WO2010057672A1 - Device for physiological, dynamic in-vitro cell stretching - Google Patents

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WO2010057672A1
WO2010057672A1 PCT/EP2009/008348 EP2009008348W WO2010057672A1 WO 2010057672 A1 WO2010057672 A1 WO 2010057672A1 EP 2009008348 W EP2009008348 W EP 2009008348W WO 2010057672 A1 WO2010057672 A1 WO 2010057672A1
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WO
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membrane
frame
punch
pressure
cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/008348
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Bourauel
James Deschner
Andreas Jäger
Ludger Keilig
Birgit Rath-Deschner
Susanne Reimann
Original Assignee
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
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
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02Form or structure of the vessel
    • C12M23/12Well or multiwell plates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02Form or structure of the vessel
    • C12M23/14Bags
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M35/00Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/04Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli

Definitions

  • the invention relates to a device for physiological dynamic in vitro cell elongation, comprising an expansion unit having at least one punch, and at least one cell cultivation tray having a removable lid and a flexible membrane as a bottom, can be attracted to the cells, wherein the punch presses against the diaphragm to stretch it.
  • an elongation of a carrier material can take place on which cells have grown. This can be stretched longitudinally, transversely or radially symmetrically. There are several techniques for creating this stretch: The backing is clamped on two opposite sides and stretched. It can be stretched by the introduction of a liquid under the substrate or pulled by vacuum or gravity over a pressure plate / plunger.
  • the shape of the plunger has a decisive influence on the distribution of the strains of the Support material. For example, introduced liquids cause a non-linear strain distribution of a radially symmetric carrier material.
  • a second approach is to generate shear stress by flushing liquid around a stationary substrate with grown cells.
  • a hydrostatic overpressure is created in a chamber in which cells have grown. This can e.g. be a cell culture bottle.
  • a fourth approach is manipulating individual cells under the microscope with micro-pipettes.
  • the first three are suitable for cell culture.
  • the first system has the advantage that the cells can be kept in a clearly defined state of elongation or shear.
  • shear in a flowing fluid creates an uncontrollable superposition of various modes of deformation.
  • only compression can be generated.
  • tensile cell elongation is the primary mode of deformation for cells in cartilage, tendons, ligaments, muscles, skin and lung tissue.
  • the known methods have the following disadvantages:
  • the strain distributions over a carrier material on which cells have grown are non-linear in almost all systems. Among other things, the strains are not precisely defined in all places.
  • commercial systems are expensive. Vacuum systems are loud due to the pumps and need a lot of space. The pumps generate gases / oil vapor in the ambient air and require relatively much energy. In addition, they are maintenance intensive. Incidentally, their handling is sometimes very complicated and expensive. This is the case in particular when using vacuum stamping. From US Patent 4,940,853 a device for physiological, dynamic in vitro cell expansion is known in which the elongation is effected by an electromotive linear drive. In this case, a plate with round recesses is provided.
  • this plate is covered with a flexible membrane, on the inside of the recesses cells can be cultivated.
  • a bottom plate is arranged, which closes the recesses downwards substantially, with the individual recesses central holes are provided in the bottom plate, through which a pin from below into the individual recesses can be inserted.
  • Several such pins are mounted on a liftable plate. By lifting this plate, the pins are moved through the holes of the bottom plate and abut on the underside of the membrane of the individual recesses, so that the membranes in the recesses are each raised and stretched.
  • the pins have a small diameter compared to the diameter of the recesses, so that the predominant surface of the membrane is inclined by the elongation.
  • a stepper motor mounted on a support plate from which a central spindle extends against the plate supporting the plate at a central point of that plate.
  • the cell cultivation plate is connected to the holding plate via side walls, so that the cell cultivation plate together with the membrane is counteracted by the force exerted by the stepping motor with which the pins press against the membranes.
  • the pins supporting plate is guided in these parallel side walls.
  • a device for physiological dynamic in vitro cell elongation comprising an elongation unit having at least one punch, and at least one cell cultivation tray having a removable lid and a flexible membrane as a bottom on which cells can be attracted the plunger for expanding the membrane presses against it by the plunger and the membrane are arranged in a linear movement relative to each other movable and the membrane in the substantially unstretched state on the stamp, in particular resiliently supported, and the device comprises an electromotive linear drive, by means of which a mechanical pressure can be exerted on the cover of the cell cultivation dish via a transfer means, so that the cell cultivation dish (4) is pressed with its membrane (6) against the stamp (3) and is stretched as a function of the pressure.
  • the application of pressure to the lid of the cell culture dish causes the die to be pressed against the flexible membrane and thereby stretch it.
  • the stamp is increasingly moved into the cell cultivation dish.
  • This physiological stretch can be between 3% and 25%.
  • the force acting on the lid or on the stamp can be adjusted automatically by the electromotive linear drive, extremely precise and preferably dynamically according to a predeterminable expansion profile.
  • a particularly variable adjustability of the degree of expansion including its temporal change is possible with the device according to the invention.
  • the proposed device is robust and less maintenance intensive.
  • the expansions of the Bioflex® support material can be realized by pressure on the lid of the cell culture plate.
  • the cell culture membrane is pressed over the stamp so that it at least partially rests in the cell cultivation dish.
  • the expansion unit can have a frame in which the cell cultivation dish is held.
  • the frame encompasses the cell culture dish on the outside.
  • the pressure generated by the linear drive is transmitted to the frame.
  • the transfer means may be a support which is placed on the frame or directly on the lid of the line cultivation tray or rests in the pressure-transmitting state on the frame.
  • the pressure from the frame is transferred to the lid, so that can be spoken of a motor-driven lid.
  • the transmission means is preferably U-shaped, so that it can be placed on three peripheral sides of the frame.
  • the expansion unit may have a shell, at the bottom of which the stamp is supported.
  • the stamp may be molded to the bottom, i. be integrally formed with this.
  • the use of a shell has the advantage here that liquid substances introduced into the cell culture dish and / or cell material are collected and do not pollute or contaminate other non-mechanical parts of the device.
  • the shell can be firmly connected or connectable to a plate on which the linear drive is fixed.
  • the plate thus absorbs the force transmitted via the cover to the punch and sets it against a corresponding counter force which is exerted by the punch. This causes a linear relative movement of the punch and the membrane to each other, wherein the membrane is placed over the punch, so that they and thus at the same time the cells stretch or stretch.
  • the stamp can be supported directly on a plate on which the linear drive is fixed.
  • the plate may preferably be formed of aluminum, which as an inert material is resistant to humid and chemical environments, easy to disinfect and suitable for an incubator.
  • the stretching unit of the device according to the invention has a frame on which the pressure generated by the linear drive is exerted and a cup with the punch, the cell cultivation dish is arranged between the frame and the cup. This results in a compact and easy-to-use arrangement that can be prepared outside the device and then inserted into the device as a whole unit.
  • the cell culture dish is movably guided in the shell of the expansion unit so that the pressure exerted by the transfer means on the frame can be absorbed.
  • the linear drive can have a stepping motor, which can be moved in increments of 0.1 micrometers.
  • the setting of a specific pressure can preferably take place automatically and programmatically.
  • the linear drive can be connected to a computer on which a program for controlling the linear drive can be executed or executed.
  • the program is set up to change the duration and / or the amount of pressure exerted dynamically, in particular according to a predetermined profile.
  • the amplitude and / or frequency of the pressure may be controlled by the program.
  • the membrane of the cell culture plate can be stretched linearly and frequency-dependent in a range of 3% to 25%.
  • the stamp from an inert material, in particular from polyoxymethylene (POM) and / or aluminum.
  • POM polyoxymethylene
  • Aluminum can serve in particular for reinforcement.
  • Polyoxymethylene and aluminum are chemically inert and can be used in wet environments and in contact with biological materials.
  • the expansion unit and / or the transmission means (8) may comprise at least one contact sensor for detecting the contacting of the transmission means with the cover or the frame.
  • the stretching unit and / or the transmission means may be at least a pressure sensor for detecting the pressure exerted by the transfer means on the lid or the frame pressure.
  • a display means for indicating the contacting of the transmission means may be provided with the lid or the frame.
  • the device according to the invention has a number of advantages. For example, the costs can be kept within an adequate range compared to other systems, with the pure material costs being low. Furthermore, all materials for the production of the system are commercially available.
  • the application software can be adapted with relatively little effort to special wishes of a user.
  • the dimensions are such that the load unit fits into a commercial incubator and the associated controller and PC require minimal space so that they can be placed on the incubator.
  • the system is thus also suitable for small laboratories.
  • the system is easy to handle, easy to clean and disinfect.
  • the calculated strain is uniformly distributed linearly over the entire membrane, whereby the cells grown on it are stretched homogeneously.
  • Figure 2A Dismantled expansion unit and BioFlex ® -Zellkulturplatte (right).
  • Figure 2C Assembled stretching unit exposing cells to permanent biophysical elongation.
  • Figure 3 Overview of the system for dynamic cell expansion.
  • Biomechanical stress is fundamental to the development, maintenance and repair of a variety of cells. Recent studies have shown that dynamic biomechanical forces can have anti-inflammatory effects and affect other features of diseases such as osteoarthritis can. In addition, dynamic and static mechanical stress can differently regulate fibrochondrocyte gene expression and protein synthesis.
  • the strain should be evenly distributed over the cell membranes 6.
  • the strains should be between 3% and 25%, ie. H. within the physiological range.
  • the device 1 is intended for use by various scientists. The application of the device 1 is easy to learn and easy to adapt to different experimental arrangements.
  • FIG. 2A shows an expansion unit 2a, 2b in which uniform expansions of the membrane 6 are achieved.
