DE102021211875B3 - Bioreactor and method of operating one - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Bioreaktor (2) angegeben, wobei dieser eine Reaktorkammer (4) aufweist, zur Herstellung eines Weichgewebes (6), wobei dieser eine Analyseeinheit (8) aufweist, zum Messen einer Anzahl von Gewebeparametern (G) des Weichgewebes (6), wobei dieser eine Konditionierungseinheit (10) aufweist, zur Konditionierung des Weichgewebes (6) gemäß einer Anzahl an Prozessparametern (P), wobei dieser eine Steuereinheit (12) aufweist, welche die Analyseeinheit (8) und die Konditionierungseinheit (10) derart steuert, dass während der Herstellung die Gewebeparameter (G) gemessen werden und die Prozessparameter (P) abhängig von den Gewebeparametern (G) eingestellt werden, sodass das Weichgewebe (6) abhängig von den Gewebeparametern (G) konditioniert wird. Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb des Bioreaktors (2) angegeben.A bioreactor (2) is specified, which has a reactor chamber (4) for producing a soft tissue (6), which has an analysis unit (8) for measuring a number of tissue parameters (G) of the soft tissue (6), wherein it has a conditioning unit (10) for conditioning the soft tissue (6) according to a number of process parameters (P), wherein it has a control unit (12) which controls the analysis unit (8) and the conditioning unit (10) in such a way that the tissue parameters (G) are measured during production and the process parameters (P) are set depending on the tissue parameters (G), so that the soft tissue (6) is conditioned depending on the tissue parameters (G). A method for operating the bioreactor (2) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Herstellung von Weichgewebe, insbesondere Skelettmuskulatur, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bioreaktors.The invention relates to a bioreactor for producing soft tissue, in particular skeletal muscles, and a method for operating such a bioreactor.
Ein Bioreaktor dient zur Herstellung von Gewebe, welches nach der Herstellung dann in ein Lebewesen transplantiert wird, beispielsweise um ein entsprechendes erkranktes, zerstörtes oder verloren gegangenes Gewebe zu ersetzen. Grundsätzlich ist eine Vielzahl an verschiedenen Gewebearten herstellbar, auch existieren verschiedene Arten der Herstellung. Die Herstellung von Gewebe wird auch als „Wachstum“, „Reifung“ oder „Gewebezüchtung“ bezeichnet.A bioreactor is used to produce tissue, which is then transplanted into a living being after production, for example to replace corresponding diseased, destroyed or lost tissue. In principle, a large number of different types of fabric can be produced, and there are also different types of production. The production of tissue is also referred to as "growth", "maturation" or "tissue engineering".
Ein Teilbereich der Herstellung von Gewebe ist das sogenannte „Tissue Engineering“. Dieses ist in zwei unterschiedliche Bereiche einteilbar, basierend auf der verwendeten Technik. Bei der sogenannten „bottom-up“-Technik wird ein Gewebegerüst (auch als „Scaffold“ bezeichnet“) aus einzelnen Bestandteilen zusammengefügt, z.B. mittels 3D-Druck, Zellaggregation etc. Im Gegensatz dazu wird bei der sogenannten „top-down“-Technik ein natives Spendergewebe mit entsprechendem, natürlichen Gewebegerüst als Ausgangspunkt verwendet und je nach Bedarf behandelt und gereift. Dabei wird das Spendergewebe zunächst dezellularisiert, um das Gewebegerüst freizulegen, und dieses wird dann anschließend wieder rezellularisiert. Eine Gewebezüchtung gemäß „top-down“-Technik bietet einige Vorteile gegenüber der „bottom-up“-Technik, z.B. einen Erhalt der Vaskularisierungs-Architektur sowie einen Erhalt der natürlichen Matrix-Architektur im Gewebegerüst.A part of the production of tissue is the so-called "tissue engineering". This can be divided into two different areas based on the technology used. In the so-called "bottom-up" technique, a tissue framework (also known as a "scaffold") is assembled from individual components, e.g. using 3D printing, cell aggregation, etc. In contrast, in the so-called "top-down" technique a native donor tissue with a corresponding, natural tissue scaffold is used as a starting point and treated and matured as required. The donor tissue is first decellularized to expose the tissue scaffold, and this is then recellularized again. Tissue cultivation according to the "top-down" technique offers several advantages over the "bottom-up" technique, e.g. preservation of the vascularization architecture and preservation of the natural matrix architecture in the tissue scaffold.
Speziell die Regeneration und/oder Reifung, d.h. die De- und Rezellularisierung, von Weichgewebe und besonders von Muskelgewebe, z.B. 3D-Skelettmuskulatur, ist jedoch sehr anspruchsvoll. Um die Anforderungen für eine klinische Verwertbarkeit des Gewebes zu erfüllen, ist es erforderlich, eine möglichst hohe Qualität der De- und Rezellularisierung zu gewährleisten.In particular, however, the regeneration and/or maturation, i.e. the de- and recellularization, of soft tissue and especially muscle tissue, e.g. 3D skeletal muscles, is very demanding. In order to meet the requirements for clinical usability of the tissue, it is necessary to ensure the highest possible quality of de- and recellularization.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, allgemein die Herstellung von Gewebe und speziell die Regeneration und/oder Reifung von Weichgewebe in einem Bioreaktor zu verbessern. Hierzu sollen ein entsprechend verbesserter Bioreaktor und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Bioreaktors angegeben werden.Against this background, it is an object of the invention to generally improve the production of tissue and specifically the regeneration and/or maturation of soft tissue in a bioreactor. To this end, a correspondingly improved bioreactor and an improved method for operating a bioreactor are to be specified.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Bioreaktor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Bioreaktor gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt. Sofern nachfolgend Schritte des Verfahrens (d.h. Verfahrensschritte oder auch Prozessschritte) angegeben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für den Bioreaktor dadurch, dass dieser ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Schritte durchzuführen, insbesondere mittels einer Steuereinheit, welche ein Teil des Bioreaktors ist.The object is achieved according to the invention by a bioreactor having the features according to claim 1 and by a method having the features according to
Ein erfindungsgemäßer Bioreaktor weist eine Reaktorkammer auf, zur Herstellung, insbesondere Regeneration und/oder Reifung (d.h. insbesondere zur De- & Rezellularisierung) eines Weichgewebes, welches hierzu in der Reaktorkammer untergebracht ist. Die Reaktorkammer ist beispielsweise ein Glaszylinder. Das Weichgewebe wird nachfolgend auch lediglich als Gewebe bezeichnet, gemeint ist aber ein Weichgewebe, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht etwas anderes ergibt. Das Weichgewebe ist bevorzugterweise Skelettmuskulatur, welche insbesondere mechanisch und elektrisch erregbar oder auch trainierbar ist.A bioreactor according to the invention has a reactor chamber for the production, in particular regeneration and/or maturation (i.e. in particular for decellularization and recellularization) of soft tissue, which is accommodated in the reactor chamber for this purpose. The reactor chamber is, for example, a glass cylinder. The soft tissue is also simply referred to below as tissue, but what is meant is a soft tissue, unless something else results from the context. The soft tissue is preferably skeletal musculature, which in particular can be stimulated mechanically and electrically or can also be trained.
Weiter weist der Bioreaktor eine Analyseeinheit auf, zum Messen einer Anzahl von Gewebeparametern des Weichgewebes. Die Gewebeparameter geben insbesondere den aktuellen Zustand oder auch Ist-Zustand des Weichgewebes an. Zusätzlich weist der Bioreaktor eine Konditionierungseinheit auf, zur Konditionierung des Weichgewebes gemäß einer Anzahl an Prozessparametern. Unter „eine Anzahl von“ wird hier und auch allgemein „ein oder mehrere“ oder „wenigstens ein“ verstanden. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass mehrere Gewebeparameter gemessen werden und mehrere Prozessparameter eingestellt, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden.The bioreactor also has an analysis unit for measuring a number of tissue parameters of the soft tissue. The tissue parameters indicate in particular the current state or also the actual state of the soft tissue. In addition, the bioreactor has a conditioning unit for conditioning the soft tissue according to a number of process parameters. “A number of” is understood here and also generally to mean “one or more” or “at least one”. In the following it is assumed, without loss of generality, that a number of tissue parameters are measured and a number of process parameters are set, in particular controlled and/or regulated.
Die Prozessparameter steuern insbesondere die Herstellung und beeinflussen somit letztendlich auch die Gewebeparameter. Entsprechend ist durch eine Änderung der Prozessparameter eine Beeinflussung der Herstellung möglich. Eine solche Beeinflussung erfolgt vorliegend auch, mit anderen Worten: durch die Messung der Gewebeparameter werden der tatsächliche Fortschritt der Herstellung und die tatsächliche Qualität des Weichgewebes zur Steuerung der Prozessparameter rückgekoppelt, sodass der Ist-Zustand des Weichgewebes die Prozessparameter beeinflusst und somit auch die Herstellung. Insbesondere hierzu weist der Bioreaktor eine Steuereinheit auf, welche entsprechend die Analyseeinheit und die Konditionierungseinheit derart steuert, dass während der Herstellung insbesondere wiederkehrend und/oder fortlaufend die Gewebeparameter insbesondere automatisiert gemessen werden und die Prozessparameter insbesondere in Echtzeit abhängig von den Gewebeparametern eingestellt werden, sodass das Weichgewebe abhängig von den Gewebeparametern insbesondere automatisiert konditioniert wird. Auf diese Weise wird die Herstellung des Weichgewebes (insbesondere online) abhängig von den tatsächlichen Gewebeparametern (d.h. dem Ist-Zustand) gesteuert, wodurch wiederum die Prozessparameter insbesondere fortlaufend und vorzugsweise automatisch derart angepasst werden, dass ausgehend von dem Ist-Zustand ein vorgegebener Soll-Zustand erreicht wird, d.h. um im Ergebnis eine möglichst optimale Herstellung zu erzielen. Dabei wird unter einer „optimalen Herstellung“ eine solche Herstellung verstanden, welche zu einem Weichgewebe führt, welches möglichst nahe an eine zuvor definierte Spezifikation heranreicht, z.B. bestimmte Werte für bestimmte Gewebeparameter aufweist. Insbesondere ist mit dem hier beschriebenen Bioreaktor vorteilhafterweise eine nicht-invasive und fortlaufende Analytik der Gewebeparameter realisiert, d.h. das Gewebe verbleibt vorteilhaft zu jedem Zeitpunkt der Analytik und auch während der Konditionierung im Bioreaktor, speziell in dessen Reaktorkammer, und die Konditionierung muss weder gestoppt, noch unterbrochen werden.In particular, the process parameters control the production and ultimately also influence the tissue parameters. Accordingly, it is possible to influence production by changing the process parameters. Such an influence also occurs in the present case, in other words: by measuring the tissue parameters, the actual progress of the production and the actual quality of the soft tissue are fed back to control the process parameters, so that the actual condition of the soft tissue influences the process parameters and thus also the production. For this purpose in particular, the bioreactor has a control unit which correspondingly controls the analysis unit and the conditioning unit in such a way that the tissue parameters are measured, in particular automatically, in particular repeatedly and/or continuously during production and the process parameters are adjusted in particular in real time depending on the tissue parameters, so that the soft tissue is conditioned in particular automatically depending on the tissue parameters. In this way, the production of the soft tissue (in particular online) is controlled as a function of the actual tissue parameters (ie the current state), which in turn means that the process parameters are in particular continuously and preferably automatically adjusted in such a way that, based on the current state, a predetermined target State is reached, ie in order to achieve the best possible production as a result. An “optimal production” is understood to mean a production that leads to a soft tissue that comes as close as possible to a previously defined specification, eg has specific values for specific tissue parameters. In particular, with the bioreactor described here, non-invasive and continuous analysis of the tissue parameters is advantageously implemented, ie the tissue advantageously remains at all times during the analysis and also during the conditioning in the bioreactor, especially in its reactor chamber, and the conditioning does not have to be stopped or to be interrupted.
Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Bioreaktor, zur Herstellung und speziell zur Regeneration und/oder Reifung von Weichgewebe, speziell Skelettmuskulatur, in „top-down“-Technik mit einer multimodalen Umgebungs- und Probenparametrik. Zunächst wird dabei insbesondere ein Spendergewebe mit einem natürlichen Gewebegerüst als Ausgangspunkt verwendet und je nach Bedarf behandelt und gereift. Insbesondere wird das Spendergewebe zunächst dezellularisiert, um das Gewebegerüst freizulegen, und dieses wird dann anschließend wieder rezellularisiert (und somit insgesamt regeneriert). Bei der Dezellularisierung werden die Zellen im Spendergewebe entfernt, es verbleibt eine natürliche Organarchitektur mit einem Gefäßversorgungsnetzwerk, welches bei der nachfolgenden Rezellularisierung genutzt wird, um das Gewebegerüst wieder mit Zellen, z.B. Stammzellen, zu bevölkern. Die Details der De- und Rezellularisierung sind zunächst jedoch nebensächlich. Denkbar ist grundsätzlich auch, dass mit dem Bioreaktor lediglich eine Dezellularisierung oder eine Rezellularisierung erfolgt.A core aspect of the present invention is in particular a bioreactor for the production and specifically for the regeneration and/or maturation of soft tissue, specifically skeletal musculature, using “top-down” technology with multimodal environment and sample parameters. First of all, a donor tissue with a natural tissue framework is used as the starting point and treated and matured as required. In particular, the donor tissue is first decellularized to expose the tissue scaffold, and this is then subsequently recellularized (and thus regenerated altogether). During decellularization, the cells in the donor tissue are removed, leaving a natural organ architecture with a vascular supply network, which is used in the subsequent recellularization to repopulate the tissue framework with cells, e.g. stem cells. However, the details of de- and recellularization are initially irrelevant. In principle, it is also conceivable that only decellularization or recellularization takes place with the bioreactor.
