DE102009035502A1 - Method and device for detecting the movement and attachment of cells and particles to cell, tissue and implant layers in the simulation of flow conditions - Google Patents
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Abstract
Aufgabe war es, die Bewegungs- und Anlagerungsvorgänge von Zellen und Partikeln bei der Simulation von Flussbedingungen genauer und vollständig zu erfassen. Erfindungsgemäß werden die Bewegung und Anlagerung der Zellen und Partikel in der zumindest einen Interaktionszone (2, 3, 4) optisch vollständig überwacht und ausgewertet, transmigrierende Zellen und Partikel zur Kontrolle und Auswertung aufgefangen (7, 8, 9) sowie insbesondere für Langzeituntersuchungen die Kulturbedingungen des Flussmediums für das Durchströmen der Interaktionszone (2, 3, 4), beispielsweise durch Einstellung des pH-Wertes, der Temperatur und der Nährstoffversorgung für die Zellen und Partikel, gesteuert. Die Erfindung wird beispielsweise angewendet zur Testung von Pharmaka, Pathogenen und sonstigen Wirkstoffen.The task was to record the movement and deposition processes of cells and particles more precisely and completely when simulating flow conditions. According to the invention, the movement and accumulation of cells and particles in the at least one interaction zone (2, 3, 4) are completely optically monitored and evaluated, transmigrating cells and particles are collected for control and evaluation (7, 8, 9) and, in particular, the culture conditions for long-term studies of the flow medium for flowing through the interaction zone (2, 3, 4), for example by adjusting the pH value, the temperature and the nutrient supply for the cells and particles. The invention is used, for example, for testing pharmaceuticals, pathogens and other active substances.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Bewegungs- und Anlagerungsvorgänge von Zellen und Partikeln an Zell-, Gewebe- und Implantatschichten bei der Simulation von Flussbedingungen zu erfassen. Solche Bewegungs- und Anlagerungsvorgänge der Zellen und Partikel, insbesondere von Blutzellen, sind bedeutsam für die Untersuchung der Zell- und Gewebephysiologie und von Effekten, welche durch Pharmaka, Pathogene oder sonstige Wirkstoffe hervorgerufen werden und das Verhalten dieser Zellen und Partikel bei ihrem Durchfluss durch den Organismus beeinflussen.The The invention relates to a method and a device for detecting motion and attachment processes of cells and particles to cell, Tissue and implant layers in the simulation of flow conditions capture. Such movement and attachment processes The cells and particles, especially of blood cells, are significant for the study of cell and tissue physiology and of Effects caused by drugs, pathogens or other active substances be evoked and the behavior of these cells and particles affect their flow through the organism.
Zur Bestimmung von Haupt- und Nebenwirkungen dieser Pharmaka, verschiedener Pathogene und sonstiger Wirkstoffe auf den besagten Organismus wird deshalb deren Einfluss auf das Anlagerungs-, Durchwanderungs- und Differenzierungs-Verhalten, einschließlich sonstiger medizinisch oder biologisch relevanter Verhaltens- und Reaktionsweisen, von Suspensions- und adhärenten Zellen an Zell- und Gewebeoberflächen unter Flussbedingungen in Simulationsvorrichtungen außerhalb des Organismus verstärkt untersucht.to Determination of major and side effects of these drugs, various Pathogens and other agents on the said organism is therefore their influence on the accumulation, migration and Differentiation behavior, including other medical or of biologically relevant behaviors and reactions, of suspension and adherent cells on cell and tissue surfaces under flow conditions in simulation devices outside of the organism.
Die
Simulationsvorrichtungen sollen dabei die im Körper erfolgenden
Flussbedingungen möglichst naturgetreu nachbilden können,
um Organismus- und geweberelevante Aussagen treffen zu können.
Mit diesen Simulationsverfahren sollen insbesondere Versuche an
Tieren substituiert oder zumindest eingeschränkt werden,
die zwar lebensnah Analysen im komplexen System des Organismus unter Berücksichtigung
vieler physiologisch relevanter Parameter ermöglichen,
die aber ethisch umstritten sind, häufig keine Akzeptanz
finden und dadurch immer mehr in Kritik geraten. Darüber
hinaus ist bei den Tiermodellen eine Echtzeitbeobachtung des Krankheitsentstehens
und des Krankheitsverlaufs nur eingeschränkt möglich.
