DE10128809A1 - Zellkulturkammer für ein Zellkultursystem - Google Patents

Abstract

Eine Zellkulturkammer (20) für ein geschlossenes Zellkultursystem zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen mit flüssigen Nährmedien, Wachstumsfaktoren, Gasen oder dergleichen besteht im wesentlichen aus einer Membranplatte (1) mit einer Membran (2) zur Aufnahme wenigstene einer Zellkultur und einer Anzahl von Kanälen (4, 4', 4'', 4''') für Flüssigkeitszufuhr, Begasung und Sensorikanschluß, einer auf der einen Seite der Membranplatte (1) angeordneten, lichtdurchlässigen Glasscheibe (3) für eine Beobachtung des Inneren der Zellkulturkammer (20) von der genannten einen Seite aus und aus einer auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der Membranplatte (1) angeordneten Abschlußplatte (5) mit eingebauter, lichtdurchlässiger Glasscheibe (6) für eine Beleuchtung des Inneren der Zellkulturkammer (20) von der genannten anderen Seite aus mit Hilfe eines zugeordneten Beleuchtungssystems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellkulturkammer für ein geschlos­ senes Zellkultursystem zur kontinuierlichen Versorgung ver­ schiedenster Zellen mit flüssigen Nährmedien, Wachstumsfakto­ ren, Gasen und dergleichen.

Unter Zellkultur versteht man im wesentlichen eine Kultur, die von einzelnen Zellen angesetzt wird, die entweder von Gewebe­ teilen, von primären Kulturen, von Zell-Linien oder Zell- Stämmen durch enzymatische, mechanische oder chemische Zertei­ lung herrühren. Zur Kultivierung der Zellen werden üblicherwei­ se Kulturgefäße aus Plastik verwendet, die in CO₂-Brutschränken inkubiert werden. Diese garantieren eine konstante Temperatur (z. B. 37°C) und eine Pufferung des Mediums durch eine 5%- bis 10%-ige CO₂-Begasung. Die Sauerstoffversorgung erfolgt durch einfache Diffusion. Bei den bekannten Einrichtungen sind Co- Kultivierung und frei veränderliche Inkubationsbedingungen in der Regel nicht möglich.

Zur mikroskopischen Beobachtung oder zu speziellen Untersuchun­ gen müssen die Kulturgefäße aus dem jeweiligen Brutschrank ent­ nommen werden, wobei die Inkubation unterbrochen wird, die Zel­ len sich abkühlen und somit die Versuchsbedingungen nicht mehr konstant sind.

Die bisher bekannten Zellkultureinrichtungen oder Zellkultursy­ steme werden jedoch den Anforderungen der modernen Zellkultur­ technologie nicht mehr gerecht.

Insbesondere im Hinblick auf aktuelle Forschungsschwerpunkte in der Pharmaindustrie, die in den Bereichen Entzündung (Rheuma), Krebsbekämpfung, Herz/Kreislauf-Erkrankungen, Aids, Apoptose (programmierter Zelltod) und Blutgerinnung liegen, ist die Ent­ wicklung und Erprobung entsprechender neuer Wirkstoffe und Me­ dikamente mit Hilfe eines Zellkultursystems unabdingbar, das in der Weise konzipiert sein soll, daß die Substanz- und Wirkungs­ testung unter nahezu in-vivo-Bedingungen, d. h., mit nahezu per­ fekter Abbildung komplexer biologischer Systeme, vor Übertritt in die klinischen Phasen (Testung an Probanten) ermöglicht wird.

Mit Rücksicht auf die geschilderte Situation besteht die Forde­ rung nach einer Möglichkeit der Simulation von Reaktionsabläu­ fen innerhalb eines oder mehrerer Organsysteme (z. B. durch Se­ rienschaltung von Zellkulturkammern mit Hepatozyten und anderen Zellarten, Untersuchung auf Abbauprodukte und Metabolite), da­ mit zum einen die Zeiträume zwischen Substanzwirkungserkennung und Arzneimittelzulassung erheblich minimiert werden und zum anderen vor dem Eintritt in die klinische Testphase die notwen­ digen Erkenntnisse über den Wirkungsmechanismus der Substanz innerhalb eines komplexen biologischen Systems erlangt werden können.

Eine ähnliche Situation liegt beispielsweise auch im Bereich der Kosmetikindustrie vor.

Im Stand der Technik sind beispielsweise multivalente Zellkul­ tursysteme (vgl. z. B. DE 199 15 178 A1), problemadaptierte Zellkultursysteme für spezifische Aufgabenstellungen (vgl. z. B. WO 98/17822) oder Verfahren zur Replikation von Zellkulturen bekannt (vgl. z. B. WO 97/37001).

