УСТРОЙСТВО ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОЧНЫХ КУЛЬТУР
DEVICE FOR CULTIVATION OF CELL CULTURES

Настоящее изобретение относится к области культивирования клеток и тканей.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройства (вставки) для клеточных культур стали полезным инструментом в области биологии клетки, так как они способствуют росту и дифференциации различных типов клеток. Вставки для клеточных культур могут быть использованы для исследования транспортировки, диффузии, поглощения, метаболизирования и секреции синтетических и природных соединений. Кроме того, вставки позволяют выращивать сложные трехмерные ткани.
Кроме научной ценности изучения роста тканей и организации проведения in vitro биологических исследований, такие ткани имеют большое значение для развития анализов in vitro для проведения оценки токсичности и фармакокинетических параметров химикатов, косметических препаратов и фармацевтических препаратов.
При этом существует возможность значительно уменьшить количество экспериментов на животных, проводимых для оценки таких параметров. Кроме того, использование человеческих клеток и тканей, культивируемых во вставках, является более результативным и снижает процент «ложных результатов», то есть долю соединений, оцениваемых как безопасные или положительные, но в которых корреляция данных животных и человека не представляется возможной. Часто такие ложные результаты обнаруживаются только в конце разработки препаратов или даже при проведении клинических испытаний, что приводит к списанию значительных инвестиционных средств.
Обычно вставки состоят из полого корпуса, который с одного конца закрыт мембраной, на которой выращиваются клетки. Мембраны либо проницаемые, либо непроницаемые и, если они непроницаемые они содержат
микроотверстия для обеспечения передачи питательных веществ через мембрану. Вставка расположена в лунке планшета для клеточной культуры таким образом, что мембрана находится в контакте со средой клеточной культуры или погружена в нее или находится на границе раздела среда/воздух.
Обычно клетки высевают на стороне мембраны, которая направлена от лунки планшета. Чтобы обеспечить свободную диффузию среды с клеточной культурой такие вставки в планшете помещают в планшет с лунками в стоячем положении на маленьких ножках, создавая тем самым пространство между нижней частью вставки и дном лунки планшета. В качестве альтернативы может использоваться подвесное устройство, снабженное фланцами, выступающими за боковые поверхности верхней части вставки.
В последние годы все больше внимания привлекает возможность культивации клеток на обеих сторонах мембраны. В результате можно изучать межклеточные взаимодействия через мембрану вставки, хемотаксис и другие явления миграции клеток. Электрофизиологический анализ возможен по обе стороны мембраны вставки. Отдельно можно исследовать апикальные и базолатеральные области поляризованных клеток. Стволовые клетки могут быть отделены от питающих клеток при культивировании на обеих сторонах мембраны. Однако типы вставок, специально разработанных для таких случаев применения, трудно использовать, так как в лабораторных условиях культивирования клеток они проявляют существенные недостатки при практическом использовании.
Конструкция одной такой вставки описывается в патенте США № US-5470743-А. Патент описывает конструкцию, состоящую из перевернутой стандартной вставки, на которой расположено опорное устройство. Опорное устройство и вставка соединены через прокладку, которая оставляет внутреннее пространство, содержащее внешнюю поверхность мембраны перевернутой вставки, на которой могут выращиваться клетки. После успешного культивирования конструкция разбирается и вкладыш с клетками, культивируемыми на наружной поверхности мембраны, можно повесить на лунке планшета для клеточных культур. Впоследствии клетки можно культивировать на внутренней поверхности мембраны. Конструкция должна быть защищена от загрязнений уплотнением на его верхней и нижней частях. Кроме того, в патенте описывается прокладка, содержащая двусторонний адгезивный элемент, служащий на первоначальном этапе культивирования клеток для плотного соединения устройства и вставки. Это является главным недостатком при разборке, так как существует риск, что на данном этапе мембрана и/или клетки будут повреждены.
Кроме того, конструкция может быть использована только в качестве автономного устройства, а не вместе с планшетом для клеточных культур, препятствуя, таким образом, эффективной обработке, особенно когда одновременно производится работа со многими такими культурами.
