DE102010012790B4

DE102010012790B4 - Inkubatoreinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102010012790B4
Application number: DE102010012790.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rapoport Daniel; Prof. Dr. Kruse Charli; Dennis Wendt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: CELLBOX SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2013523086A; WO2011116955A2; EP2550349A2; CA2788009A1; DE102010012790A1; US20130011905A1; WO2011116955A3

Abstract

Inkubatoreinrichtung (10), die aufweist: – eine Kulturkammer (1), die zur Aufnahme mindestens einer Zellkultur eingerichtet ist, – eine Temperierungseinrichtung, mit der die Temperatur in der Kulturkammer einstellbar ist, – eine Gaszufuhreinrichtung (4), mit der mindestens ein Gas in die Kulturkammer (1) einführbar ist, und – eine Energiespeichereinrichtung (3), die zur Versorgung der Temperierungseinrichtung und/oder der Gaszufuhreinrichtung (4) mit elektrischer Energie angeordnet ist, gekennzeichnet durch – ein Datenaufzeichnungssystem, mit dem die Temperatur und/oder die Gaszusammensetzung in der Kulturkammer (1) und/oder in der Umgebung der Inkubatoreinrichtung (10) elektronisch speicherbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Inkubatoreinrichtung (auch als Zellkulturinkubator bezeichnet) für biologische Materialien, insbesondere für Zell- und/oder Gewebekulturen.
Es ist allgemein bekannt, Kultivierungsbedingungen für die Kultivierung biologischer Zellen mit einer Inkubatoreinrichtung einzustellen und während der Kultivierung aufrechtzuerhalten. Zum Standardinventar bei der Zellkultur gehört insbesondere ein temperierbarer CO₂-Inkubator, der die Gasatmosphäre und die Temperatur, welche für die Zellkultur benötigt werden, zur Verfügung stellt, bzw. regelt. Er beherbergt die Zellkultur z. B. in Multiwellplatten, Petrischalen, Flaschen o. dgl..
Herkömmliche Standardinkubatoren sind sperrig (ca. 1 m³) und relativ schwer (ca. 100 kg) sowie für eine elektrische Versorgung über einen Netzanschluss ausgelegt. Sie sind deshalb für Transportaufgaben ungeeignet. Für den Transport von kultivierten Zellen muss daher bisher die Inkubation in einem Standardinkubator unterbrochen werden. Dies ist jedoch nachteilig, da mit dem Transport die Kultivierungsbedingungen verändert werden, was die Zellen in nicht-reproduzierbarer und/oder unkontrollierter Weise beeinflusst oder sogar zerstört.
Der aus der Praxis bekannte Versand von biologischen Zellen im eingefrorenen Zustand ist keine gleichwertige Alternative zum Transport unter Kulturbedingungen, sondern allenfalls eine Ergänzung. Das Einfrieren/Auftauen der Zellen kann zum Absterben der Zellen führen, zum Auseinanderreißen von Zell-/Zell-Kontakten und stellt im Mindesten eine substantielle Störung der in vitro Kultur dar.
In DE 20 2005 021 050 U1 , DE 195 11 126 A1 und US 6 093 551 A werden Inkubatoren beschrieben, die für einen Probentransport ausgelegt sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Inkubatoreinrichtung (Zellkulturinkubator) bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Inkubatoreinrichtungen vermieden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es des weiteren, ein verbessertes Verfahren zur Kultivierung biologischer Zellen bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Inkubationsverfahren vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Inkubatoreinrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Inkubatoreinrichtung bereitgestellt, die insbesondere eine Kulturkammer zur Aufnahme mindestens einer Zellkultur, eine Temperierungseinrichtung, mit der die Temperatur in der Kulturkammer einstellbar ist, eine Gaszufuhreinrichtung, mit der mindestens ein Gas in die Kulturkammer einführbar ist, und eine Energiespeichereinrichtung umfasst, die zur Versorgung der Temperierungseinrichtung und/oder der Gaszufuhreinrichtung mit elektrischer Energie angeordnet ist. Die Bereitstellung der Energiespeichereinrichtung ermöglicht im Gegensatz zu herkömmlichen Inkubatoren eine Transportfähigkeit (Mobilität) der Inkubatoreinrichtung, während sie sich in einem aktiven Betriebszustand befindet, in dem die Temperierungseinrichtung und die Gaszufuhreinrichtung eingeschaltet und betätigbar sind. Kultivierungsbedingungen können eingestellt werden, während die Inkubatoreinrichtung von ortsfesten Versorgungen getrennt ist und insbesondere bewegt wird.
