DE10003521A1 - Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers, Multi-Well-Platte, Lösung zum Kultivieren von Säugerkardiomyocyten, Verfahren zum Kultivieren einer Zellkultur, Vorrichtung für die Messung isometrischer Kraftparameter von Zellkulturen sowie Verfahren zum meßbaren Verfolgen von Kontraktionen eines in eine Trägersubstanz eingelagerten Zellgewebes - Google Patents
Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers, Multi-Well-Platte, Lösung zum Kultivieren von Säugerkardiomyocyten, Verfahren zum Kultivieren einer Zellkultur, Vorrichtung für die Messung isometrischer Kraftparameter von Zellkulturen sowie Verfahren zum meßbaren Verfolgen von Kontraktionen eines in eine Trägersubstanz eingelagerten ZellgewebesInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers aus einer Trägersubstanz und darin eingelagerten Zellkulturen, mit einer Zellkulturschale (1) und mindestens eines Elements (2), welches in der Zellkulturschale (1) angeordnet ist. Des weiteren wird eine Multi-Well-Platte angegeben, welche aus mehreren neben- und/oder hintereinander angeordneter Vorrichtungen zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers aufgebaut ist. DOLLAR A Ferner werden eine Lösung zum Kultivieren von Säugerkardinomyocyten und ein Verfahren zum Kultivieren einer Zellkultur offenbart. DOLLAR A Außerdem sind auch noch eine Vorrichtung für die Messung isometrischer Kraftparameter von Zellkulturen und ein Verfahren zum meßbaren Verfolgen von Kontraktionen eines in eine Trägersubstanz eingelagerten Zellgewebes beschrieben. DOLLAR A Schließlich wird ein künstlich hergestelltes, dreidimensionales Muskelgewebe, insbesondere ein Herzmuskelgewebe, angegeben.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen
Matrixkörpers, eine Multi-Well-Platte zum Herstellen einer Vielzahl von dreidimensionalen
Matrixkörpern, eine Lösung zum Kultivieren von Säugerkardiomyocyten, ein Verfahren zum
Kultivieren einer Zellkultur, eine Vorrichtung für die Messung isometrischer Kraftparameter,
ein Verfahren zum meßbaren Verfolgen von Kontraktionen sowie ein künstlich hergestelltes
dreidimensionales Muskelgewebe.
Die Herzinsuffizienz ist mit einer geschätzten Prävalenz von 1,5 bis 2% der Bevölkerung eine
der wichtigsten Ursachen von Morbidität und Mortalität in der westlichen Welt. Die
Herzinsuffizienz ist grundsätzlich entweder die Folge einer primär gesteigerten Belastung des
Herzens oder die Folge eines Untergangs bzw. einer Schädigung von Herzmuskelzellen
(Kardiomyocyten), die, bei gleichbleibendem Bedarf des Organismus an kontraktiler
Gesamtleistung des Herzens, sekundär zu einer vermehrten Belastung der verbleibenden,
nicht geschädigten Herzmuskelzellen führt.
Dies hat zwei wesentliche Konsequenzen. Einerseits führt die vermehrte Belastung zu einem
Größenwachstum, d. h. zu einer Hypertrophie, der verbleibenden, nicht geschädigten
Herzmuskelzellen. Andererseits kommt es zu einer Vielzahl von quantitativen Änderungen
der Genexpression, d. h. zu einem krankheitsspezifischen Phänotyp der verbleibenden, nicht
geschädigten Herzmuskelzellen. Diese spezifischen Änderungen der Genexpression und ihre
Folgen für die Funktion der Herzmuskelzellen sind erst zu einem geringen Teil bekannt. Klar
ist in diesem Zusammenhang bisher nur, daß sich jede einzelne Zelle (und nicht nur das
gesamte Organ Herz) eines insuffizienten Herzens von denen eines gesunden Herzens
unterscheidet.
Bisherige therapeutische Bemühungen zur Behandlung der Herzinsuffizienz zielen im
wesentlichen darauf ab, das erkrankte Herz hämodynamisch zu entlasten und die
Mechanismen, die man als ursächlich für die Veränderungen der Genexpression und der
Hypertrophie erkannt hat (Aktivierung von neurohumoralen Systemen wie Sympathikus,
Renin-Angiotensin-Aldosteron-System, Endothelin, Wachstumsfaktoren, Entzündungs
mediatoren), pharmakologisch zu unterdrücken. Auf diese Weise kann man tatsächlich den
natürlichen Verlauf der Erkrankung verzögern. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die
Aktivierung der vorgenannten Prozesse einerseits sicher sinnvolle Anpassungen darstellen,
mit denen ein erkranktes Herz auf die vermehrte Beanspruchung reagiert. Andererseits sind es
aber die selben Mechanismen, die letztendlich zu einem vermehrten Untergang von
Herzmuskelzellen beitragen und dadurch einen Teufelskreis in Gang setzen, der die schlechte
Prognose von Patienten mit Herzinsuffizienz erklärt.