Zudem ist es häufig erforderlich, die behandelten Tiere
nach Ablauf des Versuchs zu töten. Dadurch wird auch immer
nur eine Momentaufnahme des Krankheitsverlaufs ermöglicht.
Aufgrund der individuellen Unterschiede, wie sie auch bei Inzuchttieren
auftreten, ist es so gut wie unmöglich, selbst bei einer
Vielzahl von Untersuchungen und getöteten Versuchstieren
einen repräsentativen Krankheitsverlauf zu rekonstruieren.
Des Weiteren ist die Übertragbarkeit der beim Tiermodell
gewonnenen Erkenntnisse auf dem Menschen meist fraglich (
Zur
Simulation der im Organismus gegebenen Flussbedingungen ist ein
Strömungsmodell zur Untersuchung der Anlagerungsprozesse
von Zellen bekannt (
Das Mikroskop mit Kondensor ist auf eine Fokusebene oberhalb der Interaktionsfläche gerichtet und kann auch nur diese Ebene betrachten. Die Beobachtung ist aber ausschließlich auf diese definierte Ebene beschränkt, so dass die Zellen in ihrer Bewegung nicht kontinuierlich in Echtzeit verfolgt werden können. In der betrachteten Ebene ist es lediglich möglich, die Zellen im Wesentlichen als statische Größe von Einzelmessungen zu erfassen.The Microscope with condenser is on a focal plane above the interaction surface directed and can only look at this level. The observation but is limited to this defined level, so that the cells in their movement are not continuous in real time can be tracked. In the considered plane it is only possible, the cells essentially as static Size of single measurements to capture.
Die
in der
Außerdem bildet diese Vorrichtung ausschließlich die Flussbedingungen der Blutbahn nach und kann damit Zellen beobachten, die sich in dieser simulierten Blutbahn bewegen und ggf. an der Wandung hängen bleiben und anlagern. Zellen hingegen, welche diese Wandung durchwandern und damit unterhalb der Interaktionsfläche zu finden sind, können nicht erfasst und ausgewertet werden und sind damit der Untersuchung nicht zugänglich. Eine solche Aussage ist aber zur Analyse beispielsweise eines Wirkstofftransportes für Pharmaka von großem Interesse.Furthermore This device forms only the flow conditions the bloodstream and can thus observe cells that are in Move this simulated bloodstream and hang on the wall if necessary stay and attach. Cells on the other hand, which walk through this wall and thus can be found below the interaction area, can not be recorded and evaluated and are thus the Investigation inaccessible. Such a statement is but for the analysis of, for example, a drug delivery for Pharmaceuticals of great interest.
Darüber hinaus können, insbesondere für Langzeituntersuchungen, wichtige Umfeldparameter, wie Sterilität, pH-Wert etc., um der Physiologie des nachzubildenden Organismus zu entsprechen, nicht gehalten werden. Morphologische Anpassungen von Zellen an die angelegten Flussbedingungen benötigen mehrere Tage. Somit ist eine Berücksichtigung der direkten Auswirkungen des Flusses auf die Morphologie und Physiologie der Zellen nicht gegeben. Des Weiteren bietet die Vorrichtung keine Möglichkeit, mehrschichtige Zellverbände zu untersuchen. Ferner erlaubt die Vorrichtung nicht das mehrmalige Untersuchen von Partikeln und Zellen.In addition, especially for long-term studies, important environmental parameters, such as sterility, pH, etc., to comply with the physiology of the organism to be reproduced, can not be maintained. Morphological adaptations of cells to the applied flow conditions take several days. Thus, a consideration of the direct effects of flow on the morphology and physiology of the cells is not given. Furthermore, the device offers no possibility to investigate multilayer cell aggregates. Furthermore, the device does not allow the multiple Examine particles and cells.
Es
ist auch bekannt, Adhäsions- und Migrationsprozesse von
T-Zellen unter Flussbedingungen in einem System zu detektieren.
(z. B.