Die Erfinder haben festgestellt, dass mit den genannten Komponenten ein transportabler Zellinkubator geschaffen wird, der insbesondere die folgenden Anforderungen erfüllt:

(i) geringe Größe (kleiner als 0,5 m³, insbesondere kleiner als 100 dm³, z. B. kleiner 50 dm³, bis hinab in den cm³-Bereich, z. B. ca. 20 cm³) und geringe Masse (kleiner als 50 kg, insbesondere kleiner als 30 kg, z. B. kleiner als 10 kg, wie 5 kg oder weniger;
(ii) autarker Betrieb, d. h. Betrieb ohne externe Energie- oder Medienquelle, insbesondere für die Dauer eines Transportes;
(iii) Die Zellen können über einen Zeitraum von mindestens 2 Stunden unter Standardbedingungen (meist 37°C/5% CO₂) kultiviert werden (typische Expresslieferzeit); und/oder
(iv) Der Zellinkubator kann gemäß einer Variante so gestaltet werden, dass der Verlauf von gemessenen und/oder geregelten Größen (z. B. Temperatur/CO₂) elektronisch protokolliert wird, um den normalerweise unbeaufsichtigten Prozess des Transportes verfolgbar zu machen.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Kultivierung biologischer Zellen unter Verwendung der Inkubatoreinrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt bereitgestellt. Hierzu werden die Zellen in der Kulturkammer der Inkubatoreinrichtung angeordnet und Kultivierungsbedingungen für die Zellen in der Kulturkammer eingestellt.
Weitere Merkmale bevorzugter Ausführungsformen, die einzeln oder in Kombination vorgesehen sein können, sind im folgenden zusammengefasst.
Die Energiespeichereinrichtung der Inkubatoreinrichtung umfasst eine Primärbatterie (nicht wiederaufladbar) und/oder einen Akkumulator (wiederaufladbar). Vorteilhafterweise können alle Komponenten der Inkubatoreinrichtung ausschließlich mit der elektrischen Energie betrieben werden, die von der Energiespeichereinrichtung geliefert wird. Dieser Betrieb ist für eine Betriebszeit möglich, die gleich typischen Transportzeiten zum Transport von Zellkulturen, z. B. zwischen verschiedenen medizinischen Einrichtungen ist.
Die Energiespeichereinrichtung kann mit einer elektrischen Verbindungseinheit, z. B. Steckerkupplung, ausgestattet sein, um die Energiespeichereinrichtung zeitweilig mit einer Netzstromversorgung, z. B. öffentliches Stromnetz oder Bordnetz eines Fahrzeugs, z. B. Transportfahrzeug und/oder Laborfahrzeug), zu verbinden, z. B. um die Energiespeichereinrichtung nachzuladen oder um bei einem ortsfesten Betrieb, z. B. in einem Labor oder in einem Fahrzeug, die Energieversorgung auf die Netzstromversorgung umzuschalten.
Die Kulturkammer weist eine thermisch isolierte Wand, insbesondere eine evakuierte oder evakuierbare Wand auf. Die Wand kann z. B. aus Kunststoff und/oder Glas hergestellt sein. Die Kulturkammer bildet vorzugsweise ein Dewar-Gefäß. Alternativ kann die Wand aus einem Schaummaterial hergestellt sein. Vorzugsweise umgibt die thermisch isolierte Wand die Kulturkammer allseitig. Ein auf einer Oberseite der Kulturkammer vorgesehener Teil der thermisch isolierten Wand bildet einen Deckel, an dem die Kulturkammer geöffnet werden kann und der vorzugsweise von der Kulturkammer abnehmbar ist.
Die Temperierungseinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine Heizeinrichtung, z. B. mit mindestens einem Widerstandsheizelement, und/oder eine Kühleinrichtung, z. B. mit mindestens einem Peltierelement. Mit der Temperierungseinrichtung ist in der Kulturkammer vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 10°C bis 40°C einstellbar.