  • the stretching unit 2a, 2b consists of a lower part 2a, which serves as a load base, and an upper part 2b, which serves as a load frame.
  • the lower part 2a forms a shell 2a with six cylindrical interchangeable punches 3, which are arranged on the bottom of the shell 2a.
  • 2a the shell, a commercially available BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 (Flex Cell International Corporation, Hillsborough, NC, USA) record having six Zeilkultiv istsschalen 4, the bottom of which is closed each with a flexible membrane 6, which serves as a substrate for the cultivated cells.
  • the cell culture plate 11 is located in the shell and is movably guided therein by the relative movement of the punches 3 and cell cultivation shells 4.
  • the cell culture plate 11 can be covered with a removable, transparent lid 2b, so that the view of the cell culture plate 11 remains.
  • the upper part 2b forms a frame 2b, which encompasses the cell culture plate 11 on the outside.
  • the frame 2b can be connected to the shell 2a via screws 12 and screw heads 13 made of brass. Characterized the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 is moved downward, whereby the flexible bottom of each cell culture dish 4 is forced to conform to the stamps. 3
  • a static Zeildehnungsapparatur is formed, which is shown in Figure 2C.
  • the screws 12 guide the frame 2b as it moves perpendicular to the shell 2a. They lie in corresponding holes 14 of the frame 2b.
  • the frame 2b lies on its lower side on the lid 5 and thus transmits a pressure force exerted on it to the cell culture plate 11, which in turn is pressed against the punches 3, as a result of which the membrane 6 is stretched.
  • the shell 2a, including the dies 3, and the frame are made of white polyoxymethylene (POM). This has a chemically and biologically inert property and Moisture resistance. POM is characterized by high strength, hardness and rigidity over a wide temperature range. It has a high abrasion resistance, a low friction coefficient and a low water absorption.
  • the punches 3 are fixed in the shell 2a by a cylindrical interference fit.
  • the membranes 6, the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 are continuously stretched by 3% and 20%.
  • the construction of the expansion unit 2a, 2b is such that the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 can be inserted into the loading frame 2b, the punch 3 below the cell cultivation trays 4, the so-called "wells" can be positioned centrally.
  • FIG. 2B shows the cell culture plate 11 with lid 5 inserted into the dish 2b.
  • FIG. 2C shows the assembled stretching unit 2a, 2b with cell culture plate 11 arranged between loading frame 2b and loading base 2a. All components can be disinfected with alcohol and introduced into an autoclave.
  • FIG. 3 shows the overall arrangement of the device 1 according to the invention with an electromotive stepping motor as a linear drive 7, by means of which a mechanical pressure is exerted on the cover 5 of the cell cultivation shells 4 via a transmission means 8 so that the cell cultivation shells 4 press against the plunger 3 with their membrane 6 and are stretched as a function of the pressure.
  • the stretching unit 2a, 2b has three pressure sensors 10 for detecting the pressure exerted on the lid 5 by the transmission means 8.
  • the transmission means 8 comprises a contact sensor, not shown, for detecting the contacting of the transmission means 8 with the frame 2b.
  • Display means 15 indicate the contacting of the transmission means 8 with the frame (2b).
  • the device 1 has the advantage that an automatic adjustment of the elongation with a computer program, separate adjustment of the loaded and unloaded exposure duration as well as the adjustment of the test duration by time and cycle number is possible.
  • the loading base 2a is fixed on an aluminum base plate 9.
  • the transmission means 8 is also made of aluminum.
  • a high-resolution linear micro stage (M-126, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Düsseldorf, Germany) represents the drive system and is combined with the Apollo stepper motor controller from PI (C-630, Physik Instrumente).
  • This cost-effective micro stage is equipped with a 2-phase stepper motor, which allows a smallest step size of 0.1 ⁇ m and a high repeatability of 1 ⁇ m.
  • the control of the motor can be done directly via the Apollo control.
  • the engine system is built into an aluminum strut and attached to the base plate 9. This positioning system actuates the loading frame 2b of the device 1, which causes the expansion of the cell culture plate.
  • the control program was written using the LabView TM 8.0 software (National Instruments Corporation (NI), Austin, TX).
  • the pressure on the lid 5 of the BioFlex ® cell culture plate 11 exerts.
  • the contact between the load frame 2b and the lid 5 is indicated by diodes which light up red when not in contact and green when in contact. This visual control facilitates the determination of the time at which the respective strain load can begin.
  • a measurement performed for cell dilation and practical experience with the device of the present invention will be explained.
  • the membrane elongation of the BioFlex ® cell culture plate 11 was controlled.
  • the plate membrane 6 was marked with small dots.
  • the membrane was stretched 3% and 20%, respectively, in a static cell dilator of Figure 2C, and the strain was measured in randomly selected fields under ten times primary magnification with a Nikon microscope (H800, Dusseldorf, Germany) with a CCD camera (DXP). 9100P 3CCD color video; Sony, Tokyo, Japan) and Lucia imaging software (LIM Laboratory Imaging, distributed via Nikon). Thereafter, the strains of adult human periodontal ligament (PDL) cells were controlled.
  • a Nikon microscope H800, Dusseldorf, Germany
  • DXP CCD camera
  • Lucia imaging software LIM Laboratory Imaging, distributed via Nikon
  • the device 1 worked for 48 hours at 37 0 C in 5% CO 2 with maximum dynamic strains. In the first part of the experiments it could be verified that the principle of loading with these punches works satisfactorily: The elongations of the marked cell culture plate membrane, which were effected by the punches, corresponded exactly with the given and calculated strains.
  • the dynamic device 1 proved to be reliable and durable in the dry and humid environment of an incubator. It could be confirmed that the device 1 is practical and easy to operate.
  • the visual control provided by the transparent lid 5 proved to be useful to define the starting point of the loading cycles.
  • the calculated strain is evenly distributed over the entire membrane.
  • the device 1 operates with a predetermined elongation per trial. This makes it possible to regulate the strains on the cell culture plates 11 very reliable.
  • the device 1 is characterized by a high repeatability. It is practical, easy to clean and sterilize. The adaptation to further requirements is possible by minor modifications of the arrangement. In contrast to vacuum-driven cell dilation apparatus, the described device 1 produces linear and homogeneous membrane deformations.
  • the device 1 is a new device for applying tensile strains to cells. Since biological systems are dynamic, the in FIG 3 apparatus shown an automatic dynamic device 1 for simulating a dynamic biological environment for cell culturing. In order to ensure a standardized process are, in the apparatus commercially available BioFlex ® -Zellkulturplatten 11 (Flex Cell International, NC, USA) with six cell cultivation trays 4 with cell adhesion Membranes 6 used at the bottom. In the present system, the membranes 6 are pulled over cylindrical dies 3 to achieve evenly distributed strains.
  • the device 1 consists predominantly of polyoxymethylene (POM) and is reinforced with aluminum.
  • POM polyoxymethylene
  • the device 1 comprises a high-resolution, linear micro stage computer-controlled by means of a program written in LabView TM. Different cell types were loaded with different strains over different time periods and first results could be determined. Measurements of the 3% stretched cell culture plate membrane and the cells grown on them gave cell elongations of 3.7%. The results showed a high repeatability.

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Abstract

The invention relates to a device (1) for physiological, dynamic in-vitro cell stretching, comprising a stretching unit (2a, 2b), which has at least one ram (3), and at least one cell cultivation dish (4), which has a removable cover (5) and a flexible membrane (6) as the bottom, on which cells can be grown, wherein the ram (3) presses against the membrane (6) so as to stretch it, the ram (3) and the membrane (6) are arranged so they can be moved relative to one another in a linear movement, and the membrane (6) is supported on the ram (3) in a substantially unstretched state, and the device comprises an electric motor-driven linear drive, by means of which mechanical pressure can be applied to the cover (5) of the cell cultivation dish (4) by way of a transfer means (8), so that the cell cultivation dish (4) with the membrane (6) thereof is pressed against the ram (3) and is stretched depending on the pressure.

Description

Vorrichtung zur physiologischen, dynamischen in-vitro- Zelldehnung Apparatus for physiological, dynamic in vitro cell dilatation
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur physiologischen, dynamischen in-vitro- Zelldehnung, umfassend eine Dehnungseinheit, die zumindest einen Stempel aufweist, und zumindest eine Zeilkultivierungsschale, die einen abnehmbaren Deckel und eine flexible Membran als Boden aufweist, auf der Zellen angezogen werden können, wobei der Stempel zur Dehnung der Membran gegen diese drückt.The invention relates to a device for physiological dynamic in vitro cell elongation, comprising an expansion unit having at least one punch, and at least one cell cultivation tray having a removable lid and a flexible membrane as a bottom, can be attracted to the cells, wherein the punch presses against the diaphragm to stretch it.
Zellkultivierungsschalen sind hinreichend bekannt. Eine Anordnung von sechs derartigen Schalen, wie sie im Sinne der Erfindung Verwendung finden können, ist aus den US Patenten 6,048,723 und 6,472,202 B1 bekannt.Cell culture dishes are well known. An arrangement of six such trays, as they can be used in the context of the invention is known from US Pat. Nos. 6,048,723 and 6,472,202 B1.
Es existieren verschiedene Ansätze um Zellen in-vitro zu verformen. Diese verschiedenen Ansätze können in den folgenden fünf Gruppen zusammengefasst werden.There are various approaches to deform cells in vitro. These different approaches can be summarized in the following five groups.