Neue Therapieansätze zur Behandlung der Herzinsuffizienz zielen daher darauf ab, im Herzen
spezifische Ziele (Targets) zu identifizieren, die ausschließlich oder überwiegend zu einer
verminderten Funktion des Herzens bzw. zu einem beschleunigten Untergang von
Herzmuskelzellen führen, und diese Prozesse von solchen Prozessen abzugrenzen, die eher
sinnvolle Anpassungen des erkrankten Herzens darstellen. Dazu wurden in den vergangenen
Jahren von verschiedenen pharmazeutischen Unternehmen systematische Genscreening-
Verfahren eingesetzt, mit denen nach Unterschieden in der Genexpression von insuffizienten
und gesunden menschlichen Herzen gesucht wird (subtraktive Verfahren). Mit dem
Aufkommen der DNA-Chip-Technologie wird, in Zusammenhang mit dem
Humangenomprojekt ("human genome project"), in naher Zukunft die Zahl von neuen, in
ihrer Funktion und pathophysiologischen Bedeutung unbekannten Genen rapide zunehmen.
Es besteht somit ein großer Bedarf nach Methoden, die eine schnelle und effiziente
Targetvalidierung erlauben. Das bedeutet, daß man relativ rasch Informationen zu der
funktionellen Bedeutung von quantitativen Änderungen der Genexpression unbekannter oder
wenig bekannter Gene in Herzmuskelzellen gewinnen möchte und, darüber hinaus gehend,
die Wirkung von Substanzen testen, die eine Wirkung auf die Produkte dieser Gene entfalten.
In der deutschen Patentschrift DD 299 439 A5 ist ein Verfahren zur Untersuchung von
medizinisch-pharmazeutischen Präparaten an in vitro kultivierten Zellverbänden aus
Säugetieren, speziell der Maus, beschrieben, bei dem durch Beobachtung die Wirkung dieser
Präparate an pulsierenden, differenzierten Herzmuskelzellen untersucht wird. Dazu wird eine
Zellinie solcher pluripotenter, embryonaler Stammzellen verwendet, die in spontan
pulsierende Herzmuskelzellen differenzieren kann. Aus den embryonalen Stammzellen
werden in geeigneter Weise embryoide Körper ("embryoid bodies") kultiviert, die dann dem
zu untersuchenden Wirkstoff ausgesetzt werden können, wodurch in vivo Untersuchungen
nicht mehr nötig sind. Die in der DD 299 439 AS beschriebene Verfahrensweise erlaubt aber
keine Aussagen zum Einfluß der untersuchten Wirkstoffe auf die Kontraktionskraft der
Herzmuskelzellen. Es wird lediglich die Pulsänderung mittels einer Stoppuhr untersucht.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 00 498 A1 wird zum erstenmal beschrieben,
wie man Zellkulturen von Muskelgewebe kultivieren kann, so daß daran Messungen der
isometrischen Kraftparameter und deren Beeinflussung möglich sind. Dazu sind in der
vorgenannten Offenlegungsschrift Matrixkörper gezeigt, welche zwei plattenförmige, parallel
angeordnete, in eine Spann- und Meßvorrichtung einhängbare Halteteile, eine dazwischen
gespannte Matrix aus erstarrtem Kollagengel und darin eingebettetes, durch Kultivierung
entstandenes Muskelgewebe aufweisen, wobei die Matrix mit den Halteteilen verbunden
ist. Die beiden plattenförmigen Halteteile bestehen aus nichtporösem Material und sind
entweder vollmasiv oder hohl. Damit die Halteteile in eine Spann- und Meßvorrichtung
eingehängt werden können sind an diesen röhrchenförmige Elemente ausgebildet. Um
zwischen der Matrix und den Halteteilen eine Verbindung mit hoher Zugfestigkeit
herzustellen, sind die Oberflächen der Halteteile mit selbstverhakenden Teilen versehen. Des
weiteren sind zwischen den Halteteilen Abstandshalter vorgesehen, die während der
Herstellung des Matrixkörpers den Abstand der Halteteile voneinander konstant halten und
für die Messung isometrischer Kraftparameter des Zellgewebes entfernbar sind. Ferner sind
aus der DE 195 00 498 A1 ein Verfahren zum Kultivieren von Kardiomyozyten in
Kollagengel, insbesondere zum meßbaren Verfolgen der Kontraktion von
Herzmuskelgewebe, sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Matrixkörpers aus
Kollagengel und eingelagerten Zellkulturen bekannt.
Mit den in der DE 195 00 498 A1 beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren war es
erstmals gelungen, Herzmuskelzellen des Hühnchens in vitro zu einem künstlichen,
dreidimensionalen Herzmuskelgewebe (sog. "Engineered Heart Tissue", "EHT") zu
rekonstruieren. Damit lag eine dreidimensionale, hochvernetzte, elektrisch verbundene und
damit den physiologischen Verhältnissen in vivo nahekommende Struktur vor. Davor wurden
Herzmuskelzellen in einer einzelnen Schicht in Plastikschalen kultiviert (sog.
zweidimensionale Kultur).
