Die Kultivierung von Gewebezellen spielt eine Rolle beim sogenannten"Tissue Engineering". Hierbei ist es das Ziel, künstlich Zellgewebe mit körperspezifischen Eigenschaften zu erstellen. Vielfach werden dabei Zellen auf bestimmten Biomatrices (Strukturate) kultiviert. Anwendungsbereiche für das"Tissue Engineering"sind z. B. die Implantatherstellung (Generierung von künstlicher Haut, funktionellen Gefäßen oder Gewebesystemen (Leber, Knorpel etc. )), physiologische Untersuchungen an"in vitro"-Gewebekulturen (Medium, Metabolismus etc.), Kompatibilitätsuntersuchungen an Biomaterialien, Verträglichkeitsprüfungen von Medikamenten oder Toxizitätstests für bestimmte Substanzen.

Bei der Herstellung von funktionsfähigen Geweben kann in mehreren Schritten vorgegangen werden, wobei wichtige Punkte die Steuerung der Differenzierung im kultivierten Gewebe und eine spezifische geometrische Struktur des Implantates (z. B.

Haut-flächig, Knorpelersatz für Ohrverletzungen- dreidimensionale Struktur etc. ) sind. In einem ersten Schritt werden die in einer Biopsie entnommenen Zellen in Flaschenkulturen in einem speziellen Nährmedium vermehrt, um die Anzahl der Zellen zu vergrößern.

Für die weitergehende Kultivierung sieht ein mögliches Konzept vor, die Zellen auf eine spezielle Gewebeunterlage aufzubringen. Hierbei kann es sich um Filterunterlagen, Vliese oder Matrices mit einer Schwammstruktur,

gegebenenfalls aus biologisch abbaubaren Polymeren handeln.

Die so erstellten Gewebe werden anschließend solange kultiviert, bis sich ein Gewebe mit den gewünschten Eigenschaften gebildet hat.

Es können grundsätzlich zwei Kultivierungsmethoden unterschieden werden. Die gebräuchlichste Methode ist die Kultivierung unter sogenannten statischen Bedingungen in speziellen Kulturflaschen (T-Flasche, 12-well-plate, etc.), die in einen speziellen Brutschrank mit entsprechender Temperierung und einer mit Kohlendioxid angereicherten Atmosphäre gestellt werden. Dabei wird das verbrauchte Nährmedium in bestimmten Intervallen gegen frisches ausgetauscht. Die Begasung (Versorgung mit Sauerstoff) erfolgt üblicherweise aus der Atmosphäre des Begasungsschrankes. Nachteile dieser Kultivierungsmethode sind die stationären Bedingungen in bezug auf die Medienkomponenten sowie der sehr hohe manuelle Aufwand, der ein hohes Kontaminationsrisiko birgt.

Alternativ können die Gewebe in einen Bioreaktor (eine sogenannte Perfusionskammer) eingebracht werden, die kontinuierlich mit Kulturmedium durchströmt wird und in der eine verbesserte und kontrollierte Versorgung mit Substraten und Sauerstoff sowie eine Entsorgung on Stoffwechselprodukten stattfinden kann. Das Kulturmedium kann dabei aus einem begasten Vorlagegefäß heraus in einem Kreislauf gepumpt oder alternativ nach einmaligem Passieren der Perfusionskammer verworfen werden.

Ein Bespiel für eine derartige Perfusionskammer beschreibt DE-A1 198 08 055. Bei der dort beschriebenen Apparatur