Ferner ist beispielsweise aus der WO 99/23206 ein Verfahren zum Mischen einer varizella-infizierten Zellkultur in Rollflaschen bekannt.

Schließlich ist aus der EP 0 999 266 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Zellkultur bekannt, wodurch mög­ lichst homogene Bedingungen für die molekularbiologische oder gentechnische Untersuchung von Zellen geschaffen werden sollen.

Mit Rücksicht auf die eingangs geschilderte Situation auf dem Gebiet der modernen Zellkulturtechnologie liegt der vorliegen­ den Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine neue, zur Auf­ nahme wenigstens einer Zellkultur dienende Zellkulturkammer für ein geschlossenes Zellkultursystem zu schaffen, wobei eine kon­ tinuierliche Versorgung insbesondere verschiedener Zellen mit flüssigem Nährmedium, Wachstumsfaktoren, Gasen und dergleichen in der Zellkulturkammer gewährleistet ist, ohne daß die Zellen ihrer gewohnten Umgebung entnommen werden müssen, und wobei ferner eine permanente mikroskopische Beobachtung der Zellkul­ turen ohne Unterbrechung der Begasung ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Zellkulturkammer für ein geschlos­ senes Zellkultursystem zur kontinuierlichen Versorgung unter­ schiedlicher Zellen mit flüssigen Nährmedien, Wachstumsfakto­ ren, Gasen und dergleichen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellkulturkammer im wesentlichen aus den folgenden Kompo­ nenten aufgebaut ist:

• a) eine Membranplatte mit einer Membran zur Aufnahme wenig­ stens einer Zellkultur und mit einer Anzahl von Kanälen für Flüssigkeitszufuhr, Begasung und Sensorikanschluß;
• b) eine auf der einen Seite der Membranplatte angeordnete lichtdurchlässige Glasscheibe für eine Beobachtung des In­ neren der Zellkulturkammer von der genannten einen Seite aus; und
• c) eine auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der Mem­ branplatte angeordnete Abschlußplatte mit eingebauter, lichtdurchlässiger Glasscheibe für eine Beleuchtung des Inneren der Zellkulturkammer von der genannten anderen Seite aus mit Hilfe eines zugeordneten Beleuchtungssy­ stems.

Vorzugsweise ist hierbei die lichtdurchlässige Glasscheibe an der Membranplatte für die Beobachtung des Inneren der Zellkul­ turkammer im Bereich der Unterseite der Membranplatte befe­ stigt.

Ferner bildet in bevorzugter Weise die Abschlußplatte einen Zellkulturkammerdeckel mit einer fest integrierten, lichtdurch­ lässigen Glasscheibe, wobei der Zellkulturkammerdeckel an der Oberseite der Membranplatte lösbar angebracht ist.

Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sowohl der Zellkulturkammerdeckel als auch die Unterseite der Membranplatte eine Ausnehmung zur Aufnahme und Befestigung der entsprechenden Glasscheibe aufweisen, insbesondere zur nicht- lösbaren Befestigung.

Vorzugsweise ist die jeweilige lichtdurchlässige Glasscheibe durch eine Saphirglasscheibe gebildet.

Darüberhinaus kann gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung noch vorgesehen sein, daß zur Fixierung der Membran an der Mem­ branplatte ein Haltering vorhanden ist, der mit Hilfe des Zell­ kulturkammerdeckels auf den Randbereich der Membran preßbar ist, wodurch die letztere fixierbar ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß vorzugsweise auf der der Membranplatte zugewendeten Seite das Zellkulturkammerdeckels ein Dichtring vorgesehen ist, durch den im geschlossenen Zustand der Zellkulturkammer die auf der Mem­ bran ausgesäte Zellkultur aspetisch verschlossen wird.

Eine andere, bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß durch eine geeignete Kompartimentierung der Zellkul­ turkammer eine konstante, kontinuierliche Begasung durch die entsprechend zugeordneten Kanäle hindurch mit frei wählbaren Konzentrationen unterschiedlichster Gase ermöglicht ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß eine Beobachtung der Zellkul­ tur im Inneren der Zellkulturkammer ohne Unterbrechung der Be­ gasung erfolgen kann.

Darüberhinaus besteht auch die Möglichkeit, daß die Membran­ platte auf ihrer dem Zellkulturkammerdeckel gegenüberliegenden Seite an einer zugeordneten Halteplatte zum Einbringen in das Zellkultursystem anbringbar ist, wobei diese Halteplatte eine integrierte Heizung für die Zellkulturkammer aufweist. Vorzugs­ weise ist diese Heizung eine elektrische Heizung.