Darüber hinaus war es mit den in der DE 195 00 498 A1 offenbarten Vorrichtungen und
Verfahren möglich, eine Überwucherung der Kardiomyozyten durch Fibroblasten in
Anwesenheit von Serum und Wachstumsfaktoren zu unterbinden. Dies erlaubt weitgehend
physiologische Wachstums- und Differenzierungsbedingungen ohne die Notwendigkeit,
Zytostatika einzusetzen. In der zweidimensionalen Standardkultur kommt es normalerweise
zu einer ausgeprägten Überwucherung der nicht teilungsfähigen Herzmuskelzellen durch
teilungsaktive Fibroblasten, glatte Muskelzellen und Endothelzellen. In herkömmlichen
zweidimensionalen Kulturen wird dies üblicherweise durch Entzug von Serum und Zugabe
von Zytostatika unterbunden.
Es war ferner möglich, Kraft, Frequenz, Kontraktionskinetik und diastolische Spannung bei
Herzmuskelzellen sicher und reproduzierbar unter isometrischen Bedingungen zu messen.
Dies erlaubte eine erheblich differenziertere und validere Beurteilung der Funktion von
Herzmuskelzellen als dies bei neonatalen oder frisch isolierten adulten Kardiomyozyten
möglich gewesen wäre. Beispielsweise ist bei neonatalen Herzmuskelzellen in einer
zweidimensionalen Kultur die Kraft gar nicht und die Frequenz nur sehr eingeschränkt
meßbar. Bei adulten, frisch isolierten Herzmuskelzellen kann man in einem Zeitraum von bis
zu 6, maximal 24 Stunden relativ verläßlich das Ausmaß der Verkürzung als Parameter der
isotonischen Kraft messen. Da sich jedoch Herzmuskelzellen normalerweise im
Gewebeverband befinden, ist die Kontraktion niemals isotonisch, sondern in der Regel
überwiegend isometrisch mit einer kleinen isotonischen Komponente. Gegenüber intakten
Präparaten und isolierten Zellen besteht somit der Vorteil einer über Tage bis Wochen
stabilen Situation, was besonders für genetische Manipulationen wichtig ist.
Auch erlauben die in der DE 195 00 498 A1 beschriebenen Apparate und Methoden anders
als intakte Präparate eine gute mikroskopische Zugänglichkeit in situ und nach histologischer
Färbung.
Schließlich konnte auch noch gezeigt werden, daß das EHT gemäß der zitierten deutschen
Offenlegungsschrift eine exzellente Gentransfereffizienz mit Adenoviren aufweist (100% der
lebenden Zellen).
Trotz der vorstehend beschriebenen Vorteile und Fortschritte gegenüber einer
zweidimensionalen Kultur weisen die in der DE 195 00 498 A1 offenbarten
dreidimensionalen Zellverbände noch eine Reihe von Nachteilen auf. So konnte man bisher
nur Hühnchenherzmuskelzellen und keine Säugerherzmuskelzellen zu dreidimensionalen
künstlichen Herzgeweben gestalten. Des weiteren ist die Herstellung von EHT mittels der in
der DE 195 00 498 A1 beschriebenen Vorrichtung relativ umständlich, da zuerst Röhrchen
mit einem Metallbügel zusammengebaut, die Röhrchen dann mit einem Klettband beklebt
sowie in Vertiefungen in einer Zellkulturschale ausgerichtet werden müssen und dann eine
Kollagen/Zell-Mischung in die Vertiefungen pipettiert werden muß. Nach maximal
fünfmaligem Gebrauch müssen die Vorrichtungen weggeworfen werden. Da die einzelnen
Komponenten der Vorrichtungen gemäß der DE 195 00 498 A1 in Handarbeit gefertigt
werden, unterliegen sie einer gewissen Variabilität, wodurch das Meßergebnis beeinflußt
wird. Der Übergang zwischen Klettband und Herzgewebe entspricht des weiteren nicht den
physiologischen Bedingungen. Schließlich ist die Apparatur nach der vorher genannten
deutschen Offenlegungsschrift relativ umständlich zu handhaben und eine gewisse
Mindestgröße ist konstruktionsbedingt nicht unterschreitbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren
zur Verfügung zu stellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweisen.
Insbesondere soll gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfach zusammenbaubare, leicht
handhabbare, miniaturisierbare, geringsten konstruktiven Schwankungen unterliegende,
potentiell unbegrenzt wiederverwendbare und den physiologischen Bedingungen möglichst
nahekommende Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Zellgewebe geschaffen
werden. Des weiteren sollen erfindungsgemäß Bedingungen angegeben werden, unter denen
Säugerherzmuskelzellen als dreidimensionale Zellkulturgewebe gezüchtet werden können.