In jedem Fall wird das Gewebe in der Reaktorkammer von einem Medium umspült, welches insbesondere durch einen oder mehrere Prozessparameter charakterisiert ist. Das Medium stabilisiert allgemein die Reifung des Gewebes während der Rezellularisierung bezüglich osmotischem Druck, chemischem Milieu und Nährstoffversorgung und definiert somit die Umgebung um das Gewebe herum in der Reaktorkammer. Während der Herstellung werden insbesondere verschiedene Medien nacheinander in die Reaktorkammer eingeströmt, je nach Anforderungen des aktuellen Prozessschritts. Das jeweilige Medium wird über einen Medieneingang (auch als Eingang oder Vorlauf bezeichnet) der Reaktorkammer in diese eingeströmt und strömt über einen Medienausgang (auch als Ausgang oder Rücklauf bezeichnet) wieder aus der Reaktorkammer aus. Bevorzugterweise weist die Reaktorkammer eine Unterseite auf, mit einem Medieneingang für ein Medium, und eine Oberseite, mit einem Medienausgang für das Medium, sodass das Weichgewebe entgegen der Schwerkraft von dem Medium umspülbar ist. Das jeweilige Medium ist insbesondere eine Flüssigkeit.In any case, the tissue in the reactor chamber is washed by a medium which is characterized in particular by one or more process parameters. The medium generally stabilizes tissue maturation during recellularization in terms of osmotic pressure, chemical environment, and nutrient supply, and thus defines the environment around the tissue in the reactor chamber. During production, different media flow into the reactor chamber one after the other, depending on the requirements of the current process step. The respective medium flows into the reactor chamber via a media inlet (also referred to as inlet or flow) and flows out of the reactor chamber again via a media outlet (also referred to as outlet or return). The reactor chamber preferably has an underside with a media inlet for a medium and an upper side with a media outlet for the medium, so that the medium can wash around the soft tissue counter to the force of gravity. The respective medium is in particular a liquid.
Von besonderer Bedeutung ist bei dem vorliegenden Bioreaktor und dem Verfahren, dass die Qualität des Gewebes in Echtzeit und vorzugsweise auch kontaktlos überwacht wird, um mittels Umgebungs- und Probenparametrik dann Rückschlüsse über die „Zellfreiheit“ (das Maß der Entvölkerung während der Dezellularisierung) und die „Regenerationsreife“ (das Maß für die Fertigstellung des Gewebes bei der Rezellularisierung) des Gewebes zu ziehen. Mit anderen Worten: die Herstellung des Gewebes im Bioreaktor wird online, also bei laufender Herstellung, überwacht, indem eine Anzahl an Gewebeparametern des Gewebes gemessen wird und hiervon abhängig dann eine Anzahl an Prozessparametern des Bioreaktors gesteuert wird, mit dem Ziel, die Herstellung zu optimieren. Die Gewebeparameter geben dabei den aktuellen Zustand (auch Ist-Zustand) des Gewebes an und damit auch den Fortschritt und die Qualität der Herstellung. Die Gewebeparameter werden in einer möglichen Ausgestaltung auch als „morphologische und strukturelle Parameter“ bezeichnet. Die Gewebeparameter umfassen vorzugsweise Masse, Volumen, Durchmesser oder andere Abmessungen, CIELAB Farbmetrik oder Vergleichbares, Gewebesteifigkeit, Gefäßdruck, vaskulärer Druck, Oberflächentextur und/oder Transparenz des Gewebes. Die Prozessparameter hingegen geben die Umgebungsmodalitäten der Herstellung an, d.h. den aktuellen Zustand des Bioreaktors, und charakterisieren somit die Umgebung des Gewebes innerhalb der Reaktorkammer, d.h. die Umweltbedingungen, welche der Bioreaktor für die Herstellung des Gewebes bereitstellt, speziell durch das Medium innerhalb der Reaktorkammer. Die Prozessparameter umfassen vorzugsweise pH-Wert, pO2-Wert und/oder Temperatur.Of particular importance in the present bioreactor and the method is that the quality of the tissue is monitored in real time and preferably also without contact, in order to then draw conclusions about the "cell freedom" (the degree of depopulation during decellularization) and the "Regenerative Maturity" (the measure of tissue completion upon recellularization) of the tissue. In other words: the production of the tissue in the bioreactor is monitored online, i.e. during ongoing production, by measuring a number of tissue parameters of the tissue and then controlling a number of process parameters of the bioreactor depending on this, with the aim of optimizing the production . The fabric parameters indicate the current condition (also actual condition) of the fabric and thus also the progress and quality of production. In one possible embodiment, the tissue parameters are also referred to as “morphological and structural parameters”. The tissue parameters preferably include mass, volume, diameter or other dimensions, CIELAB colorimetry or equivalent, tissue stiffness, vessel pressure, vascular pressure, surface texture and/or transparency of the tissue. The process parameters, on the other hand, indicate the environmental modalities of production, i.e. the current state of the bioreactor, and thus characterize the environment of the tissue within the reactor chamber, i.e. the environmental conditions that the bioreactor provides for the production of the tissue, specifically through the medium within the reactor chamber. The process parameters preferably include pH value, pO 2 value and/or temperature.
Die Gewebeparameter bilden zusammen mit den Prozessparametern dann die Umgebungs- und Probenparametrik, welche insgesamt ein besonders detailliertes Bild über die Qualität des Gewebes liefert und entsprechend eine besonders optimale Rückkopplung ermöglicht. Die Rückkopplung erfolgt dabei vorzugsweise in zweierlei Hinsicht: erstens werden ein, mehrere oder alle Prozessparameter geeigneterweise abhängig von den Gewebeparametern angepasst, um eine optimale Herstellung zu erzielen. Zweitens werden ein, mehrere oder alle Prozessparameter geeigneterweise selbst auch gesteuert oder geregelt, um mit hoher Zuverlässigkeit eine definierte Umgebung während der Herstellung zu erhalten und eine ungewollte Veränderung der Prozessparameter zu verhindern.Together with the process parameters, the tissue parameters then form the environmental and sample parameters, which overall provide a particularly detailed picture of the quality of the tissue and correspondingly enable particularly optimal feedback. The feedback preferably takes place in two ways: first one, several or all process parameters are suitably adjusted depending on the tissue parameters in order to achieve optimal production. Secondly, one, several or all of the process parameters are suitably also controlled or regulated themselves in order to obtain a defined environment during production with a high level of reliability and to prevent an unwanted change in the process parameters.
Der hier vorgestellte Bioreaktor vereint somit eine vorteilhaft automatisierte Herstellung von Gewebe insbesondere in „top-down“-Technik mit einer Echtzeit-Parametrik, welche durch vorzugsweise umfangreiche Messungen gesteuert wird. Mit anderen Worten: die Analyseeinheit erzeugt ein Feedback bezüglich des Verlaufs der Herstellung, sodass diese Herstellung dynamisch und automatisch durch geeignete Steuerung der Prozessparameter je nach Bedarf angepasst wird. Der Bioreaktor realisiert somit eine automatisierte Herstellung. Insbesondere setzt die Steuereinheit hierzu die Gewebeparameter und die Prozessparameter in Verbindung zueinander und somit auch in einen physiologischen Kontext, welcher eine besonders geordnete Gewebereifung ermöglicht sowie auch eine Optimierung der Herstellung auf die Qualität des Gewebes. Wie genau diese Verbindung und dieser Kontext ausgestaltet sind, ist vorliegend zunächst nicht von Bedeutung und hängt stark von der konkreten Anwendung, dem Gewebe und der geforderten Qualität ab.The bioreactor presented here thus combines an advantageously automated production of tissue, in particular using “top-down” technology, with real-time parametrics, which is controlled by preferably extensive measurements. In other words, the analysis unit generates feedback on the course of the production, so that this production is dynamically and automatically adjusted as required by appropriate control of the process parameters. The bioreactor thus implements automated production. In particular, the control unit connects the tissue parameters and the process parameters to one another and thus also in a physiological context, which enables a particularly ordered tissue maturation and also an optimization of the production to the quality of the tissue. Exactly how this connection and this context are designed is initially not important in the present case and depends heavily on the specific application, the fabric and the required quality.
Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Bioreaktors ist insbesondere eine vorzugsweise kontaktlose und besonders ganzheitliche Echtzeit-Überwachung der Zellfreiheit (während der Dezellularisierung) und des Gewebewachstums (während der Rezellularisierung) im Bioreaktor, was Rückschlüsse über die Qualität des Gewebes zulässt, speziell ohne dieses zu zerstören oder aus dem Bioreaktor entnehmen zu müssen. Dies wird insbesondere durch die Analyseeinheit und die Konditionierungseinheit realisiert, welche in den Bioreaktor integriert sind. Der Bioreaktor eignet sich somit ganz besonders zur Regeneration von Weichgewebe und speziell Muskelgewebe, welches besonders schwierig herzustellen ist. Das Muskelgewebe ist dabei vorzugsweise Skelettmuskulatur (auch „3D-Skelettmuskulatur“) und keine glatte Muskulatur. Durch die online-Überwachung und Steuerung mittels Analyseeinheit, Konditionierungseinheit und Steuereinheit, ist nun jedoch Weichgewebe mit hoher Qualität herstellbar. Dabei muss der Bioreaktor zu keiner Zeit während der Herstellung gestoppt werden, um den Fortschritt und die Qualität der Herstellung zu bestimmen, dies erfolgt vorteilhaft online.A particular advantage of the bioreactor described here is in particular a preferably contactless and particularly holistic real-time monitoring of cell freedom (during decellularization) and tissue growth (during recellularization) in the bioreactor, which allows conclusions to be drawn about the quality of the tissue, especially without destroying it or have to be removed from the bioreactor. This is realized in particular by the analysis unit and the conditioning unit, which are integrated into the bioreactor. The bioreactor is therefore particularly suitable for the regeneration of soft tissue and especially muscle tissue, which is particularly difficult to produce. The muscle tissue is preferably skeletal muscle (also "3D skeletal muscle") and not smooth muscle. However, thanks to online monitoring and control by means of an analysis unit, conditioning unit and control unit, high-quality soft tissue can now be produced. The bioreactor does not have to be stopped at any time during production in order to determine the progress and quality of production; this is advantageously done online.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Konditionierungseinheit zwei Arme auf, zur Halterung des Weichgewebes in der Reaktorkammer. Ein jeweiliger Arm ist zweckmäßigerweise als Stab ausgebildet, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall. Die zwei Arme ragen von außerhalb der Reaktorkammer in diese hinein und sind relativ zueinander beweglich, um zur mechanischen Stimulation (d.h. Konditionierung) eine Kraft, insbesondere Zugkraft, auf das Weichgewebe auszuüben. In einer geeigneten Ausgestaltung ist ein jeweiliger Arm hierzu mit einem Linearmotor verbunden, sodass der Arm in einer Richtung vor- und zurückfahrbar ist. Die Richtung ist vorzugsweise die Richtung der Schwerkraft, das entspricht einer Längsrichtung der Reaktorkammer. Zweckmäßigerweise weisen die Arme endseitig jeweils ein Halteelement auf, z.B. eine Klemme, um das Gewebe zu halten und dieses zu dehnen und zu entdehnen (d.h. entspannen). Ein geeignetes Halteelement ist z.B. eine Bulldogklemme. Die Konditionierungseinheit ist somit vorteilhaft zur mechanischen Konditionierung des Gewebes während der Herstellung ausgebildet. Bevorzugterweise sind die Arme vertikal angeordnet, zur Halterung des Weichgewebes in Richtung der Schwerkraft (und insbesondere auch in Längsrichtung der Reaktorkammer) zwischen den Armen. Insbesondere ist einer der Arme ein oberer Arm und hält das Gewebe von oben und der andere Arm ist ein unterer Arm und hält das Gewebe von unten (bezüglich Längsrichtung und Schwerkraft).In a preferred embodiment, the conditioning unit has two arms for holding the soft tissue in the reactor chamber. A respective arm is expediently designed as a rod, for example made of plastic or metal. The two arms project into the reactor chamber from outside and are movable relative to each other to apply force, particularly traction, to the soft tissue for mechanical stimulation (i.e., conditioning). In a suitable embodiment, a respective arm is connected to a linear motor for this purpose, so that the arm can be moved back and forth in one direction. The direction is preferably the direction of gravity, which corresponds to a longitudinal direction of the reactor chamber. Conveniently, the arms each end with a holding member, such as a clamp, for holding the tissue and for stretching and expanding (i.e., relaxing) the tissue. A suitable holding element is e.g. a bulldog clamp. The conditioning unit is thus advantageously designed for mechanical conditioning of the tissue during manufacture. Preferably, the arms are arranged vertically to support the soft tissue in the direction of gravity (and in particular also in the longitudinal direction of the reactor chamber) between the arms. In particular, one of the arms is an upper arm and holds the fabric from above and the other arm is a lower arm and holds the fabric from below (in terms of longitudinal direction and gravity).
Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher die beiden Arme ausgebildet sind zur automatischen Zentrierung des Weichgewebes. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die Arme derart ausgebildet sind, dass das Gewebe in der Reaktorkammer automatisch in Längsrichtung ausgerichtet wird. In einer geeigneten Ausgestaltung weist der obere Arm ein Halteelement auf, welches um eine Schwenkachse senkrecht zur Längsrichtung schwenkbar ist, um eine horizontale Bewegung des Gewebes zu kompensieren. Der untere Arm weist vorzugsweise ein Halteelement auf, welches als ein Haken ausgebildet ist, mit einem geschwungenen Verlauf derart, dass eine Spitze gebildet ist, welche in Längsrichtung unterhalb des Halteelements des oberen Arms angeordnet ist. Das Gewebe wird dann zweckmäßigerweise an einem unteren Ende mit einer Halteschlaufe präpariert, welche in den Haken eingehängt wird. Die Arme werden dann auseinandergezogen, sodass die Halteschlaufe dann aufgrund des geschwungenen Verlaufs automatisch in die Spitze rutscht und dadurch dann das Gewebe automatisch zentriert ist. Die Spitze bildet umgekehrt betrachtet sozusagen ein lokales Minimum für die Bewegung des Gewebes, genauer gesagt für die Bewegung der Halteschlaufe. Die vorgenannte Ausgestaltung zur automatischen Zentrierung ist grundsätzlich unabhängig vom Vorhandensein eines Kraftsensors und kann auch ohne einen solchen verwirklicht werden. Die Halteschlaufe ist an sich insbesondere kein Teil des Bioreaktors, sondern wird vor dem Einsetzen des Gewebes in die Reaktorkammer am Gewebe angebracht.An embodiment in which the two arms are designed for automatic centering of the soft tissue is particularly expedient. This means in particular that the arms are designed in such a way that the tissue in the reactor chamber is automatically aligned in the longitudinal direction. In a suitable embodiment, the upper arm has a holding element which can be pivoted about a pivot axis perpendicular to the longitudinal direction in order to compensate for a horizontal movement of the tissue. The lower arm preferably has a holding element, which is formed as a hook, with a curved course such that a tip is formed, which is longitudinally arranged below the holding element of the upper arm. The tissue is then expediently prepared at a lower end with a holding loop which is hooked into the hook. The arms are then pulled apart so that the holding loop automatically slips into the tip due to the curved course and the tissue is then automatically centered. Conversely, the tip forms a local minimum for the movement of the tissue, so to speak, more precisely for the movement of the holding strap. The aforementioned configuration for automatic centering is fundamentally independent of the presence of a force sensor and can also be implemented without one. The hand strap itself is ins specifically not part of the bioreactor but is attached to the tissue before the tissue is inserted into the reactor chamber.
