DE19631997A1 - Mikrogravitationstaugliches Verfahren und Vorrichtung zur Prozessierung von Zellkulturen, die sich in Standard-Kulturgefässen befinden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozessierung von Zellkulturen, die sich in geschlossenen Standard-Kulturgefäßen befin­ den.

Bei der Kultivierung von Zellen in Standardkulturgefäßen wie z. B. Petrischa­ len erfolgt das Wachstum meist an der Oberfläche der Schale oder auf einem (festen, gelartigen) Nährboden, z. B. Agar. Die Prozessierung der Kultur erfolgt meist über einen Flüssigkeitstransfer.

Sollen in der bemannten oder unbemannten Raumfahrt derartige Experi­ mente durchgeführt werden, so ist ein normales Pippetieren nicht möglich, weil die Flüssigkeitstropfen nicht zu den Zellkulturen gelangen. In der be­ mannten Raumfahrt verlangen die Sicherheitsanforderungen den herme­ tischen Einschluß aller als gefährlich eingestuften Substanzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Zell­ kultivierung unter Schwerelosigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Patentansprüche gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung be­ treffen.

Die erfindungsgemäße Sprühprozessierung von Zellkulturen in Standard- Kulturgefäßen findet beispielsweise Anwendung bei:

• - der Zellkultivierung unter Schwerelosigkeit; Vorteile:
  • - Benetzung der Kulturen durch Besprühen ist unabhängig vom g-Vektor,
  • - keine Probleme mit Lufteinschlüssen (Blasenbildung) an der Kultur wie bei der Immersion,
  • - Funktion auch mit kleinen Medienvolumina gewährleistet,
  • - durch geringere Medienvolumina auch geringere Verdrängung der Gasphase, keine Behälter für Abluft notwendig,
  • - einfache Handhabung durch den Astronauten,
  • - genaue Dosierung möglich.
• - der Zellkultivierung von pathogenen Keimen und/oder toxischen Medien in hermetisch abgeschlossenen (Standard-)Gefäßen; Vorteile:
  • - keine Probleme mit Lufteinschlüssen (Blasenbildung) an der Kultur wie bei der Immersion,
  • - Funktion auch mit kleinen Medienvolumina gewährleistet,
  • - durch geringere Medienvolumina auch geringere Verdrängung der Gasphase, keine Behälter für Abluft notwendig,
  • - genaue Dosierung möglich,
  • - auslaufsicher, kein Umkippen/Verschütten möglich,
  • - Experimentieren mit pathogenen/toxischen Substanzen in normaler Laborumgebung,
  • - preisgünstiges Pippetieren durch Einsatz kommerzieller Pumpzerstäuber,
  • - basiert auf Standardbehältern, daher volle Übertragbarkeit der Ergebnisse.
• - Als Fixierbehälter für Zellkulturen und Gewebeteile zur gleichmäßigen Benetzung mit Fixativ; Vorteile:
  • - Benetzung der Kulturen oder Gewebeteile durch Besprühen ist unabhängig vom g-Vektor,
  • - keine Probleme mit Lufteinschlüssen (Blasenbildung) an der Kultur wie bei der Immersion,
  • - Funktion auch mit kleinen Medienvolumina gewährleistet,
  • - durch geringere Medienvolumina auch geringere Verdrängung der Gasphase, keine Behälter für Abluft notwendig,
  • - Experimentieren mit pathogenen/toxischen Substanzen in normaler Laborumgebung,
  • - preisgünstiges Pippetieren durch Einsatz kommerzieller Pumpzerstäuber.

Beim Gegenstand der Erfindung verhindert die fehlende Gravitation ein nor­ males Pippetieren und die Sicherheitsanforderungen der bemannten Raum­ fahrt verlangen den hermetischen Einschluß aller als gefährlich eingestuften Substanzen. Die erfindungsgemäße Sprühprozessierung ermöglicht einer­ seits ein gleichmäßiges Benetzen der Kulturfläche und es kann mit sehr ge­ ringen Volumina gearbeitet werden. Dies ermöglicht es, Flüssigkeiten in ein hermetisch geschlossenes Gefäß einzusprühen bei einem nur geringen An­ stieg des Innendrucks. Das Verfahren kann auch zur Fixierung von Geweben wie z. B. Pflanzenteilen verwendet werden, wie es in Raumfahrtexperimenten ebenfalls vorkommt.

Die Vorteile der Sprühfixierung können auch in der terrestrischen Forschung zum Tragen kommen, vor allem beim Arbeiten mit pathogenen/toxischen Substanzen. Ein Bereich, der mit der Weiterentwicklung die Biotechnologie (z. B. Genmanipulationen) immer wichtiger wird.

Die Erfindung wird anhand von Fig. näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzip Sprühbenetzung der Kulturfläche mit flüssigen Medien,

Fig. 2 Drehbewegung des Deckels inclusive Sprühkopf zur Benetzung großer Flächen in Abhängigkeit vom Sprühwinkel,

Fig. 3 mit Prozeßflüssigkeit vorbefüllte Pumpflaschen,

Fig. 4 Prinzip Pumpflasche und Schnittstelle Pumpflasche/Prozeßkammer,

Fig. 5 Gesamtkonfiguration einer hermetisch abgedichteten Prozeß­ kammer mit kommerziellen Petrischalen als Kulturboden,

Fig. 6 Gesamtkonfiguration einer hermetisch abgedichteten Prozeß­ kammer mit Agar als Nährboden,

Fig. 7 Gasaustausch während des Kultivierung über Porenmembrane (Version A),

Fig. 8 Gasaustausch während des Kultivierung über Gewindedurchbruch (Version B).