Falls eine direkte Co-Kultivierung durchgeführt werden soll, kann mit besonderem Vorteil eine gasdurchlässige Biofolie als Membran verwendet werden, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Die Erfindung wird nunmehr nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert, wobei zeigen

Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine Zellkulturkammer;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Zellkulturkammer gemäß der Li­ nie A-A nach Fig. 1;

Fig. 3 die Schnittansicht der Zellkulturkammer gemäß Fig. 2 in auseinandergezogener Darstellung;

Fig. 3A schematisch eine Seitenansicht einer Membranplatte der Zellkulturkammer; und

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines kompletten, geschlosse­ nen Zellkultursystems, bei dem eine vorgegebene Anzahl von Zellkulturkammern zum Einsatz gelangt.

Gemäß Fig. 1, 2, 3 und 3A besteht eine Zellkulturkammer 20 im wesentlichen aus einer Membranplatte 1, in die eine Membran 2, insbesondere eine gasdurchlässige Biofolie eingebracht, ist, die zur Aufnahme wenigstens einer Zellkultur dient. Im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel ist die Membran 2 im unteren Bereich der Membranplatte 1 angeordnet, insbesondere fest eingespannt.

Die Membranplatte 1 weist ferner eine Anzahl von Kanälen 4, 4', 4" und 4''' auf, die im Inneren der Zellkulturkammer 20 verlau­ fen und von denen der Kanal 4 zum Sensorikanschluß, der Kanal 4' zur Flüssigkeits- oder Gaszufuhr, der Kanal 4" zur Flüssig­ keitszufuhr und der Kanal 4''' zur Flüssigkeits- oder Gas- Ableitung dienen, wie dies weiter unten anhand der Fig. 3A noch näher erläutert wird. Die Zellkultur kann somit sowohl von oben als auch von unten gleichermaßen versorgt werden. Durch das spezielle System von Kanälen in der Membranplatte 1 ist insbesondere gewährleistet, daß die erforderlichen Inkubations­ bedingungen realisiert werden können.

Im Bereich der Unterseite der Membranplatte 1 ist eine licht­ durchlässige Glasscheibe 3 für eine Beobachtung des Inneren der Zellkulturkammer 20 angeordnet. Eine derartige Beobachtung er­ folgt vorzugsweise von der Unterseite der Membranplatte 1 aus mit Hilfe einer Videokamera mit Mikroskopaufsatz, wie dies noch weiter unten erläutert wird.

An der Oberseite der Membranplatte 1 ist ein Zellkulturkammer­ deckel 5 angeordnet, der eine obere Abschlußplatte bildet und in den eine lichtdurchlässige Glasscheibe 6 für eine Beleuch­ tung des Inneren der Zellkulturkammer 20 eingebaut ist. Der Zellkulturkammerdeckel 5 ist insbesondere an der Oberseite der Membranplatte 1 fest angebracht und vorzugsweise mit Hilfe von Schrauben 9 mit der Membranplatte 1 in lösbarer Weise ver­ schraubt.

Sowohl der Zellkulturkammerdeckel 5 als auch die Unterseite der Membranplatte 1 sind mit einer entsprechenden Ausnehmung verse­ hen, um die entsprechende Glasscheibe 6 bzw. 3 aufnehmen und befestigen zu können.

Bei dem Zellkulturkammerdeckel 5 deckt somit die Glasscheibe 6 eine vorzugsweise runde Öffnung 13 ab.

In entsprechender Weise bildet bei der Membranplatte 1 die Glasscheibe 3 einen unteren Abschluß unterhalb der Membran 2.

In bevorzugter Weise sind die lichtdurchlässigen Glasscheiben 3 und 6 jeweils Saphirglasscheiben.

Zur Fixierung der Membran 2 an der Membranplatte 1 ist ein Hal­ tering 7 vorgesehen, der mit Hilfe des Zellkulturkammerdeckels 5 auf den Randbereich der Membran 2 gepreßt werden kann, um so­ mit die letztere in der Zellkulturkammer 20 zu fixieren.

Darüberhinaus ist auf der der Membranplatte 1 zugewendeten Sei­ te des Zellkulturkammerdeckels 5 ein Dichtring 8 angeordnet. Mit Hilfe dieses Dichtringes 8 wird im geschlossenen Zustand der Zellkulturkammer 20 (vgl. Fig. 2) die auf der Membran 2 ausgesäte Zellkultur aseptisch verschlossen.

Fig. 3A zeigt schematisch eine Seitenansicht der Membranplatte 1 mit dort vorgesehenen Mündungen des Kanals 4 für Sensorikan­ schluß, des Kanals 4' für Flüssigkeits- oder Gaszufuhr, des Ka­ nals 4" für Flüssigkeitszufuhr und des Kanals 4''' für Flüssig­ keits- oder Gas-Ableitung.