Другое решение для культивирования клеток на обеих сторонах мембраны пластины описано в патенте США № US-5759851-A. В патенте описана подвижная рама, которая находится внутри цилиндрического корпуса. Точное размещение указанной подвижной рамы внутри трубчатой структуры возможно, например, при помощи приспособления, имеющего на одном конце фланец, который превышает диаметр трубчатого корпуса. На подвижной раме имеется мембрана для выращивания биологического материала. Культивирование на обеих сторонах мембраны возможно путем перевертывания цилиндрического корпуса. Во избежание утечки культуральной среды подвижная рама вокруг своего наружного диаметра снабжена уплотнением. Это решение имеет тот недостаток, что для регулировки высоты подвижной рамы необходим отдельный инструмент. Другим недостатком является обязательное наличие жесткой ободочной конструкции или кромки, на которую воздействует приспособление и которая в то же время служит в качестве несущего элемента мембраны. Если на такую конструкцию высеять клетки, то они растут либо на свободной, не поддерживаемой мембране, либо на мембране, установленной на ободочной конструкции или, в худшем случае, на самом ободе конструкции. Другим элементом, вступающим в нежелательный непосредственный контакт с клетками и культуральной средой, является уплотнение подвижной рамы. Очевидно, что условия роста на этих разных поверхностях будут существенно отличаться. Как подвижная рама, так и уплотнительное кольцо изготовлены из искусственных материалов, которые влияют на рост и размножение клеток и/или клеточную дифференцировку. Невозможно также гарантировать, что уплотнительное кольцо между рамой и внутренней стенкой цилиндрического корпуса будет герметичным, особенно когда оно сдвинуто зажимным приспособлением. Все эти факторы препятствуют обеспечению безопасности, простоте обслуживания и реализации многих возможных вариантов.
Кроме того, патент США № US-5759851-A описывает решение для подавления образования пузырьков воздуха в стоячей вставке. Это достигается путем формирования конца подвижной рамы, которая направлена в сторону нижней части планшета с лунками под пологим углом. Пользователь должен осторожно опустить устройство под определенным углом в среду для культивирования клеток и наблюдать за захватом воздушного пузыря. Эта угловая форма, очевидно, требует широкой рамы; свободная часть мембраны, которая может использоваться для культивирования клеток, значительно уменьшается. Кроме того, затруднено обслуживание.
Наконец, в большинстве случаев вставки сформированы таким образом, что их наружные стенки соответствуют минимальному расстоянию до стенки планшета для клеточных культур. Очевидно, что использование рамы с пологими углами возможно только в планшете с лунками, который имеет очень большой внутренний диаметр по сравнению с наружным диаметром вставки. Только в этом случае можно наклонить вставки таким образом, чтобы угол наклона рамы и уровень среды был одинаков, а воздух не попадал в ловушку.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, то есть конструкции или сборной конструкции вставки, которая позволит совместное культивирование на обеих сторонах мембраны указанной конструкции или сборной конструкции вставки и которая устранит трудности и недостатки при работе со вставками для совместных культур, описанными в данной области.
Это достигается посредством настоящего изобретения, которое относится к многофункциональным устройствам для клеточных культур, содержащим множество элементов, которые можно определенными способами сочетать, как описано ниже, для обеспечения безопасного и эффективного совместного культивирования клеток на обеих сторонах мембраны.
В минимальной конфигурации устройство для клеточной культуры в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие элементы:
- наружный трубчатый корпус, имеющий верхний и нижний концы. Верхний конец содержит отверстие, а нижний конец закрыт мембраной, на которой могут быть расположены колонии биологического материала. В отношении наружного трубчатого корпуса указанная мембрана имеет внутреннюю и наружную поверхности;
- дополняющий трубчатый корпус, имеющий верхний и нижний концы, причем внутренний диаметр указанного дополняющего трубчатого корпуса соответствует, полностью или частично, наружному диаметру нижнего конца наружного трубчатого корпуса;
- подвесной элемент, имеющий верхний и нижний концы. От верхнего конца отходит в сторону, по меньшей мере, один фланец. Наружный диаметр этого подвесного элемента входит, в целом или частично, во внутренний диаметр наружного трубчатого корпуса. Таким образом, данный подвесной элемент, в случае его присоединения к наружному трубчатому корпусу, как описано выше, приводит к образованию подвесной конструкции вставки. Один или более боковых фланцев служат в качестве опорных элементов, закрепляя верхний конец подвесного элемента на ободе лунки.