besteht allerdings der Nachteil, daß die Kammer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden muß, um funktionsgemäß zu arbeiten. Hierbei besteht die Gefahr, daß sich in der Flüssigkeit befindliche Gasblasen in der Kammer sammeln und die Durchströmung der Kammer behindern. Des weiteren kommt es bei Perfusionskammern aufgrund der räumlichen Anordnung der eingesetzten Gewebeträger rasch zu einer Abreicherung des Sauerstoffs über die Länge der Kammer, wodurch die Gefahr auftritt, daß die hinteren Gewebezellen nicht mehr ausreichend mit Gas, insbesondere mit Sauerstoff versorgt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kultivierung von Gewebezellen bereitzustellen, mit dem die geschilderten Nachteile beseitigt werden können. Dabei sollen die Gewebezellen ausreichend mit Gas und Nährmedium versorgt werden können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der gestellten Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 16.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß durch die ausgebildete Strömungsschicht oberhalb der Gewebezellen eine optimale Versorgung der Gewebezellen sowohl mit Nährstoffen als auch mit gasförmigen Stoffen ermöglicht wird. Auf diese Weise kann frisches Medium zu den Gewebezellen gelangen. Darüber hinaus wird die Gasversorgung der Gewebezellen verbessert, da die Diffusionswege für die Gase gering sind.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gasstrom erzeugt, der der Strömungsrichtung des Nährmediums entgegengerichtet ist. Hierdurch wird vor allem bei einer Anordnung von mehreren Gewebekulturen gewährleistet, daß alle Gewebekulturen ausreichend mit Gas, insbesondere mit Sauerstoff versorgt werden, und daß es zu keiner ungewünschten Abreicherung von Sauerstoff über die Länge des Kulturbereiches kommt.

Darüber hinaus läßt sich durch die Schichtdicke des Nährmediums der Diffusionsweg für die Gase einstellen, beispielsweise durch die Ausbildung einer in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Überlaufkante.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die dünne Schicht des Nährmediums oberhalb der Gewebezellen 0,1... 3,0 mm, vorzugsweise 0,5... 1,0 mm.

Die Ausbildung einer dünnen Nährmediumschicht oberhalb der Gewebezellen läßt sich in bevorzugter Weise dadurch erreichen, daß man in einen Kulturbereich, in dem sich die Gewebezellen befinden, Nährmedium leitet. Mit dem Nährmedium wird sodann ein Überlauf aus dem Kulturbereich erzeugt, und das Nährmedium gelangt nach dem Überströmen der Gewebezellen in eine Auffangkammer. Aus der Auffangkammer wird das Nährmedium anschließend wieder abgeführt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Kultivierung von menschlichen, tierischen und pflanzlichen

Zellen. Je nach Art der verwendeten Zellen weiß der Fachmann, welches Nährmedium zur Kultivierung erforderlich ist.

Entsprechend läßt sich das Nährmedium zusammensetzen. Das gleiche gilt für den Einsatz der erforderlichen Gase. Wird bei menschlichen und tierischen Zellen unter anderem Sauerstoff benötigt, ergibt sich bei pflanzlichen Zellen in der Regel ein Bedarf an Kohlendioxid. Je nach Art der verwendeten Gase kann es auch zweckmäßig sein, die Zusammensetzung des Nährmediums hierauf abzustimmen. So kann sich beispielsweise der Bedarf nach einer erhöhten Pufferkapazität ergeben oder eine pH-Wert-Regulierung erforderlich sein.

Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermehrung von implantierbaren Zellen. Bei Zellen, die in den menschlichen oder tierischen Körper implantiert werden, handelt es sich insbesondere um Haut-oder Knochengewebszellen sowie um Knorpel-und Gefäßzellen.

Darüber hinaus eignet sich das Verfahren zur Gewinnung implantierbarer Knorpelkonstrukte oder Knochenkonstrukte.

Gerade zur Gewinnung derartiger Konstrukte bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß die Gewebezellen dreidimensionale Strukturen einnehmen und trotzdem ausreichend mit Nährmedium und Sauerstoff versorgt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich schließlich auch zur Durchführung von Wirkungs-und Toxizitätstests. Auf diese Weise läßt sich die Wirkung von Medikamenten, Umweltgiften und dergleichen auf die Gewebezellen untersuchen, um hierdurch eine Alternative zu Tierversuchen zu ermöglichen.