Die Inkubatoreinrichtung kann eine Sensoreinrichtung, insbesondere mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Gas-Sensor, aufweisen. Mindestens ein Sensor (Innensensor) der Sensoreinrichtung kann in der Kulturkammer angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Sensor (Außensensor) der Sensoreinrichtung auf einer Außenseite der Inkubatoreinrichtung angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist die Inkubatoreinrichtung mit einer Regelschaltung (Regelkreis) ausgestattet, mit der die Temperierungseinrichtung und/oder die Gaszufuhreinrichtung in Abhängigkeit von Signalen der Sensoreinrichtung und mindestens einer vorbestimmten Führungsgröße regelbar ist. Die Einstellung von Kultivierungsbedingungen umfasst vorzugsweise eine Regelung der Temperierungseinrichtung und/oder der Gaszufuhreinrichtung.
Die Gaszufuhreinrichtung umfasst mindestens eine Gasquelle und mindestens eine Zufuhrleitung, die von der Gasquelle zu der Kulturkammer führt, wobei die mindestens eine Zufuhrleitung vorzugsweise ein Ventil enthält, mit dem ein Gasstrom durch die Zufuhrleitung einstellbar ist.
Vorteilhafterweise kann die mindestens eine Gasquelle einen Gasbehälter, insbesondere eine Druckgaskartusche und/oder einen Gasballon, umfassen. Die Druckgaskartusche oder der Gasballon können eine Austauschkomponente und von der Inkubatoreinrichtung trennbar sein. Alternativ können Druckgaskartusche oder der Gasballon in der Inkubatoreinrichtung fixiert und nachfüllbar ist.
Typischerweise ist die Gaszufuhreinrichtung zur Bereitstellung von Kohlendioxid (CO₂) in der Kulturkammer eingerichtet.
Die Gasquelle enthält das Kohlendioxid. Mit der Gaszufuhreinrichtung ist in der Kulturkammer vorzugsweise eine Kohlendioxidkonzentration im Bereich von 1% bis 5% einstellbar. Alternativ oder zusätzlich können weitere gas- oder dampfförmige Stoffe in den Kulturraum zugeführt werden, wie z. B. Stickstoff oder Wasserdampf (Einstellung Feuchte).
Alternativ oder zusätzlich kann, z. B. zur Einstellung der Feuchte in der Kulturkammer, eine Flüssigkeitszufuhreinrichtung vorgesehen sein, die z. B ein Wasserreservoir mit einer in der Kulturkammer mündenden und mit einem einstellbaren Ventil versehenen Zufuhrleitung umfasst.
Vorzugsweise weist die Inkubatoreinrichtung eine Steuereinrichtung auf, mit der die Temperierungseinrichtung und/oder die Gaszufuhreinrichtung steuerbar ist. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise mit der Regelschaltung verbunden.
Gemäß der Erfindung weist die Inkubatoreinrichtung des weiteren eine Speichereinrichtung (Datenaufzeichnungssystem) auf, mit der Zustandsgrößen, insbesondere die Temperatur und/oder die Gaszusammensetzung, z. B. der CO₂-Gehalt, in der Kulturkammer und/oder in der Umgebung der Inkubatoreinrichtung elektronisch speicherbar sind (portabler, autarker Zellkulturinkubator mit Datenaufzeichnungssystem).
Es kann auch eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen sein, die zur Anzeige von Betriebszuständen der Inkubatoreinrichtung eingerichtet ist und z. B. ein Display und/oder Signalleuchten umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann, z. B. zur Information über unerwünschte Betriebszustände der Inkubatoreinrichtung, eine Alarmeinrichtung vorgesehen sein, die z. B einen akustischen Signalgeber und/oder Signalleuchten umfasst.
Vorzugsweise ist in der Kulturkammer eine Aufnahmeeinrichtung für die mindestens eine Zellkultur, wie z. B. eine Halterung für mindestens eine Multiwellplatte, mindestens eine Kulturflasche und/oder mindestens eine Petri-Shale, vorgesehen.
Vorzugsweise weist die Inkubatoreinrichtung einen Behälter (Kasten, Box, Käfig) auf, in dem die Kulturkammer, die Temperierungseinrichtung, die Gaszufuhreinrichtung und die Energiespeichereinrichtung gemeinsam untergebracht sind. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Behälter die Kulturkammer und zusätzlich eine Kontrollkammer aufweist, in der die Temperierungseinrichtung, die Gaszufuhreinrichtung und die Energiespeichereinrichtung untergebracht sind.