In einem ersten Ansatz kann eine Dehnung eines Trägermaterials erfolgen, auf dem Zellen angewachsen sind. Dies kann längs-, quer- oder radialsymmetrisch gedehnt werden. Es gibt verschiedene Techniken diese Dehnung zu erzeugen: Das Trägermaterial wird an zwei gegenüberliegenden Seiten eingespannt und in die Länge gezogen. Es kann durch das Einbringen einer Flüssigkeit unter das Trägermaterial gedehnt oder per Vakuum oder Gewichtskraft über eine Druckplatte/einen Druckstempel gezogen werden. Hierbei hat die Form des Druckstempels einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der Dehnungen des Trägermaterials. Eingebrachte Flüssigkeiten etwa bewirken eine nichtlineare Dehnungsverteilung eines radialsymmetrischen Trägermaterials.In a first approach, an elongation of a carrier material can take place on which cells have grown. This can be stretched longitudinally, transversely or radially symmetrically. There are several techniques for creating this stretch: The backing is clamped on two opposite sides and stretched. It can be stretched by the introduction of a liquid under the substrate or pulled by vacuum or gravity over a pressure plate / plunger. Here, the shape of the plunger has a decisive influence on the distribution of the strains of the Support material. For example, introduced liquids cause a non-linear strain distribution of a radially symmetric carrier material.
Ein zweiter Ansatz ist die Erzeugung von Scherspannungen, indem ein stationäres Substrat mit angewachsenen Zellen von Flüssigkeit umspült wird.A second approach is to generate shear stress by flushing liquid around a stationary substrate with grown cells.
Bei einer dritten Verfahrensweise wird ein hydrostatischer Überdruck in einer Kammer erzeugt, in der Zellen gewachsen sind. Dies kann z.B. eine Zellkulturflasche sein.In a third approach, a hydrostatic overpressure is created in a chamber in which cells have grown. This can e.g. be a cell culture bottle.
Ein vierter Ansatz ist das Manipulieren einzelner Zellen unter dem Mikroskop mit Mikro-Pipetten.A fourth approach is manipulating individual cells under the microscope with micro-pipettes.
Schließlich umfasst eine fünfte Gruppe Kombinationen aus diesen Techniken.Finally, a fifth group includes combinations of these techniques.
Von diesen Methoden sind die ersten drei für Zellkulturen geeignet. Hiervon hat das erste System den Vorteil, dass die Zellen in einem eindeutig definierten Zustand der Dehnung oder Scherung gehalten werden können. Im Gegensatz dazu erzeugt die Scherung in einer strömenden Flüssigkeit eine nicht kontrollierbare Superposition verschiedener Deformationsmodi. Mit Versuchsansätzen der Methode drei kann ausschließlich Kompression erzeugt werden. Hingegen ist eine Zelldehnung unter Zugspannung der primäre Deformationsmodus für Zellen in Knorpelgewebe, Sehnen, Ligamenten, Muskeln, Haut und Lungengewebe.Of these methods, the first three are suitable for cell culture. Of these, the first system has the advantage that the cells can be kept in a clearly defined state of elongation or shear. In contrast, shear in a flowing fluid creates an uncontrollable superposition of various modes of deformation. With method 3 experimental approaches, only compression can be generated. On the other hand, tensile cell elongation is the primary mode of deformation for cells in cartilage, tendons, ligaments, muscles, skin and lung tissue.
Die bekannten Verfahren haben die folgenden Nachteile: Die Dehnungsverteilungen über ein Trägermaterial, auf dem Zellen angewachsen sind, sind bei nahezu allen Systemen nichtlinear. Unter anderem dadurch sind die Dehnungen nicht an allen Stellen genau definiert. Weiterhin sind kommerzielle Systeme teuer. Vakuumsysteme sind bedingt durch die Pumpen laut und brauchen viel Platz. Die Pumpen erzeugen Gase/Öldunst in der Umgebungsluft und brauchen verhältnismäßig viel Energie. Zudem sind sie wartungsintensiv. Im Übrigen ist deren Handhabung teilweise sehr kompliziert und aufwändig. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Vakuumstempeln der Fall. Aus dem US Patent 4,940,853 ist eine Vorrichtung zur physiologischen, dynamischen in-vitro-Zelldehnung bekannt, bei der die Dehnung durch einen elektromotorischen Linearantrieb bewirkt wird. Dabei ist eine Platte mit runden Ausnehmungen vorgesehen. Die Unterseite dieser Platte ist mit einer flexiblen Membran bespannt, auf der innenseitig der Ausnehmungen Zellen kultiviert werden können. Unterhalb der Membran ist eine Bodenplatte angeordnet, die die Ausnehmungen nach unten hin im Wesentlichen verschließt, wobei zu den einzelnen Ausnehmungen zentrale Bohrungen in der Bodenplatte vorgesehen sind, durch welche jeweils ein Stift von unten in die einzelnen Ausnehmungen einführbar ist. Mehrere derartiger Stifte sind auf einer anhebbaren Platte montiert. Durch das Anheben dieser Platte werden die Stifte durch die Bohrungen der Bodenplatte bewegt und stoßen auf die Unterseite der Membran der einzelnen Ausnehmungen, so dass die Membranen in den Ausnehmungen jeweils angehoben und gedehnt werden. Die Stifte weisen einen im Vergleich zum Durchmesser der Ausnehmungen geringen Durchmesser auf, so dass die überwiegende Fläche der Membran durch die Dehnung schräg gestellt ist. Es sind zylindrische, netzartige Stützringe vorgesehen, die in die Ausnehmungen einsetzbar sind und innenseitig der Ausnehmungen anliegen. Die Zellkulturen können auch an diesen Stützringen anwachsen. Zentral unter der Anordnung ist ein an einer Halteplatte befestigter Schrittmotor vorgesehen, aus welchem sich eine zentrale Spindel gegen die die Stifte tragende Platte an einem zentralen Punkt dieser Platte abstützen erstreckt. Über Seitenwände ist die Zellkultivierungsplatte mit der Halteplatte verbunden, so dass die Zellkultivierungsplatte samt Membran eine Gegenkraft zu der vom Schrittmotor ausgeübten Kraft, mit der die Stifte gegen die Membranen drücken, entgegengesetzt wird. Die die Stifte tragende Platte ist in diesen parallelen Seitenwänden geführt.The known methods have the following disadvantages: The strain distributions over a carrier material on which cells have grown are non-linear in almost all systems. Among other things, the strains are not precisely defined in all places. Furthermore, commercial systems are expensive. Vacuum systems are loud due to the pumps and need a lot of space. The pumps generate gases / oil vapor in the ambient air and require relatively much energy. In addition, they are maintenance intensive. Incidentally, their handling is sometimes very complicated and expensive. This is the case in particular when using vacuum stamping. From US Patent 4,940,853 a device for physiological, dynamic in vitro cell expansion is known in which the elongation is effected by an electromotive linear drive. In this case, a plate with round recesses is provided. The underside of this plate is covered with a flexible membrane, on the inside of the recesses cells can be cultivated. Below the membrane, a bottom plate is arranged, which closes the recesses downwards substantially, with the individual recesses central holes are provided in the bottom plate, through which a pin from below into the individual recesses can be inserted. Several such pins are mounted on a liftable plate. By lifting this plate, the pins are moved through the holes of the bottom plate and abut on the underside of the membrane of the individual recesses, so that the membranes in the recesses are each raised and stretched. The pins have a small diameter compared to the diameter of the recesses, so that the predominant surface of the membrane is inclined by the elongation. There are cylindrical, net-like support rings are provided which can be inserted into the recesses and rest on the inside of the recesses. The cell cultures can also grow on these support rings. Centrally under the assembly there is provided a stepper motor mounted on a support plate from which a central spindle extends against the plate supporting the plate at a central point of that plate. The cell cultivation plate is connected to the holding plate via side walls, so that the cell cultivation plate together with the membrane is counteracted by the force exerted by the stepping motor with which the pins press against the membranes. The pins supporting plate is guided in these parallel side walls.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung nach US-Patent 4,940,853 einerseits die schmale Ausführung der Stifte, so dass die den Boden der Ausnehmungen bildende Membran mit dem größten Teil Ihrer Zellen tragenden Fläche gegenüber der Horizontalen schräg gestellt ist. Hierdurch fließen die Zellkulturen samt der eingebrachten Flüssigkeit in den Randbereich, wo sie sich sammeln. Eine gleichmäßige Verteilung der Zellkulturen auf der innenseitigen Oberfläche der Membran und damit eine homogene Zellkultivierung ist damit möglich. Weiterhin nachteilig ist, dass im Falle einer Beschädigung einer Membran Flüssigkeit und Zellmaterial die mechanisch bewegten Teile der Anordnung verschmutzen können. Eine Reinigung und Desinfizierung dieser Teile ist nur schwer und mit hohem Aufwand möglich. Ein weiterer Nachteil besteht in der zentralen Lagerung der die Stifte haltenden Platte. Zum einen kann sich die Platte verkanten, wenn sich Schmutz zwischen die Platte und die innenseitigen Gleitflächen der Seitenwände einlegt. Zum anderen besteht die Gefahr, dass im Falle einer nicht exakt horizontal zur Zeilkultivierungsplatte ausgerichteten, die Stifte haltenden Platte kein gleichmäßiger Druck auf alle einzelnen Membranen der Ausnehmungen ausgeübt wird, so dass die verschiedenen Membranen unterschiedlich gedehnt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Zellen in einer In-vitro-Zellkultur in einem physiologisch möglichst großen Bereich gleichmäßig zu dehnen, wobei eine einfache, bedienungsfreundliche, preiswerte und wartungsarme Vorrichtung zur Zelldehnung geschaffen werden soll, die eine dynamische Dehnung der Zellen ermöglicht.A disadvantage of this arrangement according to US Patent 4,940,853 on the one hand, the narrow design of the pins, so that the bottom of the recesses forming membrane with the largest part of your cells bearing surface is inclined relative to the horizontal. As a result, the cell cultures, together with the liquid introduced, flow into the marginal area where they collect. A uniform distribution of cell cultures on the inside surface of the membrane and thus a homogeneous cell culture is possible. A further disadvantage is that in the case of damage to a membrane, liquid and cell material are the mechanical can contaminate moving parts of the arrangement. Cleaning and disinfecting these parts is difficult and possible with great effort. Another disadvantage is the central storage of the pins holding plate. On the one hand, the plate can tilt when dirt inserts between the plate and the inside sliding surfaces of the side walls. On the other hand, there is a risk that in the case of a not exactly aligned horizontally to the cell culturing plate, the pins holding plate no uniform pressure on all the individual membranes of the recesses is exerted, so that the different membranes are stretched differently. It is therefore an object of the invention to uniformly stretch cells in an in vitro cell culture in a physiologically as large as possible area, with a simple, easy-to-use, low-cost and low-maintenance device for cell expansion to be created, which allows dynamic expansion of the cells.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen formuliert und werden nachfolgend erläutert.This is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are formulated in the subclaims and are explained below.