In beiden Einrichtungen werden nach dem gleichen Prinzip Einzelzellschichten aus Endothelzellen in handelsüblichen Zellkultureinsätzen kultiviert. Vor Versuchsbeginn werden die Endothelzellen mit den zu testenden Substanzen inkubiert, indem diese direkt auf die Zellen gegeben werden. Anschließend werden die Substanzen weggewaschen und der eigentliche Versuch gestartet. Der Fluss des Mediums wird über eine Spritzen-Pumpe erzeugt. Adhäsion und Transmigration werden durch ein im senkrechten Winkel über der Interaktionsfläche angebrachtes Phasenkontrastmikroskop beobachtet.In Both devices become single cell layers according to the same principle from endothelial cells in commercial cell culture inserts cultured. Before the start of the experiment, the endothelial cells with the incubated substances to be tested by placing these directly on the cells are given. Subsequently, the substances are washed away and the actual attempt started. The flow of the medium is over produces a syringe pump. Adhesion and transmigration be by a perpendicular angle above the interaction surface attached phase-contrast microscope observed.
Endotheliale
Zellen benötigen Zeit, sich an Flussbedingungen anzupassen.
Unter statischen Bedingungen gewachsene endotheliale Zellen weisen eine
andere Physiologie auf als Zellen, die unter dem Einfluss von Strömungsverhältnissen
entstehen (z. B.
Die Vorrichtungen bieten keine Voraussetzung, die Zellen unter Flussbedingungen anzuziehen. Damit ist auch keine Möglichkeit zur längeren Kultivierung von Endothelzellen unter Flussbedingungen gegeben und die Ergebnisse sind nur sehr eingeschränkt mit der in vivo Situation vergleichbar.The Devices do not provide a requirement for cells under flow conditions to attract. There is no possibility for longer cultivation given by endothelial cells under flow conditions and the results are very limited compared with the in vivo situation.
Die transmigrierten Zellen werden in einem Behälter aufgefangen. Beim Durchdringen der Interaktionsfläche bleiben jedoch transmigrierte Zelle an deren Unterseite anhaften, die bei der Auswertung unberücksichtigt bleiben. Die Gravitation reicht nicht aus, dass alle transmigrierten Zellen nach unten fallen, um quantitativ vollständig ausgewertet werden zu können. Damit sind Adhäsions- und Migrationsprozesse nur ungenau erfassbar.The transmigrated cells are collected in a container. However, when penetrating the interaction surface remain Transmigrated cell adhere to the underside, which is disregarded in the evaluation stay. Gravity is not enough for all to be transmigrated Cells fall down to complete quantitative evaluation to be able to. These are adhesion and migration processes only inaccurately detectable.
Außerdem ermöglicht keine der Vorrichtungen die mehrmalige Untersuchung der Zellen und Partikel in ihrem Fluss durch die Interaktionszone. Auch können Zellen und Partikel in der Interaktionszone nur auf der apikalen Seite vor Versuchsbeginn mit den zu testenden Substanzen inkubiert werden.Furthermore none of the devices allows repeated examination the cells and particles in their flow through the interaction zone. Also Cells and particles in the interaction zone can only on the apical side before the start of the experiment with the substances to be tested be incubated.
Bekannt
ist weiterhin ein System zur Beobachtung von Adhäsions-
und Migrationsprozessen mittels eines Kapillarsystems. Tumorzellen
werden in dieses Kapillarsystem eingesetzt und über eine
Monozellschicht geleitet. Adhäsionsvorgänge werden dabei
ebenfalls aufsichtig durch ein Mikroskop auf der Interaktionsfläche
beobachtet. Hierzu wird eine handelsübliche 48-Loch-Zellkulturplatte
genutzt (
Auch hier können transmigrierende Zellen nach Adhäsion nicht erfasst und analysiert werden. Außerdem ist die Zelluntersuchung nur auf der besagten Monozellschicht gegeben.Also Here, transmigrating cells can become adhesions not be recorded and analyzed. In addition, the cell examination given only on said monocell layer.
Die Druck- und Strömungsverhältnisse im Kapillarsystem sind nur eingeschränkt beeinflussbar. Auch bei dieser Methode sind keine Langzeituntersuchungen möglich.The Pressure and flow conditions in the capillary system are influenced only limited. Also with this method are no long-term studies possible.
In
weiteren Publikationen (
Auch hier ist insbesondere eine längere Kultivierung von Zellen unter Flussbedingungen ausgeschlossen, Möglichkeiten zur Einstellung und Anpassung für Temperatur und pH-Wert bestehen nicht. Transmigrierende Zellen können nicht erfasst werden und sind auch einer späteren Auswertung nicht zugänglich.Also here is in particular a longer cultivation of cells excluded under river conditions, opportunities for Adjustment and adjustment for temperature and pH exist Not. Transmigrating cells can not be detected and are not accessible for a later evaluation.