Der Behälter kann mit einem Behälterdeckel ausgestattet sein. Der Behälterdeckel kann geöffnet werden, um einen Zugriff z. B. auf die Kulturkammer und/oder die anderen Komponenten der Inkubatoreinrichtung zu ermöglichen. Für eine vereinfachte Kontrolle des Betriebszustandes der Inkubatoreinrichtung kann der Behälterdeckel mindestens teilweise aus einem durchsichtigen Material, z. B. Kunststoff oder Glas hergestellt sein.
Vorteilhafterweise kann die Inkubatoreinrichtung unabhängig und getrennt von fest installierten Versorgungsleitungen betrieben werden, die zur Verbindung mit ortsfesten Geräten vorgesehen sind. Kultivierungsbedingungen können autark für die Dauer von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise mindestens 8 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 12 Stunden, wie z. B 48 Stunden eingestellt und/oder aufrechterhalten werden. Die Inkubatoreinrichtung kann so kompakt aufgebaut sein, dass sie durch einen menschlichen Bediener manuell bewegt, insbesondere getragen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
1: eine schematische Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Inkubatoreinrichtung.
1 illustriert einen prinzipiellen Aufbau des transportablen Zellkulturinkubators mit Angabe der wichtiger Funktionselemente. Die portable Inkubatoreinrichtung (Zellkulturinkubator) 10 umfasst eine verschließbare Box (Behälter 5 mit einem oberen Behälterdeckel 6 und einem seitlichen Behälterdeckel 7), die in eine Kulturkammer 1 und eine Kontrollkammer 2 unterteilt ist. Die Kulturkammer 1 ist von thermisch isolierenden Wänden umgeben, um die Temperaturkostanz im Inneren der Kulturkammer 1 zu wahren und den Energieverbrauch des Inkubators zu minimieren.
In der Kulturkammer 1 befinden sich ein Heizelement sowie Sensoren (Temperatur und CO₂), mit deren Hilfe die Kulturbedingungen überwacht werden. In der Kulturkammer 1 befindet sich eine (nicht abgebildete) angepasste Aufnahmevorrichtung für das jeweilige Zellkulturgefäß (Multiwellplatte, Petrischale, Flasche etc.. Die Kontrollkammer 1 beherbergt eine Energiequelle 3 (Energiespeichereinrichtung, z. B. wiederaufladbarer Akkumulator), eine Gaszufuhreinrichtung 4 mit einer CO₂-Quelle (z. B. handelsübliche CO₂-Kartusche) und Verbindungsleitungen zu einem Ventil und von diesem in die Kulturkammer. Es sind auch elektronische und/oder elektromechanische Elemente (Steuereinrichtung) vorgesehen, mit deren Hilfe die Temperatur, sowie der CO₂-Gehalt in der Kulturkammer 1 geregelt werden. Zusätzlich verfügt der Inkubator über ein in der Kontrollelektronik (Teil der Steuereinrichtung) integriertes Datenaufzeichnungssystem, das den Verlauf der geregelten Größen speichert und so den oft unbeaufsichtigten Transportprozess protokollierbar macht.
Der seitliche Behälterdeckel 7 erlaubt einen Zugriff auf die Energiequelle 3, ohne eine Öffnung des oberen Behälterdeckels 6, z. B. um die Akkumulatoren zu tauschen.
