwei Elektroden umfasst, und - mindestens zwei Kontaktstellen (146, 146'), wobei jede Kontaktstelle (146, 146') zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer der Elektroden und jeweils einem, von dem Zellkulturmembraneinsatz (120) nicht umfassten elektrischen Kontakt (144, 144') eingerichtet ist. Das Verfahren und die Vorrichtung (110) ermöglichen insbesondere eine zeitaufgelöste, nicht-invasive und markierungs-freie realitätsnahe Untersuchung und Überwachung von Zellkulturen (112), die insbesondere mindestens einem Gas oder Aerosol (114) ausgesetzt sein können.

Description

Zellkulturmembraneinsatz sowie Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Zellkulturmembraneinsatz sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur. Die Zellkultur kann hierbei mindestens einen beliebigen Zelltypus mindestens einer Spezies in Mono- oder Ko-kultur umfassen, wobei Zellkulturen, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sind, besonders bevorzugt sind. Die Verwendung einer anderen Art von Zellkultur ist jedoch möglich.

Stand der Technik

Eine realitätsnahe in-vitro Testung von Zellkulturen, insbesondere der Lunge, der Bronchien, des Mund- und Rachenraums oder der Haut, gegenüber einer Exposition durch mindestens ein Gas oder Aerosol an einer Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht wird von der OECD im Bereich des Gesundheitsschutzes als zu bevorzugende Methode empfohlen, da bei submerser Kultivierung die Gasphase verloren geht und Partikel aus dem Aerosol in der Flüssigkeit suspendiert werden, wodurch Agglomerationsstatus und Partikeloberflächen beeinflusst werden können, bis hin zu einer Unterdrückung von biologischen Wirkungen durch Gegenwart von Proteinen.

Neben bekannten Tests an wiederholt entnehmbaren Proben des Nährmediums kann die Untersuchung der biologischen Wirkung des Gases oder Aerosols auf die Zellkultur, insbesondere im Rahmen von molekularbiologischen oder (immun-)histologischen Analysen, bisher nur als Endpunkte erfolgen, da hierfür eine Entnahme von Zellproben aus der Expositionskammer erforderlich ist und die Analyse in der Regel zur Zerstörung der Zellkultur führt. Daher spiegeln derartige Endpunkt- Analysen jeweils nur den biologischen Zustand der Zellkultur zum Ende der Exposition gegenüber dem Gas oder Aerosol wider. Damit lässt sich jeweils genau ein Zustand zum Ende der Exposition erfassen, während die Untersuchung einer zeitabhängigen Wirkung, wie sie z.B. bei Erholungsphasen auftreten kann, eine Vielzahl an Experimenten und Zellkulturen erfordert, wobei nur ein relativer Vergleich der Ergebnisse möglich ist.

Weiterhin bekannt ist die Analyse von Zellkulturen, die auf mikroporösen Membranen eine Barriere ausbilden, mittels einer Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands (engl. transepithelial electrical resistance, kurz TEER) oder der Bestimmung der Impedanz der Zellkultur. Nachteilig hieran ist die dafür erforderliche Kultivierung der Zellkultur unter submersen Bedingungen, d.h. mit einem permanent überdeckenden flüssigen Medium, so dass keine direkte Exposition der Zellen gegenüber dem Gas oder Aerosol an der Gas- Flüssigkeits-Grenzschicht möglich ist. Die Üb er Schichtung der Zellen mit dem flüssigen Medium ist auch aufgrund der Verwendung von Tauchelektroden oberhalb als auch unterhalb der Zellkultur erforderlich, wobei das flüssige Medium als elektrisch leitfähiger Elektrolyt dient.

In diesem Zusammenhang ist auch eine Online-Dosismessung für die Partikeldeposition auf der Grenzschicht bekannt, siehe z.B. WO 2008/116540 Al oder WO 2016/096137 Al.

EP 2 103 933 Al offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Impedanz-Messung an der Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht von organotypi sehen Zellkulturen auf mikroporösen Membranen. Hierfür wird eine erste Elektrode in Form einer Tauchelektrode verwendet, die oberhalb der Membran positioniert ist, während eine zweite Elektrode auf dem Boden der Kulturkammer unterhalb der Membran angeordnet ist. Die erste Elektrode wird an der Gas- Flüssigkeits-Grenzschicht derart bewegt, dass für Messungen eine direkte Kontaktierung mit der Zellkultur erfolgt. Die direkte Kontaktierung ist jedoch nur bei entsprechender Schichtdicke der Zellkultur möglich, um eine Beeinträchtigung oder Zerstörung der Zellkultur zu vermeiden, und bleibt somit auf Gewebsschnitte begrenzt; eine Messung an Einzelzellschichten ist nicht durchführbar. Weiterhin nachteilig ist, dass die Anordnung der zweiten Elektrode in einem Abstand zur Zellkultur zu einem Signalverlust führen kann.

EP 3 722 807 Al offenbart eine mikrofluidische Vorrichtung zur Bestimmung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) einer Zellschicht oder eines Zellverbands oder zur Bestimmung der Impedanz von Zellen, einer Zellschicht oder eines Zellverbands, wobei die Vorrichtung mindestens einen Mikrokanal umfasst, der mindestens ein unteres und ein oberes Kompartiment, die durch mindestens eine poröse Membran getrennt sind, und gegebenenfalls ein inneres Kompartiment aufweist, wobei das untere Kompartiment eine untere Wand und Seitenwände umfasst, das obere Kompartiment eine obere Wand und Seitenwände umfasst, wobei die untere Wand, die obere Wand, die Seitenwände und die mindestens eine poröse Membran Volumina festlegen, und wobei mindestens eine poröse Membran eine Oberfläche mindestens einer Elektrode umfasst.

EP 4 119 653 Al offenbart Zellen auf einer permeablen Lage in einem Kulturbereich, der mit Elektroden zur Messung elektrischer Zelleigenschaften versehen ist.

Sbarana, T. et al., Dual flow bioreactor with ultrathin microporous TEER sensing membrane for evaluation of nanoparticle toxicity, Sensors and Actuators B: Chemical (2016) 223: 440- 446, zeigen eine Zellwiderstands-Messvorrichtung (TEER Bioreaktor) mit Zellen auf einem porösen Substrat zur Testung der Toxizität von Nanopartikeln.

Moura, J.A. et al., Alternative lung cell model systems for toxicology testing strategies: Current knowledge and future outlook. Semin. Cell Dev. Biol., elektronisch veröffentlicht am 02.01.2023, 147:70-82, zeigen Lungenzellmodelle in Zellkultureinsätzen zur Untersuchung der Toxikologie der Luftverschmutzung und des Einatmens von Giftstoffen. Ferner wird eine Luft-Medium-Kontakt-Zellkultur (ALI) mit Zellkultureinsatz vorgestellt.

Skardal, A. et al., Multitissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform. Sei. Rep. (2017) 7, 8837, Druckseiten 1-16, zeigen eine mikrofluidische Lungen- Zellkulturvorrichtung mit Elektroden zur TEER-Messung zur Testung von toxischen Luftgetragenen Partikeln oder Medikamenten-Aerosolen.

Le Prieur, E. et al., Toxicity of diesel engine exhausts in an in vitro model of lung slices in biphasic organotypic culture: Induction of a proinflammatory and apoptotic response. Arch. Toxicol. (2000) 7 4, 460-466, zeigen eine Expositionskammer mit rotierendem Kulturgefäß und einem Metallnetz zur Zellkultur von Test-Lungengewebe.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Zellkulturmembraneinsatz sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.

Insbesondere sollen der Zellkulturmembraneinsatz, die Vorrichtung und das Verfahren eine zeitaufgelöste, nicht-invasive und markierungs-freie realitätsnahe Untersuchung und Überwachung von Zellkulturen, die insbesondere mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sein können, ermöglichen.

Weiterhin sollen es der Zellkulturmembraneinsatz, die Vorrichtung und das das Verfahren ermöglichen, darüber hinaus zusätzliche Informationen über den allgemeinen Zustand der Zellkultur, insbesondere über eine Dichte oder Vitalität der davon umfassten Zellen, zu gewinnen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Zellkulturmembraneinsatz sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in der Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Zellkulturmembraneinsatz. Der Begriff des „Zellkulturmembraneinsatzes“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung, die zur Aufnahme einer Zellkultur eingerichtet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung dient der Zellkulturmembraneinsatz insbesondere zur Verwendung in einer Untersuchung der davon aufgenommenen Zellkultur, vorzugsweise mittels Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur. Darüber hinaus kann der Zellkulturmembraneinsatz jedoch auch zur Gewinnung von zusätzlichen Informationen über einen allgemeinen Zustand der Zellkultur dienen, insbesondere über eine Dichte oder Vitalität der von der Zellkultur umfassten Zellen.