Bevorzugterweise weist die Analyseeinheit zumindest einen Kraftsensor auf, welcher an einem der Arme angebracht ist, zur mechanischen Vermessung des Gewebes. Der Kraftsensor ist bevorzugterweise am oberen Arm angebracht, d.h. an denjenigem Arm, welcher das Gewebe in der Reaktorkammer von oben hält und an welchem das Gewebe dann sozusagen in Längsrichtung der Reaktorkammer herunterhängt. Der Kraftsensor misst eine aktive oder passive Kraft des Weichgewebes oder beide. Dies wird auch als „mechanische Vermessung“, genauer als „biomechanische Vermessung“ bezeichnet und ist besonders relevant für Muskelgewebe. Der Kraftsensor wird vorzugsweise verwendet, um die Linearmotoren zu steuern oder zu regeln und auf diese Weise eine definierte Kraft (z.B. für eine bestimmte mechanische Spannung) einzustellen und/oder eine bestimmte Kraft (z.B. Kontraktionskraft) während des Wachstums des Gewebes zu erhalten.The analysis unit preferably has at least one force sensor, which is attached to one of the arms, for the mechanical measurement of the tissue. The force sensor is preferably attached to the upper arm, i.e. to that arm which holds the tissue in the reactor chamber from above and from which the tissue then hangs down, so to speak, in the longitudinal direction of the reactor chamber. The force sensor measures an active or passive soft tissue force or both. This is also known as "mechanical measurement", more precisely as "biomechanical measurement" and is particularly relevant for muscle tissue. The force sensor is preferably used to control or regulate the linear motors and in this way to set a defined force (e.g. for a certain mechanical tension) and/or to obtain a certain force (e.g. contraction force) during tissue growth.
Durch die Arme in Kombination mit dem Kraftsensor ist vorteilhaft eine kombinierte Konditionierung und Analytik realisiert, denn das Gewebe wird einerseits mit dem Kraftsensor analysiert (durch mechanische Vermessung) und mit den Armen konditioniert, insbesondere abhängig von der mechanischen Vermessung durch den Kraftsensor. Dabei wird beispielsweise ein Prozessparameter „Kraft (ausgeübt von den Armen)“ mit einem Gewebeparameter „aktive und/oder passive Kraft (des Gewebes)“ verknüpft. Aufgrund der bevorzugterweise vertikalen Anordnung der Arme wird dies auch als „vertikale Analytik und Konditionierung“ bezeichnet.Combined conditioning and analysis is advantageously realized by the arms in combination with the force sensor, because the tissue is analyzed with the force sensor (by mechanical measurement) and conditioned with the arms, in particular depending on the mechanical measurement by the force sensor. For example, a process parameter “force (exercised by the arms)” is linked to a tissue parameter “active and/or passive force (of the tissue)”. Due to the preferred vertical arrangement of the arms, this is also referred to as "vertical analysis and conditioning".
Im Gegensatz zur vertikalen Anordnung erschwert eine horizontale, d.h. um 90°gedrehte, Anordnung nachteilig eine biomechanische Vermessung auf passive und aktive Kräfte. Bei einer De- und Rezellularisierung verändert sich das Gewebe sowohl in seinem Volumen als auch in seiner Masse. Eine biomechanische Vermessung der aktiven oder passiven Kräfte unterliegt dementsprechend einer variierenden resultierenden Masse. Die gemessene Kraft wird demnach bei veränderter Masse durch einen sich verändernden systematischen Fehler verfälscht. Eine vertikale, aufrechte Messung, wie hier bevorzugt wird, unterliegt dagegen nicht diesem systematischen Fehler, da die Masse des Gewebes in Richtung der Konditionierung (z.B. Streckung oder Stauchung) wirkt. Beim Start der Messung wird zweckmäßigerweise zunächst eine Nullpunkt-Kalibrierung durchgeführt, wodurch die nachfolgende Messung unabhängig von der Masse des Gewebes durchgeführt werden kann und auch durchgeführt wird.In contrast to the vertical arrangement, a horizontal arrangement, i.e. rotated by 90°, disadvantageously complicates a biomechanical measurement of passive and active forces. During de- and recellularization, the tissue changes both in its volume and in its mass. A biomechanical measurement of the active or passive forces is accordingly subject to a varying resulting mass. The measured force is therefore falsified by a changing systematic error when the mass changes. A vertical, upright measurement, as preferred here, is not subject to this systematic error, since the mass of the tissue acts in the direction of conditioning (e.g. stretching or compression). When starting the measurement, a zero point calibration is expediently carried out first, as a result of which the subsequent measurement can be carried out independently of the mass of the tissue and is also carried out.
Zum Eintauchen und Entnehmen eines Gewebes aus der Reaktorkammer ist diese relativ zu den Armen zweckmäßigerweise höhenverstellbar, z.B. indem die Linearmotoren und die daran angebrachten Arme an einem Positioniertisch angebracht sind, z.B. einem z-Achsen-Positioniertisch.For immersion and removal of a tissue from the reactor chamber, the height of the reactor chamber is conveniently adjustable relative to the arms, e.g., by mounting the linear motors and attached arms to a positioning table, e.g., a z-axis positioning table.
Zweckmäßigerweise ist zur Entnahme und zum Transport der Reaktorkammer aus dem Bioreaktor eine Transportsicherung an der Reaktorkammer anbringbar. Die Transportsicherung weist insbesondere eine Transportklemme auf, welche mit einem Befestigungselement, z.B. Schraube, an den Armen befestigbar ist. Zunächst wird dann die Transportsicherung angebracht, danach werden die Arme vom restlichen Bioreaktor gelöst und die Reaktorkammer mit Armen und Transportsicherung kann sicher aus dem übrigen Bioreaktor entnommen werden, ohne dass das Gewebe in der Reaktorkammer verrutscht.A transport lock can expediently be attached to the reactor chamber for removing and transporting the reactor chamber from the bioreactor. The transport lock has in particular a transport clamp which can be fastened to the arms with a fastening element, e.g. screw. First the transport lock is attached, then the arms are detached from the rest of the bioreactor and the reactor chamber with arms and transport lock can be safely removed from the rest of the bioreactor without the tissue slipping in the reactor chamber.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Konditionierungseinheit zur elektrischen Stimulation (d.h. Konditionierung) des Weichgewebes zwei Elektroden auf, welche jeweils als ein Draht ausgebildet sind. Ein jeweiliger Draht verläuft entlang einem der beiden Arme in die Reaktorkammer hinein, zur direkten elektrischen Anbindung und Stimulation des Weichgewebes. Auf diese Weise ist eine Direktstimulation des Gewebes realisiert. Insgesamt ist die Konditionierungseinheit somit zur elektrischen Konditionierung des Gewebes ausgebildet. In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung weisen die beiden Arme jeweils einen Kanal auf, z.B. eine Einkerbung oder einen Hohlraum, in welche der jeweilige Draht eingesetzt ist, sodass dieser insgesamt innerhalb eines Querschnittprofils des Arms liegt und besonders geschützt und platzsparend in die Reaktorkammer geführt wird. Beispielsweise weist ein Arm aus Kunststoff eine seitliche Einkerbung auf, in welche der Draht eingelegt ist. In einer anderen Ausgestaltung ist ein Arm als Rohr oder Hohlzylinder aus Metall, z.B. Edelstahl, ausgebildet und innenseitig mit einem isolierenden Material beschichtet, sodass ein gegenüber dem Metall elektrisch isolierter Hohlraum gebildet ist, durch welchen der Draht geführt ist. Der Draht ist geeigneterweise ein Platindraht.In a preferred embodiment, the conditioning unit for electrical stimulation (i.e. conditioning) of the soft tissue has two electrodes, each of which is designed as a wire. A respective wire runs along one of the two arms into the reactor chamber for direct electrical connection and stimulation of the soft tissue. In this way, a direct stimulation of the tissue is realized. Overall, the conditioning unit is thus designed for electrical conditioning of the tissue. In a particularly expedient embodiment, the two arms each have a channel, e.g. a notch or a cavity, into which the respective wire is inserted, so that it lies overall within a cross-sectional profile of the arm and is guided into the reactor chamber in a particularly protected and space-saving manner. For example, a plastic arm has a lateral notch into which the wire is inserted. In another embodiment, an arm is designed as a tube or hollow cylinder made of metal, e.g. stainless steel, and is coated on the inside with an insulating material, so that a hollow space is formed which is electrically insulated from the metal and through which the wire is guided. The wire is suitably platinum wire.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Konditionierungseinheit zur elektrischen Stimulation (d.h. Konditionierung) des Weichgewebes zwei Elektroden (eine Anode und eine Kathode) auf, welche entlang einer Wandung der Reaktorkammer angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden vorzugsweise innerhalb der Reaktorkammer angeordnet und mit dem Medium innerhalb der Reaktorkammer in Kontakt, sodass zwischen den Elektroden und durch das Medium ein Strom fließt, zur elektrischen Stimulation des Gewebes. Die Elektroden sind vorzugsweise flächige Elektroden. Die Elektroden folgen insbesondere dem Verlauf der Wandung und sind vorzugsweise innenseitig an der Wandung angebracht. Die Elektroden dienen zur Erzeugung eines vorteilhaft (zumindest im Bereich des Gewebes) homogenen elektrischen Feldes innerhalb der Reaktorkammer. Auf diese Weise ist eine Feldstimulation des Gewebes realisiert. Insgesamt ist die Konditionierungseinheit somit zur elektrischen Konditionierung des Gewebes ausgebildet. Geeigneterweise weist die Reaktorkammer eine Höhe auf, und die Elektroden erstrecken sich im Wesentlichen (d.h. insbesondere wenigstens 90%) über die gesamte Höhe und/oder vorzugsweise jedenfalls über die gesamte Länge des Weichgewebes, in gleicher Richtung wie die Höhe gemessen. In einer geeigneten Ausgestaltung sind die beiden Elektroden aus einem elektrisch leitenden Polymer gefertigt.In a preferred embodiment, the conditioning unit for electrical stimulation (ie conditioning) of the soft tissue has two electrodes (an anode and a cathode) which are arranged along a wall of the reactor chamber. The electrodes are preferably arranged inside the reactor chamber and connected to the medium inside the reactor chamber Contact so that a current flows between the electrodes and through the medium to electrically stimulate the tissue. The electrodes are preferably flat electrodes. In particular, the electrodes follow the course of the wall and are preferably attached to the inside of the wall. The electrodes are used to generate an advantageously (at least in the area of the tissue) homogeneous electrical field within the reactor chamber. In this way, a field stimulation of the tissue is realized. Overall, the conditioning unit is thus designed for electrical conditioning of the tissue. Suitably the reactor chamber has a height and the electrodes extend substantially (ie in particular at least 90%) the full height and/or preferably anyhow the full length of the soft tissue measured in the same direction as the height. In a suitable embodiment, the two electrodes are made from an electrically conductive polymer.
Die beiden Elektroden sind zweckmäßigerweise als flächige Halbkreiselektroden ausgebildet, d.h. im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung halbkreisförmig, wobei ein schmaler Spalt zwischen den beiden Elektroden verbleibt, um eine elektrische Trennung zu erzielen. Bevorzugterweise ist die Reaktorkammer zylinderförmig und weist dadurch eine Mantelfläche auf, welche die Wandung bildet und entlang welcher die beiden Elektroden verlaufen. Die Wandung definiert auch die Breite der Reaktorkammer, welche hier dann einem Durchmesser der Reaktorkammer entspricht. Somit sind die beiden Elektroden insgesamt vorteilhaft derart angeordnet, dass das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden in horizontaler Richtung (d.h. senkrecht zur Schwerkraft) ausgebildet ist.The two electrodes are expediently designed as flat semicircular electrodes, i.e. semicircular in cross section perpendicular to the longitudinal direction, with a narrow gap remaining between the two electrodes in order to achieve electrical separation. The reactor chamber is preferably cylindrical and thus has a lateral surface which forms the wall and along which the two electrodes run. The wall also defines the width of the reactor chamber, which here then corresponds to a diameter of the reactor chamber. Thus, the two electrodes are advantageously arranged overall in such a way that the electric field between the two electrodes is formed in the horizontal direction (i.e. perpendicular to the force of gravity).
Speziell bei Muskelgewebe ist eine Direktstimulation nicht unbedingt von Vorteil, da der Verlauf des elektrischen Feldes entlang der Muskelfasern hierbei zu einem linear abnehmenden elektrischen Feld entlang der Muskelzellmembranen führt und daher die Zellen inhomogen stimuliert werden. Dies kann die Reifung des Gewebes und somit dessen Qualität maßgeblich negativ beeinflussen. Dies ist bei einer Feldstimulation, speziell senkrecht zur beschriebenen Direktstimulation, d.h. in Richtung einer Breite der Reaktorkammer (d.h. radial verlaufend), vorteilhaft nicht der Fall.In the case of muscle tissue in particular, direct stimulation is not necessarily an advantage, since the course of the electric field along the muscle fibers leads to a linearly decreasing electric field along the muscle cell membranes, and the cells are therefore stimulated inhomogeneously. This can have a significant negative effect on the maturation of the tissue and thus its quality. This is advantageously not the case with field stimulation, specifically perpendicular to the described direct stimulation, i.e. in the direction of a width of the reactor chamber (i.e. running radially).