Для первой стадии культивирования клеток на одной стороне мембраны наружный трубчатый корпус переворачивают, а дополняющий трубчатый корпус соединяют с нижним концом наружного трубчатого корпуса таким образом, что в результате стоящая вставка с дополняющим трубчатым корпусом образует камеру для культивирования клеток. Клетки могут затем высеваться на наружную поверхность мембраны, которая обращена дополняющего трубчатого корпуса.
После соответствующего периода культивирования во время второго этапа комплект из наружного трубчатого корпуса и дополняющего трубчатого корпуса переворачивают. Затем подвесной элемент соединяют с наружным трубчатым корпусом. После этого дополняющий трубчатый корпус удаляют. Полученную подвесную вставку помещают в лунку планшета для клеточных культур. Наружная поверхность мембраны, на которую на первом этапе высеяли клетки, обращена сейчас к нижней части лунки для клеточных культур. Затем производят второй посев клеток, используя обращенную вверх внутреннюю поверхность мембраны.
Развитие пузырьков воздуха под наружной поверхностью мембраны предотвращают путем отсоединения дополняющего трубчатого корпуса. Полученная подвесная вставка не содержит конструктивных элементов, которые захватывали бы пузырьки воздуха, устраняя, таким образом, вышеупомянутую проблему.
Кроме того, как стоящая конструкция вставки на первой стадии культивирования, так и подвесная конструкция вставки на второй стадии культивирования соответствуют имеющимся на рынке стандартным лункам планшетов для клеточных культур. Требуемые стадии обслуживания просты в выполнении и обеспечивают максимальный уровень безопасности в отношении захвата воздушного пузырька, стерильности и высыхания первой культуры клеток.
Отдельные элементы устройства для культивирования в соответствии с настоящим изобретением могут дополнительно описываться в предпочтительных вариантах исполнения изобретения, которые никоим образом не ограничивают предшествующее общее описание и общую применимость устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - на фигуре представлен общий вид в перспективе устройства для клеточных культур в соответствии с настоящим изобретением, на котором видны наружный трубчатый корпус, дополняющий трубчатый корпус и подвесной элемент.
Фиг.2 - на фигуре представлен общий вид в перспективе первой стадии культивирования клеток на одной стороне мембраны, при этом наружный трубчатый корпус перевернут, а дополняющий трубчатый корпус соединен с нижним концом наружного трубчатого корпуса.
Фиг.3 - на фигуре представлены два общих вида второй стадии культивирования клеток: вид А показывает комплект из наружного трубчатого корпуса и дополняющего трубчатого корпуса, которые поворачиваются, и подвесного элемента, который подсоединяется к наружному трубчатому корпусу; затем вид В показывает поперечный разрез где дополняющий трубчатый корпус удален и результирующая подвесная вставка помещена в лунку планшета для клеточных культур.
Фиг.4 - на фигуре представлены три общих вида в перспективе, которые соответствуют трем вариантам выполнения подвесного элемента, каждый из которых имеет фланцы на верхнем конце и пазы на наружной поверхности; при этом указанные пазы состоят из параллельных выступов в соответствии с вариантом, показанным на фиг.4а, который, в свою очередь, имеет два вида в перспективе; вид на фиг.4b, показывающий винтообразную конструкцию и вид на фиг.4с, показывающий ступенчатую конструкцию.
Фиг.5 - на фигуре представлен общий вид в перспективе сборки между подвесным элементом, выполнение которого показано на фиг.4с, и наружным трубчатым корпусом.
Фиг.6 - на фигуре представлен общий вид в перспективе и поперечный разрез, здесь показано выполнение наружного трубчатого корпуса в соответствии с изобретением, в котором мембрана при помощи зажимного кольца прикреплена к нижней части наружного трубчатого корпуса.