Der vorgeschlagene Zellkulturmembraneinsatz umfasst:

- einen offenen Träger, der eingerichtet ist, eine Zellkultur mindestens einem Gas oder Aerosol auszusetzen, wobei in den Träger eine Membran eingebracht ist, welche mindestens eine Oberfläche aufweist, die zur Aufnahme einer Zellkultur eingerichtet ist, wobei die Membran o Poren zur Diffusion von Nährmedium durch die Membran, und o an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur eingerichteten Oberfläche eine Elektrodenanordnung aufweist, wobei die Elektrodenanordnung mindestens zwei Elektroden umfasst, und - mindestens zwei Kontaktstellen, wobei jede Kontaktstelle zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer der Elektroden und jeweils einem, von dem Zellkulturmembraneinsatz nicht umfassten elektrischen Kontakt eingerichtet ist.

Der Begriff der „Zellkultur“ bezeichnet hierbei eine Zelle, eine Zellschicht oder einen Zellverband, der mindestens einen beliebigen Zelltypus mindestens einer Spezies in Monooder Ko-kultur umfasst. Besonders bevorzugt sind Kulturen eukaryoti scher Zellen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugte Zellkulturen können mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sein, insbesondere Zellkulturen von Wirbeltieren, insbesondere von Säugetieren, beispielsweise humane Zellkulturen, Zellkulturen der Maus (Mus musculus) oder Ratte (Rattus norvegicus),' weiterhin besonders bevorzugt sind Zellkulturen der Lunge, der Bronchien, des Mund- und Rachenraums oder der Haut. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Zellkultur kann Primärzellen, einen Schnitt durch ein Zellgewebe, auf einer Membran aufgewachsene Zellen oder die Kultur einer bekannten Zelllinie, wie z.B. humane Lungen-Zelllinien A549, BEAS-2B, HBE, in Monokulturen oder auch in Ko-Kultur Systemen aus zwei oder mehr Zelltypen, z.B. eines der vorgenannten Epithelien in Kombination mit THP-1 -induzierten Makrophagen, umfassen. Die Verwendung einer anderen Zellkultur ist jedoch möglich. Insbesondere kann sich die Zellkultur als Biosensor für mindestens ein Gas oder Aerosol, das z.B. als Luftschadstoff für die Zellkultur eingestuft oder verdächtigt wird, eignen.

Der Begriff des „Gases“ bezieht sich auf eine Substanz oder eine Mischung von mindestens zwei Substanzen, wobei die Substanz atomare oder molekulare Teilchen umfasst, die sich voneinander frei bewegen und einen verfügbaren Raum ausfüllen. Demgegenüber bezeichnet der Begriff des „Aerosols“ eine Mischung aus mindestens einem Gas und von Partikeln oder Fasern. Der Begriff der „Partikeln“ bezeichnet Teilchen, die flüssig oder fest sein können, wobei diese ein sog. „Aspektverhältnis“, d.h. ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Teilchens, von höchstens 3 : 1 annehmen; während der Begriff der „Fasern“ Teilchen bezeichnet, die ein Aspektverhältnis von höher als 3: 1 annehmen.

Der hierin vorgeschlagene Zellkulturmembraneinsatz umfasst einen offenen Träger, der dazu eingerichtet ist, eine Zellkultur mindestens einem Gas oder Aerosol auszusetzen. Der Begriff des „Trägers“ bezieht sich hierbei auf eine mechanisch stabile Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, um mindestens ein Element vorübergehend oder dauerhaft aufzunehmen. Der Begriff „offen“ bezieht sich hierbei auf eine Zugänglichkeit eines inneren Volumens eines Elements, hier des Trägers, von außen, insbesondere um die mindestens eine Zellkultur auf die Membran aufzubringen oder dort aufwachsen zu lassen und mit dem Gas oder Aerosol zu beaufschlagen. Der vorgeschlagene Zellkulturmembraneinsatz kann hierzu mindestens eine Innenseite und einen äußeren Rand aufweisen. Vorzugsweise kann der Zellkulturmembraneinsatz hierzu in Form eines Bechers mit Innenseite und äußerem Rand ausgestaltet sein; eine andere Form der Ausgestaltung ist jedoch denkbar.

In den Träger, vorzugsweise in die Innenseite des Trägers, des Zellkulturmembraneinsatzes ist eine Membran eingebracht. Der Begriff der „Membran“ bezeichnet hierbei ein flächig ausgedehntes semipermeables Element, wobei der Ausdruck „flächig ausgedehnt“ zum Ausdruck bringt, dass die Membran einen Membrankörper mit einem Durchmesser und einer bevorzugt über den Durchmesser konstanten Schichtdicke aufweist. Als Material für die Membranen eignet sich bevorzugt ein biokompatibler Kunststoff, wobei der Kunststoff vorzugsweise ausgewählt sein kann aus Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol, Zellulose oder Zellulosemischester; die Verwendung eines anderen Kunststoffs oder einer Kombination aus mindestens zwei Kunststoffen ist jedoch möglich. Insbesondere zur Verbesserung der Zelladhäsion kann mindestens eine zusätzliche Behandlung der Membran durchgeführt oder mindestens eine Beschichtung (engl. coating) aufgebracht sein. Der Durchmesser der Membran kann hierbei die Schichtdicke der Membran um mindestens einen Faktor 10, bevorzugt einen Faktor 100, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 1000, übersteigt. Die Membran kann hierbei bevorzugt eine Schichtdicke von 2 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt von 2 pm bis 50 pm, insbesondere von 5 pm bis 20 pm, beispielsweise von 10 pm aufweisen. Die Membran kann bevorzugt einen Durchmesser von 2 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 10 mm bis 30 mm, aufweisen. Ein besonders bevorzugter Durchmesser für die Membran kann ein Standardmaß sein, vorzugsweise ausgewählt aus 6 mm, 12 mm, 24 mm, 14“ (6,35 mm), 14“ (12,7 mm) oder 1“ (25,4 mm), insbesondere um auf diese Weise eine Nutzung von Standardformaten sowie eine Kompatibilität mit anderen Vorrichtungen, insbesondere für weitere Untersuchungen an derselben Zellkultur, zu ermöglichen. Andere Werte für Schichtdicke und Durchmesser der Membran sind jedoch möglich.

Die Membran weist mindestens eine Oberfläche auf, die zur Aufnahme einer Zellkultur eingerichtet ist. Der Begriff der „Oberfläche“ bezeichnet hierbei eine Fläche der Membran, die senkrecht zur Schichtdicke entlang des Durchmessers der Membran angeordnet ist. Die mindestens eine Oberfläche der Membran kann unbeschichtet sein oder eine Beschichtung aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Membran als scheibenförmiges Element ausgestaltete sein, das zwei einander gegenüberliegende Oberflächen umfasst; eine andere Ausgestaltung der Membran ist jedoch denkbar. Der Begriff der „Aufnahme“ bezieht sich auf eine Fähigkeit mindestens einer der Oberflächen der Membran eine Unterlage bereitzustellen, die für das Aufwachsen und eine adhärente Kultivierung mindestens einer Art von Zellkultur geeignet ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine Oberfläche der Membran zur vollständigen Aufnahme der Zellkultur dienen, während mindestens eine weitere Oberfläche der Membran frei von der Zellkultur bleiben kann. In einer alternativen Ausgestaltung können mindestens zwei Oberflächen der Membran zur Aufnahme der Zellkultur eingerichtet sein. Zum Beispiel kann die Membran derart ausgestaltet sein, dass auf eine erste Oberfläche der Membran Epithelien aufgebracht werden können, während auf einer zweiten Oberfläche der Membran, die vorzugsweise der ersten Oberfläche der Membran gegenüberliegend angeordnet ist, sich ein Endothel oder Fibroblasten ausbilden können. Weitere Ausgestaltungen der Membran sind denkbar.

Hierdurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung insbesondere von der Offenbarung in EP 3 722 807 Al, gemäß welcher die Membran und der zugehörige Träger Mikrokanäle mit mikrofluidischen Dimensionen von höchstens 1,5 mm aufweisen. Aufgrund der engen Mikrokanäle kann mit der Einrichtung aus EP 3 722 807 Al nur ein Einfluss mindestens eines Gases auf die Zellkultur bestimmt werden kann, da eine Exposition gegenüber mindestens einem Aerosol, das über flüssige und/oder feste Partikeln verfügt, leicht zu einer Verstopfung der Mikrokanäle führen kann. Außerdem erfolgt in den Mikrokanälen eine lineare Abscheidung von Partikeln über nacheinander überströmte Bereiche und somit eine Erzeugung eines Gradienten, welche die simultane Exposition verschiedener Bereiche in einer Zellkultur gegenüber dem Aerosol und somit eine Bestimmung der Wirkung auf die Zellkultur bei gleicher lokaler Dosis des Aerosols verhindert. Einerseits bildet sich der Gradient in den Mikrokanälen aufgrund der sich verändernden Partikelkonzentration in der Aerosolphase, andererseits dadurch, dass eine Rate der Deposition des Aerosols abhängig ist von einer Größe der darin enthaltenen Partikel. Gegenüber EP 3 722 807 Al eignet sich die vorliegende Erfindung somit zur simultanen Exposition verschiedener Bereiche einer Zellkultur gegenüber einem Gas oder Aerosol und somit eine Bestimmung der Wirkung auf die Zellkultur bei jeweils gleicher lokaler Dosis innerhalb der Zellkultur.

Gemäß der obigen Definition bezeichnet die „Membran“ ein semipermeables Element, wobei der Ausdruck „semipermeabel“ “ zum Ausdruck bringt, dass die Membran derart ausgestaltet ist, dass die Membran von mindestens einer ersten, die Membran beaufschlagenden Substanz durchquert werden kann, während die Membran mindestens eine andere, die Membran beaufschlagende Substanz zurückhalten kann. Im Falle der vorliegenden Erfindung weist die Membran Poren auf, die zur Diffusion von Nährmedium durch die Membran eingerichtet ist. Hierbei bezeichnet der Begriff der „Poren“ eine Vielzahl an Öffnungen, welche den Membrankörper bevorzugt senkrecht zur Oberfläche durchdringen. Auf diese Weise kann eine Zellkultur, die sich auf mindestens einer der Oberflächen der Membran, die zur Aufnahme der Zellkultur eingerichtet sind, ausbildet, mit Nährmedium versorgt werden. Der Begriff des „Nährmediums“ bezieht sich hierbei auf ein Medium, das selbst zur Versorgung der Zellkultur eingerichtet ist und/oder das eine Substanz umfasst, die zur Versorgung der Zellkultur eingerichtet ist. Insbesondere bezieht sich der Begriff auf Medien, die für die Anzucht und/oder Kultivierung von den hier genannten Zellkulturen, oder Zelllinien, geeignet sind. Weiterhin kann das Nährmedium insbesondere einem Stoffwechsel der Zellen und zum Ausgleich des osmotischen Drucks dienen. Ein besonders geeignetes Nährmedium kann RPMI-1640-Medium, Minimum Essential Medium, Hank’ s Medium, oder Dulbecco's Modified Eagle's Medium sein, sowohl ohne als auch mit Beimischungen wie zum Beispiel Serum, im Speziellen fetales Rinderserum. Als weitere Alternativen zu Nährmedium können Puff ersub stanzen wie HEPES (2-(4-(2- Hydroxyethyl)-l-piperazinyl)-ethansulfonsäure) zum Einsatz kommen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Membran weiterhin eine Elektrodenanordnung auf, die an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur eingerichteten Oberfläche der Membran angebracht ist. Der Begriff der „Elektrodenanordnung“ bezieht sich hierbei auf eine Konfiguration von elektrisch leitfähigen Elementen, die als „Elektroden“ bezeichnet werden, wobei die Konfiguration zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms eingerichtet ist, um auf diese Weise eine Messung eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung vornehmen zu können. Hierbei kann mindestens ein geometrischer Parameter der Elektrodenanordnung, insbesondere Größe, Abstand, Schichtdicke und Form der umfassten Elektroden, derart gewählt werden, dass sich trotz einer elektrisch isolierender Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht direkt über der Zellkultur ein sensitiver Nachweis und/oder Zustandsänderungen der Zellen in der Zellkultur möglich ist.

Als Material für die Elektrodenanordnung eignet sich hierbei ein Metall, Graphit oder leitfähiges Polymer, wobei das Metall vorzugsweise ausgewählt ist aus Gold, Platin, Titan oder Iridium, wobei die Verwendung eines anderen biokompatiblen Metalls oder einer biokompatiblen Legierung aus mindestens zwei Metallen oder leitfähigen Metalloxiden oder Metallnitriden ebenfalls möglich ist. Das Material für die Elektrodenanordnung kann hierbei mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens auf die zur Aufnahme der Zellkultur eingerichtete Oberfläche der Membran aufgebracht werden, insbesondere mittels Aufdampfen, Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder Drucken des Materials. Um eine derartige Messung durchführen zu können, sind mindestens zwei Elektroden erforderlich. Wie unten näher erläutert, ist die Elektrodenanordnung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe, insbesondere zur Bestimmung einer Impedanz oder eines transepithelialen elektrischen Widerstands, der Zellkultur eingerichtet.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Elektrodenanordnung bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms an die mindestens zwei Elektroden zu einer ortsaufgelösten Erfassung der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur eingerichtet sein. Der Begriff „ortsaufgelöst“ bezeichnet hierbei eine Zuordnung eines aufgenommenen Wertes für eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom zu einem Ort, an dem der aufgenommene Wert für die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Strom vorliegt.

Weiterhin umfasst der Zellkulturmembraneinsatz mindestens zwei Kontaktstellen. Hierbei ist jede der mindestens zwei Kontaktstellen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer Elektrode auf der mindestens einen Oberfläche der Membran des Zellkulturmembraneinsatzes und einem elektrischen Kontakt eingerichtet, der von dem Zellkulturmembraneinsatz nicht umfasst ist. Der Begriff der „Kontaktstelle“ bezieht sich hierbei auf eine Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt einen Kontakt zu einer externen Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur herzustellen. Auf diese Weise kann eine externe Steuerung und/oder Regelung der sich in dem Zellkulturmembraneinsatz befindlichen Elektrodenanordnung erfolgen, um die gewünschte Messung eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung vornehmen zu können, um auf diese Weise die mindestens eine elektrochemische Größe der Zellkultur zu erfassen.

In einer besonderen Ausgestaltung können die von dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten mindestens zwei Kontaktstellen als induktive Kontakte ausgelegt sein, die durch kontaktlose Übertragung mittels Induktion den Kontakt zu der Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur herstellen können. Alternativ oder zusätzlich können die mindestens zwei Kontaktstellen als elektrische leitfähige Kontakte ausgelegt sein, die mittels direkter Kontaktierung den Kontakt zu der Vorrichtung zur Erfassung der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur herstellen können. Hierbei bezeichnet der Ausdruck der „direkten Kontaktierung“ eine unmittelbare elektrisch leitfähige Verbindung, die sich insbesondere mittels Klemmen, Stecken oder Koppeln herstellen lässt. In einer besonderen Ausgestaltung können die mindestens zwei Kontaktstellen direkt an der sich auf der Membran des Zellkulturmembraneinsatzes befindlichen Elektrodenanordnung angebracht sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können die mindestens zwei Kontaktstellen jeweils mittels einer Leiteranordnung mit den sich auf der Membran befindlichen Elektroden verbunden sein. Der Begriff der „Leiteranordnung“ bezeichnet hierbei eine Anordnung eines elektrischen Leiters, der dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen zwei Punkten herzustellen. Als Material für die Leiteranordnung kann sich hierbei dasselbe Material wie für die Elektrodenanordnung eignen, insbesondere ein Metall oder Graphit. In dieser Ausgestaltung kann die Innenseite des Trägers bevorzugt mindestens zwei elektrische Leiteranordnungen umfassen, die jeweils dazu eingerichtet sind, dadurch eine durchgehende elektrische Verbindung zwischen einer der Elektroden und dem jeweils einen, von dem Zellkulturmembraneinsatz nicht umfassten elektrischen Kontakt an der Vorrichtung herzustellen, indem von jeder Elektrode in der Elektrodenanordnung eine elektrische Verbindung über die jeweils zugehörige elektrische Leiteranordnung und die jeweils zugehörige Kontaktstelle zu dem jeweils zugehörigen Kontakt an der Vorrichtung hergestellt wird. Hierbei können die mindestens zwei Kontaktstellen vorzugsweise an dem äußeren Rand des Trägers befestigt sein, insbesondere derart, dass sich auf diese Weise eine elektrische Verbindung zu jeweils einem zugehörigen Kontakt ausbilden kann, der in mindestens einer, unten näher beschriebenen Abdeckung der Vorrichtung angebracht sein kann. Weitere Ausgestaltungen der mindestens zwei dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten Kontaktstellen sind jedoch denkbar.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst:

- ein offenes Gehäuse, das eingerichtet ist zur Aufnahme o mindestens eines hierin offenbarten Zellkulturmembraneinsatzes, o mindestens eines Nährmediums für die Zellkultur, und o zumindest einer Zuführung für das mindestens eine Gas oder Aerosol;

- mindestens zwei Kontakte, die zur Herstellung jeweils einer elektrischen Verbindung zu den mindestens zwei, von dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten Kontaktstellen eingerichtet sind; und

- mindestens eine Verbindung zu einer Mess- und Regeleinrichtung.