In
der Patentfamilie zu
Wie
auch schon in vorgenannten Systemen beschrieben (vgl.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die bekannten Methoden zur Simulation und Analyse von Bewegungs- und Anlagerungsvorgängen der Zellen und Partikeln an Zell- und Gewebeschichten, die dem lebenden Organismus nahe kommen, unzulänglich sind. Adhäsions- und Migrationsprozesse von Zellen unter Flussbedingungen sind, sofern überhaupt möglich, nur sehr eingeschränkt und mit fehlerbehafteter quantitativer Beurteilung möglich. Langzeituntersuchungen unter den zuvor genannten Bedingungen, die insbesondere für Analysen von Pharmaka und sonstigen Wirkstoffen wichtig sind, bleiben einer solchen Auswertung weitgehend verschlossen bzw. zeigen wenig Relevanz auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den lebenden Organismus, so dass trotz aller Simulationsmethoden Tierversuche bei aller ethischer Problematik noch immer eine wichtige Bedeutung, insbesondere für die Biologie, Medizin und Pharmaforschung aufweisen. Die Nachteile der Tierversuche bestehen insbesondere darin, dass die Tiere während oder am Ende der Versuche getötet werden und dass eine reproduzierbare lokale Wirkung von Pathogenen, Pharmaka und anderen Wirkstoffen auf Krankheitsverläufe an definierten Stellen des Körpers selbst bei der Verwendung von Inzuchtstämmen, aufgrund der individuellen Unterschiede der einzelnen verwendeten Tiere, nur sehr schwer reproduzierbar sind. Dies führt zu der Notwendigkeit der Durchführung von einer Vielzahl von Einzelexperimenten, um diesen Nachteil unter Nutzung statistischer Hilfsmittel auszugleichen. Doch selbst die Einzelbeobachtung von fließenden und sich anlagernden Zellen in standardisierbaren Untersuchungsvorrichtungen, wie sie derzeit bekannt ist, bereitet aufgrund der auf eine Ebene determinierten visuellen Beobachtbarkeit und der hohen Dynamik der Zellbewegung größte Schwierigkeiten, so dass die Auswertung im Wesentlichen auf die Erfassung statistischer Größen hinausläuft.In summary It should be noted that the known methods of simulation and Analysis of movement and attachment processes of the cells and particles on cell and tissue layers that are the living organism come close, are inadequate. Adhesion and Migration processes of cells under flow conditions are, if at all possible, only very limited and with faulty quantitative assessment possible. Long-term studies under the aforementioned conditions, in particular for Analyzes of pharmaceuticals and other active substances are important such an evaluation largely closed or show little Relevance to the transferability of the results to the living organism, so that despite all simulation methods animal experiments in spite of all ethical problems still an important meaning, especially for biology, medicine and drug research exhibit. The disadvantages of animal experiments are in particular in that the animals during or at the end of the experiments be killed and that a reproducible local effect of pathogens, drugs and other agents on disease progression at defined points of the body even when using of inbred strains, due to individual differences the individual animals used, very difficult to reproduce are. This leads to the necessity of implementation from a variety of individual experiments to address this disadvantage To balance the use of statistical tools. But even that Single observation of flowing and accumulating cells in standardized examination devices, as they currently are is known prepares due to the determined on a plane visual observability and the high dynamics of cell movement biggest trouble, so the evaluation essentially to the collection of statistical quantities amounts.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Bewegungs- und Anlagerungsvorgänge von Zellen und Partikeln bei der Simulation von Flussbedingungen genauer und vollständig zu erfassen.Of the The invention is therefore based on the object, the movement and Anlagerungsvorgänge of Cells and particles more accurate in the simulation of flow conditions and completely grasp.