Die Mündungen der Kanäle 4, 4', 4" und 4''', wie sie in Fig. 3A für eine Seite S der Membranplatte 1 gezeigt sind, sind auf allen drei weiteren Seiten der Membranplatte 1 in identischer Weise vorgesehen.

Aus Fig. 3A ist auch die Plazierung der gasdurchlässigen Mem­ bran 2 im Inneren der Membranplatte 1 zu ersehen, wobei die Plazierung der Membran 2 so gewählt ist, daß sich eine defi­ nierte Kompartimentierung der Zellkulturkammer 20 ergibt, wo­ durch sich eine direkte Co-Kultivierung zweier Zellkulturen et­ möglichen läßt. Bei einer derartigen direkten Co-Kultivierung wird zu beiden Seiten der Membran 2 je eine Zellkultur unter­ schiedlicher Art angesiedelt, wobei insbesondere die auf der einen Seite der Membran 2, d. h. auf der apikalen Seite wachsen­ den Zellen der ersten Zellkultur durch einen ersten Medienfluß in den Kanal 4' versorgt werden, wohingegen die auf der anderen Seite der Membran 2, d. h. der basolateralen Seite wachsenden Zellen der zweiten Zellkultur mit einem gegenüber dem ersten Medienfluß unterschiedlichen, zweiten Medienfluß durch den Ka­ nal 4" versorgt werden. Somit funktionieren die Zellen auf der apikalen Seite als Deckschicht, während die Zellen auf der basolateralen Seite als Innenzellen funktionieren.

Der zur apikalen Seite führende Kanal 4' kann aber auch zur Be­ gasung dienen, insbesondere zu einer konstanten, kontinuierli­ chen Begasung mit frei wählbaren Konzentrationen unterschied­ lichster Gase.

Der Kanal 4 dient, wie bereits erwähnt, für den Sensorikan­ schluß.

Der Kanal 4''' dient schließlich für die Ableitung von Flüssig­ keiten oder Gasen von der apikalen Seite der Membran 2.

Die Komponenten der Zellkulturkammer 20 sind insbesondere aus einem geeigneten Edelstahl gefertigt, beispielsweise aus Edel­ stahl 1,4435.

Nach Bestückung der Membranplatte 1 im Reinraum wird der Zell­ kulturkammerdeckel 5 aufgebracht und mit Hilfe der Schrauben 9 mit der Membranplatte 1 verschraubt, wobei es sich hierbei um kurze Schrauben 9 handelt, welche den Zellkulturkammerdeckel 5 an der Membranplatte 1 fixieren. Hierbei wird gleichzeitig mit Hilfe des Dichtrings 8 die Zellkultur, die von der Membranplat­ te 1 beherbergt wird, aspetisch verschlossen.

In diesem Zustand wird die Zellkulturkammer 20 mit einer Halte­ platte 10 eines Zellkultursystems (vgl. Fig. 4) zusammengebaut.

Insbesondere wird zu diesem Zweck die Membranplatte 1 an ihrer zu dem Zellkulturkammerdeckel 5 entgegengesetzten Seite an der Halteplatte 10 angebracht, die einen Aufnahmebolzen 11 für eine Justierung aufweist. Zur Befestigung der Membranplatte 1 an der Halteplatte 10 sind relativ lange Schrauben 12 vorgesehen. Die Halteplatte 10 weist ferner eine integrierte Heizung, vorzugs­ weise eine elektrische Heizung, für die Zellkulturkammer 20 auf, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zellkulturkammer 20 im wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist einen quadrati­ schen Grundriß auf. Selbstverständlich sind auch noch andere geometrische Ausführungen denkbar.

Im anhand der Fig. 1-3A erläuterten Ausführungsbeispiel sind Mündungen der Kanäle 4, 4', 4" und 4''' auf allen vier Seiten S der Membranplatte 1 in gleicher Weise vorgesehen. Aber auch hier wären noch andere Anordnungen für diese Kanäle, die im we­ sentlichen zylindrisch sind, denkbar. Andere Kanalquerschnitte sind ebenfalls denkbar.

Es ist noch zu erwähnen, daß die Halteplatte 10 für jede an dieser anzubringende Zellkulturkammer 20 eine mittlere, kreis­ runde Öffnung 14 aufweist, deren Durchmesser dem Öffnungsbe­ reich 13 des gegenüberliegenden Zellkulturkammerdeckels 5 ent­ spricht. Diese mittlere Öffnung 14 der Halteplatte 10 gewähr­ leistet die Beobachtung des Inneren der Zellkulturkammer 20 von unten mit Hilfe einer Videokamera mit Mikroskopaufsatz, wie dies anhand der Fig. 4 noch erläutert wird.