Die Vorrichtung kann hierbei einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein, wobei die einteilige Ausgestaltung aus dem Gehäuse, den mindestens zwei Kontakten und der mindestens einen Verbindung zu der Mess- und Regeleinrichtung bevorzugt ist. Darüber hinaus kann die vorliegende Vorrichtung mindestens ein weiteres Element, das hierin erwähnt sein kann oder nicht, umfassen. Wie oben bereits erwähnt, bezieht sich der Begriff „offen“ hierbei auf eine Zugänglichkeit eines inneren Volumens eines Elements, hier des Gehäuses, von außen, insbesondere um den mindestens einen Zellkulturmembraneinsatz und das mindestens eine Nährmedium für die mindestens eine Zellkultur einzubringen und das mindestens eine Gas oder Aerosol zur Beaufschlagung der mindestens einen Zellkultur zuzuführen. Andere Arten der Ausgestaltung der Vorrichtung sind denkbar.

Wie oben erwähnt, umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse. Der Begriff des „Gehäuses“ bezeichnet hierbei eine mechanische Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, zumindest ein weiteres Element aufzunehmen und aufzubewahren. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist das der mindestens eine Zellkulturmembraneinsatz, das mindestens eine Nährmedium für die mindestens eine Zellkultur, die zumindest eine Zuführung für das mindestens eine Gas oder Aerosol und, vorzugsweise, zumindest eine Ableitung für das mindestens eine Gas oder Aerosol. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Gehäuse

- zur gleichzeitigen Aufnahme einer Mehrzahl von Zellkulturmembraneinsätzen;

- zur Versorgung der Zellkulturen in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze mit demselben oder einem anderen Nährmedium; und

- zur Beaufschlagung der Zellkulturen in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze mit demselben oder einem anderen Gas oder Aerosol, eingerichtet sein. Bei der Beaufschlagung der Zellkulturen mit demselben Gas oder Aerosol kann eine Veränderung einer Konzentration des Gases oder Aerosols erfolgen, vorzugsweise in Form einer Verdünnungsreihe. Bei der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze kann es sich hierbei insbesondere um 2, 3, 4, 6, 12, 24, 48 oder 96 Zellkulturmembraneinsätze handeln. Andere Arten der Ausgestaltung des Gehäuses sind jedoch möglich.

Zur Aufnahme des mindestens einen Zellkulturmembraneinsatzes kann das Gehäuse bevorzugt jeweils mindestens ein Halteelement aufweisen, das zu diesem Zweck eingerichtet ist. In einer besonderen Ausgestaltung kann das mindestens eine Halteelement in Form einer einheitlichen, vorzugsweise ringförmigen Halterung ausgestaltete sein; andere Arten der Ausgestaltung des mindestens einen Halteelements sind jedoch möglich. Zur beispielhaften Aufnahme von 2, 3, 4, 6, 12, 24, 48 oder 96 Zellkulturmembraneinsätzen kann eine entsprechend ausgestaltete Multiwellplatte eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der mindestens eine Zellkulturmembraneinsatz hierbei lösbar an das mindestens eine Halteelement angebracht sein. In vorteilhafte Weise kann der mindestens eine Zellkulturmembraneinsatz somit - insbesondere im Unterscheid zur Offenbarung in EP 3 722 807 Al - austauschbar sein, um eine aufeinanderfolgende Verwendung der Vorrichtung für mehrere gleiche oder unterschiedliche Zellkulturen, die jeweils in einem anderen Zellkulturmembraneinsatz eingebracht sind, zu ermöglichen. Dieser Unterschied zur Offenbarung in EP 3 722 807 Al kann insbesondere auch einen flexiblen Ein- und Ausbau der Membran erlauben, um auf diese Weise eine sequentielle Zugabe oder Entfernung von verschiedenen Zelltypen zu unterschiedlichen Zeiten nach jeweiliger Anheftung der Zellen zu ermöglichen. Weitere Vorteile dieses Unterschiedes liegen in der Möglichkeit einer Nutzung von Standardformaten sowie in einer Kompatibilität mit anderen Vorrichtungen, insbesondere für weitere Untersuchungen an derselben Zellkultur, um so eine industrielle Tauglichkeit und/oder eine Untersuchung weiterer Zellparameter in Standardsystemen zu ermöglichen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn nur der Zellkulturmembraneinsatz als Einwegprodukt ausgestaltet ist, während die Vorrichtung über einen langen Zeitraum verwendet werden kann. Weitere Vorteile sind denkbar.

Zur Versorgung der Zellkulturen in dem mindestens einen Zellkulturmembraneinsatz mit mindestens einem Nährmedium kann zumindest ein Teil des Gehäuses, bevorzugt zumindest bis zu einer Höhe des mindestens einen Halteelements zur Aufnahme des mindestens einen Zellkulturmembraneinsatzes, als Gefäß ausgestaltet sein, das dazu eingerichtet ist, eine Flüssigkeit, hier das mindestens eine Nährmedium aufzunehmen und aufzubewahren. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse mindestens eine Einrichtung zur Zuleitung und/oder Ableitung des mindestens einen Nährmediums aufweisen.

Zur Beaufschlagung der mindestens einen Zellkultur mit dem mindestens einen Gas oder Aerosol umfasst das Gehäuse zumindest eine Zuführung für das mindestens eine Gas oder Aerosol. In einer besonderen Ausgestaltung kann das Gehäuse hierfür, bevorzugt oberhalb der Höhe des mindestens einen Halteelements zur Aufnahme des mindestens einen Zellkulturmembraneinsatzes, mindestens eine Öffnung aufweisen, die zumindest zur Zuführung des mindestens einen Gases oder Aerosol eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung mindestens eine Abdeckung umfassen. Der Begriff der „Abdeckung“ bezeichnet hierbei ein Element, welches dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Öffnung des Gehäuses oberhalb der Höhe des mindestens einen Halteelements zur Aufnahme des mindestens einen Zellkulturmembraneinsatzes zu schließen. Hierbei kann die Abdeckung vorzugsweise lösbar oder klappbar an dem Gehäuse angebracht werden, um die Zugänglichkeit des inneren Volumens des Gehäuses von außen zu gewährleisten, insbesondere um den mindestens einen Zellkulturmembraneinsatz in das Gehäuse einbringen zu können. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die mindestens eine Abdeckung die mindestens eine Öffnung, die zumindest zur Zuführung des mindestens einen Gases oder Aerosol eingerichtet ist, als auch mindestens eine weitere Öffnung aufweisen, die mindestens zur Ableitung für das mindestens eine Gas oder Aerosol eingerichtet ist. Andere Ausgestaltungen der mindestens einen Abdeckung sind jedoch möglich.

Wie oben weiterhin erwähnt, umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Kontakte, die letztlich zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu den mindestens zwei Elektroden, die von der Elektrodenanordnung des Zellkulturmembraneinsatzes umfasst sind, eingerichtet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung können die mindestens zwei Kontakte an dem Gehäuse angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich können die mindestens zwei Kontakte an der mindestens einen Abdeckung angebracht sein. In einer besonderen Ausgestaltung können die mindestens zwei Kontakte als induktive Kontakte ausgelegt sein, die durch kontaktlose Übertragung mittels Induktion den Kontakt zu den von dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten mindestens zwei Kontaktstellen herstellen können. Alternativ oder zusätzlich können die mindestens zwei Kontakte als elektrische leitfähige Kontakte ausgelegt sein, die mittels direkter Kontaktierung den Kontakt zu den von dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten mindestens zwei Kontaktstellen herstellen können. Wie bereits oben erwähnt, bezeichnet der Ausdruck der „direkten Kontaktierung“ hierbei eine unmittelbare elektrisch leitfähige Verbindung, die sich insbesondere mittels Klemmen, Stecken oder Koppeln herstellen lässt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorrichtung zur möglichst formschlüssigen Aufnahme des Zellkulturmembraneinsatzes in die Vorrichtung ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt können sowohl der Zellkulturmembraneinsatz, insbesondere die hiervon umfasste Membran und Elektrodenanordnung, als auch die Vorrichtung, insbesondere das mindestens eine Halteelement, die mindestens eine Zuführung und die mindestens eine Ableitung für das mindestens eine Gas oder Aerosol, rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Andere Ausgestaltungen sowohl der Vorrichtung als auch des zur Aufnahme durch die Vorrichtung vorgesehenen Zellkulturmembraneinsatzes sind jedoch möglich.