Einerseits sollen die Bewegungs- und Anlagerungsvorgänge unter Bedingungen simuliert und ausgewertet werden können, die dem Druck- und Strömungsverhalten im nachzubildenden Organismus bzw. körpereigenen Gefäß auch für Langzeituntersuchungen wesentlich näher kommen. Andererseits soll dabei ebenfalls das Adhäsions- und Migrationsverhalten der Zellen und Partikel möglichst vollständig und mit hoher Auswertegenauigkeit erfasst werden können.On the one hand should the movement and attachment processes under conditions can be simulated and evaluated, which correspond to the pressure and flow behavior in the organism or body's own vessel also for Long term investigations come much closer. on the other hand should also be the adhesion and migration behavior the cells and particles as completely as possible and can be detected with high evaluation accuracy.
Mit der Erfindung wird die Bewegung und Anlagerung der Zellen und Partikel, einschließlich deren Migration durch die Zell-, Gewebe- und Implantatschicht, in der gesamten zumindest einen Interaktionszone (und nicht nur durch Blick von oben) optisch erfasst und ausgewertet. Die Erfassung erfolgt vorzugsweise durch mehrere Beobachtungsstrahlengänge, beispielsweise durch zwei Stereomikroskopie-Systeme, räumlich visuell, so dass die Interaktionszone in einem Bereich nicht nur oberhalb, sondern auch innerhalb und ggf. unterhalb derselben visuell räumlich aufgelöst und vollständig überwacht wird. Mit dieser Überwachung kann auch gleichzeitig eine spektroskopische Erfassung der Bewegung und Anlagerung der Zellen und Partikel, einschließlich der Interaktionszone mit ihren Zell-, Gewebe- und Implantatschichten selbst, verbunden sein, indem an wenigstens einen der besagten Beobachtungsstrahlengänge eine Spektroskopieeinheit gekoppelt ist.With The invention relates to the movement and attachment of the cells and particles, including their migration through the cell, tissue and implant layer, throughout the at least one interaction zone (and not only by looking from above) optically recorded and evaluated. The detection is preferably carried out by a plurality of observation beam paths, for example, by two stereomicroscopy systems, spatially visually, so that the interaction zone in an area not only above, but also inside and possibly below it visually spatially resolved and completely monitored. With this monitoring can also simultaneously a spectroscopic Detecting the movement and attachment of cells and particles, including the Interaction zone with its cell, tissue and implant layers itself, connected to at least one of said observation beam paths a spectroscopy unit is coupled.
Durch die Zell-, Gewebe- und Implantatschicht dieser zumindest einen Interaktionszone transmigrierende Zellen und Partikel, welche auf diese Weise optisch verfolgt und dabei gegebenenfalls spektrometrisch analysiert werden können, werden in wenigstens einer Perfusionskammer unterhalb der Interaktionszone aufgefangen und sind somit einer weiteren Auswertung zuführbar. Insbesondere für Langzeituntersuchungen werden die Flussbedingungen des Flussmediums für das Durchströmen der Interaktionszone, beispielsweise durch Einstellung des pH-Wertes, der Temperatur, der Sauerstoffsättigung und der Nährstoffversorgung für die Zellen und Partikel, speziell eingestellt, beispielsweise durch eine dosierbare Regelung.By the cell, tissue and implant layer transmigrating this at least one interaction zone Cells and particles which are optically traced in this way and may optionally be analyzed spectrometrically be in at least one perfusion chamber below the interaction zone collected and are thus a further evaluation fed. Especially for long-term studies, the flow conditions the flow medium for the passage of the interaction zone, For example, by adjusting the pH, the temperature, oxygen saturation and nutrient supply for the cells and particles, specially adjusted, for example by a metered control.
Mit der hier beschriebenen Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, Bewegungs-, Adhäsions- und Transmigrationsprozesse von Zellen unter Flussbedingungen, wie sie z. B. in Blut- und Lymphgefäßen eines lebenden Organismus vorliegen, nahezu naturgetreu nachzubilden, diese Vorgänge räumlich als auch zeitlich aufzulösen und gewünschte Zielzellen nach der Untersuchung vital zu isolieren und somit diese Zellen/Partikel für anschließende Untersuchungen nutzbar zu machen. Weiterhin können Zellen/Partikel unter naturnahen Bedingungen kontakt- und markierungsfrei spektrometrisch analysiert werden. Die Erfindung integriert Komponenten der Zell- und Gewebekultur und der optischen Bildaufnahme- und -verarbeitung und ist daher vielseitig einsetzbar.With the invention described herein, the possibility is created, movement, adhesion and Transmigrationsprozesse of cells under flow conditions, as z. B. present in blood and lymph vessels of a living organism, to replicate almost lifelike, these processes spatially and temporally dissolve and isolate desired target cells vital after the study and thus to make these cells / particles for subsequent studies available. Furthermore, cells / particles under near-natural conditions can be analyzed spectrometrically without contact and label. The invention integrates components of the cell and tissue culture and optical imaging and processing and is therefore versatile.