Schließlich sollen auch Vorrichtungen und Verfahren beschrieben werden, wie unter
isometrischen Bedingungen Kraftparameter von Muskelgeweben in Zellkulturen gemessen
werden können.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch die Vorrichtung gemäß des
unabhängigen Patentanspruchs 1, der Multi-Well-Platte gemäß des unabhängigen
Patentanspruchs 25, die Lösung zum Kultivieren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
27, das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 33, die Vorrichtung gemäß des
unabhängigen Patentanspruchs 41, das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
67 sowie das dreidimensionale, künstlich hergestellte Muskelgewebe gemäß des
unabhängigen Patentanspruchs 87. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details
der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibungseinleitung, den
Beispielen sowie der Zeichnung angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers
aus einer Trägersubstanz und darin eingelagerten Zellkulturen weist eine Zellkulturschale und
mindestens ein Element, welches in der Zellkulturschale angeordnet ist, auf. Dadurch wird
erreicht, daß die Zellverbände (z. B. EHTs) nicht mehr, wie in der DE 198 00 498 A1
beschrieben, als an zwei Röhrchen über Klettband befestigte bikonkave Körper produziert
werden, sondern als kontinuierliche Ringe. Die Ringform des Gewebes ergibt sich einfach
dadurch, daß eine Mischung aus Trägersubstanz und Zellen in die Zellkulturschale gegossen
wird, in welcher mindestens ein Element angeordnet ist. Das EHT wächst dann als
Endlosband um das Element herum. Besonders günstig ist es, wenn das Element zentral
und/oder herausnehmbar in der Zellkulturschale angeordnet ist. Dabei kann das Element z. B.
entweder über ein Gewinde in den Boden der Zellkulturschale einschraubbar, oder gemäß
einer besonders bevorzugten Ausführungsform einfach in den Boden der Schale einsteckbar
sein.
Beim Gießen des Gemischs aus Trägersubstanz und Zellen in die Zellkulturschale breitet sich
das Gemisch in dieser aus. An der Stelle, an das mindestens eine Element angeordnet ist, kann
sich das Gemisch nicht verbreiten. Das künstliche Zellgewebe bildet sich um das Element
herum aus. Das fertige künstliche Zellgewebe kann dann aus der Zellkulturschale entnommen
werden. Ist das Element herausnehmbar, kann das künstliche Zellgewebe zusammen mit dem
Element aus der Schale entnommen werden. Dies bringt eine Reihe von Vorteilen im
Vergleich zur bisherigen Handhabung (wie in der DE 195 00 498 A1 beschrieben) mit sich.
- 1. Der gesamte Arbeitsaufwand wird geringer, da die folgenden Arbeitsschritte wegfallen: Der Zusammenbau der Röhrchen mit einem Metallbügel, das Bekleben der Röhrchen mit Klettband, die Ausrichtung der Vorrichtung in den vorgefertigten Vertiefungen der Zellkulturschale und das mühsame Pipettieren des Gemischs aus Trägersubstanz und Zellen in diese Vertiefungen. Dadurch wird auch die Produktion größerer Testserien unaufwendiger und somit auch kostengünstiger.
- 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zeitlich unbegrenzt verwendet werden, während sich die mit Klettband beklebten Röhrchen abnutzen, maximal fünfmal einsetzbar sind und danach weggeworfen und durch neue ersetzt werden müssen.
- 3. Die Uniformität der ringförmigen Konstrukte ist leicht zu perfektionieren, da die erfindungsgemäße Vorrichtung maschinell und mit geringsten Toleranzen gefertigt werden kann, während die Komponenten der in der DE 195 00 498 A1 beschrieben Vorrichtung in Handarbeit gefertigt werden müssen und damit einer nicht unerheblichen Variabilität unterliegen. Darunter leidet die Reproduzierbarkeit von Versuchsserien bei Verwendung der aus der genannten Offenlegungsschrift bekannten Vorrichtung.
- 4. Die ringförmigen Konstrukte, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhältlich sind, sind stabiler und auch biologisch einem natürlichen Herzen ähnlicher als frühere Zellgewebe, da der unphysiologische Übergang von Zellgewebe zu Klettband bzw. Röhrchen wegfällt.
- 5. Die Handhabung der ringförmigen Konstrukte für Untersuchungen ist einfacher und leichter als bei den früher erhältlichen Zellgeweben (mit Klettband/Röhrchen).
- 6. Die ringförmigen Konstrukte lassen sich leichter als die früher erhältlichen Zellgewebe (mit Klettband/Röhrchen) minaturisieren.
Das in der Zellkulturschale angeordnete Element kann auch einstückig (integral) mit der
Zellkulturschale ausgebildet sein. Für die leichtere Entnehmbarkeit der Konstrukte aus der
Schale ist es jedoch bevorzugt, daß das Element und die Kulturschale trennbar voneinander
sind.
Vorteilhafterweise ist das in der Zellkulturschale angeordnete mindestens eine Element
zylinderförmig ausgebildet, wodurch sich bei einer geeigneten Form der Zellkulturschale ein
ringförmiges Konstrukt mit einer runden Öffnung in der Mitte ergibt. Der Durchmesser des
zylinderförmigen Elements liegt vorzugsweise zwischen 3 und 8 mm, insbesondere bei 5 mm.
Weitere besonders geeignete Formen für das Element sind kegelstumpfartig oder oval. Als
besonders geeignetes Material, aus dem das Element aufgebaut ist, hat sich im Falle einer
einstückig ausgebildeten Zellkulturschale ein dauerelastisches Materials, wie Latex oder
Silicon, erwiesen. Ist das Element entnehmbar aus der Schale, so ist dieses vorteilhafterweise
aus einem nicht-klebenden, autoklavierbaren, festen, nicht elastischen Material, wie Teflon
oder Delrin, aufgebaut. Teflon ist Polytetrafluorethylen (PTFE) und ist eine eingetragene
Marke für DuPont. Delrin ist ebenfalls eine eingetragene Marke und über DuPont beziehbar.