Фиг.7 - на фигуре представлен общий вид в перспективе и поперечный разрез дополняющего трубчатого корпуса, который на своем внутреннем диаметре и на своем нижнем конце содержит, по меньшей мере, сегментную или стопорную зону, более узкую, чем наружный диаметр наружного трубчатого корпуса, имеющего в своем нижнем конце три опоры.
Фиг.8 - на фигуре представлен поперечный разрез наружного трубчатого корпуса, помещенного внутрь контейнера криоконсервации.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фигурах, предпочтительный вариант исполнения устройства клеточной культуры согласно изобретению содержит:
- наружный трубчатый корпус (1), имеющий верхний конец (1а) и нижний конец (1b). Верхний конец (1а) содержит отверстие, нижний конец (1b) закрыт мембраной (4), которая заселяется биологическим материалом. По отношению к наружному цилиндрическому корпусу (1) мембрана (4) имеет внутреннюю поверхность (4а) и наружную поверхность (4b);
- дополняющий трубчатый корпус (2), имеющий верхний конец и нижний конец, внутренний диаметр указанного дополняющего трубчатого корпуса (2) соответствует, в целом или частично, наружному диаметру нижней части (1b) наружного трубчатого корпуса (1);
- подвесной элемент (3), имеющий верхний (3а) и нижний конец (3b). От верхнего конца (3а) в сторону отходят один или более фланцев (5). Наружный диаметр подвесного элемента (3) соответствует, в целом или частично, внутреннему диаметру наружного трубчатого корпуса (1). Таким образом, при подсоединении к наружному трубчатому корпусу (1), как описано выше, подвесной элемент (3) образует структуру подвесной вставки.
Во-первых, как показано на фиг.2, для культивирования клеток на одной стороне мембраны (4) наружный трубчатый корпус (1) переворачивают, а дополняющий трубчатый корпус (2) соединяют с нижним концом (1b) наружного трубчатого корпуса (1) таким образом, что образуется стоящая вставка с дополняющим трубчатым корпусом (2), а мембрана (4) образует камеру для культивирования клеток. Клетки затем могут высеваться на наружную поверхность (4b) мембраны (4), которая обращена внутрь дополняющего трубчатого корпуса (2).
Во-вторых, после соответствующего периода культивирования комплект из наружного трубчатого корпуса (1) и дополняющего трубчатого корпуса (2) переворачивают, как показано на фиг.3а. Затем подвесной элемент (3) соединяют с наружным трубчатым корпусом (1). После этого дополняющий трубчатый корпус (2) удаляют. Полученную подвесную вставку, показанную на фиг.3b, помещают в лунку (12) планшета для клеточных культур. Наружная поверхность (4b) мембраны (4), на которую на первом этапе высеяли клетки, обращена сейчас к нижней части лунки (12) для клеточных культур. Теперь производят второй посев клеток, используя обращенную вверх внутреннюю поверхность (4а) мембраны (4).
Развитие пузырьков воздуха под наружной поверхностью (4b) мембраны (4) предотвращают путем отсоединения дополняющего трубчатого корпуса (2). Полученная подвесная вставка не содержит конструктивных элементов, которые захватывали бы пузырьки воздуха, устраняя, таким образом, вышеупомянутую проблему.
Кроме того, как стоящая конструкция вставки на первой стадии культивирования, представленная на фиг.2, так и подвесная конструкция вставки на второй стадии культивирования, представленная на фиг.3b, соответствуют имеющимся на рынке стандартным лункам (12) планшетов для клеточных культур. Требующиеся операции просты в выполнении и обеспечивают максимальный уровень безопасности в отношении захвата воздушных пузырьков, стерильности и высыхания первой культуры клеток.
Отдельные элементы устройства для культивирования в соответствии с настоящим изобретением могут дополнительно описываться в предпочтительных вариантах выполнения изобретения, которые никоим образом не ограничивают предшествующее общее описание и общую применимость устройства.