Fig. 4 veranschaulicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Zellkulturkammern 20 bei einem geschlossenen Zellkultursystem 30.

Bei diesem Zellkultursystem 30 sind beispielsweise sechs Zell­ kulturkammern 20 als Gruppe A auf der Halteplatte 10 plaziert, die durch ihre integrierte Heizung E für die Inkubierung wäh­ rend der Betriebszeit des Zellkultursystems 30 konstante Tempe­ raturen innerhalb jeder der Zellkulturkammern 20 der Zellkul­ turkammergruppierung A gewährleistet.

Insbesondere erfolgt mit Hilfe dieser Heizung E eine elektri­ sche Beheizung der jeweiligen Zellkulturkammer 20, wodurch eine sehr genaue Temperaturregelung ermöglicht ist. Die Heizung E ist insbesondere in der Weise ausgelegt, daß jede einzelne Zellkulturkammer 20 der Zellkulturkammergruppierung A gleichsam individuell beheizt werden kann.

Ein besonderer Vorteil des Zellkultursystems 30 liegt darin, daß die Heizung E über eine zugeordnete Software steuerbar ist. Zu diesem Zweck ist oberhalb der Zellkulturkammergruppierung A ein System aus Infrarot-Temperaturmessern 25 installiert, in der Art, daß jeder einzelnen Zellkulturkammer 20 ein entspre­ chender Infrarot-Temperaturmesser 25 zugeordnet ist. Der jewei­ lige Infrarot-Temperaturmesser 25 fühlt mit Hilfe eines von der jeweiligen Zellkulturkammer 20 ausgehenden Infrarotstrahls 25' die in der Zellkultur vorherrschende Temperatur ab und meldet das entsprechende Meßergebnis permanent an ein computergesteu­ ertes Überwachungs- und Steuerungssystem G, das im wesentlichen aus einer Datenverarbeitungsanlage 37 und einem Monitor 36 be­ steht. Die einzelnen Infrarot-Temperaturmesser 25 sind über ei­ ne gemeinsame Verbindungsleitung 45 an das Überwachungs- und Steuerungssystem G angeschlossen. Wenn sich die anfangs vorge­ gebenen Temperaturen in den Zellkulturkammern 20 der Zellkul­ turkammergruppierung A ändern, erfolgt automatisch über das Überwachungs- und Steuerungssystem G eine Steuerung bzw. Rege­ lung der Heizung E, d. h., die in der einzelnen Zellkulturkammer 20 herrschende Temperatur wird permanent auf eine konstante Temperatur eingeregelt. Anstatt mit Hilfe von Infrarot- Temperaturmessern könnte die Temperaturmessung auch mittels an­ derer geeigneter Temperatur-Sensoren erfolgen.

Andererseits kann mit Hilfe der in dem Überwachungs- und Steue­ rungssystem G enthaltenen Software ermöglicht werden, daß die Temperaturen in den einzelnen Zellkulturkammern 20 der Zellkul­ turkammergruppierung A während der gesamten Versuchsdauer frei einstellbar und veränderbar sind, falls dies aus bestimmten Gründen erforderlich sein sollte.

Zum Zwecke der permanenten mikroskopischen Beobachtung des In­ neren der jeweiligen Zellkulturkammer 20 ist ein Videosystem B mit einem entsprechend zugeordneten Mikroskopsystem vorgesehen. Dieses Videosystem B wird im folgenden näher erläutert.

Unterhalb jeder einzelnen Zellkulturkammer 20 der Zellkultur­ kammergruppierung A, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Zellkulturkammern aufweist, ist eine Videokame­ ra 22 mit Mikroskopaufsatz 22' auf einem mechanisch einstellba­ ren Fahrtisch 23 angeordnet, somit insgesamt sechs Videokameras 22 mit zugehörigem Mikroskopaufsatz 22'. Somit beobachtet je eine Videokamera 22 mit Mikroskopaufsatz 22' je eine Zellkul­ turkammer 20. Nach Versuchsstart und nachdem sich aussagekräf­ tige Bereiche in der jeweiligen in der Zellkulturkammer 20 ent­ haltenen Zellkultur abzeichnen, wird ein Beobachtungssektor in der Zellkulturkammer 20 festgelegt. Dieser Beobachtungssektor wird sodann durch den mechanisch einstellbaren Fahrtisch 23 mittels (nicht dargestellter) Einstellschrauben angefahren, so­ dann wird der Fahrtisch 23 arretiert und das Videosystem B bleibt infolgedessen während der gesamten Versuchsdauer in der gleichen Position. Ferner wird bei Versuchsstart die Schärfe der Einstellung am jeweiligen Mikroskopaufsatz 22' einjustiert. Dieser Justiervorgang am jeweiligen Mikroskopaufsatz 22' er­ folgt für sämtliche sechs Zellkulturkammern 20 und bleibt so­ dann unverändert bis zum Versuchsende.