Zweckmäßigerweise weist zumindest eine der Elektroden (vorzugsweise jede der beiden Elektroden) ein Fenster auf, durch welches hindurch mit der Analyseeinheit von außerhalb der Reaktorkammer aus einer oder mehrere der Gewebeparameter messbar sind, insbesondere aus unterschiedlichen Winkeln um die Längsrichtung herum. Die Elektroden bedecken die Reaktorkammer somit nicht zwingend vollständig, vielmehr ist ein Fenster ausgelassen, über welches die Analyseeinheit einen optischen Zugang in die Reaktorkammer hinein erhält. Abseits des Fensters überdecken die Elektroden dann jedoch die Wandung vorzugsweise vollständig. Vorzugsweise erstreckt sich das Fenster in Umfangsrichtung vollständig entlang der Wandung, d.h. um über den gesamten Umfang der Reaktorkammer (abgesehen von einem gegebenenfalls vorhandenen Kontaktsteg, siehe nachfolgend). Durch das Fenster sind die beiden Elektroden jeweils insbesondere in zwei Teilelektroden unterteilt, nämlich in Längsrichtung betrachtet eine obere Teilelektrode oberhalb des Fensters und eine untere Teilelektrode unterhalb des Fensters. Die beiden Teilelektroden einer einzelnen Elektrode sind zweckmäßigerweise über einen möglichst dünnen Kontaktsteg miteinander verbunden, sodass beide Teilelektroden ein gemeinsames Potential aufweisen.At least one of the electrodes (preferably each of the two electrodes) expediently has a window through which one or more of the tissue parameters can be measured with the analysis unit from outside the reactor chamber, in particular from different angles around the longitudinal direction. The electrodes therefore do not necessarily cover the reactor chamber completely; rather, a window is left out, through which the analysis unit has optical access into the reactor chamber. Away from the window, however, the electrodes then preferably completely cover the wall. The window preferably extends in the circumferential direction completely along the wall, i.e. around the entire circumference of the reactor chamber (apart from any contact land which may be present, see below). The two electrodes are divided by the window in particular into two sub-electrodes, namely an upper sub-electrode above the window and a lower sub-electrode below the window when viewed in the longitudinal direction. The two sub-electrodes of a single electrode are expediently connected to one another via a contact bridge that is as thin as possible, so that both sub-electrodes have a common potential.
Die Größe der Elektroden und des Fensters ist insbesondere abhängig von der Größe des Gewebes. Zweckmäßigerweise sind die Elektroden derart dimensioniert und in der Reaktorkammer angeordnet, dass das Fenster mittig bezüglich des Gewebes ausgerichtet ist und dennoch ein Großteil (d.h. insbesondere wenigstens 30%) des Gewebes von den Elektroden überdeckt wird. Dadurch ist einerseits sichergestellt, dass das Gewebe ausreichend elektrisch konditioniert wird und andererseits, dass eine optimale Analyse möglich ist. Dabei eignet sich besonders ein mittiger Bereich des Gewebes für eine Analyse, da hier die Regeneration und/oder Reifung gegenüber den Enden des Gewebes hinterherläuft.The size of the electrodes and the window is particularly dependent on the size of the tissue. The electrodes are expediently dimensioned and arranged in the reactor chamber in such a way that the window is aligned centrally with respect to the tissue and yet a large part (i.e. in particular at least 30%) of the tissue is covered by the electrodes. This ensures, on the one hand, that the tissue is sufficiently electrically conditioned and, on the other hand, that an optimal analysis is possible. A central area of the tissue is particularly suitable for an analysis, since here the regeneration and/or maturation lags behind the ends of the tissue.
Durch die beiden Elektroden in Kombination mit dem Fenster zur Analyse von außen ist vorteilhaft eine weitere kombinierte Konditionierung und Analytik realisiert, denn das Gewebe wird einerseits insbesondere mit einem optischen Sensor durch das Fenster hindurch analysiert und mit den Elektroden konditioniert, insbesondere abhängig von der Messung, welche von der Analyseeinheit durch das Fenster hindurch durchgeführt wird. Dabei wird beispielsweise ein Prozessparameter „elektrisches Feld (zwischen den Elektroden)“ mit einem Gewebeparameter „Transparenz“, „Oberflächentextur“, oder anderem (siehe z.B. weiter oben) verknüpft. Aufgrund der bevorzugten horizontalen Anordnung der Elektroden und insbesondere auch der Messung senkrecht zur Längsrichtung wird dies auch als „horizontale Analytik und Konditionierung“ bezeichnet.Through the two electrodes in combination with the window for analysis from the outside, a further combined conditioning and analysis is advantageously realized, because the tissue is analyzed through the window in particular with an optical sensor and conditioned with the electrodes, in particular depending on the measurement, which is carried out by the analysis unit through the window. For example, a process parameter "electrical field (between the electrodes)" is linked to a tissue parameter "transparency", "surface texture" or something else (see e.g. above). Due to the preferred horizontal arrangement of the electrodes and in particular the measurement perpendicular to the longitudinal direction, this is also referred to as "horizontal analysis and conditioning".
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die vertikale Analytik und Konditionierung mit der horizontalen Analytik und Konditionierung kombiniert sind. Vorteilhaft ist auch eine Kombination derart, dass die vertikale Analytik mit der horizontalen Konditionierung verknüpft ist und/oder umgekehrt die horizontale Analytik mit der vertikalen Konditionierung. Grundsätzlich sind die Gewebeparameter und die Prozessparameter je nach Bedarf und je nach Anforderung miteinander verknüpfbar.An embodiment in which the vertical analysis and conditioning are combined with the horizontal analysis and conditioning is particularly preferred. A combination such that the vertical analysis is linked to the horizontal conditioning and/or is also advantageous the reverse the horizontal analysis with the vertical conditioning. In principle, the tissue parameters and the process parameters can be linked to one another as required and as required.
Vorzugsweise ist der Bioreaktor einerseits zur Dezellularisierung insbesondere eines Spendergewebes ausgebildet und andererseits auch zur Rezellularisierung eines Gewebegerüsts, welches zuvor insbesondere aus dem Spendergewebe durch die Dezellularisierung gewonnen wurde. Hierzu ist der Bioreaktor zweckmäßigerweise umschaltbar zwischen einem entsprechenden Dezellularisierungs-Betrieb, in welchem eine Dezellularisierung erfolgt, und einem Rezellularisierungs-Betrieb, in welchem eine Rezellularisierung erfolgt. Vorteilhafterweise verbleibt beim Umschalten das Gewebe (genauer das Gewebegerüst) in der Reaktorkammer, eine Entnahme ist nicht erforderlich. In einer geeigneten Ausgestaltung hierfür weist der Bioreaktor ein erstes Umschaltelement auf, beispielsweise ein 3-Wegeventil. Das erste Umschaltelement verbindet die Reaktorkammer wahlweise mit einem ersten Reservoir oder einem zweiten Reservoir, welche beide Teile des Bioreaktors sind. Das erste Reservoir enthält ein erstes, zellzerstörendes Medium zur Dezellularisierung und das zweite Reservoir enthält ein zweites, physiologisches Medium für eine Rezellularisierung, sodass mittels des ersten Umschaltelements einstellbar ist, welches der beiden Medien in die Reaktorkammer einströmt. Für die Dezellularisierung wird das erste Reservoir mit der Reaktorkammer fluidisch verbunden, für die Rezellularisierung analog das zweite Reservoir. Beide Reservoirs sind dabei insbesondere an denselben Medieneingang der Reaktorkammer angeschlossen, das erste Umschaltelement ist dann diesem Medieneingang vorgeschaltet. Zweckmäßigerweise weist der Bioreaktor noch eine Pumpe auf, zur Förderung des jeweiligen Mediums. Die Pumpe ist geeigneterweise zwischen dem ersten Umschaltelement und dem Medieneingang angeordnet.The bioreactor is preferably designed on the one hand for the decellularization, in particular of a donor tissue, and on the other hand also for the recellularization of a tissue framework which was previously obtained in particular from the donor tissue by the decellularization. For this purpose, the bioreactor can expediently be switched between a corresponding decellularization mode, in which decellularization takes place, and a recellularization mode, in which recellularization takes place. Advantageously, the tissue (more precisely, the tissue structure) remains in the reactor chamber when switching over, removal is not necessary. In a suitable configuration for this purpose, the bioreactor has a first switching element, for example a 3-way valve. The first switching element connects the reactor chamber either to a first reservoir or to a second reservoir, both of which are parts of the bioreactor. The first reservoir contains a first, cell-destroying medium for decellularization and the second reservoir contains a second, physiological medium for recellularization, so that the first switching element can be used to set which of the two media flows into the reactor chamber. For the decellularization, the first reservoir is fluidically connected to the reactor chamber, for the recellularization the second reservoir is connected analogously. Both reservoirs are in particular connected to the same media inlet of the reactor chamber, the first switching element is then connected upstream of this media inlet. The bioreactor also expediently has a pump for conveying the respective medium. The pump is suitably arranged between the first switching element and the media inlet.
Das erste Umschaltelement wird von der Steuereinheit zweckmäßigerweise abhängig von den Gewebeparametern und/oder Prozessparametern gesteuert. Denn durch die Gewebeparameter und/oder die Prozessparameter ist es möglich, den Fortschritt der Dezellularisierung zu erkennen und dann im geeignetsten Zeitpunkt die Dezellularisierung zu beenden und die Rezellularisierung zu starten. Dazwischen erfolgt zweckmäßigerweise ein Spülschritt (d.h. ein Prozessschritt zum Spülen), in welchem das Gewebegerüst und die Reaktorkammer mit deionisiertem Wasser gespült werden. Insbesondere wird auch hier das erste Umschaltelement entsprechend gesteuert. Insgesamt ergibt sich somit ein vollständig automatisiertes Verfahren, bei welchem vollautomatisch und abhängig von den Gewebe- und/oder Prozessparametern zwischen den verschiedenen Prozessschritten der Dezellularisierung und Rezellularisierung und gegebenenfalls einem Spülschritt umgeschaltet wird. Durch die Berücksichtigung der Gewebe- und/oder Prozessparameter ist das Umschalten vorteilhaft adaptiv und erfolgt zum optimalen Zeitpunkt. Beispielsweise zeigen ein oder mehrere Gewebeparameter an, dass keine Zellen mehr vorhanden sind, woraus sich ergibt, dass die Dezellularisierung abgeschlossen ist und die Rezellularisierung beginnen kann.The first switching element is expediently controlled by the control unit as a function of the tissue parameters and/or process parameters. This is because the tissue parameters and/or the process parameters make it possible to recognize the progress of the decellularization and then to end the decellularization and start the recellularization at the most suitable point in time. A rinsing step (i.e. a process step for rinsing) is expediently carried out in between, in which the tissue framework and the reactor chamber are rinsed with deionized water. In particular, the first switching element is also controlled accordingly here. Overall, this results in a fully automated method in which there is a switchover fully automatically and depending on the tissue and/or process parameters between the various process steps of decellularization and recellularization and optionally a rinsing step. By taking the tissue and/or process parameters into account, switching is advantageously adaptive and takes place at the optimum point in time. For example, one or more tissue parameters indicate that there are no more cells, indicating that decellularization is complete and recellularization can begin.
Der Medienausgang der Reaktorkammer ist geeigneterweise wieder mit dem ersten und dem zweiten Reservoir verbunden, sodass zwei Kreisläufe gebildet sind, einer für die Dezellularisierung und einer für die Rezellularisierung. Vorzugsweise weist der Bioreaktor stromab des Medienausgangs der Reaktorkammer analog ein zweites Umschaltelement, z.B. ein 3-Wegeventil auf, welches das Medium aus der Reaktorkammer wahlweise in das erste oder das zweite Reservoir zurückführt. Im Dezellularisierungsbetrieb wird das Medium vorzugsweise zum ersten Reservoir zurückgeführt, im Rezellularisierungs-Betrieb dann zum zweiten Reservoir. Zwischen Medienausgang und zweitem Umschaltelement ist geeigneterweise wiederum eine Pumpe zur Förderung des Mediums angeordnet. Auf dem Weg des Mediums von der Reaktorkammer zu dem jeweiligen Reservoir ist zusätzlich zweckmäßigerweise jeweils eine Entnahmestelle (oder auch Rückstand) angeordnet, zum Auslassen von Medium aus dem Bioreaktor und/oder zum Druckausgleich. Alternativ oder zusätzlich zweigt stromab des Medienausgangs und vorzugsweise noch vor der Pumpe ein Rückstandszweig ab, zur Ausgabe von Rückständen. Auf dem Rückstandszweig sind zweckmäßigerweise ebenfalls eine Pumpe sowie weiter ein Rückschlagventil angeordnet.The media outlet of the reactor chamber is suitably reconnected to the first and the second reservoir so that two circuits are formed, one for decellularization and one for recellularization. Preferably, the bioreactor has a second switching element downstream of the media outlet of the reactor chamber, e.g. a 3-way valve, which selectively returns the medium from the reactor chamber to the first or the second reservoir. In the decellularization mode, the medium is preferably returned to the first reservoir, in the recellularization mode then to the second reservoir. A pump for conveying the medium is again suitably arranged between the medium outlet and the second switching element. On the path of the medium from the reactor chamber to the respective reservoir, an extraction point (or also a residue) is expediently additionally arranged in each case for the discharge of medium from the bioreactor and/or for pressure equalization. Alternatively or additionally, a residue branch branches off downstream of the media outlet and preferably before the pump, for dispensing residues. A pump and also a check valve are expediently also arranged on the residue branch.
Das erste, zellzerstörende Medium ist in einer geeigneten Ausgestaltung deionisiertes Wasser oder SDS (d.h. Natriumlaurylsulfat, z.B. 0,1-%iges SDS) oder eine Kombination hiervon. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher das erste Reservoir wahlweise mit deionisiertem Wasser oder mit SDS oder mit einer Mischung aus diesen beiden befüllbar ist.The first cell disrupting medium is in a suitable embodiment deionized water or SDS (i.e. sodium lauryl sulphate, e.g. 0.1% SDS) or a combination thereof. An embodiment is preferred in which the first reservoir can be optionally filled with deionized water or with SDS or with a mixture of these two.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Bioreaktor ausgebildet ist zum Spülen der Reaktorkammer nach einer Dezellularisierung und vor einer Rezellularisierung, indem das erste Reservoir mit deionisiertem Wasser befüllt wird und dann die Reaktorkammer aus dem ersten Reservoir heraus gespült wird. Mit anderen Worten: in einem Spülschritt (siehe auch weiter oben) wird die Reaktorkammer speziell nach einer Dezellularisierung oder auch allgemein zur Reinigung mit deionisiertem Wasser gespült, um eventuelle Reste von SDS vor der Rezellularisierung aus der Reaktorkammer und insbesondere auch aus dem Gewebegerüst herauszuspülen. Hierzu wird in einem entsprechenden Prozessschritt (d.h. in dem Spülschritt) zweckmäßigerweise das erste Reservoir mit deionisiertem Wasser befüllt und dann die Reaktorkammer aus dem ersten Reservoir heraus gespült. Hierzu weist der Bioreaktor entsprechen ein oder mehrere Umschaltelemente (z.B. Ventile) auf, welche entsprechend geeignet von der Steuereinheit angesteuert werden. Auch das Spülen im Spülschritt erfolgt vorteilhaft automatisiert, ohne dass die Reaktorkammer geöffnet werden muss oder das Gewebe entnommen werden muss. Der Spülschritt wird auch am Ende der Dezellularisierung automatisch eingeleitet, da das Ende der Dezellularisierung durch Messung der Gewebeparameter erkannt wird.Also particularly advantageous is an embodiment in which the bioreactor is designed to flush the reactor chamber after decellularization and before recellularization by filling the first reservoir with deionized water and then flushing the reactor chamber out of the first reservoir. In other words: in a rinsing step (see also above), the reactor chamber is specially cleaned for decellularization tion or generally for cleaning with deionized water, in order to flush out any residues of SDS before recellularization from the reactor chamber and in particular from the tissue framework. For this purpose, in a corresponding process step (ie in the rinsing step), the first reservoir is expediently filled with deionized water and the reactor chamber is then rinsed out of the first reservoir. For this purpose, the bioreactor has one or more switching elements (eg valves) which are suitably controlled by the control unit. The rinsing in the rinsing step is also advantageously automated, without the reactor chamber having to be opened or the tissue having to be removed. The rinsing step is also initiated automatically at the end of the decellularization, since the end of the decellularization is detected by measuring the tissue parameters.