Es wird eine Vorrichtung zur physiologischen, dynamischen in-vitro- Zelldehnung vorgeschlagen, umfassend eine Dehnungseinheit, die zumindest einen Stempel aufweist, und zumindest eine Zellkultivierungsschale, die einen abnehmbaren Deckel und eine flexible Membran als Boden aufweist, auf der Zellen angezogen werden können, wobei der Stempel zur Dehnung der Membran gegen diese drückt, indem der Stempel und die Membran in einer Linearbewegung relativ zueinander beweglich angeordnet sind und sich die Membran im im Wesentlichen ungedehnten Zustand auf dem Stempel, insbesondere federnd, abstützt, und die Vorrichtung einen elektromotorischen Linearantrieb umfasst, mittels welchem über ein Übertragungsmittel ein mechanischer Druck auf den Deckel der Zellkultivierungsschale ausübbar ist, so dass die Zellkultivierungsschale (4) mit ihrer Membran (6) gegen den Stempel (3) gedrückt und in Abhängigkeit des Drucks gedehnt wird. Die Ausübung eines Drucks auf den Deckel der Zellkultivierungsschale bewirkt, dass der Stempel gegen die flexible Membran gedrückt wird und sich diese dadurch dehnt. Dabei wird der Stempel zunehmend in die Zellkultivierungsschale hineinbewegt. Infolgedessen werden auch die auf der Membran angezogenen Zellen gedehnt. Diese physiologische Dehnung kann zwischen 3 % und 25 % betragen.There is proposed a device for physiological dynamic in vitro cell elongation, comprising an elongation unit having at least one punch, and at least one cell cultivation tray having a removable lid and a flexible membrane as a bottom on which cells can be attracted the plunger for expanding the membrane presses against it by the plunger and the membrane are arranged in a linear movement relative to each other movable and the membrane in the substantially unstretched state on the stamp, in particular resiliently supported, and the device comprises an electromotive linear drive, by means of which a mechanical pressure can be exerted on the cover of the cell cultivation dish via a transfer means, so that the cell cultivation dish (4) is pressed with its membrane (6) against the stamp (3) and is stretched as a function of the pressure. The application of pressure to the lid of the cell culture dish causes the die to be pressed against the flexible membrane and thereby stretch it. The stamp is increasingly moved into the cell cultivation dish. As a result, the cells attracted to the membrane are also stretched. This physiological stretch can be between 3% and 25%.
Die Krafteinwirkung auf den Deckel respektive auf den Stempel kann durch den elektromotorischen Linearantrieb automatisch, äußerst präzise und gemäß einem vorgebbaren Dehnungsprofil vorzugsweise dynamisch eingestellt werden. Damit ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine besonders variable Einstellbarkeit des Dehnungsgrades einschließlich seiner zeitlichen Änderung möglich. Gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Dehnung von Zellen, beispielsweise den bekannten Vakuumverfahren, ist die vorgeschlagene Vorrichtung robust und weniger wartungsintensiv.The force acting on the lid or on the stamp can be adjusted automatically by the electromotive linear drive, extremely precise and preferably dynamically according to a predeterminable expansion profile. Thus, a particularly variable adjustability of the degree of expansion including its temporal change is possible with the device according to the invention. Compared to the conventional method of stretching cells, for example the known vacuum method, the proposed device is robust and less maintenance intensive.
Die Kombination aus kommerziell verfügbaren Zellkulturplatten, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Bioflex® des Herstellers Flexcell International Corporation, Hillsborough, NC, USA, hergestellt und vertrieben werden, mit einer einfach zu bedienenden mechanischen Dehnungseinheit stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen (kommerziellen) Systemen dar.The combination of commercially available cell culture plates, as they are produced, for example, under the name Bioflex ® the manufacturer Flexcell International Corporation, Hillsborough, NC, United States and marketed with an easy-to-use mechanical stretching unit represents a significant advantage over other (commercial) systems ,
Besonders vorteilhaft ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung, dass die Dehnungen des Bioflex®-Trägermaterials durch Druck auf den Deckel der Zellkulturplatte realisiert werden. Hierdurch wird die Zellkulturmembran über den Stempel gedrückt, so dass er zumindest teilweise in der Zellkultivierungsschale einliegt.It is particularly advantageous in the proposed device that the expansions of the Bioflex® support material can be realized by pressure on the lid of the cell culture plate. As a result, the cell culture membrane is pressed over the stamp so that it at least partially rests in the cell cultivation dish.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Dehnungseinheit einen Rahmen aufweisen, in dem die Zellkultivierungsschale gehalten wird. Der Rahmen umgreift dabei die Zellkultivierungsschale außenumfänglich. Der von dem Linearantrieb erzeugte Druck wird auf den Rahmen übertragen. Durch den Hubweg des Rahmens wird die Dehnung festgelegt, so dass von einem motorgesteuertem Rahmen gesprochen werden kann. Vorzugsweise kann das Übertragungsmittel eine Auflage sein, die auf dem Rahmen oder direkt auf den Deckel der Zeilkultivierungsschale auflegbar ist bzw. im Druck übertragenden Zustand auf dem Rahmen aufliegt. Im Falle des Rahmens wird der Druck vom Rahmen auf den Deckel übertragen, so dass von einem motorgetriebenen Deckel gesprochen werden kann. Das Übertragungsmittel ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet, so dass es an drei Umfangsseiten des Rahmens aufgelegt werden kann. Dies bewirkt, dass der Druck gleichmäßig auf den Rahmen verteilt wird, so dass die Zellkultivierungsschale mit ihrem Boden gleichmäßig gegen den Stempel gedrückt wird und eine gleichmäßige Dehnung der Membran erfolgt. Dies gewährleistet, dass auch die Zellen gleichmäßig gedehnt werden. Das gleichmäßige Ausüben des Drucks auf den Rahmen ist insbesondere bei einer Anordnung mehrerer Zellkultivierungsschalen in einer Zellkulturplatte von Bedeutung, damit die Dehnung der Membranen jeder Zellkultivierungsschale gleich ist.In an advantageous development of the invention, the expansion unit can have a frame in which the cell cultivation dish is held. The frame encompasses the cell culture dish on the outside. The pressure generated by the linear drive is transmitted to the frame. By the stroke of the frame, the strain is set so that can be spoken by a motor-driven frame. Preferably, the transfer means may be a support which is placed on the frame or directly on the lid of the line cultivation tray or rests in the pressure-transmitting state on the frame. In the case of the frame, the pressure from the frame is transferred to the lid, so that can be spoken of a motor-driven lid. The transmission means is preferably U-shaped, so that it can be placed on three peripheral sides of the frame. This causes the pressure to be evenly distributed on the frame so that the bottom of the cell culture dish is pressed evenly against the punch and uniform elongation of the membrane is achieved. This ensures that even the cells are stretched evenly. The uniform application of the pressure to the frame is particularly important in arranging several cell culture dishes in a cell culture plate so that the elongation of the membranes of each cell culture dish is the same.
Weiterhin kann die Dehnungseinheit eine Schale aufweisen, an dessen Boden sich der Stempel abstützt. Insbesondere kann der Stempel an dem Boden angeformt sein, d.h. einstückig mit diesem ausgebildet sein. Die Verwendung einer Schale hat hier den Vorteil, dass in die Zellkultivierungsschale eingebrachte flüssige Substanzen und/ oder Zellmaterial aufgefangen werden und andere nicht mechanische Teile der Vorrichtung nicht verschmutzen oder kontaminieren.Furthermore, the expansion unit may have a shell, at the bottom of which the stamp is supported. In particular, the stamp may be molded to the bottom, i. be integrally formed with this. The use of a shell has the advantage here that liquid substances introduced into the cell culture dish and / or cell material are collected and do not pollute or contaminate other non-mechanical parts of the device.
Die Schale kann fest mit einer Platte verbunden oder verbindbar sein, auf der der Linearantrieb fixiert ist. Die Platte nimmt somit die über den Deckel auf den Stempel übertragene Kraft auf und setzt ihm eine entsprechende Gegenkraft entgegen, die von dem Stempel ausgeübt wird. Dies bewirkt eine lineare Relativbewegung von Stempel und Membran zueinander, wobei die Membran über den Stempel gestülpt wird, so dass sie sich und damit gleichzeitig auch die Zellen dehnt bzw. dehnen. Alternativ kann sich der Stempel unmittelbar auf einer Platte abstützen, auf der der Linearantrieb fixiert ist.The shell can be firmly connected or connectable to a plate on which the linear drive is fixed. The plate thus absorbs the force transmitted via the cover to the punch and sets it against a corresponding counter force which is exerted by the punch. This causes a linear relative movement of the punch and the membrane to each other, wherein the membrane is placed over the punch, so that they and thus at the same time the cells stretch or stretch. Alternatively, the stamp can be supported directly on a plate on which the linear drive is fixed.