Delrin ist ein Polyacetalkunststoff (Polyoxymethylen), der durch Polymerisation von
wasserfreiem Formaldehyd gewonnen wird und sehr gute mechanische, thermische und
chemische Beständigkeit aufweist.
Besonders geeignet sind erfindungsgemäß runde oder ellipsenförmige (ovale)
Zellkulturschalen, da damit am leichtesten runde Zellgewebsverbände hergestellt werden
können. Im Falle einer runden Zellkulturschale liegt deren Durchmesser vorteilhafterweise
zwischen 10 und 20 mm, insbesondere bei 15 mm. Im Falle einer ellipsenförmigen (ovalen)
Zellkulturschale liegt vorteihafterweise die große Hauptachse zwischen 10 und 30 mm,
insbesondere bei 25 mm, und die kleine Hauptachse zwischen 5 und 20 mm, insbesondere bei
15 mm, wobei die große Hauptachse immer größer als die kleine Hauptachse ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hervorragend zur Herstellung von künstlichem,
dreidimensionalem Herzgewebe (EHT) geeignet. Dazu werden bevorzugt als Trägersubstanz
Kollagen und als Zellen Muskelzellen, speziell Herzmuskelzellen, eingesetzt. Insbesondere
bei Verwendung der nachstehend beschriebenen speziellen Lösungen können in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Säugermuskelzellverbände, insbesondere
Säugerherzmuskelzellverbände, gezüchtet werden. Geeignete Säuger sind beispielsweise
Ratten und Mäuse. Dabei können als Ausgangsmaterial entweder direkt Muskelzellen,
insbesondere Herzmuskelzellen, oder Stammzellen, die in vitro zu Muskelzellen,
insbesondere Herzmuskelzellen, differenziert werden können, eingesetzt werden. Beispiele
für die letztgenannte Alternative sind die aus pluripotenten, embryonalen Stammzellen der
Maus mittels eines Verfahrens im hängenden Tropfen ("hanging-drop"-Verfahren wie im
Ausführungsbeispiel des deutschen Patents DD 299 439 AS beschrieben) und die aus adulten
Stammzellen der Maus gewonnenen Zellen, die jeweils zu Muskelzellen bzw.
Herzmuskelzellen differenziert werden können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Möglichkeit, eine
Vielzahl von Vorrichtungen unmittelbar neben- und/oder hintereinander anordnen zu können.
Dabei ist prinzipiell jede Anzahl von nebeneinander angeordneten Vorrichtungen denkbar.
Als günstig hat es sich jedoch herausgestellt, wenn 24 Vorrichtungen (4 × 6) oder ein
Mehrfaches davon in einer sog. "Multi-Well-Platte" zusammengefaßt sind. Mit diesen Multi-
Well-Platten ist es möglich, viele künstliche Zellgewebe (insbesondere EHTs) simultan
herzustellen, d. h. diese gleichzeitig zu gießen und reifen zu lassen. Die ausgereiften
Zellverbände können dann ohne zusätzlichen Manipulationen weiteren Untersuchungen
unterzogen werden, im Fall von EHTs können beispielsweise online-Kraftmessungen
durchgeführt werden. Geeignete Vorrichtungen hierfür werden weiter unter noch näher
beschrieben.
Die Entwicklung einer Multi-Well-Platte zur Herstellung und Messung von EHTs stellt einen
entscheidenden Schritt für die Verwendung der EHTs in Sereening-Verfahren mit hohem
Durchsatz ("high throughput screening") von Arzneimitteln im weitesten Sinne dar. Neben
dem Einfluß klassischer chemischer Verbindungen können auch die Auswirkungen eines
Gentransfers, beispielsweise mit rekombinanten Adenoviren, und von antisense
Oligonukleotiden auf die Herzmuskelzellfunktion untersucht werden.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ferner eine Lösung zum Kultivieren von
Säugerkardiomyozyten in einer Trägersubstanz sowie ein Verfahren zum Kultivieren einer
Zellkultur in einer Trägersubstanz unter Verwendung dieser Lösung. Wie eingangs bereits
erwähnt, war es bisher nicht gelungen, ein Medium bereitzustellen, in dem
Säugerkardiomyocyten ein dreidimensionales Gewebe ausbilden. Frühere Versuche wurden
daher mit Hühnchenherzmuskelzellen durchgeführt. Die erfindungsgemäße Lösung zum
Kultivieren von Säugerkardiomyocyten enthält einen Anteil an extrazellulärer Matrix des
Engelbreth-Holm-Swarm-Tumors (kurz "Matrigel" genannt). Erhältlich ist dieses Matrigel
z. B. von Harbor Bio-Products, Tebu, Frankfurt (BRD). Vorzugsweise enthält die Lösung
mindestens soviel Matrigel, daß dieses im Rekonstitutionsgemisch (d. h. dem Gesamtgemisch
aus Trägersubstanzlösung (wie z. B. Kollagenlösung), Zellsuspension (wie z. B.