Geeigneterweise wird das deionisierte Wasser aus einer Wasserzufuhr zugeführt, welche bezüglich der Schwerkraft höher liegt als die Reaktorkammer, sodass das deionisierte Wasser rein gravitativ zugeführt wird und zu dessen Förderung keine Pumpe benötigt wird, sodass auf eine solche auch verzichtet wird.Suitably, the deionized water is supplied from a water supply which is higher than the reactor chamber in terms of gravity, so that the deionized water is supplied purely by gravity and no pump is required to pump it, so that one is also dispensed with.
Das zweite, physiologische Medium dient insbesondere zur Stabilisierung und Nährstoffversorgung der Zellen im Rezellularisierungs-Betrieb. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das zweite Medium eine Ringerlösung. Die genauen Details des physiologischen Mediums sind vorliegend jedoch von untergeordneter Bedeutung und zudem abhängig von dem Gewebe, welches mit dem Bioreaktor hergestellt werden soll.The second, physiological medium serves in particular to stabilize and supply nutrients to the cells in the recellularization process. In a suitable embodiment, the second medium is a Ringer's solution. However, the precise details of the physiological medium are of secondary importance in the present case and also depend on the tissue that is to be produced with the bioreactor.
Die eigentlichen Zellen zur Rezellularisierung werden insbesondere separat zugeführt, d.h. separat zu den Medien, welche aus dem ersten und zweiten Reservoir zugeführt werden. Die Zellen werden damit gerade nicht über den Medieneingang der Reaktorkammer zugeführt, sondern vorzugsweise über einen arteriellen Zugang direkt in das Gewebe (genauer: Gewebegerüst). Hierzu weist die Reaktorkammer geeigneterweise einen entsprechenden arteriellen Zugang auf, über welchen ein Zellkulturmedium aus einem dritten Reservoir gemeinsam mit Zellen dem Weichgewebe zur Rezellularisierung zuführbar ist. Die Zellen werden somit zunächst einem Zellkulturmedium zugegeben und diese Mischung wird dann über den arteriellen Zugang in die Reaktorkammer geführt. Der arterielle Zugang ist z.B. eine Leitung, welche in das Gewebe führt. Das Zellkulturmedium wird auch als Nährlösung bezeichnet und ist insbesondere eine Flüssigkeit. Der Bioreaktor weist entsprechend eine Zufuhr für das Zellkulturmedium auf, welche in das dritte Reservoir führt. Auf dem Weg zur Reaktorkammer werden dem Zellkulturmedium dann die Zellen aus einer Zellzufuhr beigemischt, wobei unter „beimischen“ nicht zwingend „vermischen“ verstanden wird, sondern allgemeiner, dass über den arteriellen Zugang das Zellkulturmedium und die Zellen entweder zusammen oder nacheinander und vorteilhaft über dieselbe Leitung in die Reaktorkammer geführt werden.The actual cells for recellularization are in particular supplied separately, i.e. separately from the media which are supplied from the first and second reservoir. The cells are thus not fed into the reactor chamber via the media inlet, but preferably directly into the tissue (more precisely: tissue scaffold) via an arterial access. For this purpose, the reactor chamber suitably has a corresponding arterial access, via which a cell culture medium from a third reservoir together with cells can be supplied to the soft tissue for recellularization. The cells are thus first added to a cell culture medium and this mixture is then fed into the reactor chamber via the arterial access. The arterial access is e.g. a line that leads into the tissue. The cell culture medium is also referred to as a nutrient solution and is in particular a liquid. Accordingly, the bioreactor has a supply for the cell culture medium, which leads into the third reservoir. On the way to the reactor chamber, the cells from a cell supply are then mixed into the cell culture medium, whereby "mixing in" does not necessarily mean "mixing", but more generally that the cell culture medium and the cells are either together or sequentially and advantageously via the arterial access Line are guided into the reactor chamber.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das dritte Reservoir über eine Leitung mit der Reaktorkammer verbunden ist, wobei entlang der Leitung ein Beladungsventil, insbesondere „HPLC“-Ventil (HPLC = Hochleistungsflüssigkeitschromatographie), angeordnet ist, zur Zufuhr der Zellen. Dabei ist das Beladungsventil derart ausgebildet, dass durch Umschalten desselben ein Fluidabschnitt aus Zellen zwischen zwei Fluidabschnitten aus Zellkulturmedium eingesetzt wird. Mit anderen Worten: mit dem Beladungsventil werden zwei Ströme sozusagen miteinander verwoben, nämlich ein erster Strom aus Zellkulturmedium und ein zweiter Strom aus Zellen. Entlang der Leitung ergeben sich dann mehrere in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Fluidabschnitte aus unterschiedlichen Medien, nämlich Zellkulturmedium einerseits und Zellen andererseits. Geeigneterweise ist das Beladungsventil ein 6-Wegeventil und weist entsprechend sechs Anschlüsse auf, welche paarweise miteinander verbunden sind, sodass sich drei Paare ergeben, wobei je zwei benachbarte Anschlüsse miteinander verbunden sind, sodass einer als Eingang und der andere als Ausgang nutzbar ist. Ebenfalls geeignet sind auch andere Anzahlen von Eingängen, z.B. acht, vorzugsweise jedoch wenigstens sechs. Mit steigender Anzahl an Eingängen ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, Zellen aus verschiedenen Quellen zuzuführen, ohne den Bioreaktor und speziell die Zellzufuhr umbauen zu müssen.An embodiment in which the third reservoir is connected to the reactor chamber via a line is particularly advantageous, with a loading valve, in particular an “HPLC” valve (HPLC=high-performance liquid chromatography), being arranged along the line for supplying the cells. The loading valve is designed in such a way that by switching it over, a fluid section made of cells is inserted between two fluid sections made of cell culture medium. In other words: with the loading valve, two streams are, as it were, interwoven, namely a first stream of cell culture medium and a second stream of cells. Along the line there are then a number of fluid sections which follow one another in the flow direction and consist of different media, namely cell culture medium on the one hand and cells on the other. The loading valve is suitably a 6-way valve and accordingly has six ports which are connected to one another in pairs, resulting in three pairs, with two adjacent ports being connected to one another so that one can be used as an input and the other as an output. Other numbers of inputs are also suitable, for example eight, but preferably at least six. With an increasing number of inputs, there is in particular the possibility of supplying cells from different sources without having to rebuild the bioreactor and specifically the cell supply.
Das Beladungsventil wird allgemein genutzt, um Zellen von außen in das Weichgewebe einzubringen. Dabei werden in einer ersten Schaltstellung des Beladungsventils die Zellen von außen hinzugegeben und durch das Beladungsventil hindurchgeströmt, jedoch noch nicht in die Leitung hinein, bis dann in einem Rückstand stromab des Beladungsventils ein Strom an Zellen sichtbar ist. Daraufhin wird das Beladungsventil in eine zweite Schaltstellung umgeschaltet, zur Zufuhr der Zellen in die Leitung. Dadurch werden die Zellen direkt in das Gewebe geführt, während nun das Zellmedium direkt in den Rückstand fließt, ohne den Strom an Zellkulturmedium zu stoppen. Nach fertiger Zufuhr der Zellen wird das Beladungsventil wieder umgeschaltet, insbesondere in die erste Schaltstellung sodass wieder Zellkulturmedium in die Reaktorkammer strömt, jedoch keine Zellen mehr, die Zellzufuhr ist vielmehr wieder mit dem Rückstand verbunden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Zellen bei deren Zufuhr keinen Scherkräften unterliegen, denn die beiden Ströme aus Zellkulturmedium einerseits und Zellen andererseits werden nicht miteinander vermischt, sondern partiell ausgetauscht, d.h. ein Fluidabschnitt des Zellkulturmediums wird verworfen (d.h. in den Rückstand gefördert) und durch einen Fluidabschnitt aus Zellen ersetzt, sodass sich entlang der Leitung betrachtet drei Fluidabschnitt ergeben, nämlich ein Fluidabschnitt aus Zellen, welcher zwischen zwei Fluidabschnitten aus Zellkulturmedium angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch ein besonders geeigneter Teil der Zellen zugeführt wird, denn durch das Beladungsventil wird verhindert, dass ein Kopfstrom mit etwaigen Luftblasen oder ein Reststrom mit etwaigen Zelltrümmern oder totem Zellmaterial beigemischt werden, diese werden vielmehr in den Rückstand verworfen. Lediglich ein Mittenabschnitt wird letztendlich in die Reaktorkammer eingeströmt.The loading valve is commonly used to introduce cells into the soft tissue from the outside. In a first switching position of the loading valve, the cells are added from the outside and flow through the loading valve, but not yet into the line, until a stream of cells is visible in a residue downstream of the loading valve. The loading valve is then switched over to a second switching position to feed the cells into the line. This will feed the cells directly into the tissue while now the cell medium will flow directly into the residue without stopping the flow of cell culture medium. After the cells have been fed in, the loading valve is switched over again, in particular to the first switch position, so that cell culture medium flows into the reactor chamber again, but no more cells; the cell feed is connected to the residue again. This results in the advantage that the cells are not subject to any shear forces when they are supplied, because the two Flows of cell culture medium on the one hand and cells on the other hand are not mixed with each other, but partially exchanged, i.e. a fluid section of the cell culture medium is discarded (i.e. conveyed into the residue) and replaced by a fluid section made of cells, so that viewed along the line three fluid sections result, namely a Fluid segment of cells, which is arranged between two fluid segments of cell culture medium. Another advantage is that a particularly suitable part of the cells is also fed in, because the loading valve prevents a top flow with any air bubbles or a residual flow with any cell debris or dead cell material from being mixed in, these are instead discarded in the residue. Only a mid-section will ultimately flow into the reactor chamber.
Zweckmäßigerweise weist das Beladungsventil einen Temperatursensor auf, welcher mit einem Temperierungselement z.B. ebenfalls im Beladungsventil und/oder im dritten Reservoir verbunden ist. Mit dem Temperatursensor wird eine Temperatur der Zellen und/oder des Zellkulturmediums gemessen und somit überwacht und abhängig davon das Temperierungselement gesteuert, um etwaige Temperaturschwankungen auszugleichen. Eine Temperaturschwankung ergibt sich beispielsweise dadurch, dass die Zellen eine andere Temperatur aufweisen als das Zellmedium. Durch die Steuerung des Temperierungselements wird dann ein für die Zellen nachteiliger Temperaturschock verhindert.The loading valve expediently has a temperature sensor which is connected to a temperature control element, for example also in the loading valve and/or in the third reservoir. A temperature of the cells and/or the cell culture medium is measured with the temperature sensor and is thus monitored and the temperature control element is controlled as a function thereof in order to compensate for any temperature fluctuations. A temperature fluctuation results, for example, from the fact that the cells have a different temperature than the cell medium. A temperature shock that is disadvantageous for the cells is then prevented by controlling the temperature control element.
Die Verwendung des Beladungsventils ist grundsätzlich unabhängig von der Zufuhr über den arteriellen Zugang und auch generell zur Zufuhr der Zellen zweckmäßig.The use of the loading valve is fundamentally independent of the supply via the arterial access and is also generally expedient for the supply of the cells.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auch das erste und das zweite Medium über den arteriellen Zugang in die Reaktorkammer einströmbar. Dies hat den Vorteil, dass in einem entsprechenden Prozessschritt auch das Gewebe direkt mit dem ersten und dem zweiten Medium spülbar ist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist stromab des dritten Reservoirs ein drittes Umschaltelement, z.B. 3-Wegeventil, angeordnet, welches derart umschaltbar ist, dass wahlweise das Zellkulturmedium oder eines der beiden Medien aus dem ersten und zweiten Reservoir zum arteriellen Zugang gelangt. Eine Auswahl von erstem oder zweiten Medium erfolgt geeigneterweise mittels eines weiteren, vierten Umschaltelements, z.B. wiederum ein 3-Wegeventil, welches stromauf des zuvor genannten dritten Umschaltventils angeordnet ist und dieses wahlweise mit dem ersten oder zweiten Reservoir verbindet. Auf diese Weise lässt sich insbesondere auch automatisiert eine umfangreiche Spülung wahlweise mit physiologischem Medium oder zellzerstörendem Medium vornehmen, ohne den Bioreaktor umbauen zu müssen. Hierzu werden die Umschaltelemente entsprechend der Prozessführung des Bioreaktors von der Steuereinheit geeignet angesteuert.In an advantageous embodiment, the first and the second medium can also flow into the reactor chamber via the arterial access. This has the advantage that the tissue can also be rinsed directly with the first and the second medium in a corresponding process step. In a suitable embodiment, a third switching element, e.g. A selection of the first or second medium is suitably made by means of a further, fourth switching element, e.g. again a 3-way valve, which is arranged upstream of the aforementioned third switching valve and connects it optionally to the first or second reservoir. In this way, extensive rinsing with either a physiological medium or a cell-destroying medium can also be carried out automatically, in particular, without having to convert the bioreactor. For this purpose, the switching elements are suitably controlled by the control unit in accordance with the process control of the bioreactor.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist einer der Prozessparameter ein partieller Sauerstoffdruck, d.h. pO2-Wert, z.B. in der Reaktorkammer oder des Mediums auf dem Weg dorthin. Die Konditionierungseinheit weist hierbei eine Gaszufuhr auf, zur Zufuhr von Sauerstoff in das zweite Reservoir, d.h. zum physiologischen Medium. Die Gaszufuhr liefert beispielsweise Luft, welche Sauerstoff enthält, oder ein Gasgemisch mit Sauerstoff und wenigstens einem anderen Gas, wobei allgemein der Anteil an Sauerstoff vorzugsweise einstellbar ist. Die Steuereinheit steuert dann die Gaszufuhr (d.h. die Zufuhr von Gas insgesamt und/oder den Anteil an Sauerstoff, sofern dieser einstellbar ist) abhängig von dem partiellen Sauerstoffdruck. Die Konditionierungseinheit ist somit ausgebildet, zur Konditionierung des Gewebes mit einem bestimmen pO2-Wert. Die Gaszufuhr ermöglicht eine Zufuhr von Sauerstoff. Durch die Zufuhr von Sauerstoff in das zweite Reservoir wird dann der pO2-Wert eingestellt. Geeigneterweise ist entlang des Weges des zweiten Mediums vom zweiten Reservoir zur Reaktorkammer ein Sauerstoffsensor angeordnet, zur Messung des pO2-Wertes des Mediums zwecks Steuerung der Gaszufuhr.In a suitable embodiment, one of the process parameters is a partial oxygen pressure, ie pO 2 value, for example in the reactor chamber or the medium on the way there. In this case, the conditioning unit has a gas supply for supplying oxygen to the second reservoir, ie to the physiological medium. The gas feed supplies air, for example, which contains oxygen, or a gas mixture with oxygen and at least one other gas, with the proportion of oxygen generally being preferably adjustable. The control unit then controls the gas supply (ie the total supply of gas and/or the proportion of oxygen, if this is adjustable) as a function of the partial oxygen pressure. The conditioning unit is thus designed to condition the tissue with a specific pO 2 value. The gas supply enables a supply of oxygen. The pO 2 value is then set by supplying oxygen to the second reservoir. Suitably, an oxygen sensor is placed along the path of the second medium from the second reservoir to the reactor chamber for measuring the pO 2 value of the medium for the purpose of controlling the gas supply.