Untersuchungen an Zellen des Blutes und der Blutgefäße werden häufig unter statischen Bedingungen durchgeführt. Dies entspricht jedoch nicht der Situation in einem lebenden Organismus, in dem diese Zellen verschiedenen Flussbedingungen ausgesetzt sind. Die Zellen adaptieren sich an den Fluss und weisen unter fließenden Bedingungen abweichende zellphysiologische Eigenschaften gegenüber statischen Bedingungen auf. Untersuchungen von an den Fluss adaptierten Zellen geben somit genauere Auskunft über das Verhalten und die Eigenschaften von Zellen in und am Blutgefäß in vivo. Die Erfindung erlaubt Untersuchungen dieser Art unter verschiedenen Typen von Strömungsbedingungen (turbulent, laminar, pulsierend) und erlaubt darüber hinaus die Regulation wichtiger physiologischer Parameter wie hydrostatischer Druck, Flussgeschwindigkeiten, Zell/Partikelkonzentration im Flussmedium, pH-Wert und Sauerstoffsättigung. Es ist möglich, ganze Gewebeschichten entweder in der Zellkultur vorzuzüchten und in die Erfindung zu integrieren oder das Zusammenwachsen des Gewebes schon unter Flussbedingungen im System durchzuführen. Dazu gestattet die Erfindung eine individuelle Anpassung von physiologischen bzw. auch pathologischen Flussbedingungen für die zu untersuchenden Zellen über gewünschte Zeiträume. So erlaubt dieses System zum einen, die frei regelbare Zugabe verschiedener Substanzen nicht nur von der apikalen sondern auch von der basolateralen Seite der Zell-/Gewebe- bzw. Implantatschicht. Dies ist von Bedeutung, da z. B. subzellulär gelegene bioaktive Stoffe, wie beispielsweise modifizierte LDL, einen starken Einfluss auf die Interaktion von Leukozyten mit dem gesamten Gewebeverband haben. Zudem ist mit dieser Erfindung die Untersuchung der Effekte verschiedener Pharmaka, biologisch wirksamer Moleküle, chemischer Noxen und mikrobiologischer Organismen, wie Bakterien, Parasiten und Pilzen, nicht nur auf die Interaktion von Zellen im Flussmedium mit den apikal gelegenen Zellen der Gefäßwand beschränkt, sondern erlaubt ebenso eine Untersuchung der die Gefäßwand transmigrierenden und/oder im Gewebe differenzierenden Zellen. Mittels der in der Erfindung integrierten Perfusionskammern und den darin enthaltenen Zellfallen, ist es möglich, vollständig migrierte Zellen vital aufzufangen und anschließenden analytischen und/oder funktionellen Untersuchungen zugänglich zu machen. Weiterhin verfügt die Erfindung über eine frei regelbare Kontrolle der Umweltparameter pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffmenge und Nährstoffzugabe, womit physiologische Bedingungen eingestellt werden können bzw. durch die einstellbaren Umweltparameter bedingte pathologische Ereignisse, wie Alkalose, Azidose, Nährstoffrestriktion, Hypoxie standardisiert und nah an der in vivo-Situation analysiert werden können.investigations to cells of the blood and blood vessels often performed under static conditions. However, this does not correspond to the situation in a living organism, in which these cells are exposed to different flow conditions. The cells adapt to the flow and show under flowing Conditions deviating cell physiological properties against static Conditions. Investigation of cells adapted to the flow give thus more exact information about the behavior and the Characteristics of cells in and on the blood vessel in vivo. The invention allows investigations of this kind among various Types of flow conditions (turbulent, laminar, pulsating) and also allows the regulation of important physiological Parameters such as hydrostatic pressure, flow velocities, cell / particle concentration in the flow medium, pH and oxygen saturation. It is possible, whole tissue layers either in cell culture vorzuzüchten and integrate into the invention or the Growing of the tissue already under flow conditions in the system perform. For this purpose, the invention allows an individual Adaptation of physiological or pathological flow conditions for the cells to be examined over desired Periods. So this system allows for the one, the free controllable addition of various substances not only from the apical but also from the basolateral side of the cell / tissue or Implant layer. This is important because z. B. subcellular bioactive substances such as modified LDL, a strong influence on the interaction of leukocytes with the have entire tissue association. In addition, with this invention, the investigation the effects of various drugs, biologically active molecules, chemical pollutants and microbiological organisms, such as bacteria, parasites and fungi, not just the interaction of cells in the flow medium with the apical cells of the vessel wall limited, but also allows an investigation of the vascular wall transmigrating and / or in the tissue differentiating cells. By means of integrated in the invention Perfusion chambers and the cell traps they contain, it is possible completely migrated cells to catch vital and subsequent accessible to analytical and / or functional studies close. Furthermore, the invention has over a freely controllable control of the environmental parameters pH value, temperature, Amount of oxygen and nutrient addition, thus physiological Conditions can be set or by the adjustable Environmental parameters related pathological events, such as alkalosis, Acidosis, nutrient restriction, hypoxia standardized and can be analyzed close to the in vivo situation.