Die vorliegende Vorrichtung ist zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur eingerichtet, insbesondere während mindestens eine der Membran abgewandte Oberfläche der Zellkultur zumindest zeitweise dem mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt wird und währenddessen frei von dem Nährmedium bleibt. Hierbei bezieht sich der Begriff der „elektrochemische Größe“ auf eine unter Verwendung von aus der Elektrochemie bekannten Einrichtungen und Verfahren messbare Eigenschaft eines Objekts, wobei das Objekt hier mindestens einer Zellkultur darstellt, die auf mindestens einer Oberfläche einer von dem Zellkulturmembraneinsatz umfassten Membran aufgebracht ist. Wie oben näher erläutert, erfolgt die Erfassung der mindestens einer elektrochemischen Größe mittels einer Elektrodenanordnung, die an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur eingerichteten Oberfläche der Membran angebracht ist. Auf diese Weise wird eine zeitaufgelöste, nicht-invasive und markierungs-freie realitätsnahe Untersuchung und Überwachung (Monitoring) von Zellkulturen, die insbesondere mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sein können, ermöglicht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die elektrochemische Größe eine Impedanz, die mittels der Elektrodenanordnung über die Zellkultur oder, vorzugsweise, über einen Bereich der Zellkultur bestimmt wird. Der Begriff der „Impedanz“ bezeichnet einen komplexen elektrischen Widerstand in einem Wechselstromkreis, der mittels der Elektrodenanordnung bereitgestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrochemische Größe ein so genannter „transepithelialer elektrischer Widerstand“, kurz „TEER“ sein, welcher den elektrischen Widerstand durch eine Zellkultur angibt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere die Erfassung der Impedanz der adhärent auf der Membran kultivierten Zellkulturen, vorzugsweise über einen Bereich von mindestens 1 Hz, mindestens 5 Hz, mindestens 10 Hz, bis höchstens 100 MHz, höchstens 500 MHz, höchstens 1000 MHz. Während die Bestimmung des transepithelialen elektrischen Widerstands, die bevorzugt zur Ermittlung einer Zellbarriere eingesetzt wird, üblicherweise einen ausreichend dichten Zellrasen oder eine Zellbarriere benötigt, ist dies bei der Erfassung der Impedanz nicht erforderlich.

In einer besonderen Ausgestaltung kann die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Tauchelektrode umfassen. Die Begriffe „Tauchelektrode“ oder „Eintauchelektrode“ beziehen sich hierbei auf ein als „Elektrode“ bezeichnetes elektrisch leitfähiges Element, welches dazu eingerichtet ist, insbesondere beanstandet zu einer Wand, in eine Flüssigkeit, vorzugsweise einen elektrisch oder ionisch leitfähigen Elektrolyten, eingefügt zu werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die mindestens eine Tauchelektrode sowohl zur Einführung in das mindestens eine Nährmedium für die Zellkultur als auch zur Erfassung mindestens einer weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur eingerichtet sein. Bei der mindestens einen weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur kann es sich hierbei bevorzugt um eine Dichte oder Vitalität der von der Zellkultur umfassten Zellen oder um eine Bestimmung eines Redox-Tracers oder eines Kammerpotentials handeln; die Erfassung einer sonstigen weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur ist jedoch denkbar.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegende Vorrichtung wird auf die Beschreibung des Zellkulturmembraneinsatzes verwiesen. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt ist. Das vorliegende Verfahren umfasst hierbei zumindest die folgenden Verfahrensschritte, welche nacheinander in der angegebenen Reihenfolge oder, vorzugsweise, zumindest teilweise auch gleichzeitig ablaufen können. Die Verfahrensschritte sind zumindest: a) Bereitstellen mindestens eines hierin offenbarten Zellkulturmembraneinsatzes; b) Aufbringen der Zellkultur auf mindestens eine Oberfläche einer Membran des Zellkulturmembraneinsatzes; c) Bereitstellen mindestens eines Nährmediums für die Zellkultur; d) Aussetzen der Zellkultur mindestens einem Gas oder Aerosol, e) Erfassen mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur mittels mindestens einer hierin offenbarten Vorrichtung.

Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen mindestens eines oben und unten näher beschriebenen Zellkulturmembraneinsatzes, der zur Aufnahme einer Zellkultur eingerichtet ist. Der Zellkulturmembraneinsatz umfasst eine Membran, wobei gemäß Schritt b) die Zellkultur auf mindestens eine Oberfläche der Membran aufgebracht wird. Gemäß Schritt c) erfolgt ferner ein Bereitstellen mindestens eines Nährmediums für die Zellkultur.

Gemäß Schritt e) erfolgt ein Erfassen mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur mittels mindestens einer oben und unten näher beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur, die gemäß Schritt d) mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird hierbei mindestens eine der Membran abgewandte Oberfläche der Zellkultur während des Erfassens der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur gemäß Schritt e) zumindest zeitweise dem mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt, und bleibt währenddessen frei von dem Nährmedium. In dieser Ausgestaltung kann die mindestens eine der Membran abgewandte Oberfläche der Zellkultur zumindest außerhalb des Erfassens der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur gemäß Schritt e) auch mit Nährmedium bedeckt sein, insbesondere um auf diese Weise eine Kultivierung von Zellen zu ermöglichen, die gegenüber mindestens einem Gas oder Aerosol besonders sensitiv sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Zellkulturmembraneinsatz, insbesondere in einem Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, aus der Vorrichtung entnommen und in einem anderen, vorzugsweise mit Nährmedium gefüllten, Gefäß aufbewahrt werden. Die „Kultivierung der Zellkultur“ bezieht sich insbesondere auf die Anzucht von Zellen oder Zellkulturen in einem geeigneten Nährmedium unter Bedingungen, die das Wachstum der jeweiligen Zellen oder Zellkulturen erlauben. Als Kultivierung kann insbesondere die Anzucht der Zellkulturen bei einer geeigneten Luftfeuchtigkeit, einem geeigneten CO2- Gehalt und einer geeigneten Temperatur verstanden werden. Vorzugsweise erfolgt die Kultivierung bei einer Luftfeuchtigkeit von mehr als 90 % relativer Luftfeuchtigkeit, bevorzugt bei ungefähr 95 % relativer Luftfeuchtigkeit, einem CCh-Gehalt von 0 bis 10 Vol.-%, vorzugsweise ungefähr 0 oder 5 Vol.-%, und einer Temperatur von mindestens 20 °C bis maximal 45 °C, besonders geeignet ist eine Kultivierung bei einer Temperatur von ungefähr 37 °C. Zusätzlich können dem Nährmedium weitere Substanzen, insbesondere Wirkstoffe zur Manipulation der Zellkultur beigefügt werden, um auf diese Weise ein Verhalten der Zellkultur nach Exposition gegenüber Partikeln, wie z.B. Viren, beeinflussen zu können.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung des Zellkulturmembraneinsatzes und der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt ist, wobei die Zellkultur hierbei mindestens einen beliebigen Zelltypus mindestens einer Spezies in Mono- oder Ko-kultur umfassen kann, wobei die Zellkulturen, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sind, besonders bevorzugt sind. Die Verwendung einer anderen Art von Zellkultur ist jedoch möglich.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Zellkulturmembraneinsatzes zum Erfassen mindestens einer elektrochemischen Größe einer mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzten Zellkultur.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegenden Verwendungen wird auf die Beschreibung des Zellkulturmembraneinsatzes, der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

Hierin werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.

Weiterhin werden hierin die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.