Dabei läßt sich der zu untersuchende Stoff nach seinem

jeweiligen Aggregatzustand entweder in der Gasphase einsetzen oder dem Nährmedium in fester oder flüssiger Form zugeben.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen Figuren 1 und 2 eine schematische Darstellung einer Behandlungsapparatur mit daran angeschlossener Gasversorgungseinheit und Abluftstrecke, Figur 3 eine schematische Darstellung einer Behandlungsapparatur mit einzelnen Einsätzen, Figur 4 eine schematische Darstellung einer Behandlungsapparatur mit Trägern für adhärente Zellkulturen, Figur 5 eine schematische Darstellung einer Behandlungsapparatur ohne spezielle Gasleitung sowie Figur 6 eine schematische Darstellung einer Behandlungsapparatur zur Druckbeaufschlagung.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Kultivierung von Gewebezellen mit einer Behandlungsapparatur 1 dargestellt, bei der die Behandlungsapparatur 1 über einen Kulturbereich 2 verfügt, in dem nicht näher dargestellte Gewebezellen mit Nährmedium in Berührung gebracht werden. Die Behandlungsapparatur 1 verfügt hierbei über einen Zulauf 32 und einen Ablauf 33 für das Nährmedium, so daß das Nährmedium von dem einen Ende 30 des Kulturbereichs 2 zum anderen Ende

31 strömen kann. Anschließend gelangt das Nährmedium in eine Auffangkammer 4. Von der Auffangkammer 4 wird das Nährmedium über die Leitung 6 abgezogen. Eine Pumpe 17 transportiert das Nährmedium im Kreislauf über die Leitung 5 zurück in den Kulturbereich 2. Mit Hilfe der Pumpe 17 läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Nährmediums regulieren, so daß insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit des Nährmediums oberhalb der Gewebezellen einstellbar ist. Des weiteren sieht Figur 1 eine Gasversorgungseinheit 13 vor, mit Hilfe der ein definierbares Gemisch verschiedener Gase, beispielsweise aus Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid herstellbar und der Behandlungsapparatur 1 zuführbar ist. Die Gasversorgungseinheit 13 kann ferner Durchflußmesser 18,19 sowie ein Sterilfilter 20 aufweisen. Ebenso können Befeuchtungsmittel 21 vorgesehen sein, um das Gas vor Einleitung in die Behandlungsapparatur 1 mit Wasser anzufeuchten. Über die Leitung 10 gelangt das Gas durch die Gaseinlaßöffnung 8 in den Innenraum 12 der Behandlungsapparatur 1. Hierbei wird das in dem Kulturbereich 2 befindliche Nährmedium mit Gas beaufschlagt. Das Gas strömt hierbei entgegengesetzt zur Strömung des Nährmediums über das Nährmedium und verläßt den Innenraum 12 der Behandlungsapparatur 1 durch die Gasauslaßöffnung 9. An die Gasauslaßöffnung 9 ist eine Leitung 11 angeschlossen, über die das Gas zu einer Abluftstrecke 22 geführt wird. Die Abluftstrecke enthält eine Sterilfalle 23 sowie ein Abluftfilter 24.

Da sich herausgestellt hat, daß das Wachstum der Zellen durch Stimulation der Scherbeanspruchung beeinflußbar ist, hat die Strömungsgeschwindigkeit des Nährmediums auch Einfluß auf das Wachstum der Gewebezellen. Bei der in Figur 1 gewählten

Versuchsanordnung wurden bis zu 5 ml Nährmedium pro Minute gefördert. Vorzugsweise betrug die Förderleistung 0,25 bis 1 ml/min. Bei der in Figur 2 dargestellten Versuchsanordnung wurden nur bis zu 30 ml/Tag, vorzugsweise 2,5 bis 10 ml/Tag gefördert.

Nach der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird mittels einer Pumpe 25 ständig frisches Nährmedium aus einer Vorratsflasche 26 angesaugt und in den Kulturbereich 2 der Behandlungsapparatur 1 geleitet.

Verbrauchtes Medium wird in einer Auffangflasche 27 gesammelt.