Die Platte kann vorzugsweise aus Aluminium gebildet sein, welches als inertes Material widerstandsfähig gegen feuchte und chemische Umgebungen ist, einfach zu desinfizieren und geeignet für einen Inkubator ist. In der Ausführungsform, bei der die Dehnungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Rahmen, auf den der von dem Linearantrieb erzeugte Druck ausgeübt wird, und eine Schale mit dem Stempel aufweist, ist die Zellkultivierungsschale zwischen dem Rahmen und der Schale angeordnet. Dies ergibt eine kompakte und leicht zu handhabende Anordnung, die außerhalb der Vorrichtung vorbereitet werden und in Gesamteinheit anschließend in die Vorrichtung eingesetzt werden kann. Die Zellkultivierungsschale ist dabei in der Schale der Dehnungseinheit beweglich geführt, so dass der von dem Übertragungsmittel auf den Rahmen ausgeübte Druck aufgenommen werden kann.The plate may preferably be formed of aluminum, which as an inert material is resistant to humid and chemical environments, easy to disinfect and suitable for an incubator. In the embodiment in which the stretching unit of the device according to the invention has a frame on which the pressure generated by the linear drive is exerted and a cup with the punch, the cell cultivation dish is arranged between the frame and the cup. This results in a compact and easy-to-use arrangement that can be prepared outside the device and then inserted into the device as a whole unit. The cell culture dish is movably guided in the shell of the expansion unit so that the pressure exerted by the transfer means on the frame can be absorbed.
Für ein präzises Einstellen des Drucks und damit des Dehnungsgrads kann der Linearantrieb einen Schrittmotor aufweisen, der in Inkrementschritten von 0,1 Mikrometern bewegbar ist.For a precise setting of the pressure and thus the degree of expansion, the linear drive can have a stepping motor, which can be moved in increments of 0.1 micrometers.
Die Einstellung eines bestimmten Drucks, insbesondere dessen zeitliche Veränderung kann vorzugsweise automatisch und programmgesteuert erfolgen. Der Linearantrieb kann hierfür mit einem Rechner in Verbindung stehen, auf dem ein Programm zur Steuerung des Linearantriebs ausführbar ist bzw. ausgeführt wird. Das Programm ist dazu eingerichtet, die Dauer und/ oder die Höhe des ausgeübten Drucks dynamisch, insbesondere gemäß einem vorgegebenen Profil zu ändern. Vorzugsweise kann die Amplitude und/ oder die Frequenz des Drucks von dem Programm gesteuert werden. Die Membran der Zellkulturplatte kann dabei frequenz- und zeitabhängig in einem Bereich von 3 % bis 25 % definiert linear gedehnt werden.The setting of a specific pressure, in particular its time change, can preferably take place automatically and programmatically. For this purpose, the linear drive can be connected to a computer on which a program for controlling the linear drive can be executed or executed. The program is set up to change the duration and / or the amount of pressure exerted dynamically, in particular according to a predetermined profile. Preferably, the amplitude and / or frequency of the pressure may be controlled by the program. The membrane of the cell culture plate can be stretched linearly and frequency-dependent in a range of 3% to 25%.
Weiterhin ist es von Vorteil, den Stempel aus einem inerten Material, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM) und/oder Aluminium zu fertigen. Aluminium kann dabei insbesondere zur Verstärkung dienen. Polyoxymethylen und Aluminium sind chemisch inert und können in feuchter Umgebung und in Kontakt mit biologischen Materialien genutzt werden.Furthermore, it is advantageous to manufacture the stamp from an inert material, in particular from polyoxymethylene (POM) and / or aluminum. Aluminum can serve in particular for reinforcement. Polyoxymethylene and aluminum are chemically inert and can be used in wet environments and in contact with biological materials.
Erfindungsgemäß kann die Dehnungseinheit und/ oder das Übertragungsmittel (8) zumindest einen Kontaktsensor zur Erkennung der Kontaktierung des Übertragungsmittels mit dem Deckel oder dem Rahmen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Dehnungseinheit und/ oder das Übertragungsmittel zumindest einen Drucksensor zur Erfassung des von dem Übertragungsmittel auf den Deckel oder dem Rahmen ausgeübten Drucks aufweisen. Weiterhin kann ein Anzeigemittel zum Anzeigen der Kontaktierung des Übertragungsmittels mit dem Deckel oder dem Rahmen vorgesehen sein.According to the invention, the expansion unit and / or the transmission means (8) may comprise at least one contact sensor for detecting the contacting of the transmission means with the cover or the frame. Alternatively or additionally, the stretching unit and / or the transmission means may be at least a pressure sensor for detecting the pressure exerted by the transfer means on the lid or the frame pressure. Furthermore, a display means for indicating the contacting of the transmission means may be provided with the lid or the frame.
Die erfϊndungsgemäße Vorrichtung bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Beispielsweise können die Kosten im Vergleich zu anderen Systemen in einem adäquaten Rahmen gehalten werden, wobei die reinen Materialkosten gering sind. Weiterhin sind alle Materialien zur Herstellung des Systems handelsüblich. Die Anwendersoftware kann mit relativ wenig Aufwand an spezielle Wünsche eines Anwenders angepasst werden. Die Abmaße sind derart, dass die Belastungseinheit in einen handelsüblichen Inkubator passt und der dazu gehörige Controller und der PC nur minimalen Platz benötigen, so dass sie auf den Inkubator gestellt werden können. Das System ist dadurch auch für kleine Labore geeignet. Das System ist einfach zu handhaben, leicht zu reinigen und zu desinfizieren. Die berechnete Dehnung ist gleichmäßig linear über die gesamte Membran verteilt, wodurch die darauf angewachsenen Zellen homogen gedehnt werden.The device according to the invention has a number of advantages. For example, the costs can be kept within an adequate range compared to other systems, with the pure material costs being low. Furthermore, all materials for the production of the system are commercially available. The application software can be adapted with relatively little effort to special wishes of a user. The dimensions are such that the load unit fits into a commercial incubator and the associated controller and PC require minimal space so that they can be placed on the incubator. The system is thus also suitable for small laboratories. The system is easy to handle, easy to clean and disinfect. The calculated strain is uniformly distributed linearly over the entire membrane, whereby the cells grown on it are stretched homogeneously.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Abbildungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 : Ergebnisse der FEA (Finite-Elemente-Analyse).Figure 1: Results of the FEA (Finite Element Analysis).
Figur 2A: Demontierte Dehnungseinheit und BioFlex®-Zellkulturplatte (rechts).Figure 2A: Dismantled expansion unit and BioFlex ® -Zellkulturplatte (right).
Figur 2B: BioFlex®-Zellkulturplatte auf der Belastungsbasis.2B: BioFlex ® -Zellkulturplatte on the loading base.
Figur 2C: Zusammengebaute Dehnungseinheit, die Zellen einer dauerhaften biophysikalischen Dehnung aussetzt. Figur 3: Überblick über das System zur dynamischen Zelldehnung.Figure 2C: Assembled stretching unit exposing cells to permanent biophysical elongation. Figure 3: Overview of the system for dynamic cell expansion.
Biomechanische Belastung ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung, Erhaltung und Reparatur einer Vielzahl von Zellen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass dynamische biomechanische Kräfte entzündungshemmende Wirkungen haben können und sich auf andere Merkmale von Krankheiten wie Arthrose auswirken können. Außerdem kann dynamische und statische mechanische Belastung die Fibrochondrozyt-Genexpression und -Proteinsynthese unterschiedlich regulieren.Biomechanical stress is fundamental to the development, maintenance and repair of a variety of cells. Recent studies have shown that dynamic biomechanical forces can have anti-inflammatory effects and affect other features of diseases such as osteoarthritis can. In addition, dynamic and static mechanical stress can differently regulate fibrochondrocyte gene expression and protein synthesis.
Um die verschiedenen Auswirkungen statischer und dynamischer Kräfte auf Zellen unterscheiden zu können, wurde eine neuartige Vorrichtung 1 zur Belastung von Zellen mit definierten Dehnungen entwickelt. Da biologische Systeme im Allgemeinen dynamisch sind, wurde die Vorrichtung 1 für dynamische Dehnungsbelastungen entwickelt. Wichtige Kriterien waren hierbei ein möglichst geringer Platzbedarf, die Eignung für einen Inkubator und Kosteneffizienz. Um dies und ein standardisiertes Verfahren zu erreichen, wurden die handelsüblichen BioFlex®-Zellkulturplatte 11 (Flexcell International, NC, USA), siehe Figur 2A, eingesetzt.In order to distinguish the different effects of static and dynamic forces on cells, a novel device 1 for loading cells with defined strains was developed. Since biological systems are generally dynamic, the device 1 has been developed for dynamic strain loads. Important criteria here were the smallest possible space requirement, the suitability for an incubator and cost efficiency. To achieve this and a standardized procedure, the commercial BioFlex ® -Zellkulturplatte were 11 (Flex Cell International, NC, USA), see Figure 2A, used.
An die übrigen Materialien wurden folgende technische Anforderungen gestellt: (1) sie sollten feuchtigkeitsbeständig sein, da die Vorrichtung 1 widerstandsfähig gegenüber relativ feuchten Umgebungen sein muss, (2) sie sollten chemisch inert sein, da das System einfach zu desinfizieren sein muss, und (3) sie sollten biologisch inert sein, da sie für den Kontakt mit Zellmaterialien vorgesehen sind.The following technical requirements were set for the remaining materials: (1) they should be moisture resistant, since the device 1 must be resistant to relatively humid environments, (2) they should be chemically inert, as the system must be easy to disinfect, and ( 3) they should be biologically inert as they are intended for contact with cell materials.