Kurze Beschreibung der Figuren Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt ist;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Figur 3 schematische Darstellungen von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen einer Elektrodenanordnung; und

Figur 4 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur, die mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zur Erfassung einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur 112, die hier einem Aerosol 114 ausgesetzt ist. Das in Figur 1 beispielhaft dargestellte Aerosol 114 umfasst hierbei ein Gas, in dem sich gasgetragene Partikel 116 und Fasern 118 befinden; die Verwendung eines Gases ohne Partikel oder einer anderen Art von Aerosol 114 ist jedoch möglich. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um Luft handeln, in der die gasgetragenen Partikel 116 und die Fasern 118 als Luftschadstoff betrachtet werden, die als schädlich für die Zellkultur 112 eingestuft oder verdächtigt werden. Alternativ können die Partikel 116 auch Wirkstoffe transportieren oder biologischen Ursprungs sein, wie z.B. Viren oder Bakterien.

Figur 1 zeigt weiterhin einen Zellkulturmembraneinsatz 120, der in ein von der Vorrichtung 110 umfasstes offenes Gehäuse 122 eingebracht ist. Das Gehäuse 122 ist hierzu derart ausgeführt, dass es den Zellkulturmembraneinsatz 120 aufnehmen kann, insbesondere indem es eine ausreichend große Öffnung 124 aufweist und über Halteelemente 126, 126‘ jeweils in Form einer Auflage verfügt, die den Zellkulturmembraneinsatz 120 lösbar aufnehmen können. Damit kann der Zellkulturmembraneinsatz 120 in vorteilhafte Weise austauschbar sein, um so eine aufeinanderfolgende Verwendung der Vorrichtung 110 für mehrere gleiche oder unterschiedliche Zellkulturen 112, die jeweils in einem anderen Zellkulturmembraneinsatz 120 eingebracht sind, zu ermöglichen. Der Zellkulturmembraneinsatz 120 kann insbesondere auch einen flexiblen Ein- und Ausbau der Membran 130 erlauben, um so eine sequentielle Zugabe oder Entfernung von verschiedenen Zelltypen zu unterschiedlichen Zeiten nach jeweiliger Anheftung der Zellen an der Membran 130 zu ermöglichen.

Der in Figur 1 beispielhaft dargestellte Zellkulturmembraneinsatz 120, umfasst einen offenen Träger 128, der dazu eingerichtet ist, die Zellkultur 112 dem Aerosol 114 auszusetzen. In den Träger 128 des Zellkulturmembraneinsatzes 120 ist eine Membran 130 eingebracht ist, welche mindestens eine Oberfläche 132 aufweist, die zur Aufnahme der Zellkultur 112 eingerichtet ist, welche hier beispielhaft in Form einer monozellularen Lage auf der Oberfläche 132 der Membran 130 aufgebracht ist. Die Membran 130 kann hierbei bevorzugt eine Schichtdicke von 2 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt von 2 pm bis 50 pm, insbesondere von 5 pm bis 20 pm, beispielsweise von 10 pm, und einen Durchmesser von 2 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 10 mm bis 30 mm, aufweisen. Wie oben erwähnt, kann ein besonders bevorzugter Durchmesser für die Membran 130 ausgewählt sein aus 6 mm, 12 mm, 24 mm, (6,35 mm), ’A“ (12,7 mm), oder 1“ (25,4 mm). Andere Werte für Schichtdicke und Durchmesser der Membran 130 sind jedoch möglich.

Wie oben erwähnt, kann es sich bei der Zellkultur 112 insbesondere um eine Zelle, eine Zellschicht oder einen Zellverband handeln, der mindestens einen beliebigen Zelltypus mindestens einer Spezies in Mono- oder Ko-kultur umfasst. Besonders bevorzugte Zellkulturen 112 können mindestens einem Gas oder Aerosol ausgesetzt sein, insbesondere Zellkulturen der Lunge, der Bronchien, des Mund- und Rachenraums oder der Haut. Bei der Zellkultur 112 kann es sich vorzugsweise um Primärzellen, einen Schnitt durch ein Zellgewebe, auf einer Membran aufgewachsene Zellen oder die Kultur einer bekannten Zelllinie handeln. Insbesondere kann sich die Zellkultur 112 als Biosensor für das Aerosol 114 eignen.

Die Membran 130 ist vorzugsweise eine biokompatible Kunststoff-Membran, in die eine Mehrzahl Poren 134 eingebracht sind, vorzugsweise mit konstanter Porendichte über die Membran 130. Die Poren 134 sind hierbei zur Diffusion von Nährmedium 136 durch die Membran 130 zur Zellkultur 112 eingerichtet. Das Nährmedium kann hierbei mindestens eine Substanz darstellen, die selbst zur Versorgung der Zellkultur 112 geeignet ist oder, alternativ oder zusätzlich, mindestens eine Substanz umfassen, die sich zur Versorgung der Zellkultur 112 eignet. Insbesondere zur besseren Darstellung der Membran 130 und der sich darin befindlichen Poren 134 wird auf den vergrößerten Ausschnitt 138 in Figur 1 verwiesen.

Wie Figur 1 schematisch zeigt, kann das Gehäuse 122 zur Aufnahme eines einzelnen Zellkulturmembraneinsatzes 120 eingerichtet sein. In einer alternativen Ausführung (nicht dargestellt) kann das Gehäuse 122 jedoch dazu eingerichtet sein, eine Mehrzahl, beispielsweise 2, 3, 4, 6, 12, 24, 48 oder 96, Zellkulturmembraneinsätze 120 aufzunehmen; Hierbei kann die Versorgung der Zellkulturen 112 in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze 112 mit demselben und/oder einem anderen Nährmedium 136 erfolgen. Ebenso kann die Beaufschlagung der Zellkulturen 112 in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze 120 mit demselben und/oder einem anderen Aerosol 114 erfolgen. Andere Ausführungen des Zellkulturmembraneinsatzes 120 und/oder des zur Aufnahme des Zellkulturmembraneinsatzes 120 eingerichteten Gehäuses 122 der Vorrichtung 110 sind jedoch denkbar.

Erfindungsgemäß weist die Membran 130 an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur eingerichteten Oberfläche 132 eine Elektrodenanordnung 140 auf. Die Elektrodenanordnung 140 bezeichnet hierbei eine Konfiguration von mindestens zwei Elektroden, die zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms eingerichtet ist, um auf diese Weise eine Messung eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung vornehmen zu können. Als Material für die Elektroden eignet sich hierbei insbesondere Metall, bevorzugt Gold, oder Graphit, wobei die Verwendung eines anderen biokompatiblen Metalls oder einer biokompatiblen Legierung ebenfalls möglich ist. Die in Figur 1 schematisch dargestellte Elektrodenanordnung 140 ist hierbei zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe, insbesondere zur Bestimmung einer Impedanz oder eines transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER), der Zellkultur 112 eingerichtet. Die Bestimmung des TEER kann bevorzugt zur Ermittlung einer Zellbarriere eingesetzt werden. Die Bestimmung der Impedanz in einem Bereich von mindestens 1 Hz, mindestens 5 Hz, mindestens 10 Hz, bis höchstens 100 MHz, höchstens 500 MHz, höchstens 1000 MHz, kann insbesondere zur Ermittlung von Informationen über einen Stoffwechsel der Zellkultur 112 verwendet werden; andere Verwendungen sind jedoch denkbar. Die Elektrodenanordnung 140 kann hierbei insbesondere derart ausgeführt sein, dass sie eine ortsaufgelöste Erfassung der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 ermöglicht. Wie in Figur 3 schematisch dargestellt, kann hierzu die Elektrodenanordnung 140 insbesondere in Form von Elektrodenfingem oder parallel zueinander verlaufenden Spiralen ausgeführt sein; weitere Ausführungsformen der Elektrodenanordnung 140 sind jedoch denkbar.

Das Gehäuse 122 der Vorrichtung 110 ist weiterhin derart ausgeführt, dass es zur Aufnahme des Nährmediums 136 für die Zellkultur 112 eingerichtet ist. Wie in Figur 1 schematisch dargestellt, kann hierbei das Nährmedium 136 durch die Öffnung 124 in das Gehäuse 122 eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich (nicht dargestellt) kann das Gehäuse 122 über eine Zuleitung und/oder Ableitung für das Nährmedium 136 verfügen. Eine Höhe des Nährmediums 136 in dem Gehäuse 122 ist grundsätzlich beliebig einstellbar; es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine der Membran 130 abgewandte Oberfläche der Zellkultur 112 zumindest zeitweise frei von dem Nährmedium 136 bleibt, während das Erfassen der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 dem Aerosol 114 erfolgt. Zumindest außerhalb des Erfassens der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 kann auch die der Membran 130 abgewandte Oberfläche der Zellkultur 112 mit dem Nährmedium 136 bedeckt sein, insbesondere um auf diese Weise eine bessere Kultivierung der Zellkultur 112 zur ermöglichen. In einer alternativen Ausführung kann der Zellkulturmembraneinsatz 120 insbesondere zwischen zwei Messungen aus der Vorrichtung 110 entnommen werden, insbesondere um in einem anderen, vorzugsweise mit Nährmedium gefüllten, Gefäß aufbewahrt und/oder mindestens einer weiteren Untersuchung zugeführt zu werden.