Vorzugsweise wird auch das Videosystem B über die im Überwa­ chungs- und Steuerungssystem G enthaltene Software gesteuert. Hierbei wird jede einzelne Videokamera 22 mit Mikroskopaufsatz 22' gesteuert. Dies erfolgt insbesondere in der Art, daß in frei wählbaren Zeitintervallen (beispielsweise im Minutentakt) Bilder von der jeweiligen Zellkultur in der Zellkulturkammer 20 aufgenommen werden, wobei zu dem jeweiligen Zeitpunkt einer solchen Aufnahme eine oberhalb der jeweiligen Zellkulturkammer 20 angeordnete Lichtquelle 24 die entsprechende Zellkultur be­ leuchtet, so daß eine ausreichende Ausleuchtung des Inneren der Zellkulturkammer 20 für die Videoaufnahmen gewährleistet ist. Wenn die Videoaufnahme beendet ist, bringt die Steuerung die jeweilige Lichtquelle 24 in einen schwach dimmenden Standby- Zustand, bis die nächste Videoaufnahme gemacht wird. Der von einer jeden Lichtquelle 24 ausgehende Lichtstrahl bzw. Lichtke­ gel, der durch die jeweilige Saphirglasscheibe 6 einer Zellkul­ turkammer 20 in das Innere dieser Zellkulturkammer 20 eintritt, ist in Fig. 4 mit 24' bezeichnet.

Sämtliche Lichtquellen 24 sind über eine gemeinsame Verbin­ dungsleitung 46 an das Überwachungs- und Steuerungssystem G an­ geschlossen.

Durch jeden einzelnen Lichtstrahl bzw. Lichtkegel 24' wird die jeweilige, in der Zellkulturkammer 20 enthaltene Zellkultur flächendeckend ausgeleuchtet.

Das Videosystem B ist ebenfalls über eine Leitung 47 an das Überwachungs- und Steuerungssystem G angeschlossen, wobei von diesem aus die Leitung 47 zu einem Knotenpunkt 48 führt, mit dem die einzelnen Videokameras 22 über entsprechend zugeordnete Leitungen verbunden sind.

Das wie oben erläuterte Videosystem B mit Mikroskopsystem stellt nur eine Ausführungsmöglichkeit dar. Eine mögliche ande­ re Ausführungsform eines solchen Systems zur permanenten Beob­ achtung des Inneren der Zellkulturkammern besteht darin, daß ein einziges Beobachtungssystem, bestehend aus Videokamera und Mikroskopaufsatz, auf einem Fahrtisch installiert wird und daß dieser Fahrtisch die sechs Zellkulturkammern 20 der Zellkultur­ kammergruppierung A in frei wählbaren Intervallen abfährt. Die Justierung des Beobachtungssystems erfolgt für die einzelne Zellkultur bei Versuchsstart, d. h., vorzugsweise dann nachdem sich aussagekräftige Bereiche in der jeweiligen Zellkultur ab­ zeichnen, durch die entsprechende, im Überwachungs- und Steue­ rungssystem G enthaltene Software, d. h., durch das entsprechen­ de Computerprogramm sind die sechs Anfahrpositionen des Fahrti­ sches, auf dem das Beobachtungssystem montiert ist, program­ miert. Wegen der mechanischen Toleranzen des Fahrtisches muß jedoch ein größerer als der zu beobachtende Bereich innerhalb der einzelnen Zellkulturkammer aufgenommen werden. Innerhalb dieses größeren Bereiches wird nun mittels der Software der zu beobachtende Bereich definiert. Die Software ist in der Lage, Konturen zu speichern und wieder zu erkennen, d. h., beim erneu­ ten Anfahren einer Zellkulturkammer wird die Kontur und Anord­ nung der Zellen erkannt und ein anfänglich definierter Beobach­ tungsbereich gespeichert.

Dieses zuletzt erläuterte Beobachtungssystem ist in den Zeich­ nungen im einzelnen nicht dargestellt, jedoch erfolgt die Aus­ leuchtung des Inneren der Zellkulturkammern 20 ebenfalls mit Hilfe der Lichtquellen 24, wie bereits weiter oben im einzelnen erläutert.