Der Behälter 5 weist seitliche Profile 8 der Behälterwand auf mit denen die Behälterwand stabilisiert (und somit die Zellkultur geschützt) wird. Die seitlichen Profile sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Behälters 5 vorzugsweise zueinander komplementär gebildet, so dass ein stabiles Stapeln oder Zusammensetzen von mehreren Behältern erleichtert wird. Des weiteren können Griffe (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mit denen der Behälter 5 manuell befördert werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarte Merkmale der Erfindung können sowohl Einzelnen als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Inkubatoreinrichtung (10), die aufweist: – eine Kulturkammer (1), die zur Aufnahme mindestens einer Zellkultur eingerichtet ist, – eine Temperierungseinrichtung, mit der die Temperatur in der Kulturkammer einstellbar ist, – eine Gaszufuhreinrichtung (4), mit der mindestens ein Gas in die Kulturkammer (1) einführbar ist, und – eine Energiespeichereinrichtung (3), die zur Versorgung der Temperierungseinrichtung und/oder der Gaszufuhreinrichtung (4) mit elektrischer Energie angeordnet ist, gekennzeichnet durch – ein Datenaufzeichnungssystem, mit dem die Temperatur und/oder die Gaszusammensetzung in der Kulturkammer (1) und/oder in der Umgebung der Inkubatoreinrichtung (10) elektronisch speicherbar sind.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der – die Energiespeichereinrichtung (3) eine Primärbatterie und/oder einen Akkumulator aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Kulturkammer (1) eine thermisch isolierte Wand, insbesondere eine evakuierte oder evakuierbare Wand aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der – die thermisch isolierte Wand die Kulturkammer (1) allseitig umgibt.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 4, bei der – die thermisch isolierte Wand auf einer Oberseite der Kulturkammer einen Deckel (6) aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Temperierungseinrichtung mindestens eines von einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die aufweist – eine Sensoreinrichtung, insbesondere mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Gas-Sensor.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 7, bei der – mindestens ein Sensor der Sensoreinrichtung in der Kulturkammer (1) angeordnet ist, – mindestens ein Sensor der Sensoreinrichtung auf einer Außenseite der Inkubatoreinrichtung (10) angeordnet ist, und/oder – ein Regelkreis vorgesehen ist, in dem die Temperierungseinrichtung und/oder die Gaszufuhreinrichtung in Abhängigkeit von Signalen der Sensoreinrichtung und mindestens einer vorbestimmten Führungsgröße regelbar ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Gaszufuhreinrichtung (4) mindestens eine Gasquelle und mindestens eine Zufuhrleitung aufweist, die von der Gasquelle zu der Kulturkammer (1) führt, wobei die mindestens eine Zufuhrleitung vorzugsweise ein Ventil enthält, mit dem ein Gasstrom durch die Zufuhrleitung einstellbar ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 9, bei der – die mindestens eine Gasquelle einen Gasbehälter, insbesondere eine Druckgaskartusche und/oder einen Gasballon, aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 10, bei der – die Druckgaskartusche oder der Gasballon eine Austauschkomponente und von der Inkubatoreinrichtung (10) trennbar ist oder in der Inkubatoreinrichtung (10) fixiert und nachfüllbar ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Gaszufuhreinrichtung (4) zur Bereitstellung von Kohlendioxid (CO₂) in der Kulturkammer eingerichtet ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die aufweist – eine Steuereinrichtung, mit der die Temperierungseinrichtung und/oder die Gaszufuhreinrichtung (4) steuerbar ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die aufweist – eine Anzeigeeinrichtung, die zur Anzeige von Betriebszuständen der Inkubatoreinrichtung eingerichtet ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – in der Kulturkammer (1) eine Aufnahmeeinrichtung für die mindestens eine Zellkultur vorgesehen ist.
Inkubatoreinrichtung gemäß Anspruch 15, bei der – die Aufnahmeeinrichtung eine Halterung für mindestens eine Multiwellplatte, mindestens eine Kulturflasche und/oder mindestens eine Petri-Schale aufweist.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Kulturkammer (1), die Temperierungseinrichtung, die Gaszufuhreinrichtung (4) und die Energiespeichereinrichtung (3) gemeinsam in einem Behälter (5), vorzugsweise mit einem mindestens teilweise durchsichtigen oberen Behälterdeckel (6), angeordnet sind.
Inkubatoreinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die – unabhängig von fest installierten Versorgungsleitungen zu ortsfesten Geräten betreibbar ist, – manuell bewegbar, insbesondere tragbar ist, und/oder – zur autarken Einstellung und/oder Aufrechterhaltung von Kultivierungsbedingungen über mindestens 2 Stunden, vorzugsweise mindestens 8 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 12 Stunden eingerichtet ist.
Verfahren zur Kultivierung biologischer Zellen unter Verwendung einer Inkubatoreinrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Bereitstellung der Zellen in der Kulturkammer (1) der Inkubatoreinrichtung (10), und – Einstellung von Kultivierungsbedingungen für die Zellen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem – die Einstellung von Kultivierungsbedingungen eine Regelung der Temperierungseinrichtung und/oder der Gaszufuhreinrichtung (4) enthält.