Das Gehäuse 122 der Vorrichtung 110 ist weiterhin derart ausgeführt, dass es zumindest eine Zuführung 142 für das Aerosol 114 aufweist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kann hierzu die Öffnung 124 des Gehäuses 122 dienen; weitere Ausführungen sind jedoch möglich; siehe hierzu insbesondere das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2. Auf diese Weise wird insbesondere eine Exposition der sich in dem Zellkulturmembraneinsatz 120 befindlichen Zellkultur 112 gegenüber dem Gas oder Aerosol 114 ermöglicht. Neben einer Sedimentation einer Aerosolwolke als Kollektiv auf der Zellkultur 112 kann der vorliegende Zellkulturmembraneinsatz 120 auch eine Diffusion und/oder elektrostatische Wechselwirkung der Partikeln 116 aus dem Aerosol 114 mit der Zellkultur 112 ermöglichen. In einer besonders bevorzugten Ausführung können der Zellkulturmembraneinsatz 120, die Membran 130, die Elektrodenanordnung 140 und die Zuführung 142 für das Aerosol 114 rotationssymmetrisch ausgeführt sein. In dieser Ausführung können die Halteelemente 126, 126‘ bevorzugt als einheitliche, ringförmige Halterung ausgeführt sein. Das in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 weist weiterhin zwei Kontakte 144, 144‘ auf, die jeweils zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu den von der Elektrodenanordnung 140 des Zellkulturmembraneinsatzes 120 umfassten Elektroden eingerichtet sind. Zur Herstellung dieser elektrischen Verbindung verfügt der in Figur 1 gezeigte Zellkulturmembraneinsatz 120 über zwei Kontaktstellen 146, 146‘. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die von dem Zellkulturmembraneinsatz 120 umfassten Kontaktstellen 146, 146‘ als induktive Kontakte ausgelegt, die eine kontaktlose Übertragung mittels Induktion zu den von der Vorrichtung 110 umfassten Kontakten 144, 144‘ ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich sind weitere Ausführungen möglich; siehe hierzu insbesondere das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, in dem die Kontaktstellen 146, 146‘ als elektrische leitfähige Kontakte ausgelegt sind, die mittels direkter Kontaktierung die elektrische Verbindung zu den von der Vorrichtung 110 umfassten Kontakten 144, 144‘ herstellen können.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 weist weiterhin eine Verbindung 148 zu einer Mess- und Regeleinrichtung 150 auf. Hierbei kann die Mess- und Regeleinrichtung 150 selbst mittels einer elektronische Kommunikationseinrichtung, bevorzugt als Smartphone 152, Tablet oder Laptop, ansteuerbar sein. Alternativ oder zusätzlich (nicht dargestellt) ist eine Ausführung der Mess- und Regeleinrichtung 150 als elektronische Kommunikationseinrichtung, bevorzugt als Smartphone 152, Tablet oder Laptop, ebenfalls möglich. Die elektronische Kommunikationseinrichtung, bevorzugt das Smartphone 152, Tablet oder Laptop, kann über einen Bildschirm 154 verfügen, auf dem ein Diagramm 156 schematisch einen Verlauf der mindestens einen elektrochemischen Größe, insbesondere der Impedanz oder des transepithelialen elektrischen Widerstands, der Zellkultur 112 darstellt. Andere Ausführungen sind jedoch möglich.

Figur 2 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zur Erfassung einer elektrochemischen Größe der Zellkultur 112, die dem Aerosol 114 ausgesetzt ist. Das in Figur 2 beispielhaft dargestellte Aerosol 114 umfasst auch hier ein Gas, in dem sich die gasgetragenen Partikel 116 und die Fasern 118 befinden.

Die beispielhafte Vorrichtung 110 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der beispielhaften Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 dadurch, dass das von dem Gehäuse 122 ausgebildete Volumen mit einer Abdeckung 160 versehen ist. Wie schematisch in Figur 2 dargestellt, weist die Abdeckung 160 die Zuführung 142 für das Aerosol 114 sowie eine Ableitung 162 für das Aerosol 114 auf. Auf diese Weise wird eine kontrollierte Exposition der sich in dem Zellkulturmembraneinsatz 120 befindlichen Zellkultur 112 ermöglicht, insbesondere bei Exposition der Zellkultur 112 gegenüber einer gerichteten laminaren Anströmung 164. Dies kann insbesondere dadurch unterstützt werden, dass der Zellkulturmembraneinsatz 120, die Membran 130, die Elektrodenanordnung 140, die Zuführung 142 und die Ableitung 162 für das Aerosol 114 rotationssymmetrisch ausgeführt sein können.

Die beispielhafte Vorrichtung 110 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der beispielhaften Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 weiterhin dadurch, dass die Kontakte 144, 144‘, die zur Herstellung der elektrischen Verbindung mit den Kontaktstellen 146, 146‘ des Zellkulturmembraneinsatzes 120 eingerichtet sind, an der Abdeckung 160 angebracht sind. Hierbei kann die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstellen 146, 146‘ des Zellkulturmembraneinsatzes 120 und den Kontakten 144, 144‘ die Vorrichtung 110 insbesondere mittels Klemmen, Stecken oder Koppeln erfolgen; andere Arten der Kontaktierung sind jedoch möglich.

Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen jeder der Elektroden in der Elektrodenanordnung 140 und den Kontaktstellen 146, 146‘ des Zellkulturmembraneinsatzes 120 mit den an der Abdeckung 160 angebrachten Kontakten 144, 144‘ sind auf der Innenseite des Trägers 128 weiterhin jeweils eine zugehörige elektrische Leiteranordnung 166, 166‘ aufgebracht. Auf diese Weise lässt sich eine durchgehende elektrische Verbindung von j eder Elektrode in der Elektrodenanordnung 140 über die j eweils zugehörige elektrische Leiteranordnung 166, 166‘ und die jeweils zugehörige Kontaktstelle 146, 146 zu dem jeweils zugehörigen Kontakt 144, 144‘ an der Vorrichtung 110 herstellen.

Die beispielhafte Vorrichtung 110 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der beispielhaften Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 weiterhin dadurch, dass sie eine Tauchelektrode 168 aufweist, die in das Nährmedium 136 eingebracht ist. Hierbei kann die Tauchelektrode 168 insbesondere zur Erfassung mindestens einer weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 eingerichtet sein, bevorzugt einer Dichte oder Vitalität der von der Zellkultur 112 umfassten Zellen oder um eine Bestimmung eines Redox-Tracers oder eines Kammerpotentials handeln; die Erfassung einer sonstigen weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 ist jedoch denkbar.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die Vorrichtung 110 gemäß Figur 2 kann auf die Beschreibung der Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 Bezug genommen werden. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass weitere Ausführungen für die Vorrichtung 110 denkbar sind, insbesondere eine beliebige Kombination von Merkmalen aus den Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 und 2.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren 210 zur Erfassung der mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur 110, die dem Aerosol 114, das beispielhaft die gasgetragenen Partikel 116 und die Fasern 118 umfasst, ausgesetzt ist.

In einem Bereitstellungsschritt 212 gemäß Schritt a) erfolgt das Bereitstellen des mindestens einen Zellkulturmembraneinsatzes 120, der zur Aufnahme der Zellkultur 112 eingerichtet ist. Der Zellkulturmembraneinsatz 112 umfasst die Membran 130, wobei in einem Aufbringungsschritt 214 gemäß Schritt b) die Zellkultur 112 auf die mindestens eine Oberfläche 132 der Membran 130 aufgebracht wird. In einem weiteren Bereitstellungsschritt 216 gemäß Schritt c) erfolgt das Bereitstellen des Nährmediums 236 für die Zellkultur 112.