Alternativ oder zusätzlich ist in einer geeigneten Ausgestaltung einer der Prozessparameter ein pH-Wert, z.B. in der Reaktorkammer oder des Mediums auf dem Weg dorthin. Die Konditionierungseinheit weist hierbei eine CO2-Zufuhr auf, zur Zufuhr von CO2 in das zweite Reservoir und die Steuereinheit steuert die CO2-Zufuhr abhängig von dem pH-Wert. Die Konditionierungseinheit ist somit ausgebildet, zur Konditionierung des Gewebes mit einem bestimmen pH-Wert. Geeigneterweise ist entlang des Weges des zweiten Mediums vom zweiten Reservoir zur Reaktorkammer ein pH-Sensor angeordnet, zur Messung des pH-Wertes des Mediums zwecks Steuerung der CO2-Zufuhr. Zudem gelten die Ausführungen zum pO2-Wert analog auch für den pH-Wert.Alternatively or additionally, in a suitable embodiment, one of the process parameters is a pH value, for example in the reactor chamber or in the medium on the way there. In this case, the conditioning unit has a CO 2 supply for supplying CO 2 into the second reservoir, and the control unit controls the CO 2 supply as a function of the pH value. The conditioning unit is thus designed to condition the tissue with a specific pH value. A pH sensor is suitably placed along the path of the second medium from the second reservoir to the reactor chamber for measuring the pH of the medium for the purpose of controlling the CO 2 supply. In addition, the comments on the pO 2 value also apply analogously to the pH value.
Eine Steuerung des pH-Werts und/oder des pO2-Werts wie oben für das zweite Medium beschrieben ist alternativ oder zusätzlich auch vorteilhaft für das Zellkulturmedium aus dem dritten Reservoir und in einer geeigneten Ausgestaltung analog umgesetzt.Controlling the pH value and/or the pO 2 value as described above for the second medium is alternatively or additionally also advantageous for the cell culture medium from the third reservoir and implemented analogously in a suitable embodiment.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist einer der Prozessparameter eine Temperatur, z.B. in der Reaktorkammer oder des Mediums auf dem Weg dorthin. Die Konditionierungseinheit weist hierbei ein Temperierungselement, z.B. eine Heizung, auf, zur Temperierung des jeweiligen Mediums. Geeigneterweise ist in dem ersten Reservoir, in dem zweiten Reservoir und/oder in dem dritten Reservoir ein jeweiliges Temperierungselement angeordnet, zur Temperierung des entsprechenden Mediums. Ein oder mehrere Temperatursensoren messen dann die Temperatur des jeweiligen Mediums und die Steuereinheit steuert dann entsprechend die Temperierungselemente an, um in der Reaktorkammer eine bestimmte Temperatur einzustellen. Beispielsweise misst ein erster Temperatursensor die Temperatur in der Reaktorkammer und abhängig davon steuert die Steuereinheit die Temperierungselemente im ersten und zweiten Reservoir, während ein zweiter Temperatursensor die Temperatur des Zellkulturmediums auf dem Weg vom dritten Reservoir zur Reaktorkammer misst und die Steuereinheit abhängig hiervon das Temperierungselement im dritten Reservoir steuert.In an advantageous embodiment, one of the process parameters is a temperature, for example in the reactor chamber or of the medium on the way there. In this case, the conditioning unit has a temperature control element, for example a heater, for temperature control of the respective medium. suitable Alternatively, a respective temperature control element is arranged in the first reservoir, in the second reservoir and/or in the third reservoir for the purpose of temperature control of the corresponding medium. One or more temperature sensors then measure the temperature of the respective medium and the control unit then controls the temperature control elements accordingly in order to set a specific temperature in the reactor chamber. For example, a first temperature sensor measures the temperature in the reactor chamber and depending on this the control unit controls the temperature control elements in the first and second reservoir, while a second temperature sensor measures the temperature of the cell culture medium on the way from the third reservoir to the reactor chamber and the control unit controls the temperature control element in the third depending on this reservoir controls.
Vorstehend wurden zunächst hauptsächlich die elektrische und mechanische Konditionierung des Gewebes sowie die Messung und Steuerung von Prozessparametern (pH-Wert, pO2-Wert, Temperatur) beschrieben. Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Bioreaktors ist aber gerade auch die Analyseeinheit, welche die Gewebeparameter misst und damit eine konkrete Beurteilung der Qualität des Gewebes und des Fortschritts der Herstellung ermöglicht und somit auch ein unmittelbares Eingreifen in die Herstellung in Form einer Steuerung der Prozessparameter in Abhängigkeit der Gewebeparameter. Nachfolgend soll daher noch kurz auf die Analyseeinheit und die Messung von Gewebeparametern eingegangen werden.The electrical and mechanical conditioning of the tissue as well as the measurement and control of process parameters (pH value, pO 2 value, temperature) were primarily described above. A particular advantage of the bioreactor described here is the analysis unit, which measures the tissue parameters and thus enables a concrete assessment of the quality of the tissue and the progress of production and thus direct intervention in the production in the form of a control of the process parameters depending the tissue parameter. The analysis unit and the measurement of tissue parameters should therefore be discussed briefly below.
Bevorzugterweise weist die Analyseeinheit einen optischen Sensor auf, zur nichtinvasiven Messung zumindest eines Gewebeparameters während der Herstellung. Eine optische Messung hat den Vorteil, dass diese nichtinvasiv ist, d.h. von außerhalb der Reaktorkammer erfolgt, sodass zur Messung eine Unterbrechung der Herstellung oder eine Entnahme oder Umbettung des Gewebes aus der Reaktorkammer nicht erforderlich sind. Zudem erfolgt die Messung vorteilhaft online. Der optische Sensor ist geeigneterweise eine Auflichtkamera oder ein Spektroskop oder Vergleichbares oder eine Kombination hiervon. Auch eine Kombination mehrerer optischer Sensoren ist vorteilhaft. Die Wandung der Reaktorkammer ist insbesondere transparent für Licht, welches mit dem optischen Sensor dann erfasst wird. Möglich und geeignet ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher Licht zur Messung in die Reaktorkammer eingestrahlt wird, um dann z.B. dessen Streuung, Reflexion oder Transmission am Gewebe zu messen. Falls, wie oben beschrieben, der Bioreaktor zwei Elektroden zur Feldstimulation aufweist, erfolgt die Messung zweckmäßigerweise durch das bereits beschriebene Fenster, welches hierfür entsprechend geeignet dimensioniert ist. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Gewebe relativ zum optischen Sensor verfahrbar ist (z.B. mittels der genannten Arme oder eines Positioniertisches), sodass das Gewebe aus unterschiedlichen Positionen untersuchbar ist.The analysis unit preferably has an optical sensor for the non-invasive measurement of at least one tissue parameter during production. An optical measurement has the advantage that it is non-invasive, i.e. it is carried out from outside the reactor chamber, so that the measurement does not have to be interrupted during production or the tissue removed or transferred from the reactor chamber. In addition, the measurement is advantageously carried out online. The optical sensor is suitably a reflected light camera or a spectroscope or the like or a combination thereof. A combination of several optical sensors is also advantageous. The wall of the reactor chamber is particularly transparent to light, which is then detected with the optical sensor. Also possible and suitable is an embodiment in which light is radiated into the reactor chamber for measurement in order to then, for example, measure its scattering, reflection or transmission on the tissue. If, as described above, the bioreactor has two electrodes for field stimulation, the measurement is expediently carried out through the window already described, which is suitably dimensioned for this purpose. An embodiment is also advantageous in which the tissue can be moved relative to the optical sensor (e.g. by means of the arms mentioned or a positioning table), so that the tissue can be examined from different positions.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der optische Sensor einen optischen Eingang auf, zur Aufnahme von Licht aus der Reaktorkammer, und der optische Eingang ist um die Reaktorkammer herum drehbar, zur optischen Messung aus unterschiedlichen Richtungen. Damit ist eine winkelabhängige Messung der Gewebeparameter realisiert. Vorzugsweise ist der optische Eingang vollständig um die Reaktorkammer herum drehbar, sodass eine 360° Rundummessung möglich ist und vorzugsweise auch realisiert ist. Geeigneterweise ist hierzu der optische Eingang auf einem Drehtisch montiert, welcher insbesondere ringförmig ausgebildet ist und die Reaktorkammer umläuft. Der Drehtisch wird insbesondere von einem Motor angetrieben, sodass der optische Eingang relativ zur Reaktorkammer drehbar ist, insbesondere um eine sich in Längsrichtung erstreckende Längsachse der Reaktorkammer herum. Alternativ oder zusätzlich ist der optische Eingang höhenverstellbar, zum Verfahren in Längsrichtung. Vorteilhafterweise wird der optische Eingang wiederkehrend um die Reaktorkammer herum gedreht, um entsprechend wiederkehrend eine 360° Rundummessung durchzuführen.In an advantageous embodiment, the optical sensor has an optical input for receiving light from the reactor chamber, and the optical input can be rotated around the reactor chamber for optical measurement from different directions. An angle-dependent measurement of the tissue parameters is thus implemented. The optical input can preferably be rotated completely around the reactor chamber, so that a 360° all-round measurement is possible and preferably also implemented. For this purpose, the optical input is suitably mounted on a turntable, which is in particular ring-shaped and runs around the reactor chamber. In particular, the turntable is driven by a motor so that the optical input can be rotated relative to the reactor chamber, in particular about a longitudinal axis of the reactor chamber extending in the longitudinal direction. Alternatively or additionally, the height of the optical input can be adjusted for moving in the longitudinal direction. Advantageously, the optical input is repeatedly rotated around the reactor chamber in order to repeatedly carry out a 360° all-round measurement.
Welche Gewebeparameter konkret mit der Analyseeinheit unter Anwendung des optischen Sensors gemessen werden, ist von untergeordneter Bedeutung, wichtiger ist vielmehr, dass dies online und nichtinvasiv erfolgt und dass eine direkte Rückkopplung zu den Prozessparametern erfolgt, um eine optimale Herstellung zu erzielen.Which tissue parameters are specifically measured with the analysis unit using the optical sensor is of secondary importance; what is more important is that this is done online and non-invasively and that there is direct feedback to the process parameters in order to achieve optimal production.
Zweckmäßigerweise weist der Bioreaktor ein Gehäuse auf, um speziell die Reaktorkammer und den optischen Eingang vor Streulicht zu schützen. Innerhalb des Gehäuses ist geeigneterweise eine Beleuchtung zur Wartung installiert sowie alternativ oder zusätzlich eine UV-Beleuchtung zur Sterilisation. Die beschriebenen Umschaltelemente, Pumpen, Sensoren und Reservoirs sind vorzugsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet, mit Ausnahme des Sauerstoffsensors und des pH-Sensors, welche bevorzugterweise jeweils als optische Sensoren ausgebildet sind und dann geeigneterweise innerhalb des Gehäuses platziert sind. Die Umschaltelemente, Pumpen, Reservoirs und entsprechende Leitungen für die Medien bilden insgesamt ein Fluidiksystem des Bioreaktors. Die Leitungen sind geeigneterweise aus einem Kunststoff mit einem möglichst niedrigen Shore-Wert von z.B. 40 hergestellt. Das Fluidiksystem ist somit weitestgehend außerhalb des Gehäuses angeordnet.The bioreactor expediently has a housing in order specifically to protect the reactor chamber and the optical entrance from scattered light. Lighting for maintenance is suitably installed within the housing and, alternatively or additionally, UV lighting for sterilization. The switching elements, pumps, sensors and reservoirs described are preferably arranged outside the housing, with the exception of the oxygen sensor and the pH sensor, which are preferably each designed as optical sensors and are then suitably placed inside the housing. The switching elements, pumps, reservoirs and corresponding lines for the media together form a fluidic system of the bioreactor. The lines are suitably made of a plastic with the lowest possible Shore value of 40, for example. The fluidic system is thus arranged largely outside the housing.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum insbesondere automatisierten Betrieb eines Bioreaktors, weist der Bioreaktor eine Reaktorkammer auf, in welcher ein Weichgewebe hergestellt wird. Der Bioreaktor weist weiter eine Analyseeinheit auf, zur Messung einer Anzahl von Gewebeparametern des Weichgewebes, eine Konditionierungseinheit, zur Konditionierung des Weichgewebes gemäß einer Anzahl an Prozessparametern, und eine Steuereinheit, welche die Analyseeinheit und die Konditionierungseinheit derart steuert, dass während der Herstellung die Gewebeparameter gemessen werden und die Prozessparameter abhängig von den Gewebeparametern eingestellt werden, sodass das Weichgewebe abhängig von den Gewebeparametern konditioniert wird. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich sinngemäß aus dem bereits Gesagten.In the method according to the invention for, in particular, automated operation of a bioreactor, the bioreactor has a reactor chamber in which soft tissue is produced. The bioreactor also has an analysis unit for measuring a number of tissue parameters of the soft tissue, a conditioning unit for conditioning the soft tissue according to a number of process parameters, and a control unit which controls the analysis unit and the conditioning unit in such a way that the tissue parameters are measured during production and the process parameters are set depending on the tissue parameters, so that the soft tissue is conditioned depending on the tissue parameters. Advantages and advantageous configurations of the method result from what has already been said.