Krankheiten, wie Krebs und Sepsis, deren Ausbreitung durch den Blutfluss erfolgen, können mit dieser Erfindung sehr viel genauer, gründlicher und umfassender als mit bisherigen in vitro Methoden untersucht werden. Durch die Erfindung ist es möglich, die Metastasierung von Tumorzellen kosteneffizient, standardisiert und ohne Einsatz von Tiermodellen nachzustellen. Hierbei können physiologische Bedingungen simuliert werden, um ein umfassendes Bild über die Ausbreitung von Tumorzellen in vivo zu erhalten. Es ist möglich durch den Einsatz verschiedener Gewebeverbände, verschiedene Gewebebereiche des Körpers nachzuahmen und somit die Metastasierung von bestimmten Tumoren in definierten Geweben zu simulieren. Zudem ist es möglich, die Untersuchungen über lange Zeiträume durchzuführen und mit ein- oder mehrmaligem Mediumumlauf innerhalb des Systems zu arbeiten. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen langfristig ablaufende pathophysiologische Vorgänge, wie beispielweise das Entstehen atherosklerotischer Läsionen, in Echtzeit zu erfassen. Ferner ist es möglich die Wirkung von pharmakologisch wirksamen Substanzen, Partikel oder Zellen beim Ablauf pathophysiologischer Vorgänge in Echtzeit zu dokumentieren. Hierdurch können Untersuchungen zur Entwicklung von Interventionstherapien effektiver ausgestaltet werden, da Wirkstoffkonzentrationen dynamisch verändert werden können und die Auswirkung auf pathophysiologische Vorgänge direkt beobachtet werden können. Diese Möglichkeiten eröffnen beispielsweise bei der Untersuchung von atherosklerotischen Läsionen, damit verbundenen inflammatorischen Reaktionen und der Wirkung pharmakologisch wirksamer Substanzen neue Möglichkeiten, da Zellen humanen Ursprungs eingesetzt werden können und auf die Nutzung von Tiermodellen verzichtet werden kann. Hierdurch können für die Krankheitsentstehung beim Menschen relevante Vorgänge besser untersucht werden. Die Vorzüge der Erfindung kommen in ähnlicher Weise auch bei der Untersuchung anderer krankheitsrelevanter Vorgänge (z. B. bei Sepsis, Krebs, Autoimmunkrankheiten usw.) am und im Gewebe zu tragen. Zu den Vorteilen der Erfindung zählt weiterhin die Möglichkeit, die Adhäsion und Transmigration von Zellen sowohl aufsichtig als auch seitlich auf und im Gewebe zu erfassen. Um dies zu erreichen, kommen Stereomikroskope zum Einsatz, die in der Lage sind, auch Fluoreszenzsignale zu detektieren. Durch den Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen, die im langwelligen Infrarotbereich emittieren, ist es möglich, Zellbewegungen auch innerhalb von Geweben zu erfassen. Durch das Einbringen von horizontalen transparenten Zwischenschichten in zu untersuchende Gewebe ist es weiterhin möglich, auch Zellbewegungen im Graufeld mittels Phasenkontrast zu erfassen.Diseases, like cancer and sepsis, whose spread occurs through blood flow, can with this invention much more accurate, more thorough and more extensively than with previous in vitro methods become. The invention makes it possible to metastasize of tumor cells cost-efficient, standardized and without use of animal models. Here, physiological Conditions are simulated to give a comprehensive picture of to maintain the spread of tumor cells in vivo. It is possible through the use of different tissue associations, different Imitate tissue areas of the body and thus metastasis of certain tumors in defined tissues. moreover It is possible to study for a long time To carry out periods and with one or more times Medium circulation to work within the system. This will be the opportunity created long-term pathophysiological processes, such as the emergence of atherosclerotic lesions, in real time. Furthermore, it is possible the effect of pharmacologically active