In einem Aussetzungsschritt 218 gemäß Schritt d) erfolgt das Aussetzen der Zellkultur 112 gegenüber dem Aerosol 114. Hierbei kann die Exposition der sich in dem Zellkulturmembraneinsatz 120 befindlichen Zellkultur 112 insbesondere entsprechend der Ausführung gemäß Figur 1 mittels einer Aerosolwolke, die als Kollektiv auf die Zellkultur 112 sedimentiert, oder entsprechend der Ausführung gemäß Figur 2 mittels einer gerichteten laminaren Anströmung 164 erfolgen.

In einem Erfassungsschritt 220 gemäß Schritt e) erfolgt das Erfassen der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 mittels der Vorrichtung 110 zur Erfassung der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112, die gemäß dem Aussetzungsschritt 218 dem Aerosol 114 ausgesetzt wird. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die mindestens eine der Membran abgewandte Oberfläche der Zellkultur 112 während des Erfassens der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112 in dem Erfassungsschritt 220 zumindest zeitweise dem Aerosol 114 ausgesetzt wird, und währenddessen frei von dem Nährmedium 136 bleibt.

Hierbei kann das Erfassen der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur 112, während des Erfassungsschritts 220, insbesondere zur Überwachung (Monitoring) der Zellkulturen 112 über einen längeren Zeitraum erfolgen, währenddessen sich Art, Zusammensetzung und/oder Konzentration des Aerosols 114 im Rahmen des Aussetzungsschritts 218 ändern kann. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren 210 wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Ausführungen gemäß Figur 1 und 2 verwiesen. Bezugszeichenliste

110 Vorrichtung zur Erfassung einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur

112 Zellkultur

114 Aerosol

116 gasgetragenes Partikel

118 gasgetragene F aser

120 Zellkulturmembraneinsatz

122 offenes Gehäuse

124 Öffnung

126, 126‘ Halteelement

128 offener Träger

130 Membran

132 Oberfläche

134 Pore

136 Nährmedium

138 vergrößerter Ausschnitt

140 Elektrodenanordnung

142 Zuführung

144, 144‘ Kontakt

146, 146‘ Kontaktstelle

148 Verbindung

150 Mess- und Regeleinrichtung

152 Smartphone

154 Bildschirm

156 Diagramm

160 Abdeckung

162 Ableitung

164 laminare Anströmung

166 elektrische Leiteranordnung

168 Tauchelektrode

210 Verfahren zur Erfassung einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur

212 Bereitstellungsschritt Aufbringungsschritt weiterer Bereitstellungsschritt Aussetzungsschritt Erfassungsschritt

Claims

Patentansprüche

1. Zellkulturmembraneinsatz (120), umfassend

- einen offenen Träger (128), der eingerichtet ist, eine Zellkultur (112) mindestens einem Gas oder Aerosol (114) auszusetzen, wobei in den Träger (128) eine Membran (130) eingebracht ist, welche mindestens eine Oberfläche (132) aufweist, die zur Aufnahme der Zellkultur (112) eingerichtet ist, wobei die Membran (130) o Poren (134) zur Diffusion von Nährmedium (136) durch die Membran (130), und o an der mindestens einen zur Aufnahme der Zellkultur (112) eingerichteten Oberfläche (132) eine Elektrodenanordnung (140) aufweist, wobei die Elektrodenanordnung (140) mindestens zwei Elektroden umfasst, und

- mindestens zwei Kontaktstellen (146, 146‘), wobei jede Kontaktstelle (146, 146‘) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer der Elektroden und jeweils einem, von dem Zellkulturmembraneinsatz (120) nicht umfassten elektrischen Kontakt (144, 144‘ ) eingerichtet ist.

2. Zellkulturmembraneinsatz (120) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Membran (130) in eine Innenseite des Trägers (128) eingebracht ist, wobei die Innenseite des Trägers (128) weiterhin mindestens zwei elektrische Leiteranordnungen (166, 166‘) umfasst, die dazu eingerichtet sind, an dem äußeren Rand des Trägers (128) jeweils die elektrische Verbindung zwischen einer der Elektroden über die zugehörige elektrische Leiteranordnung (166, 166‘) und die zugehörige Kontaktstelle (146, 146) zu dem jeweils zugehörigen, von dem Zellkulturmembraneinsatz (120) nicht umfassten elektrischen Kontakt (144, 144‘) herzustellen.

3. Zellkulturmembraneinsatz (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung (140) bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms an die mindestens zwei Elektroden zu einer ortsaufgelösten Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur (112) eingerichtet ist.

4. Zellkulturmembraneinsatz (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Membran (130) einen Durchmesser von 2 mm bis 100 mm aufweist.

5. Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur (112), die mindestens einem Gas oder Aerosol (114) ausgesetzt ist, umfassend:

- ein offenes Gehäuse (122), das eingerichtet ist zur Aufnahme o mindestens eines Zellkulturmembraneinsatzes (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche, o mindestens eines Nährmediums (136) für die Zellkultur (112), und o zumindest einer Zuführung (142) für das mindestens eine Gas oder Aerosol (114);

- mindestens zwei elektrische Kontakte (144, 144‘), die zur Herstellung jeweils einer elektrischen Verbindung zu den mindestens zwei, von dem Zellkulturmembraneinsatz (120) umfassten Kontaktstellen (146, 146‘) eingerichtet sind; und

- mindestens eine Verbindung (148) zu einer Mess- und Regeleinrichtung (150).

6. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, weiterhin umfassend zumindest eine Ableitung (162) für das mindestens eine Gas oder Aerosol (114).

7. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, weiterhin umfassend mindestens eine Abdeckung (160), wobei an der mindestens einen Abdeckung (160) die mindestens zwei elektrischen Kontakte (144, 144‘) angebracht sind, die zur Herstellung der elektrischen Verbindung mit den mindestens zwei Kontaktstellen (146, 146‘) des Zellkulturmembraneinsatzes (120) eingerichtet sind.

8. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Abdeckung (160) weiterhin die mindestens eine Zuführung (142) und die mindestens eine Ableitung (162) für das mindestens eine Gas oder Aerosol umfasst.

9. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110), wobei der mindestens eine Zellkulturmembraneinsatz (120) austauschbar ist.

10. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110), wobei das Gehäuse (122) - zur gleichzeitigen Aufnahme einer Mehrzahl von Zellkulturmembraneinsätzen (120);

- zur Versorgung der Zellkulturen (112) in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze (120) mit demselben oder einem anderen Nährmedium (136); und

- zur Beaufschlagung der Zellkulturen (112) in der Mehrzahl der Zellkulturmembraneinsätze (120) mit demselben oder einem anderen Gas oder Aerosol (H4) eingerichtet ist.

11. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110), wobei die mindestens eine elektrochemische Größe ausgewählt ist aus einer Impedanz der Zellkultur (112) oder einem transepithelialen elektrischen Widerstand durch die Zellkultur (112).

12. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110), weiterhin umfassend mindestens eine Tauchelektrode (168), wobei die mindestens eine Tauchelektrode (168) zur

- Einführung in das mindestens eine Nährmedium (136) für die Zellkultur (112); und

- Erfassung mindestens einer weiteren elektrochemischen Größe der Zellkultur (H2) eingerichtet ist.

13. Verfahren (210) zur Erfassung mindestens einer elektrochemischen Größe einer Zellkultur (112), die mindestens einem Gas oder Aerosol (114) ausgesetzt ist, umfassend die Schritte: a) (212) Bereitstellen mindestens eines Zellkulturmembraneinsatzes (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend den Zellkulturmembraneinsatz (120); b) (214) Aufbringen der Zellkultur (112) auf mindestens eine Oberfläche (132) einer Membran (130) des Zellkulturmembraneinsatzes (120); c) (216) Bereitstellen mindestens eines Nährmediums (136) für die Zellkultur (112); d) (218) Aussetzen der Zellkultur (112) dem mindestens einen Gas oder Aerosol (H4); e) (220) Erfassen mindestens einer elektrochemischen Größe der Zellkultur (112) mittels mindestens einer Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110).

14. Verfahren (210) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei mindestens eine der Membran (130) abgewandte Oberfläche der Zellkultur (112) während des Erfassens der mindestens einen elektrochemischen Größe der Zellkultur (112) zumindest zeitweise dem mindestens einem Gas oder Aerosol (114) ausgesetzt wird und währenddessen frei von dem Nährmedium (136) bleibt.

15. Verwendung eines Zellkulturmembraneinsatzes (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend den Zellkulturmembraneinsatz (120) zum Erfassen mindestens einer elektrochemischen Größe einer mindestens einem Gas oder Aerosol (114) ausgesetzten Zellkultur (112).