Figur 3 zeigt die Behandlungsapparatur 1 in vergrößerter Darstellung. Zu-und Ableitungen für Gas und Nährmedium sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Behandlungsapparatur 1 weist ein Bodenprofil 34 auf, das zur Aufnahme von Trägern 14,16 für die Gewebezellen vorgesehen ist. An dem Bodenprofil 34 ist eine Überlaufkante 28 ausgebildet, über die das Nährmedium aus dem Kulturbereich 2 in eine Auffangkammer 4 fließen kann. Die Überlaufkante 28 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel von einer erhöhten Seitenwand 3 des Bodenprofils 34 gebildet. Diese Ausführungsformen weist weiterhin die Besonderheit auf, daß spezielle Einsätze 15 für vorstrukturierte, dreidimensionale Träger 14, die kompakt oder makroporös sein können, vorgesehen sind. Die Einsätze 15 sind hierbei lösbar mit dem Bodenprofil 34 verbunden. Sie lassen sich bevorzugt von unten in das Bodenprofil 34 einschrauben. Im eingebauten Zustand der Einsätze 15 sind die Gewebezellen dann so positioniert, daß sie von einer dünnen Schicht aus Nährmedium überströmt werden können. Nach dem

Überströmen der Gewebezellen fließt das Nährmedium dann in die Auffangkammer 4.

Die in Figur 3 dargestellten Träger 14 sind bevorzugt in einer oder zwei Reihen in einem nicht näher dargestellten Strömungskanal angeordnet. Die Breite des Strömungskanals kann 5 bis 7 cm betragen. Größere Breiten haben unter Umständen den Nachteil, daß sich in dem Strömungskanal kein gleichmäßiges Strömungsprofil ausbilden können. Dagegen spielt die Länge des Strömungskanals grundsätzlich keine Rolle. Sie sollte nach Möglichkeit aber nicht größer als 20 bis 25 cm sein, so daß sich im Strömungskanal etwa 5 bis 10 Träger 14 unterbringen lassen.

Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform zeigt als weitere Besonderheit spezielle Träger 16, die für adhärente Zellkulturen ausgebildet sind. Die Träger 16 bestehen vorzugsweise aus Glas oder geeigneten Kunststoffen. Sie sind wie die Träger 14 gemäß Figur 3 so positioniert, daß das Nährmedium in einer dünnen Schicht über die in den Einsätzen 16 befindlichen Gewebezellen hinwegströmen und in die Auffangkammer 4 gelangen kann.

Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 4 zeigt Figur 5 eine Behandlungsapparatur 1, bei der Gas in den Innenraum 12 im Wege der Diffusion gelangt. Als Gaseinlaßöffnung 8 ist hierzu im Oberteil 7 eine spaltförmige Öffnung vorgesehen, die zur Vermeidung von Kontaminationen auch mit einem Diaphragma verschließbar sein kann.

Entsprechendes gilt für die Gasauslaßöffnung 9. Zu-und Ableitungen für das Nährmedium bestehen weiterhin. Sie sind durch Pfeile gekennzeichnet. Für die Ausführungsform gemäß

Figur 5 ergibt sich der Vorteil, daß eine Vorrichtung mit einer solchen Behandlungsapparatur 1 keine besonderen Begasungsmittel erfordert. Die Kultivierung von Gewebezellen läßt sich in diesem Falle ohne zusätzlichen apparativen Aufwand in einem Wärmeschrank durchführen.

In Figur 6 ist schließlich eine Ausführungsform mit einer Behandlungsapparatur 1 dargestellt, bei der der Innenraum 12 druckbeaufschlagt ist. Über geeignete Ventile 29 a-d läßt sich ein definierter Überdruck einstellen, durch den beispielsweise der Übertritt von gasförmigen Stoffen in das Nährmedium erleichtert und somit die Versorgung der Gewebezellen mit diesen Stoffen verbessert wird.

Bezugszeichenliste 1 Behandlungsapparatur 2 Kulturbereich 3 Seitenwand 4 Auffangkammer 5 Leitung 6 Leitung 7 Oberteil 8 Gaseinlaßöffnung 9 Gasauslaßöffnung 10 Leitung 11 Leitung 12 Innenraum 13 Gasversorgungseinheit 14 Träger 15 Einsatz

16 Träger 17 Pumpe 18 Durchflußmesser 19 Durchflußmesser 20 Sterilfilter 21 Befeuchtungsmittel 22 Abluftstrecke 23 Sterilfalle 24 Abluftfilter 25 Pumpe 26 Vorratsflasche 27 Auffangflasche 28 Überlaufkante 29 a-d Ventile 30 Ende 31 Ende 32 Zulauf 33 Ablauf 34 Bodenprofil