substances, particles or cells in the To document the course of pathophysiological processes in real time. This may allow studies on the development of interventional therapies be made more effective, since drug concentrations are dynamic can be changed and the impact on pathophysiological processes can be observed directly. These possibilities open up, for example the study of atherosclerotic lesions, with it associated inflammatory reactions and pharmacological action effective substances provide new opportunities since cells are human Origin can be used and on the use can be dispensed with animal models. This allows processes relevant to the pathogenesis in humans be better examined. The advantages of the invention come in a similar way also in the study of other disease-relevant Events (eg sepsis, cancer, autoimmune diseases etc.) to wear on and in the tissue. Among the advantages of the invention continue the possibility of adhesion and transmigration of cells both in the eye and on the side and in the tissue capture. To achieve this, stereomicroscopes are used, which are also able to detect fluorescence signals. By the use of fluorescent dyes in the long-wave infrared range emit, it is possible cell movements also within of tissues. By introducing horizontal transparent Intermediate layers in tissues to be examined, it is still possible Also to detect cell movements in the gray field by means of phase contrast.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Kammerkörpers als Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Ansichten näher erläutert werden.The invention will be described below with reference to a chamber body shown in the drawing as an exemplary embodiment in different Ansich be explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Interaktion der Zellen und Partikel des Flussmediums mit den Interaktionszonen
Durch
das Mikroskopsystem
In
Zur
Auswertung und Dokumentation der durch die getrennt dargestellten
Mikroskopsysteme
Für
die Detektion von Fluoreszenzsignalen an Zellen und Partikeln des
Flussmediums und/oder an den besagten Zell-, Gewebe- und Implantatschichten
der Interaktionszonen
Zur
Detektion von metabolischen Vorgängen an Zellen und Partikeln
des Flussmediums und/oder an den besagten Zell-, Gewebe- und Implantatschichten
der Interaktionszonen
Die
Messung der Spektren erfolgt durch einen Detektor
Zum
Einbringen von Zellen oder Partikeln in das Flussmedium dient ein
Zellreservoir
Die
Temperierung des Kammerkörpers
Unterhalb
des Kammerkörpers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kammerkörperchamber body
- 2, 3, 42, 3, 4
- InteraktionszoneInteraction zone
- 55
- Zuflussinflow
- 66
- einströmendes Flussmediuminflowing flow medium
- 7, 8, 97, 8, 9
- Perfusionskammerperfusion chamber
- 1010
- Abflussoutflow
- 1111
- Heiz-/KühlwasserkanalsystemHeating / cooling water channel system
- 1212
- Mikroskopsystemmicroscope system
- 13, 14, 1513 14, 15
-
Glas-
oder Quarzeinsatz im Kammerkörper 1Glass-
or quartz insert in the
chamber body 1 - 16, 1716 17
- Kameraportcamera port
- 1818
- Computersystemcomputer system
- 1919
- Lichtquellelight source
- 2020
- Laserlaser
- 2121
- Detektordetector
- 2222
- Wandlersystemconverter system
- 2323
- Zellreservoircell reservoir
- 2424
- Mediumreservoirmedium reservoir
- 2525
- SubstanzapplikationsventilDrug application valve
- 2626
- MediumkreislaufMedium circuit
- 2727
- Sensorkammersensor chamber
- 2828
- Heizungs-/KühlungskreislaufHeating / cooling cycle
- 2929
- HeizwasserreservoirHeizwasserreservoir
- 30, 31, 3230 31, 32
- Perfusionskammerperfusion chamber
- 33, 34, 3533 34, 35
- Vorratsbehälterreservoir
- 36, 3736 37
- BeobachtungsstrahlengangObservation beam path
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