Das in Fig. 4 dargestellte Zellkultursystem 30 weist ferner noch ein Dosiersystem C für Flüssigkeiten (z. B. flüssige Nähr­ medien und dergleichen) auf, welches z. B. vier Flüssigkeitsvor­ ratsbehälter 31 mit einer jeweils zugeordneten Flüssigkeitsent­ nahmeleitung 31' aufweist, wobei sodann die vier Flüssigkeits­ entnahmeleitungen 31' zu einem Leitungsbündel 32 zusammengefaßt sind. Dieses Leitungsbündel 32 ist andererseits mit einem Pum­ pensystem 29 verbunden, durch welches die verschiedenen Zell­ kulturkammern 20 der Zellkulturkammergruppierung A mit frei wählbaren Flüssigkeiten, die in den Flüssigkeitsvorratsbehäl­ tern 31 enthalten sind, versorgt werden.

Das Pumpensystem 29 ist über eine Leitung 33 an ein Multiven­ tilmodul 30' angeschlossen. Die Zuführung der Flüssigkeiten zu der Zellkulturkammergruppierung A erfolgt von dem Multiventil­ modul 30' aus über sterile Schlauchsysteme 27 und 28, wobei diese Flüssigkeiten von den einzelnen Zellkulturkammern 20 fle­ xibel weitergeleitet werden. Sowohl die Flüssigkeitszuführung als auch die Flüssigkeitsab- bzw. weiterleitung erfolgt über sterile Schlauchsysteme, die mit Standard- Schlauchverbinderelementen und Verteilern bei Versuchsstart in­ stalliert werden, d. h. mit entsprechenden Kanälen in der Mem­ branplatte 1 einer jeweiligen Zellkulturkammer 20 verbunden werden. Hierbei wird die Verbindung der Standard-Schlauchver­ binderelemente (in den Zeichnungen im einzelnen nicht darge­ stellt) mit den zugeordneten Kanälen der Membranplatte 1 so aufeinander abgestimmt, daß die Sterilität gewährleistet ist.

Aus Gründen der Flexibilität können die Flüssigkeiten, die Strömungsrichtungen, die Verteilung der Flüssigkeiten und deren Durchflußmengen während des Versuchs geändert bzw. gesteuert werden, wobei eine derartige Steuerung vorzugsweise durch das computergesteuerte Überwachungs- und Steuerungssystem G er­ folgt. Zu diesem Zweck sind das Pumpensystem 29 mittels einer Verbindungsleitung 38 und das Multiventilmodul 30' über eine Verbindungsleitung 40 an das Überwachungs- und Steuerungssystem G angeschlossen.

Das Dosiersystem C des Zellkultursystems 30 erlaubt es somit, der Zellkulturkammergruppierung A unterschiedlichste Flüssig­ keiten zuzuführen.

Das Zellkultursystem 30 weist darüberhinaus ein Begasungssystem D für unterschiedlichste Gase auf. Dieses Begasungssystem D dient also dazu, die verschiedenen Zellkulturkammern 20 der Zellkulturkammergruppierung A mit unterschiedlichen Gasen, z. B. Luft, O₂, N₂, CO₂, zu begasen. Von dem Begasungssystem D aus er­ folgt die Gaszuführung zu der Zellkulturkammergruppierung A mittels einer sterilen Schlauchleitung 26. Auch hierbei können die Gase von den verschiedenen Zellkulturkammern 20 unter Ver­ wendung entsprechend zugeordneter Kanäle 4' und 4''' (vgl. Fig. 3A) flexibel weitergeleitet werden.

Gaszuführung und Gasab- bzw. weiterleitung erfolgen insgesamt über sterile Schläuche, die mittels Standard-Schlauchverbinder­ elementen und Verteilern bei Versuchsstart installiert werden. Die Verbindungen der Schlauchverbinderelemente mit den entspre­ chend zugeordneten Kanälen 4' und 4''' der Membranplatte 1 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Sterilität gewährleistet ist.

Auch bei dem Begasungssystem D können aus Flexibilitätsgründen die Gase, die Strömungsrichtungen, die Gasverteilung sowie die Begasungskonzentration während des Versuchs geändert bzw. ge­ steuert werden. Zu diesem Zweck ist wiederum das Begasungssy­ stem D über eine Verbindungsleitung 39 an das computergesteuer­ te Überwachungs- und Steuerungssystem G angeschlossen, das die entsprechende Software für die Steuerung des Begasungssystems D enthält.

Schließlich gehört zu dem Zellkultursystem 30 noch ein Monito­ ring-System F, das vorgegebene Sensormodule 34 aufweist. Mit Hilfe dieses Monitoring Systems F können während der gesamten Versuchsdauer die relevanten Parameter in der jeweiligen Zell­ kulturkammer 20 der Zellkulturkammergruppierung A mittels ent­ sprechend zugeordneter Sensoren gemessen, insbesondere perma­ nent gemessen werden, wobei es sich bei diesen Parametern z. B. um pH-Wert, Glucose, Lactat, Sauerstoff, Elektropotentiale usw. handelt. Zu diesem Zweck steht das Monitoring-System F über ei­ ne Leitung 41, über einen Knotenpunkt 42 und von dort aus über weitere Leitungen 43 und 44 und entsprechend zugeordnete Ab­ zweigleitungen mit den einzelnen Zellkulturkammern 20 der Zell­ kulturkammergruppierung A des Zellkultursystems 30 in Verbin­ dung.