Подвесной элемент (3) в предпочтительной форме, как показано на фиг.4а, имеет верхний конец (3а), на котором расположен один или более фланцев (5), которые отходят в сторону от трубчатого корпуса указанного подвесного элемента (3). Указанные фланцы (5) имеют дополняющие отверстия (5а), которые позволяют вставлять остроконечные предметы, например, щипцы, для того, чтобы легче вынимать вставки или кончик пипетки для введения, например, веществ в среду культивирования, и дополнительно позволяют проводить газообмен с окружающей средой. Кроме того, они содержат дистанционный держатель (5b), который позволяет производить точное центральное позиционирование подвесного элемента (3) в лунке (12) планшета для клеточных культур. Подвесной элемент (3) дополнительно может содержать расположенные на наружной поверхности пазы (6а, 6b, 6c). Указанные пазы могут образовывать параллельные выступы (6а), винтообразные пазы (6b), как показано на фиг.4b, или, в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения, ступенчатые пазы (6с), как показано на фиг.4с.
Наружный трубчатый корпус (1), в его предпочтительной форме, имеет верхний конец (1а), который несет один или более выступов, простирающихся поперечно этого наружного трубчатого корпуса (1). Эти выступы дополняют и соответствуют пазам (6а, 6b, 6с) на наружной поверхности подвесного элемента (3). Выступы пригодны для сцепления с каждым видом пазов (6а, 6b, 6с) и соответствуют этим пазам. Применительно к конкретным вариантам выполнения подвесного элемента (3), представленным на фиг.4а и 4b, соответствующий наружный трубчатый корпус (1) имеет выступы, проходящие вдоль всего верхнего конца (1а) указанного наружного трубчатого корпуса (1), образуя, таким образом, дополняющие конструкции к каждому из параллельных выступов (6а) и винтообразных пазов (6b).
В соответствии с другим вариантом выполнения, представленным на фиг.5, верхний конец (1а) наружного трубчатого корпуса (1) содержит поперечные выступы (7), простирающиеся внутрь наружного трубчатого корпуса (1), которые соответствуют ступенчатым пазам (6с) подвесного элемента (3) и входят в них. Таким образом, можно легко собрать наружный трубчатый корпус (1) и подвесной элемент (3).
Расстояние между мембраной (4) подвесной вставки и нижней частью лунки (12) планшета можно регулировать непрерывно, используя наружный трубчатый корпус (1) и подвесной элемент (3), которые разработаны таким образом, чтобы они могли быть закреплены или привинчены. В другом случае, как показано на фиг.5, используя ступенчатые пазы (6с) и соответствующие боковые выступы (7) наружного трубчатого корпуса (1), расстояние можно регулировать дискретными шагами.
Диаметр наружной поверхности подвесного элемента (3) и диаметр внутренней поверхности наружного трубчатого корпуса (1) можно спроектировать таким образом, чтобы трение между этими элементами обеспечивало герметичное соединение. Это обеспечивает отсутствие утечки среды клеточной культуры или загрязнения среды на одной стороне мембраны (4) средой с другой стороны мембраны (4).
Мембрана (4) в соответствии с настоящим изобретением может быть прикреплена к нижней части (1b) наружного трубчатого корпуса (1) при помощи различных средств, известных специалистам в данной области техники, например, термосклеиванием. Предпочтительным является использование зажимного кольца (8), как показано на фиг.6, которое прилегает к кольцевой структуре нижнего конца (1b) наружного трубчатого корпуса (1), плавно прижимаясь к наружной поверхности указанного наружного трубчатого корпуса (1). Наиболее предпочтительный вариант: нижний конец (1b) наружного трубчатого корпуса (1) содержит канавку (9), выполненную с возможностью плотного размещения в ней зажимного кольца (8), причем мембрана (4) остается зажатой между указанным зажимным кольцом (8) и указанной канавкой (9). В наиболее предпочтительном варианте зажимное кольцо (8) может быть снято. Это позволяет снять с конструкции вставки мембрану (4) с расположенными на ней культивируемыми клетками. Мембрану/клеточную структуру можно затем использовать для проведения дальнейших исследований, например, для гистологического и микроскопического исследования или в качестве имплантата.