Sofern vorstehend Teile, Bauteile, Vorrichtungen und Elemente beschrieben wurden, welche nicht explizit als Teile des Bioreaktors gekennzeichnet wurden, sind diese Teile, Bauteile, Vorrichtungen und Elemente bevorzugterweise Teile des Bioreaktors.If parts, components, devices and elements were described above which were not explicitly identified as parts of the bioreactor, these parts, components, devices and elements are preferably parts of the bioreactor.
Vorstehend wurde in verschiedenen Zusammenhängen von „steuern“, „gesteuert“ oder einer „Steuerung“ gesprochen. Vorteilhafte Varianten ergeben sich dadurch, dass darüber hinaus sogar eine Regelung erfolgt, also ein jeweiliges Teil oder ein jeweiliger Parameter regelt oder geregelt wird.“Control”, “controlled” or a “control” was mentioned above in various contexts. Advantageous variants result from the fact that there is even regulation, ie a particular part or a particular parameter regulates or is regulated.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
-
1 einen Bioreaktor, -
2 teilweise den Bioreaktor aus1 in einer perspektivischen Ansicht, -
3 den Bioreaktor aus 2 in einer Seitenansicht, -
4 eine Reaktorkammer und Arme des Bioreaktors aus1 , -
5 eine Transportsicherung für den Bioreaktor aus1 , -
6 eine Reaktorkammer und Elektroden des Bioreaktors aus1 in einer Ansicht von oben, -
7 die Reaktorkammer und Elektroden aus6 in einer perspektivischen Ansicht von der Seite, -
8 den Bioreaktor aus1 als Fluidikschaltbild, -
9 einen Ausschnitt einer Leitung des Bioreaktors aus1 .
-
1 a bioreactor, -
2 partially off the bioreactor1 in a perspective view, -
3 off thebioreactor 2 in a side view, -
4 a reactor chamber and arms of the bioreactor1 , -
5 a transport lock for the bioreactor1 , -
6 a reactor chamber and electrodes of the bioreactor1 in a view from above, -
7 the reactor chamber andelectrodes 6 in a perspective view from the side, -
8th off the bioreactor1 as fluid circuit diagram, -
9 a section of a line of the bioreactor1 .
In
Der Bioreaktor 2 weist eine Reaktorkammer 4 auf, zur Herstellung eines Weichgewebes 6, welches hierzu in der Reaktorkammer 4 untergebracht ist, hier ein Glaszylinder. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Herstellung eine Regeneration und Reifung mit Dezellularisierung und anschließender Rezellularisierung. Das Weichgewebe 6 wird nachfolgend auch lediglich als Gewebe 6 bezeichnet.The
Weiter weist der Bioreaktor 2 eine Analyseeinheit 8 auf, zum Messen einer Anzahl von Gewebeparametern G des Weichgewebes 6. Die Gewebeparameter G geben den aktuellen Zustand oder auch Ist-Zustand des Weichgewebes 6 an. Zusätzlich weist der Bioreaktor 2 eine Konditionierungseinheit 10 auf, zur Konditionierung des Weichgewebes 6 gemäß einer Anzahl an Prozessparametern P. Unter „eine Anzahl von“ wird hier und auch allgemein „ein oder mehrere“ oder „wenigstens ein“ verstanden. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit mehrere Gewebeparameter G gemessen und mehrere Prozessparameter P eingestellt.Furthermore, the
Die Prozessparameter P steuern die Herstellung und beeinflussen somit letztendlich auch die Gewebeparameter G. Entsprechend wird vorliegend durch eine Änderung der Prozessparameter P die Herstellung beeinflusst. Hierzu weist der Bioreaktor 2 eine Steuereinheit 12 auf, welche entsprechend die Analyseeinheit 8 und die Konditionierungseinheit 10 derart steuert, dass während der Herstellung wiederkehrend und/oder fortlaufend die Gewebeparameter G gemessen werden und die Prozessparameter P in Echtzeit abhängig von den Gewebeparametern G eingestellt werden, sodass das Weichgewebe 6 abhängig von den Gewebeparametern G konditioniert wird. Auf diese Weise wird die Herstellung des Weichgewebes 6 online abhängig von den tatsächlichen Gewebeparametern G (d.h. dem Ist-Zustand) gesteuert, wodurch wiederum die Prozessparameter P fortlaufend und automatisch derart angepasst werden, dass ausgehend von dem Ist-Zustand ein vorgegebener Soll-Zustand erreicht wirdThe process parameters P control the production and thus ultimately also influence the tissue parameters G. Correspondingly, a change in the process parameters P influences the production in the present case. For this purpose, the
Der hier gezeigte Bioreaktor 2 ist geeignet speziell zur Regeneration von Weichgewebe 6, speziell Muskelgewebe, in „top-down“-Technik mit einer multimodalen Umgebungs- und Probenparametrik. Zunächst wird dabei ein Spendergewebe mit einem Gewebegerüst als Ausgangspunkt verwendet und je nach Bedarf behandelt und gereift. Das Spendergewebe wird zunächst dezellularisiert, um das Gewebegerüst freizulegen und dieses wird dann anschließend wieder rezellularisiert (und somit insgesamt regeneriert). Dabei wird das Gewebe 6 in der Reaktorkammer 4 von einem Medium umspült, welches durch einen oder mehrere Prozessparameter P charakterisiert ist. Das Medium stabilisiert allgemein die Reifung des Gewebes 6 während der Rezellularisierung bezüglich osmotischem Druck, chemischem Milieu und Nährstoffversorgung. Während der Herstellung werden verschiedene Medien nacheinander in die Reaktorkammer 4 eingeströmt, je nach Anforderungen des aktuellen Prozessschritts, wie weiter unten speziell im Zusammenhang mit
Bei dem vorliegenden Bioreaktor 2 und dem zugehörigen Verfahren zu dessen Betrieb wird die Qualität des Gewebes 6 in Echtzeit und auch kontaktlos überwacht, um mittels Umgebungs- und Probenparametrik dann Rückschlüsse über die „Zellfreiheit“ (das Maß der Entvölkerung während der Dezellularisierung) und die „Regenerationsreife“ (das Maß für die Fertigstellung des Gewebes 6 bei der Rezellularisierung) des Gewebes 6 zu ziehen. Mit anderen Worten: die Herstellung des Gewebes 6 im Bioreaktor 2 wird online überwacht, indem eine Anzahl an Gewebeparametern G gemessen wird und hiervon abhängig dann eine Anzahl an Prozessparametern P gesteuert wird, mit dem Ziel, die Herstellung zu optimieren. Die Gewebeparameter G geben dabei den aktuellen Zustand des Gewebes 6 an und damit auch den Fortschritt und die Qualität der Herstellung. Die Gewebeparameter G werden hier auch als „morphologische und strukturelle Parameter“ bezeichnet und umfassen beispielsweise Masse, Volumen, Durchmesser oder andere Abmessungen, CIELAB Farbmetrik oder Vergleichbares, Gewebesteifigkeit, Gefäßdruck, vaskulärer Druck und/oder Transparenz und Oberflächentextur des Gewebes 6. Die Prozessparameter P hingegen geben die Umgebungsmodalitäten der Herstellung an, d.h. den aktuellen Zustand des Bioreaktors 2, und charakterisieren somit die Umgebung des Gewebes 6 innerhalb der Reaktorkammer 4, d.h. die Umweltbedingungen, welche der Bioreaktor 2 bereitstellt. Die Prozessparameter P umfassen beispielsweise pH-Wert, pO2-Wert und/oder Temperatur.In the
Die Gewebeparameter G bilden zusammen mit den Prozessparametern P dann die Umgebungs- und Probenparametrik, welche insgesamt ein besonders detailliertes Bild über die Qualität des Gewebes 6 liefert und entsprechend eine Rückkopplung ermöglicht, welche hier in zweierlei Hinsicht erfolgt: erstens werden die Prozessparameter P abhängig von den Gewebeparametern G angepasst, um eine optimale Herstellung zu erzielen. Zweitens werden die Prozessparameter P selbst auch gesteuert oder geregelt, um mit hoher Zuverlässigkeit eine definierte Umgebung während der Herstellung zu erhalten und eine ungewollte Veränderung der Prozessparameter P zu verhindern.The tissue parameters G together with the process parameters P then form the environmental and sample parameters, which overall provide a particularly detailed picture of the quality of the
Der hier vorgestellte Bioreaktor 2 vereint somit eine automatisierte Herstellung von Gewebe 6 in „top-down“-Technik mit einer Echtzeit-Parametrik, welche durch umfangreiche Messungen gesteuert wird. Mit anderen Worten: die Analyseeinheit 8 erzeugt ein Feedback bezüglich des Verlaufs der Herstellung, sodass diese Herstellung dynamisch und automatisch durch geeignete Steuerung der Prozessparameter P je nach Bedarf angepasst wird. Hierzu setzt die Steuereinheit 12 die Gewebeparameter G und die Prozessparameter P in Verbindung zueinander und somit auch in einen physiologischen Kontext, welcher eine geordnete Gewebereifung ermöglicht sowie auch eine Optimierung der Herstellung auf die Qualität des Gewebes 6.The
Wie besonders in
Weiter sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Arme 22 ausgebildet zur automatischen Zentrierung des Weichgewebes 6. Darunter wird verstanden, dass die Arme 22 derart ausgebildet sind, dass das Gewebe 6 in der Reaktorkammer 4 automatisch in Längsrichtung L ausgerichtet wird. Dies ist im Detail in
Zum Eintauchen und Entnehmen eines Gewebes 6 aus der Reaktorkammer 4 ist diese relativ zu den Armen 22 höhenverstellbar, hier indem die Linearmotoren 24 und die daran angebrachten Arme 22 an einem Positioniertisch 28 angebracht sind. Zur Entnahme und zum Transport der Reaktorkammer 4 aus dem Bioreaktor 2 ist eine Transportsicherung an der Reaktorkammer 4 anbringbar, welche in
In einer nicht explizit gezeigten Ausgestaltung weist die Konditionierungseinheit 10 zur elektrischen Stimulation des Weichgewebes 6 zwei Elektroden auf, welche jeweils als ein Draht ausgebildet sind, wobei ein jeweiliger Draht entlang (z.B. innerhalb) der beiden Arme 22 in die Reaktorkammer 4 hinein verläuft, zur direkten elektrischen Anbindung und Stimulation des Weichgewebes 6. Beispielsweise weisen die beiden Arme 22 jeweils einen Kanal auf, z.B. eine Einkerbung, in welche der jeweilige Draht eingesetzt ist, sodass dieser insgesamt innerhalb eines Querschnittprofils des Arms 22 liegt und besonders geschützt und platzsparend in die Reaktorkammer 4 geführt wird.In an embodiment that is not explicitly shown, the
In der hier gezeigten Ausgestaltung weist die Konditionierungseinheit 10 zur elektrischen Stimulation des Weichgewebes 6 zwei flächige Elektroden 34 auf, welche entlang einer Wandung 36 der Reaktorkammer 4 angeordnet sind und dabei innerhalb derselben angeordnet sind. Dabei sind die beiden Elektroden 34 jeweils als Halbkreiselektroden ausgebildet. Zwischen den Elektroden 34 erstreckt sich in Längsrichtung L ein Spalt, um einen direkten Kontakt der Elektroden 34 miteinander zu verhindern. Dies ist besonders gut erkennbar in
Vorliegend weist zumindest eine der Elektroden 34 ein Fenster 38 auf, durch welches hindurch mit der Analyseeinheit 8 von außerhalb der Reaktorkammer 4 aus einer oder mehrere der Gewebeparameter G messbar sind. Die Elektroden 34 bedecken die Reaktorkammer 4 somit nicht zwingend vollständig, vielmehr ist ein Fenster 38 ausgelassen, über welches die Analyseeinheit 8 einen optischen Zugang in die Reaktorkammer 4 hinein erhält. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Fenster 38 in Umfangsrichtung U vollständig entlang der Wandung 36. Durch das Fenster 38 sind die beiden Elektroden 34 jeweils in zwei Teilelektroden unterteilt, nämlich in Längsrichtung L betrachtet eine obere Teilelektrode oberhalb des Fensters 38 und eine untere Teilelektrode unterhalb des Fensters 38. Dies ist besonders in
Der hier gezeigte Bioreaktor 2 ist einerseits zur Dezellularisierung eines Spendergewebes ausgebildet und andererseits auch zur Rezellularisierung eines Gewebegerüsts, welches zuvor aus dem Spendergewebe durch die Dezellularisierung gewonnen wurde. Wie aus
Der Medienausgang 16 ist vorliegend wieder mit dem ersten und dem zweiten Reservoir 42, 44 verbunden, sodass zwei Kreisläufe gebildet sind, einer für die Dezellularisierung und einer für die Rezellularisierung. Stromab des Medienausgangs 16 weist der Bioreaktor 2 analog ein zweites Umschaltelement 52, wiederum ein 3-Wegeventil, auf, welches das Medium aus der Reaktorkammer 4 wahlweise in das erste oder das zweite Reservoir 42, 44 zurückführt. Zwischen Medienausgang 16 und zweitem Umschaltelement 52 ist wiederum eine Pumpe 54 zur Förderung des Mediums angeordnet. Auf dem Weg des Mediums von der Reaktorkammer 4 zu dem jeweiligen Reservoir 42, 44 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich jeweils eine Entnahmestelle 56 angeordnet, zum Auslassen von Medium aus dem Bioreaktor 2 und/oder zum Druckausgleich. Zusätzlich zweigt stromab des Medienausgangs 16 und noch vor der Pumpe 54 ein Rückstandszweig 58 ab, zur Ausgabe von Rückständen. Auf dem Rückstandszweig 58 sind ebenfalls eine Pumpe 60 sowie ein Rückschlagventil 62 angeordnet.In the present case, the