Die von den (nicht gezeigten) Sensoren gemessenen Parameter werden von dem Monitoring-System F über eine Leitung 35 an das computergesteuerte Überwachungs- und Steuerungssystem G zur entsprechenden Verarbeitung weitergeleitet. Wie bereits weiter oben anhand der Fig. 1 bis 3A erläutert, weist die Zellkul­ turkammer 20 wenigstens einen Kanal 4 für Sensorikanschluß auf, wobei die entsprechenden Sensoren und der zugeordnete Kanal 4 der Membranplatte 1 so aufeinander abgestimmt sind, daß die Sterilität gewährleistet ist.

Insgesamt betrachtet, ist das mit den erfindungsgemäßen Zell­ kulturkammern 20 bestückte, geschlossene Zellkultursystem 30 in der Lage, hochkomplexe biologische Vorgänge in Echtzeit und un­ ter nahezu in-vivo-Bedingungen, d. h. wie im lebenden Organis­ mus, zu simulieren.

Claims (11)

1. Zellkulturkammer (20) für ein geschlossenes Zellkultursy­ stem zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen mit flüssigen Nährmedien, Wachstumsfaktoren, Gasen und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellkul­ turkammer (20) im wesentlichen aus den folgenden Komponen­ ten aufgebaut ist:

• a) eine Membranplatte (1) mit einer Membran (2) zur Auf­ nahme wenigstens einer Zellkultur und mit einer An­ zahl von Kanälen (4, 4', 4", 4''') für Flüssigkeits­ zufuhr, Begasung und Sensorikanschluß;
• b) eine auf der einen Seite der Membranplatte (1) ange­ ordnete, lichtdurchlässige Glasscheibe (3) für eine Beobachtung des Inneren der Zellkulturkammer (20) von der genannten einen Seite aus; und
• c) eine auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der Membranplatte (1) angeordnete Abschlußplatte (5) mit eingebauter, lichtdurchlässiger Glasscheibe (6) für eine Beleuchtung des Inneren der Zellkulturkammer (20) von der genannten anderen Seite aus mit Hilfe eines zugeordneten Beleuchtungssystems.

2. Zellkulturkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Glasscheibe (3) an der Membran­ platte (1) für die Beobachtung des Inneren der Zellkultur­ kammer (20) im Bereich der Unterseite der Membranplatte (1) befestigt ist.

3. Zellkulturkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte (5) einen Zellkulturkammerdeckel mit einer fest integrierten, lichtdurchlässigen Glasschei­ be (6) bildet, wobei der Zellkulturkammerdeckel an der Oberseite der Membranplatte (1) lösbar angebracht ist.

4. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Zellkulturkammer­ deckel (5) als auch die Unterseite der Membranplatte (1) eine Ausnehmung zur Aufnahme und Befestigung der entspre­ chenden Glasscheibe (6 bzw. 3) aufweist.

5. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe (6, 3) eine Saphierglasscheibe ist.

6. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Membran (2) an der Membranplatte (1) ein Haltering (7) vorgesehen ist, der mit Hilfe des Zellkulturkammerdeckels (5) auf den Randbereich der Membran (2) preßbar ist, wodurch diese letztere fixierbar ist.

7. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Membranplatte (1) zugewendeten Seite des Zellkulturkammerdeckels (5) ein Dichtring (8) vorgesehen ist, durch den im geschlossenen Zustand der Zellkulturkammer (20) die auf der Membran (2) ausgesäte Zellkultur aseptisch verschlossen wird.

8. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Komparti­ mentierung der Zellkulturkammer (20) eine konstante, kon­ tinuierliche Begasung durch die entsprechend zugeordneten Kanäle (4', 4''') hindurch mit frei wählbaren Konzentra­ tionen unterschiedlichster Gase ermöglicht ist.

9. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranplatte (1) auf ih­ rer dem Zellkulturkammerdeckel (5) gegenüberliegenden Sei­ te an einer zugeordneten Halteplatte (10) zum Einbringen in das Zellkultursystem anbringbar ist, wobei diese Halte­ platte (10) eine integrierte Heizung für die Zellkultur­ kammer (20) aufweist.

10. Zellkulturkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung eine elektrische Heizung ist.

11. Zellkulturkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) eine gasdurch­ lässige Biofolie ist.