Rattenherzmuskelzellsuspension) und Nährstofflösung) in einer Konzentration von
mindestens 5 Vol.-%, insbesondere zwischen 5 und 15 Vol.-%, enthalten ist. Sehr gute
Ergebnisse werden erzielt, wenn Matrigel im Rekonstitutionsgemisch in einer Konzentration
von 10 Vol.-% vorhanden ist. Dies kann beispielsweise auf folgende Weise erreicht werden.
Ein zweifach konzentriertes Nährmedium (2 × Dulbecco's modifiziertes essentielles
Minimalmedium (2 × DMEM), 20% Pferdeserum, 4% Hühnchenembryoextrakt, 200 µg/ml
Streptomycin und 200 U/ml Penicillin G) wird mit einer Trägersubstanzlösung (z. B.
Kollagenlösung) im Verhältnis von 50 : 50 Volumenteilen gemischt, so daß die
Endkonzentration an Nährmedium in dem Gemisch aus Trägersubstanzlösung und
Nährmedium 1 × DMEM, 10% Pferdeserum, 2% Hühnchenembryoextrakt, 100 µg/ml
Streptomycin und 100 U/ml Penicillin G ist. Das Gemisch wird anschließend mit wenig
Lauge (z. B. 0,1 N NaOH) neutralisiert. Zu etwa 85 Vol.-% des neutralisierten Gemischs
werden etwa 15 Vol.-% Matrigellösung hinzugegeben. Schließlich wird das Gemisch, das
Trägersubstanzlösung, Nährmedium und Matrigel enthält, im Verhältnis von etwa 70 : 30 Vol.-
% mit einer Zellsuspension gemischt. Das Endgemisch (Rekonstitutionsgemisch) enthält dann
etwa 10 Vol.-% an Matrigel.
Es versteht sich von selbst, daß entsprechende Gemische auch andere
Matrigelkonzentrationen enthalten können, solange sichergestellt ist, daß die Konzentration
im Rekonstitutionsgemisch ausreichend hoch ist, um das Wachsturn dreidimensionaler,
künstlicher Gewebe, welche Säugerherzmuskelzellen enthalten, zu bewirken.
Mit der vorstehend beschriebenen, Matrigel enthaltenden Lösung war es erstmals möglich,
mit Herzmuskelzellen von neugeborenen Ratten in einer Trägersubstanz (Kollagenmatrix) ein
dreidimensionales, künstliches Herzgewebe auszubilden.
Der Vorteil von EHTs der Ratte gegenüber EHTs von Hühnchen ist die Tatsache, daß sich die
erstgenannten von Säugetierzellen ableiten. Dies erhöht die Vergleichbarkeit von gewonnenen
Ergebnissen mit dem Menschen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die EHTs der Ratte deutlich,
und zwar 2 bis 3 mal, stärker schlagen als die des Hühnchens. Schließlich ist das Verhältnis
von aktiv entwickelter Kraft zur passiven Grundspannung bei der Ratte größer als beim
Hühnchen (1 : 2 bis 1 : 1 bei der Ratte, < 1 : 10 beim Hühnchen).
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für die Messung
isometrischer Kraftparameter von Zellkulturen. Diese Vorrichtung umfaßt eine
Zellkulturschale, mindestens ein Element, welches in der Zellkulturschale angeordnet ist, eine
Druckaufnahmeeinrichtung und eine Einrichtung zur Aufzeichnung von Druckänderungen.
Dabei können die Zellkulturen direkt in der Zellkulturschale gezüchtet werden, und für die
Kraftmessungen ist kein Transfer der Kulturen von einem Anzuchtgefäß in ein Meßgefäß
mehr notwendig. Der Hauptarbeitsschritt beim Verfahren gemäß DE 195 00 498 A1, nämlich
das Entnehmen der relativ fragilen Zellkultur (z. B. EHTs) aus einer Schale und Aufhängen in
einem Organbad, wird überflüssig. Ferner wird eine Versuchsvariable ausgeschaltet, nämlich
das Maß der Vordehnung im Organbad (Vordehnung im Sinne einer prozentualen
Abweichung von der ursprünglich gegossenen Form). Auch können mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung Dauermessungen der Kraft über Tage durchgeführt werden,
während mit der aus der vorstehend erwähnten deutschen Offenlegungsschrift bekannten
Vorrichtungen bestenfalls Messungen für einige Stunden möglich waren. Des weiteren
erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung Kraftmessungen im Nährmedium, d. h. unter den
normalen Wachstums- und Reifebedingungen, während bei der herkömmlichen Apparatur bei
Messungen im Organbad eine wäßrige Lösung ohne Aminosäuren, Eiweiße,
Wachstumsfaktoren etc. verwendet wird. Schließlich ist mit der neuen, erfindungsgemäßen
Vorrichtung der instrumentelle Aufwand erheblich geringer als mit der bekannten
Vorrichtung, wodurch sich auch eine wesentliche finanzielle Einsparung erzielen läßt.
Es kann des weiteren von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung für die
Messung isometrischer Kraftparameter neben den vorstehend genannten Bauteilen eine
Verstärkereinrichtung aufweist, welche das Meßsignal verstärkt. Geeignete
Druckaufnahmeeinrichtungen sind beispielsweise Dehnungsmeßstreifen oder Tipkatheter
(z. B. Millar-Tipkatheter).