Das erste, zellzerstörende Medium 46 ist vorliegend deionisiertes Wasser oder SDS (d.h. Natriumlaurylsulfat, z.B. 0,1-%iges SDS) oder eine Kombination hiervon. Hierzu ist das erste Reservoir 42 wahlweise mit deionisiertem Wasser oder mit SDS oder mit einer Mischung aus diesen beiden befüllbar.The first,
Das zweite, physiologische Medium 48 dient zur Stabilisierung und Nährstoffversorgung der Zellen im Rezellularisierungs-Betrieb. Das zweite Medium 48 ist beispielsweise eine Ringerlösung.The second,
Die eigentlichen Zellen zur Rezellularisierung werden separat zu den Medien 46, 48 zugeführt, d.h. nicht über den Medieneingang 14 der Reaktorkammer 4, sondern über einen arteriellen Zugang 64 direkt in das Gewebe 6 (genauer: Gewebegerüst). Hierzu weist die Reaktorkammer 4 einen entsprechenden arteriellen Zugang 64 auf, über welchen ein Zellkulturmedium 66 aus einem dritten Reservoir 68 gemeinsam mit Zellen dem Weichgewebe 6 zur Rezellularisierung zuführbar ist. Die Zellen werden somit zunächst einem Zellkulturmedium 66 zugegeben und diese Mischung wird dann über den arteriellen Zugang 64 in die Reaktorkammer 4 geführt. Der Bioreaktor 2 weist entsprechend eine Zufuhr 70 für das Zellkulturmedium 66 auf, welche in das dritte Reservoir 68 führt. Auf dem Weg zur Reaktorkammer 4 werden dem Zellkulturmedium 66 dann die Zellen aus einer Zellzufuhr 72 beigemischt.The actual cells for recellularization are supplied separately to the
In der hier gezeigten Ausgestaltung ist die Reaktorkammer 4 zudem auch speziell nach der Dezellularisierung oder auch allgemein zur Reinigung mit deionisiertem Wasser spülbar, um eventuelle Reste von SDS vor der Rezellularisierung aus der Reaktorkammer 4 und auch aus dem Gewebegerüst herauszuspülen. Hierzu wird das erste Reservoir 42 mit deionisiertem Wasser befüllt und dann die Reaktorkammer 4 aus dem ersten Reservoir 42 heraus gespült. Hierzu wird von der Steuereinheit das erste Umschaltelement 40 entsprechend angesteuert und gegebenenfalls auch die Umschaltventile 74, 76, falls alternativ oder zusätzlich über den arteriellen Zugang 64 gespült werden soll.In the embodiment shown here, the
In der hier gezeigten Ausgestaltung ist das dritte Reservoir 68 über eine Leitung 65 mit der Reaktorkammer 4 verbunden, wobei entlang der Leitung 65 ein Beladungsventil 67, hier ein „HPLC“-Ventil (HPLC = Hochleistungsflüssigkeitschromatographie), angeordnet ist, zur Zufuhr der Zellen. Das Beladungsventil 67 weist hier sechs Anschlüsse auf, welche paarweise miteinander verbunden sind, sodass sich drei Paare ergeben, wobei je zwei benachbarte Anschlüsse miteinander verbunden sind, sodass einer als Eingang und der andere als Ausgang nutzbar ist. Dabei ist das Beladungsventil 67 derart ausgebildet, dass durch Umschalten desselben ein Fluidabschnitt F1 aus Zellen zwischen zwei Fluidabschnitten F2 aus Zellkulturmedium 66 eingesetzt wird. Mit anderen Worten: mit dem Beladungsventil 67 werden zwei Ströme sozusagen miteinander verwoben, nämlich ein erster Strom aus Zellkulturmedium 66 und ein zweiter Strom aus Zellen. Entlang der Leitung 65 ergeben sich dann mehrere in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Fluidabschnitte F1, F2 aus unterschiedlichen Medien, nämlich Zellkulturmedium 66 einerseits und Zellen andererseits. Dies ist in
Vorliegend weist das Beladungsventil 67 einen Temperatursensor 71 auf, welcher mit einem Temperierungselement 86 hier im dritten Reservoir 68 verbunden ist. Mit dem Temperatursensor 71 wird eine Temperatur der Zellen und/oder des Zellkulturmediums 66 gemessen und somit überwacht und abhängig davon das Temperierungselement 86 gesteuert, um etwaige Temperaturschwankungen auszugleichen.In the present case, the
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch das erste und das zweite Medium 46, 48 über den arteriellen Zugang 64 in die Reaktorkammer 4 einströmbar. In einem entsprechenden Prozessschritt ist damit auch das Gewebe 6 direkt mit dem ersten und dem zweiten Medium 46, 48 spülbar. Hierzu ist stromab des dritten Reservoirs 68 ein drittes Umschaltelement 74, hier ein 3-Wegeventil, angeordnet, welches derart umschaltbar ist, dass wahlweise das Zellkulturmedium 66 oder eines der beiden Medien 46, 48 aus dem ersten und zweiten Reservoir 42, 44 zum arteriellen Zugang 64 gelangt. Eine Auswahl von erstem oder zweiten Medium 46, 48 erfolgt mittels eines weiteren, vierten Umschaltelements 76, hier wiederum ein 3-Wegeventil, welches stromauf des zuvor genannten dritten Umschaltventils 74 angeordnet ist und dieses wahlweise mit dem ersten oder zweiten Reservoir 42, 44 verbindet. Auf diese Weise lässt sich auch automatisiert eine umfangreiche Spülung wahlweise mit physiologischem Medium 48 oder zellzerstörendem Medium 46 vornehmen, ohne den Bioreaktor 2 umbauen zu müssen. Hierzu werden die Umschaltelemente 74, 76 entsprechend der Prozessführung des Bioreaktors 2 von der Steuereinheit 12 geeignet angesteuert.In the exemplary embodiment shown, the first and the
In der hier gezeigten Ausgestaltung ist einer der Prozessparameter P ein partieller Sauerstoffdruck, d.h. pO2-Wert. Die Konditionierungseinheit 12 weist hierbei eine Gaszufuhr 78 auf, zur Zufuhr von Sauerstoff in das zweite Reservoir 44. Vorliegend wird über die Gaszufuhr beispielhaft Luft zugeführt, welche Sauerstoff enthält, optional sogar mit einstellbarem Anteil an Sauerstoff. Die Steuereinheit 12 steuert dann die Gaszufuhr 78 abhängig von dem partiellen Sauerstoffdruck. Die Konditionierungseinheit 10 ist somit ausgebildet, zur Konditionierung des Gewebes 6 mit einem bestimmen pO2-Wert. Die Gaszufuhr 78 ermöglicht eine Zufuhr von Sauerstoff, durch Zufuhr von Luft in das zweite Reservoir 44 wird dann der pO2-Wert eingestellt. Entlang des Weges des zweiten Mediums 48 vom zweiten Reservoir 44 zur Reaktorkammer 4 ist hier noch ein Sauerstoffsensor 80 angeordnet, zur Messung des pO2-Wertes des Mediums zwecks Steuerung der Gaszufuhr 78.In the embodiment shown here, one of the process parameters P is a partial oxygen pressure, ie pO 2 value. In this case, the
Zusätzlich ist einer der Prozessparameter P ein pH-Wert. Die Konditionierungseinheit 10 weist hierbei eine CO2-Zufuhr 82 auf, zur Zufuhr von CO2 in das zweite Reservoir 44 und die Steuereinheit 12 steuert die CO2-Zufuhr 82 abhängig von dem pH-Wert. Die Konditionierungseinheit 10 ist somit ausgebildet, zur Konditionierung des Gewebes 6 mit einem bestimmen pH-Wert. Entlang des Weges des zweiten Mediums 48 vom zweiten Reservoir 44 zur Reaktorkammer 4 ist ein pH-Sensor 84 angeordnet, zur Messung des pH-Wertes des Mediums zwecks Steuerung der CO2-Zufuhr 82. Zudem gelten die Ausführungen zum pO2-Wert analog auch für den pH-Wert.In addition, one of the process parameters P is a pH value. In this case, the
In einer nicht explizit gezeigten Variante ist eine Steuerung des pH-Werts und/oder des pO2-Werts wie oben für das zweite Medium beschrieben alternativ oder zusätzlich für das Zellkulturmedium 66 aus dem dritten Reservoir 68 analog umgesetzt.In a variant that is not explicitly shown, a control of the pH value and/or the pO 2 value as described above for the second medium is alternatively or additionally implemented analogously for the
Ein weiterer Prozessparameter P ist eine Temperatur. Die Konditionierungseinheit 10 weist hierbei ein Temperierungselement 86 auf, zur Temperierung des jeweiligen Mediums 46, 48, 66. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem ersten Reservoir 42, in dem zweiten Reservoir 44 und in dem dritten Reservoir 68 ein jeweiliges Temperierungselement 86 angeordnet, zur Temperierung des entsprechenden Mediums 46, 48, 66. Mehrere Temperatursensoren 88 messen dann die Temperatur des jeweiligen Mediums 46, 48, 66 und die Steuereinheit 12 steuert entsprechend die Temperierungselemente 86 an, um in der Reaktorkammer 4 eine bestimmte Temperatur einzustellen. Vorliegend misst ein erster Temperatursensor 88 die Temperatur in der Reaktorkammer 4 und abhängig davon steuert die Steuereinheit 12 die Temperierungselemente 86 im ersten und zweiten Reservoir 42, 44, während ein zweiter Temperatursensor 88 die Temperatur des Zellkulturmediums 66 auf dem Weg vom dritten Reservoir 68 zur Reaktorkammer 4 misst und die Steuereinheit 12 abhängig hiervon das Temperierungselement 86 im dritten Reservoir 68 steuert.Another process parameter P is a temperature. The
Bei dem hier gezeigten Bioreaktor 2 weist die Analyseeinheit 8 einen optischen Sensor 90 auf, zur nichtinvasiven Messung zumindest eines Gewebeparameters G. Der optische Sensor 90 ist beispielsweise eine Auflichtkamera oder ein Spektroskop oder Vergleichbares. Auch eine Kombination mehrerer optischer Sensoren 90 ist möglich. Die Wandung 36 der Reaktorkammer 4 ist transparent für Licht, welches mit dem optischen Sensor 90 dann erfasst wird. Möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher Licht zur Messung in die Reaktorkammer 4 eingestrahlt wird, um dann z.B. dessen Streuung, Reflexion oder Transmission am Gewebe 6 zu messen. Falls, wie oben beschrieben, der Bioreaktor 2 zwei Elektroden 34 zur Feldstimulation aufweist, erfolgt die Messung durch das bereits beschriebene Fenster 38, welches hierfür entsprechend geeignet dimensioniert ist. Möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Gewebe 6 relativ zum optischen Sensor 90 verfahrbar ist (z.B. mittels der genannten Arme 22 oder des Positioniertisches 28), sodass das Gewebe 6 aus unterschiedlichen Positionen untersuchbar ist. Das Fenster 38 ist dann dementsprechend höher oder mehrere Teilfenster sind in Längsrichtung L übereinander eingebracht und bilden Unterbrechungen in den Elektroden 34.In the
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bioreaktor 2 zwei optische Sensoren 90 auf, nämlich eine Auflichtkamera und ein Spektroskop (in
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Bioreaktorbioreactor
- 44
- Reaktorkammerreactor chamber
- 66
- Weichgewebe, Gewebesoft tissue, tissue
- 88th
- Analyseeinheitanalysis unit
- 1010
- Konditionierungseinheitconditioning unit
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- Medieneingangmedia input
- 1616
- Medienausgangmedia exit
- 1818
- Unterseitebottom
- 2020
- Oberseitetop
- 2222
- Armpoor
- 2424
- Linearmotorlinear motor
- 2525
- Halteelement (oberer Arm)holding element (upper arm)
- 2626
- Kraftsensorforce sensor
- 2727
- Halteelement (unterer Arm)holding element (lower arm)
- 2828
- Positioniertischpositioning table
- 2929
- SpitzeTop
- 3030
- Transportklemmetransport clamp
- 3131
- Halteschlaufehand strap
- 3232
- Befestigungselementfastener
- 3434
- Elektrodeelectrode
- 3636
- Wandungwall
- 3838
- Fensterwindow
- 3939
- Kontaktstegcontact bar
- 4040
- erstes Umschaltelementfirst switching element
- 4242
- erstes Reservoirfirst reservoir
- 4444
- zweites Reservoirsecond reservoir
- 4646
- erstes, zellzerstörendes Mediumfirst, cell-destroying medium
- 4848
- zweites, physiologisches Mediumsecond, physiological medium
- 5050
- Pumpepump
- 5252
- zweites Umschaltelementsecond switching element
- 5454
- Pumpepump
- 5656
- Entnahmestellesampling point
- 5858
- Rückstandszweigbacklog branch
- 6060
- Pumpepump
- 6262
- Rückschlagventilcheck valve
- 6464
- arterieller Zugangarterial access
- 6565
- LeitungManagement
- 6666
- Zellkulturmediumcell culture medium
- 6767
- Beladungsventilloading valve
- 6868
- drittes Reservoirthird reservoir
- 6969
- RückstandResidue
- 7070
- Zufuhr (für Zellkulturmedium)Feeder (for cell culture medium)
- 7171
- Temperatursensortemperature sensor
- 7272
- Zellzufuhrcell delivery
- 7474
- drittes Umschaltelementthird switching element
- 7676
- viertes Umschaltelementfourth switching element
- 7878
- Luftzufuhrair supply
- 8080
- Sauerstoffsensoroxygen sensor
- 8282
- CO2-ZufuhrCO 2 supply
- 8484
- pH-SensorpH sensor
- 8686
- Temperierungselementtempering element
- 8888
- Temperatursensortemperature sensor
- 9090
- optischer Sensoroptical sensor
- 9292
- optischer Eingangoptical input
- 9494
- Drehtischturntable
- BB
- BreiteBroad
- F1F1
- Fluidabschnitt (aus Zellen)fluid section (from cells)
- F2F2
- Fluidabschnitt (aus Zellkulturmedium)Fluid section (from cell culture medium)
- GG
- Gewebeparametertissue parameters
- HH
- HöheHeight
- LL
- Längsrichtunglongitudinal direction
- PP
- Prozessparameterprocess parameters
- Uu
- Umfangsrichtungcircumferential direction
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VISIONE, R. [u.a.]: Enhancing all-in-one bioreactors by combining interstitial perfusion, electrical stimulation, on-line monitoring and testing within a single chamber for cardiac constructs. Sci. Rep. (2018) 8, 16944, Druckseiten 1-13 |
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