Als mechanische Anforderungen wurde festgelegt, dass die Dehnung gleichmäßig über die Zellmembranen 6 verteilt sein sollte. Die Dehnungen sollten zwischen 3 % und 25 % betragen, d. h. innerhalb des physiologischen Bereichs liegen. Der Motor 7, der in dem dynamischen System zur Dehnung der Zellkulturplatten eingesetzt wird, arbeitet mit sehr hoher Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Darüber hinaus ist die Vorrichtung 1 für die Nutzung durch verschiedene Wissenschaftler bestimmt. Die Anwendung der Vorrichtung 1 ist leicht zu erlernen und einfach an verschiedene Versuchsanordnungen anzupassen.As mechanical requirements it was stated that the strain should be evenly distributed over the cell membranes 6. The strains should be between 3% and 25%, ie. H. within the physiological range. The motor 7, which is used in the dynamic system for expanding the cell culture plates, works with very high positioning accuracy and repeatability. In addition, the device 1 is intended for use by various scientists. The application of the device 1 is easy to learn and easy to adapt to different experimental arrangements.
Die zellbiomechanische Forschung erfordert ein standardisiertes Verfahren. Daher werden die weit verbreiteten, handelsüblichen BioFlex®-Zellkulturplatte 11 , siehe Fig. 2A, für die biologischen Tests verwendet. Häufig werden diese Zellkulturplatten 11 mit einem Vakuumsystem gedehnt. Um die Dehnungsverteilung vor der Konstruktion der Geräte kontrollieren zu können, wurde eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) bei einer Membran 6 einer Zellkultivierungsschale 4 einer BioFlex®" Zellkulturplatte 11 unter Vakuum durchgeführt. Diese ergab, dass die Verschiebungen und daher auch die Dehnungen der Zellkulturplatten-Membran 6 nicht gleichmäßig verteilt waren, siehe Fig. 1. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde festgestellt, dass gleichmäßig verteilte Dehnungen erzielt werden, wenn die Membran 6 über einen zylindrischen Stempel 3 gezogen wird. Für diese Konfiguration sind die Dehnungen einfach zu berechnen.Cellbiomechanical research requires a standardized procedure. Therefore, the widespread, commercial BioFlex ® -Zellkulturplatte 11, see Fig. 2A used for the biological tests. Often these cell culture plates 11 are stretched with a vacuum system. In order to control the strain distribution prior to the construction of the devices, a finite element analysis (FEA) was performed at a membrane 6 of a cell culturing dish 4 of a BioFlex ® "11 carried out under vacuum cell culture plate. This revealed that the displacements and therefore the strains the cell culture plate membrane 6 were not evenly distributed, See Fig. 1. Based on these results, it has been found that evenly distributed strains are achieved when the membrane 6 is pulled over a cylindrical die 3. For this configuration, the strains are easy to calculate.
Figur 2A zeigt eine Dehnungseinheit 2a, 2b, bei der gleichmäßige Dehnungen der Membran 6 erreicht werden. Die Dehnungseinheit 2a, 2b besteht aus einem Unterteil 2a, das als Belastungsbasis dient, und einem Oberteil 2b, das als Belastungsrahmen dient. Das Unterteil 2a bildet eine Schale 2a mit sechs zylindrischen, auswechselbaren Stempeln 3, die auf dem Boden der Schale 2a angeordnet sind. Die Schale 2a kann eine handelsübliche BioFlex®-Zellkulturplatte 11 (Flexcell International Corporation, Hillsborough, NC, USA) aufnehmen, die sechs Zeilkultivierungsschalen 4 aufweist, deren Boden jeweils mit einer flexiblen Membran 6 verschlossen ist, die als Substrat für zu kultivierende Zellen dient. Die Zellkulturplatte 11 liegt in der Schale ein und ist in dieser durch die Relativbewegung der Stempel 3 und Zellkultivierungsschalen 4 beweglich geführt. Die Zellkulturplatte 11 kann mit einem abnehmbaren, transparenten Deckel 2b abgedeckt werden, so dass die Sicht auf die Zellkulturplatte 11 gegeben bleibt. Das Oberteil 2b bildet einen Rahmen 2b, der die Zellkulturplatte 11 außenumfänglich umgreift. Der Rahmen 2b kann über Schrauben 12 und Schraubköpfe 13 aus Messing mit der Schale 2a verbunden werden. Dadurch wird die BioFlex®-Zellkulturplatte 11 nach unten bewegt, wodurch der flexible Boden jeder Zellkultivierungsschale 4 gezwungen wird, sich an die Stempel 3 anzupassen. Durch die Verschraubung von Rahmen 2b und Schale 2a wird eine statische Zeildehnungsapparatur gebildet, die in Figur 2C abgebildet ist. Für die Verwendung der Anordnung aus Schale 2a, Zellkultivierungsplatte 11 und Rahmen 2b, erfolgt keine Verschraubung. Die Schrauben 12 führen den Rahmen 2b bei dessen Bewegung senkrecht zur Schale 2a. Sie liegen dabei in entsprechende Bohrungen 14 des Rahmens 2b ein.FIG. 2A shows an expansion unit 2a, 2b in which uniform expansions of the membrane 6 are achieved. The stretching unit 2a, 2b consists of a lower part 2a, which serves as a load base, and an upper part 2b, which serves as a load frame. The lower part 2a forms a shell 2a with six cylindrical interchangeable punches 3, which are arranged on the bottom of the shell 2a. 2a the shell, a commercially available BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 (Flex Cell International Corporation, Hillsborough, NC, USA) record having six Zeilkultivierungsschalen 4, the bottom of which is closed each with a flexible membrane 6, which serves as a substrate for the cultivated cells. The cell culture plate 11 is located in the shell and is movably guided therein by the relative movement of the punches 3 and cell cultivation shells 4. The cell culture plate 11 can be covered with a removable, transparent lid 2b, so that the view of the cell culture plate 11 remains. The upper part 2b forms a frame 2b, which encompasses the cell culture plate 11 on the outside. The frame 2b can be connected to the shell 2a via screws 12 and screw heads 13 made of brass. Characterized the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 is moved downward, whereby the flexible bottom of each cell culture dish 4 is forced to conform to the stamps. 3 By screwing of frame 2b and shell 2a, a static Zeildehnungsapparatur is formed, which is shown in Figure 2C. For the use of the arrangement of shell 2a, cell cultivation plate 11 and frame 2b, no screwing takes place. The screws 12 guide the frame 2b as it moves perpendicular to the shell 2a. They lie in corresponding holes 14 of the frame 2b.
Der Rahmen 2b liegt an seiner unteren Seite auf dem Deckel 5 auf und übertragt so eine auf ihn ausgeübte Druckkraft auf die Zellkulturplatte 11 , welche wiederum gegen die Stempel 3 gedrückt wird, infolgedessen die Membran 6 gedehnt wird. Die Schale 2a, einschließlich der Stempel 3, und der Rahmen sind aus weißem Polyoxymethylen (POM) hergestellt. Dies hat eine chemisch und biologisch inerte Eigenschaft und Feuchtigkeitsbeständigkeit. POM zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Härte und Steifigkeit über einen breiten Temperaturbereich aus. Es hat eine hohe Abriebbeständigkeit, einen geringen Reibungskoeffizienten und eine geringe Wasserabsorption.The frame 2b lies on its lower side on the lid 5 and thus transmits a pressure force exerted on it to the cell culture plate 11, which in turn is pressed against the punches 3, as a result of which the membrane 6 is stretched. The shell 2a, including the dies 3, and the frame are made of white polyoxymethylene (POM). This has a chemically and biologically inert property and Moisture resistance. POM is characterized by high strength, hardness and rigidity over a wide temperature range. It has a high abrasion resistance, a low friction coefficient and a low water absorption.
Die Stempel 3 sind durch eine zylindrische Presspassung in der Schale 2a befestigt. Abhängig von der Höhe der verwendeten Stempel, beispielsweise 13,5 und 16,0 mm, werden die Membranen 6 der BioFlex®-Zellkulturplatte 11 kontinuierlich um 3 % bzw. 20 % gedehnt. Die Konstruktion der Dehnungseinheit 2a, 2b ist derart, dass die BioFlex®-Zellkulturplatte 11 so in den Belastungsrahmen 2b eingesetzt werden kann, dass die Stempel 3 zentrisch unterhalb der Zellkultivierungsschalen 4, den sogenannten "Wells", positioniert werden können. Figur 2B zeigt die in die Schale 2b eingesetzte Zellkulturplatte 11 mit Deckel 5. Figur 2C zeigt die montierte Dehnungseinheit 2a, 2b mit zwischen Belastungsrahmen 2b und Belastungsbasis 2a angeordneter Zellkulturplatte 11. Alle Komponenten können mit Alkohol desinfiziert und in einen Autoklav eingebracht werden.The punches 3 are fixed in the shell 2a by a cylindrical interference fit. Depending on the amount of the stamps used, for example, 13.5 and 16.0 mm, the membranes 6, the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 are continuously stretched by 3% and 20%. The construction of the expansion unit 2a, 2b is such that the BioFlex ® -Zellkulturplatte 11 can be inserted into the loading frame 2b, the punch 3 below the cell cultivation trays 4, the so-called "wells" can be positioned centrally. FIG. 2B shows the cell culture plate 11 with lid 5 inserted into the dish 2b. FIG. 2C shows the assembled stretching unit 2a, 2b with cell culture plate 11 arranged between loading frame 2b and loading base 2a. All components can be disinfected with alcohol and introduced into an autoclave.