Es ist bevorzugt, wenn gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Zellkulturschale und das darin angeordnete Element einstückig ausgebildet
sind, d. h. wenn das Element ein integraler Bestandteil der Zellkulturschale ist. Nachdem einer
der Hauptvorteile der Vorrichtung ist, daß diese nicht mehr einen Transfer der Zellkultur in
ein anderes Gefäß für Messungen erfordert, ist es auch nicht notwendig, daß das Element
zusammen mit der Zellkultur aus der Kulturschale entnehmbar ist.
Wie bereits vorstehend für die Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen
Matrixkörpers beschrieben, ist das in der Zellkulturschale angeordnete Element vorzugsweise
mittig (zentral) angebracht. Soweit die Form des Elements betroffen ist, sollte diese
vorzugsweise zylinderförmig oder kegelstumpfförmig sein oder einen ovalen
(ellipsenförmigen) Querschnitt aufweisen. Im Falle einer zylinderförmigen Ausgestaltung
weist das Element vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 8 mm, insbesondere
5 mm, auf. Als Material für das Element eignet sich besonders ein dauerelastisches Material,
wie beispielsweise Latex oder Silicon.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt diese das
Vordehnen der EHTs, bevor Messungen zur Kontraktionskraft durchgeführt werden. In
diesem Fall sollte das Element aus der Zellkulturschale entnehmbar sein und aus einem
festen, nicht elastischen Materials, wie beispielsweise Teflon oder Delrin aufgebaut sein.
Günstig ist es, wenn das Material auch noch nicht-klebend und autoklavierbar ist, was für
Teflon und Delrin zutrifft.
Die Zellkulturschale der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung isometrischer
Kraftparameter ist vorzugsweise rund mit einem Durchmesser von 10 bis 20 mm,
insbesondere 15 mm. Auch ovale (ellipsenförmige) Zellkulturschalen sind besonders
geeignet, wobei in diesem Fall die große Hauptachse der Ellipse vorzugsweise zwischen 10
und 30 mm, insbesondere bei 25 mm liegt, und die kleine Hauptachse zwischen 5 und 20 mm,
insbesondere bei 15 mm, liegt, wobei die große Hauptachse immer größer als die kleine
Hauptachse ist.
Um die zu züchtende Zellkultur besser zu strukturieren, enthält diese vorzugsweise eine
Trägersubstanz. Sind die Zellen der Zellkultur Muskelzellen, so eignet sich als
Trägersubstanz insbesondere Kollagen. Speziell an Säugerherzmuskelzellen können in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung unter lebensnahen Bedingungen Langzeituntersuchungen zur
Kraftentwicklung vorgenommen werden.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum meßbaren Verfolgen
von Kontraktionen eines in eine Trägersubstanz eingelagerten Zellgewebes. Dabei wird
zunächst eine Zellkulturschale mit einem darin angeordneten Element bereitgestellt, in welche
dann ein Gemisch aus einem Trägersubstanzmaterial und einer Zellgewebesuspension
eingefüllt wird. Anschließend wird die mit Träger und Zellen beschickte Zellkulturschale in
einem Brutschrank inkubiert, bis der Inhalt der Zellkulturschale erstarrt ist. Vor oder auch
nach diesem Inkubierungsschritt wird der Zellkulturschale eine Nährlösung zugegeben. Als
nächstes wird die Zellkulturschale mit dem erstarrten Gemisch aus Trägersubstanz und
Zellgewebe für mehrere Tage weiter inkubiert. Danach kann die isometrische
Kraftentwicklung des Zellgewebes mittels einer Druckaufnahmeeinrichtung bestimmt und
über eine Datenaufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet werden.
Wenn die zu untersuchenden Zellen Säugerherzmuskelzellen sind, so sollte die Nährlösung
eine ausreichende Menge an extrazellulärer Matrix des Engelbreth-Holm-Swarm-Tumors
(Matrigel) enthalten. Geeignete Nährlösungen sind bereits oben beschrieben worden. Der
Gesamtansatz enthält vorzugsweise mindestens 5 Vol.-%, insbesondere 5 bis 15 Vol.-% und
speziell 10 Vol.-% Matrigel. Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn in dem Gemisch
noch 1 × Dulbecco's modifiziertes essentielles Minimalmedium (1 × DMEM), 10%
Pferdeserum, 2% Hühnchenembryoextrakt, 100 µg/ml Streptomycin und 100 U/ml Penicillin
G enthalten sind.
Das genannte Verfahren eignet sich z. B. für Kraftmessungen an Muskelzellgewebe, wie
Herzmuskelzellen. In Kombination mit Kollagen als Trägersubstanz und der vorstehend
beschriebenen Lösung können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals isometrische
Kraftmessungen an künstlich hergestellten, dreidimensionalen Säugerherzmuskelzellgeweben
durchgeführt werden.