Der Gegenstand der Erfindung besteht aus der Kombination von einem Pumpzerstäuber 3 mit einem Standard-Kulturgefäß 1, z. B. Petrischale. Eine Pumpflasche 2 ist über die Schnittstelle Pumpkopf/Sprühkopf 10 an den Deckel der Schale mit Sprühkopf 4 gekoppelt. Durch eine Relativbewegung von Pumpflasche 2 und Pumpkopf 18 (Pumpbewegung 8) wird ein Sprüh­ nebel 6 erzeugt. Dieser ist "airless", das heißt es wird keine Luft mitbefördert. Die Ausbreitung des Sprühnebels hängt u. a. vom Öffnungswinkel des Sprüh­ kopfes 4 ab.

Aufgrund der geometrischen Verhältnisse einer Petrischale ergibt sich je nach Winkel und Durchmesser der Schale eventuell die Notwendigkeit, die be­ netzte Fläche durch mehrmaliges Sprühen zu vergrößern. Dazu kann der Deckel durch eine Drehbewegung 14 in mehrere Positionen gebracht wer­ den.

Das Ankoppeln der Pumpflasche mit vorbefüllten Medien erfolgt über ein Ka­ nülen/Septen Interface. Die Kanüle 16 ist mit einem Kontaminationsschutz 20 versehen, der die Kanüle erst beim Eindringen ins Septum 22 freigibt. Nach dem Durchstoßen des Septums erfolgt die Ankopplung an die Düse 24. Die vorbefüllten Flüssigkeiten in den Pumpflaschen befinden sich in einem Me­ dienbeutel 28, dadurch erfolgt die Ansaugung über den Saugrüssel 26 im­ mer blasenfrei; auch bei Überkopfbetrieb oder unter Schwerelosigkeit. Das Gehäuse ist auf die jeweilige Standard-Kulturschale 1 abgestimmt. Bei der Verwendung von Petrischalen wird das kommerziell erhältliche Unterteil zwischen einen transparenten Deckel 30 und eine transparente Gehäuse­ schale 32 verschraubt. Die Abdichtung erfolgt über einen O-Ring 34. Durch die Verwendung der kommerziellen Petrihalbschale kann die spezielle Ober­ fläche der Schale verwendet werden. Ist dies nicht wichtig, z. B. bei der Ver­ wendung von Agar als Nährboden 38, kann das Gehäuse auch ohne Petri­ schale verwendet werden.

Der zur Kultivierung oft notwendige Gasaustausch mit der Umgebung kann über zwei Methoden erfolgen. Bei Version A erfolgt der Gasfluß 40 über eine Porenmembrane 12. Das Volumen bleibt für Flüssigkeiten stets hermetisch abgeschlossen. Bei Version B wird auch eine Abdichtung für Gase erreicht, sobald der Deckel über eine Drehbewegung fest mit dem Unterteil ver­ schraubt wird. Der Gasfluß 42 kann nur vor der Prozessierung, z. B. Fixierung erfolgen. Dazu erfolgt die Verschraubung der Halbschalen über ein spezielles Gasaustauschgewinde 46 mit Gewindedurchbrüchen. Die Hubbewegung des Deckels beim Aufschrauben um ca. 1/2 Umdrehung führt zur Freigabe des Gasflusses 42.

Bezugszeichenliste

1 Standard-Kulturgefäß (z. B. Petrischale)
2 Pumpflasche
3 Pumpzerstäuber (Kombination aus 2, 4, 10)
4 Sprühkopf
6 Sprühnebel
8 Pumpbewegung
10 Schnittstelle Pumpkopf/Sprühkopf
12 Druckausgleichselement (Porenmembrane)
14 Drehbewegung
16 Kanüle
18 Pumpkopf
20 Kontaminationsschutz
22 Septum
24 Düse
26 Saugrüssel
28 Medienbeutel
30 Deckel
32 Gehäuseschale
34 O-Ring
38 Nährboden (z. B. Agar)
40 Gasfluß (Version A)
42 Gasfluß (Version B)
44 Hubbewegung
46 Gasaustauschgewinde

Claims (5)

1. Mikrogravitationstaugliches Verfahren zur Prozessierung von Zellkultu­ ren, die sich in geschlossenen Standard-Kulturgefäßen befinden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Prozeßflüssigkeit innerhalb des Kulturgefäßes zerstäubt und versprüht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Standard-Kulturgefäß (Petrischale) mit einem Deckel gasdicht verschlossen und im Deckel ein Sprühkopf und ein Druckausgleichselement vorhanden ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das gasdicht verschlossene Standard- Kulturgefäß über ein Gasaustauschgewinde (46) zur Umgebung ge­ öffnet werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprühkopf sich innerhalb des Kulturgefäßes befindet und mit einer außerhalb des Kulturgefäßes befindlichen Pumpflasche mittels eines Rohres oder einer Schlauchleitung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Düse innerhalb des Kulturgefäßes befindet und der Pumpkopf des Zerstäubers außerhalb des Gefäßes angeordnet ist.