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Gesamtanordnung der Vorrichtung 1 mit einen elektromotorischen Schrittmotor als Linearantrieb 7, mittels welchem über ein Übertragungsmittel 8 ein mechanischer Druck auf den Deckel 5 der Zellkultivierungsschalen 4 ausgeübt wird, so dass die Zellkultivierungsschalen 4 mit ihrer Membran 6 gegen den Stempel 3 drücken und in Abhängigkeit des Drucks gedehnt werden. Die Dehnungseinheit 2a, 2b weist drei Drucksensoren 10 zur Erfassung des von dem Übertragungsmittel 8 auf den Deckel 5 ausgeübten Drucks auf. Weiterhin umfasst das Übertragungsmittel 8 einen nicht dargestellten Kontaktsensor zur Erkennung der Kontaktierung des Übertragungsmittels 8 mit dem Rahmen 2b. Anzeigemittel 15 zeigen die Kontaktierung des Übertragungsmittels 8 mit dem Rahmen (2b) an.FIG. 3 shows the overall arrangement of the device 1 according to the invention with an electromotive stepping motor as a linear drive 7, by means of which a mechanical pressure is exerted on the cover 5 of the cell cultivation shells 4 via a transmission means 8 so that the cell cultivation shells 4 press against the plunger 3 with their membrane 6 and are stretched as a function of the pressure. The stretching unit 2a, 2b has three pressure sensors 10 for detecting the pressure exerted on the lid 5 by the transmission means 8. Furthermore, the transmission means 8 comprises a contact sensor, not shown, for detecting the contacting of the transmission means 8 with the frame 2b. Display means 15 indicate the contacting of the transmission means 8 with the frame (2b).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bietet den Vorteil, dass eine automatische Einstellung der Dehnung mit einem Computerprogramm, getrennte Einstellung der belasteten und unbelasteten Expositionsdauer sowie der Einstellung der Versuchsdauer nach Zeit und Zykluszahl möglich ist. Die Belastungsbasis 2a ist auf einer Aluminium-Grundplatte 9 befestigt. Das Übertragungsmittel 8 ist ebenfalls aus Aluminium gefertigt.The device 1 according to the invention has the advantage that an automatic adjustment of the elongation with a computer program, separate adjustment of the loaded and unloaded exposure duration as well as the adjustment of the test duration by time and cycle number is possible. The loading base 2a is fixed on an aluminum base plate 9. The transmission means 8 is also made of aluminum.
Ein hochauflösender linearer Mikrostelltisch (M-126, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) stellt das Antriebssystem dar und ist mit der Schrittmotorsteuerung vom Typ Apollo von PI (C-630, Physik Instrumente) kombiniert. Dieser kostengünstige Mikrostelltisch ist mit einem 2-Phasen-Schrittmotor ausgestattet, der eine kleinste Schrittweite von 0,1 μm und eine hohe Wiederholgenauigkeit von 1 μm ermöglicht. Die Ansteuerung des Motors kann unmittelbar über die Apollo-Steuerung erfolgen. Das Motorsystem ist in eine Aluminiumstrebe eingebaut und diese an der Grundplatte 9 befestigt. Dieses Positioniersystem betätigt den Belastungsrahmen 2b der Vorrichtung 1 , der die Dehnung der Zellkulturplatte bewirkt. Das Steuerungsprogramm wurde mit der LabView™ 8.0 Software (National Instruments Corporation (Nl), Austin, TX, USA) geschrieben. Zur einfachen Justierung sind drei Kontaktsensoren 10 in den Rahmen integriert, der Druck auf den Deckel 5 der BioFlex® Zellkulturplatte 11 ausübt. Der Kontakt zwischen dem Belastungsrahmen 2b und dem Deckel 5 wird durch Dioden angezeigt, die rot aufleuchten, wenn kein Kontakt besteht, und grün, wenn Kontakt besteht. Diese visuelle Kontrollmöglichkeit erleichtert die Festlegung des Zeitpunkts, an dem die jeweilige Dehnungsbelastung beginnen kann. Nachfolgend werden eine Messung, die zur Zelldehnung durchgeführt wurde, und Praxiserfahrungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. In einem ersten Schritt wurde die Membrandehnung der BioFlex®-Zellkulturplatte 11 kontrolliert. Hierzu wurde die Plattenmembran 6 mit kleinen Punkten markiert. Anschließend wurde die Membran in einem statischen Zelldehnungsapparat nach Figur 2C um 3 % bzw. 20 % gedehnt, und die Verformung wurde in zufällig ausgewählten Gesichtsfeldern unter zehnfacher Primärvergrößerung mit einem Nikon Mikroskop (H800, Düsseldorf, Deutschland) mit einer CCD-Kamera (DXP-9100P 3CCD Farbvideo; Sony, Tokio, Japan) und Lucia Bildgebungssoftware (LIM Laboratory Imaging; vertrieben über Nikon) untersucht. Danach wurden die Dehnungen von angewachsenen menschlichen Parodontalligament (PDL)-Zellen kontrolliert. Nach Fixierung mit 1 :1 Methanol/Aceton bei -200C für 5 Minuten und Waschung mit phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) wurden die Zellen mit einem monoklonalen anti-Actin Antikörper (1 :200 in PBS; Klon AC40, Sigma) bei 4°C über Nacht eingefärbt. Nach weiterer mehrmaliger Waschung mit PBS wurde ein mit Alexa488 konjugierter Ziege-antiMaus lgG2a Sekundärantikörper (Invitrogen) in einer Verdünnung von 1 :400 in PBS bei Zimmertemperatur für eine Stunde einwirken lassen. Die markierten Zellelongationen wurden analog zum vorher beschriebenen Verfahren gemessen. Die Leistung der dynamischen Zeildehnungsapparatur 11 nach Figur 3 wurde in einem Dauerbelastungsversuch kontrolliert. Die Vorrichtung 1 arbeitete 48 Stunden bei 370C in 5 % CO2 mit maximalen dynamischen Dehnungen. Im ersten Teil der Experimente konnte verifiziert werden, dass das Prinzip der Belastung mit diesen Stempeln zufriedenstellend funktioniert: Die Elongationen der markierten Zellkulturpiatten-Membran, die durch die Stempel bewirkt wurden, stimmten genau mit den vorgegebenen und berechneten Dehnungen überein.A high-resolution linear micro stage (M-126, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Germany) represents the drive system and is combined with the Apollo stepper motor controller from PI (C-630, Physik Instrumente). This cost-effective micro stage is equipped with a 2-phase stepper motor, which allows a smallest step size of 0.1 μm and a high repeatability of 1 μm. The control of the motor can be done directly via the Apollo control. The engine system is built into an aluminum strut and attached to the base plate 9. This positioning system actuates the loading frame 2b of the device 1, which causes the expansion of the cell culture plate. The control program was written using the LabView ™ 8.0 software (National Instruments Corporation (NI), Austin, TX). For easy adjustment are built into the frame three contact sensors 10, the pressure on the lid 5 of the BioFlex ® cell culture plate 11 exerts. The contact between the load frame 2b and the lid 5 is indicated by diodes which light up red when not in contact and green when in contact. This visual control facilitates the determination of the time at which the respective strain load can begin. Hereinafter, a measurement performed for cell dilation and practical experience with the device of the present invention will be explained. In a first step, the membrane elongation of the BioFlex ® cell culture plate 11 was controlled. For this purpose, the plate membrane 6 was marked with small dots. Thereafter, the membrane was stretched 3% and 20%, respectively, in a static cell dilator of Figure 2C, and the strain was measured in randomly selected fields under ten times primary magnification with a Nikon microscope (H800, Dusseldorf, Germany) with a CCD camera (DXP). 9100P 3CCD color video; Sony, Tokyo, Japan) and Lucia imaging software (LIM Laboratory Imaging, distributed via Nikon). Thereafter, the strains of adult human periodontal ligament (PDL) cells were controlled. After fixation with 1: 1 methanol / acetone at -20 0 C for 5 minutes and washing with phosphate buffered saline (PBS), the cells were incubated with a monoclonal anti-actin antibody (1: 200 in PBS; clone AC40, Sigma) at 4 ° C dyed overnight. After more After washing several times with PBS, a Alexa488-conjugated goat anti-mouse IgG2a secondary antibody (Invitrogen) at a 1: 400 dilution in PBS was allowed to act at room temperature for one hour. The labeled cell elongations were measured analogously to the previously described method. The performance of the dynamic straining apparatus 11 according to FIG. 3 was controlled in a continuous loading test. The device 1 worked for 48 hours at 37 0 C in 5% CO 2 with maximum dynamic strains. In the first part of the experiments it could be verified that the principle of loading with these punches works satisfactorily: The elongations of the marked cell culture plate membrane, which were effected by the punches, corresponded exactly with the given and calculated strains.
Die dynamische Vorrichtung 1 erwies sich als zuverlässig und dauerbelastbar in trockener und feuchter Umgebung eines Inkubators. Es konnte bestätigt werden, dass die Vorrichtung 1 praktisch und leicht zu bedienen ist. Die durch den transparenten Deckel 5 gegebene visuelle Kontrollmöglichkeit erwies sich als zweckmäßig, um den Startpunkt der Belastungszyklen zu definieren.The dynamic device 1 proved to be reliable and durable in the dry and humid environment of an incubator. It could be confirmed that the device 1 is practical and easy to operate. The visual control provided by the transparent lid 5 proved to be useful to define the starting point of the loading cycles.