Для специалиста в данной области является очевидным, что в зависимости от типа мембраны (4) и ее характеристик, особенно от толщины ее стенки, внутренний диаметр зажимного кольца (8) и точные размеры канавки (9) должны быть согласованы, чтобы достигнуть точной и плотной установки мембраны (4) в конструкцию вставки, например в наружный трубчатый корпус (1).
В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения настоящего изобретения, дополняющий трубчатый корпус (2) содержит стопорную зону (10), находящуюся на его внутреннем диаметре и на одном конце, которая является более узкой, чем наружный диаметр наружного трубчатого корпуса (1). После сборки такого дополняющего трубчатого корпуса (2) и наружного трубчатого корпуса (1), как показано на фиг.7, наружный трубчатый корпус (1) может, таким образом, быть зафиксирован в определенном положении внутри дополняющего трубчатого корпуса (2). Наружный трубчатый корпус (1) может дополнительно содержать на своем верхнем конце (1а), по меньшей мере, один, предпочтительно три, выступа (11), которые могут служить в качестве ножек, создавая зазор между верхним концом (1а) наружного трубчатого корпуса (1) и дном лунки (12) планшета для клеточных культур.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что элементы, содержащие наружный трубчатый корпус (1), дополняющий трубчатый корпус (2) и подвесной элемент (3), а также зажимное кольцо (8), могут изготавливаться методом литья, предпочтительно литьем под давлением, из медицинского пластика или аналогичного материала, который не распространяет посторонних веществ, вредных для клеточной культуры. Для этой цели имеется широкий диапазон разных материалов, включающий в себя, полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат, силикон, полипропилен или полиэтилен.
Мембрану (4), которую устанавливают на наружный трубчатый корпус (1), предпочтительно при помощи зажимного кольца (8), можно, по существу, изготавливать из любого синтетического или натурального материала. Примеры таких материалов включают, но не ограничивают этим, полиэтилентерефталат, поликарбонат, альгинат, хитозан, полилактид, полигликолид, полимолочную кислоту, коллаген или составы на их основе. Такие мембраны (4) могут отличаться плотной, но проницаемой структурой или они могут содержать поры, предпочтительно определенного размера и расположенные с определенной плотностью с тем, чтобы обеспечить проведение обмена веществ и химических сигналов через мембрану. Это также относится к использованию мембран (4), одну поверхность или обе поверхности которых покрывают, например, раствором коллагена.
Кроме того, фиг.8 показывает особенное использование устройства, при котором наружный трубчатый корпус (1) размещен внутри контейнера (13) криоконсервации. Поперечные выступы (7) на верхнем конце (1а) наружного трубчатого корпуса (1), направленные во внутреннюю сторону, удерживают крышку криоконтейнера (13) на определенном расстоянии от устройства по данному изобретению. Это обеспечивает, в сочетании с прокладками, закрепленными на криоконтейнере (13), постоянное покрытие мембраны с расположенными на ней клетками замораживающим средством. В этом варианте исполнения изобретения на наружном трубчатом корпусе (1) дополнительно расположены выступы (11), которые направлены в сторону от его верхнего конца (1а). Эти направленные вверх выступы (11) наружного трубчатого корпуса (1) обеспечивают в этом устройстве дополнительную воздушную ловушку с целью предотвращения попадания воздуха внутрь устройства на клеточном уровне. Эластичность мембраны (4) позволяет осуществить изгиб вниз в результате кривизны криоконтейнера (13). Благодаря такому изгибу захваченный воздух со стороны биологического материала выдавливается в сторону воздушной ловушки. После охлаждения наружный трубчатый корпус (1) и биологический материал, прикрепленный к мембране (4), могут быть быстро разморожены благодаря тонкому и постоянному покрытию охлаждающей средой в сторону от наружного трубчатого корпуса (1) и мембраны (4). Это позволяет избежать образования больших скоплений льда, задерживающих процесс размораживания. Наружный трубчатый корпус (1) можно вывести из криоконтейнера (13), соединив его с подвесным элементом (3), и перенести в стандартную лунку (12) планшета клеточных культур чтобы освободить биологический материал из охлаждающей среды и для проведения дальнейшего культивирования.