Generell wurde ein Rückgang der Genexpression nach der Belastung festgestellt, der von der Höhe und Dauer der Belastung abhing. Der Unterschied zwischen der Genexpression von gestreckten und ungestreckten Zellen erwies sich als statistisch signifikant auf einem Niveau von p<0,05.In general, a decrease in gene expression after exercise was found to be dependent on the level and duration of exercise. The difference between gene expression of stretched and unstretched cells was found to be statistically significant at a level of p <0.05.
Die berechnete Dehnung ist gleichmäßig über die gesamte Membran verteilt. Die Vorrichtung 1 arbeitet mit einer vorgegebenen Dehnung je Versuch. Dabei wird ermöglicht, die Dehnungen auf den Zellkulturplatten 11 sehr zuverlässig zu regulieren. Die Vorrichtung 1 zeichnet sich durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Sie ist praktisch, leicht zu reinigen und zu sterilisieren. Die Anpassung an weitere Anforderungen ist durch geringfügige Modifikationen der Anordnung möglich. Im Gegensatz zu durch Vakuum betriebene Apparaturen zur Zelldehnung erzeugt die beschriebene Vorrichtung 1 lineare und homogene Membranverformungen.The calculated strain is evenly distributed over the entire membrane. The device 1 operates with a predetermined elongation per trial. This makes it possible to regulate the strains on the cell culture plates 11 very reliable. The device 1 is characterized by a high repeatability. It is practical, easy to clean and sterilize. The adaptation to further requirements is possible by minor modifications of the arrangement. In contrast to vacuum-driven cell dilation apparatus, the described device 1 produces linear and homogeneous membrane deformations.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist ein neues Gerät zum Aufbringen von Zugdehnungen auf Zellen. Da biologische Systeme dynamisch sind, stellt die in Figur 3 abgebildete Apparatur eine automatische dynamische Vorrichtung 1 zur Nachbildung einer dynamischen biologischen Umgebung für die Zellkultivierung dar. Um einen standardisierten Prozess sicherzustellen, werden bei der Vorrichtung handelsübliche BioFlex®-Zellkulturplatten 11 (Flexcell International, NC, USA) mit sechs Zellkultivierungsschalen 4 mit Zelladhäsions-Membranen 6 am Boden verwendet. Bei dem vorliegenden System werden die Membranen 6 über zylindrische Stempel 3 gezogen, um gleichmäßig verteilte Dehnungen zu erreichen. Die Vorrichtung 1 besteht überwiegend aus Polyoxymethylen (POM) und ist mit Aluminium verstärkt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen hochauflösenden, linearen Mikrostelltisch, der mittels eines Programms, das in LabView™ geschrieben wurde, computergesteuert ist. Verschiedene Zellarten wurden mit verschiedenen Dehnungen über unterschiedliche Zeiträume belastet und erste Ergebnisse konnten ermittelt werden. Messungen der um 3 % gedehnten Zellkulturplatten-Membran und der auf ihnen angewachsenen Zellen ergaben Zellelongationen von 3,7 %. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Wiederholgenauigkeit. The device 1 according to the invention is a new device for applying tensile strains to cells. Since biological systems are dynamic, the in FIG 3 apparatus shown an automatic dynamic device 1 for simulating a dynamic biological environment for cell culturing. In order to ensure a standardized process are, in the apparatus commercially available BioFlex ® -Zellkulturplatten 11 (Flex Cell International, NC, USA) with six cell cultivation trays 4 with cell adhesion Membranes 6 used at the bottom. In the present system, the membranes 6 are pulled over cylindrical dies 3 to achieve evenly distributed strains. The device 1 consists predominantly of polyoxymethylene (POM) and is reinforced with aluminum. The device 1 comprises a high-resolution, linear micro stage computer-controlled by means of a program written in LabView ™. Different cell types were loaded with different strains over different time periods and first results could be determined. Measurements of the 3% stretched cell culture plate membrane and the cells grown on them gave cell elongations of 3.7%. The results showed a high repeatability.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur physiologischen, dynamischen in-vitro Zelldehnung, umfassend eine Dehnungseinheit (2a, 2b), die zumindest einen Stempel (3) aufweist, und zumindest eine Zeilkultivierungsschale (4), die einen abnehmbaren Deckel (5) und eine flexible Membran (6) als Boden aufweist, auf der Zellen angezogen werden können, wobei der Stempel (3) zur Dehnung der Membran (6) gegen diese drückt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (3) und die Membran (6) in einer Linearbewegung relativ zueinander beweglich angeordnet sind und sich die Membran (6) im im Wesentlichen ungedehnten Zustand auf dem Stempel (3) abstützt, wobei die Vorrichtung (1) (1) einen elektromotorischen Linearantrieb (7) umfasst, mittels welchem über ein Übertragungsmittel (8) ein mechanischer Druck auf den Deckel (5) der Zeilkultivierungsschale (4) ausübbar ist, so dass die Zellkultivierungsschale (4) mit ihrer Membran (6) gegen den Stempel (3) gedrückt und in Abhängigkeit des Drucks gedehnt wird.A device (1) for physiological dynamic in vitro cell dilatation comprising a stretching unit (2a, 2b) having at least one punch (3) and at least one line cultivating dish (4) comprising a removable lid (5) and a flexible membrane (6) as a bottom, can be attracted to the cells, wherein the punch (3) for stretching the membrane (6) presses against this, characterized in that the punch (3) and the membrane (6) in one Linear movement relative to each other are arranged movable and the membrane (6) in a substantially unstretched state on the punch (3) is supported, wherein the device (1) (1) comprises an electromotive linear drive (7), by means of which a transmission means (8 ) a mechanical pressure on the lid (5) of the line cultivation tray (4) is exercisable, so that the cell cultivation tray (4) with its membrane (6) pressed against the punch (3) and is stretched in dependence of the pressure.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the
Dehnungseinheit (2a, 2b) einen Rahmen (2b) aufweist, in dem die Zellkultivierungsschale (4) gehalten ist.Stretching unit (2a, 2b) has a frame (2b) in which the cell cultivation dish (4) is held.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das3. Device (1) according to claim 2, characterized in that the
Übertragungsmittel (8) eine Auflage ist, die auf dem Rahmen (2b) aufliegt, wobei der Rahmen (2b) den Druck auf den Deckel (5) überträgt.Transmission means (8) is a support which rests on the frame (2b), wherein the frame (2b) transmits the pressure on the lid (5).
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stempel (3) auf einer Platte (9) abstützt, auf der der Linearantrieb (7) fixiert ist. 4. Device (1) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the punch (3) on a plate (9) is supported, on which the linear drive (7) is fixed.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungseinheit (12a, 2b) eine Schale (2b) aufweist, an dessen Boden sich der Stempel (3) abstützt, insbesondere angeformt ist.5. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the stretching unit (12a, 2b) has a shell (2b), at the bottom of the punch (3) is supported, in particular is formed.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (2b) fest mit einer Platte (9) verbunden oder verbindbar ist, auf der der Linearantrieb (7) fixiert ist.6. Device (1) according to claim 5, characterized in that the shell (2b) fixedly connected to a plate (9) or is connectable, on which the linear drive (7) is fixed.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellkultivierungsschale (4) zwischen dem Rahmen (2b) und der Schale (2a) angeordnet ist.7. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the cell cultivation dish (4) between the frame (2b) and the shell (2a) is arranged.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellkultivierungsschale (4) in der Schale (2a) der Dehnungseinheit (2a, 2b) beweglich geführt ist.8. Device (1) according to one of claims 5 to 7, characterized in that the cell cultivation dish (4) in the shell (2a) of the expansion unit (2a, 2b) is movably guided.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (7) mit einem Rechner in Verbindung steht, auf dem ein Programm zur Steuerung des Linearantriebs (7) ausführbar ist.9. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the linear drive (7) is in communication with a computer on which a program for controlling the linear drive (7) is executable.
10.Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das10.Vorrichtung (1) according to claim 8, characterized in that the
Programm dazu eingerichtet ist, die Dauer und/ oder die Höhe des ausgeübten Drucks dynamisch zu ändern.Program is set to change the duration and / or the amount of pressure applied dynamically.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm dazu eingerichtet ist, die Amplitude und/ oder die Frequenz des Drucks zu steuern.11. Device (1) according to claim 9, characterized in that the program is adapted to control the amplitude and / or the frequency of the pressure.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (3) aus einem inerten Material, insbesondere aus Polyoxymethylen und/ oder Aluminium gefertigt ist. 12. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the punch (3) is made of an inert material, in particular of polyoxymethylene and / or aluminum.
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungseinheit (2a, 2b) und/ oder das Übertragungsmittel (8) zumindest einen Kontaktsensor (10) zur Erkennung der Kontaktierung des Übertragungsmittels (8) mit dem Deckel (5) oder dem Rahmen (2b) aufweist.13. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the stretching unit (2a, 2b) and / or the transmission means (8) at least one contact sensor (10) for detecting the contacting of the transmission means (8) with the lid ( 5) or the frame (2b).
14. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungseinheit (2a, 2b) und/ oder das Übertragungsmittel (8) zumindest einen Drucksensor (10) zur Erfassung des von dem Übertragungsmittel (8) auf den Deckel (5) oder dem Rahmen (2b) ausgeübten Drucks aufweist.14. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion unit (2a, 2b) and / or the transmission means (8) at least one pressure sensor (10) for detecting the of the transmission means (8) on the lid ( 5) or the frame (2b) applied pressure.
15. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch Anzeigemittel (15) zum Anzeigen der Kontaktierung des Übertragungsmittels (8) mit dem Deckel (5) oder dem Rahmen (2b). 15. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized by indicating means (15) for indicating the contacting of the transmission means (8) with the cover (5) or the frame (2b).
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