Der erste Inkubierungsschritt, um das Gemisch aus Trägersubstanz und Zellsuspension zum
Erstarren zu bringen, dauert in der Regel 1 bis 2 Stunden. Die Temperatur beträgt beim ersten
Inkubierungsschritt vorzugsweise etwa 37°C. Abhängig von der verwendeten Zellkulturart
dauert der zweite Inkubierungsschritt zwischen 2 und 15 Tagen, vorzugsweise 5 bis 12 Tage,
und insbesondere für Säugerherzmuskelzellen 6 bis 10 Tage.
Bevor die in der DE 195 00 498 A1 beschriebenen Techniken zur Verfügung standen, konnte
die wichtigste Herzfunktion, nämlich die Kontraktionskraft, zuverlässig nur am gesamten
isolierten Herzpräparat (z. B. der Ratte, des Meerschweinchens oder des Frosches) oder an
Gewebestreifen aus explantierten Tierherzen gemessen werden. Die in der genannten
Offenlegungsschrift offenbarten Vorrichtungen und Verfahren ermöglichten es, Tierversuche
einzusparen und vor allem die Bedeutung einzelner Proteine der Herzmuskelzelle für die
Regulation der Kontraktionskraft besser untersuchen zu können. Allerdings war es bisher
nicht gelungen, Säugerherzmuskelzellen zu kultivieren, und die bisher mit
Hühnchenherzmuskelzellen gewonnenen Ergebnisse sind nur sehr eingeschränkt auf Säuger
und insbesondere auf den Menschen übertragbar.
Die Erfindung ermöglicht nun erstmals die Züchtung von Säugerherzmuskelzellen in
Gewebekultur derart, daß ein spontan und kohärent schlagender Verbund entsteht. Mit diesem
Modell ist es nunmehr möglich, ganz gezielt einzelne Proteine des Säugerherzens in der
Kultur in ihrer Funktion zu manipulieren und an derartig manipulierten Zellen die
Kontraktionskraft zu messen.
Darüberhinaus ermöglicht die Erfindung auch erstmalig das genaue Studium der interaktiven
Wirkung der verschiedenen Zelltypen im Säugerherzen auf die Kontraktionskraft. Man weiß,
daß 80% der Zellen im Herzen Nicht-Muskelzellen, d. h. zum Beispiel Bindegewebszellen,
Gefäßzellen oder Nervenzellen, sind. Bisher ist es nicht bekannt, welchen Einfluß diese
Zellen auf die Kraftentwicklung im Säugerherzen haben. In dem durch die Erfindung
vorgestellten System kann man nun verschiedene Zellpopulationen in verschiedenen Anteilen
mischen und untersuchen, welchen Einfluß dies auf die Kontraktionskraft hat.
Weiterhin kann man Mechanismen der Vergrößerung von Säugerherzen (Hypertrophie) durch
das aus der Erfindung resultierende System untersuchen. Dabei kann daran gedacht werden,
die Zellkulturgewebe unterschiedlich lange und unterschiedlich stark vorzudehnen oder mit
bestimmten Pharmaka zu inkubieren. Dies verursacht eine Vergrößerung der einzelnen
Herzmuskelzellen. Im vorliegenden System ist es jetzt erstmalig möglich, auch die
funktionelle Auswirkung der Vergrößerung des Säugerherzens unter den
Versuchsbedingungen direkt und einfach zu messen.
Die Erfindung ermöglicht somit erstmalig die Messung der isometrischen Kontraktionskraft
an embryonalen Säugerherzmuskelzellen oder, allgemeiner gesagt, an kultiviertem, vom
Organismus separierten Säugermuskelgewebe. Die Erfindung ermöglicht damit die gezielte
Untersuchung von Auswirkungen bestimmter Manipulationen von Säugermuskelzellen oder
einer Säugerherzmuskelvergrößerung auf die Kontraktionskraft. Derartige Fragestellungen
stehen im Mittelpunkt eines Großteils der experimentellen Forschung, d. h. der
- - kardiovaskulären Grundlagenforschung und der
- - angewandten Forschung mit dem Ziel der Entwicklung neuer herzwirksamer Pharmaka zur Therapie der Herzmuskelschwäche und von Herzrhythmusstörungen.
Es soll an dieser Stelle nochmals betont werden, daß die Herz-Kreislauferkrankungen in der
westlichen Welt für die meisten Todesfälle verantwortlich sind. Die Herzmuskelschwäche ist
mit einer Häufigkeit von etwa 3% der bundesdeutschen Bevölkerung eine der häufigsten
Erkrankungen überhaupt. Die Behandlungsmöglichkeiten haben sich verbessert. Dennoch
liegt die 5-Jahres-Sterblichkeit auch heute noch bei über 50%. Dies bedeutet, daß die
Entwicklung von Medikamenten, welche die Herzmuskelschwäche verbessern können, weiter
ein vorrangiges gesundheitspolitisches Ziel darstellt. Insbesondere in diesem Zusammenhang
ist der Nutzen der vorliegenden Erfindung zu sehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß die Erfindung erstmals die Herstellung von
künstlichem Herzgewebe der Ratte als Gewebeersatz, beispielsweise nach einem
Myocardinfarkt, erlaubt. Es sind vielversprechende Ansätze vorhanden, daß die
erfindungsgemäß hergestellten Ring-EHTs am Herzen anwachsen und möglicherweise die
Eigenkontraktion eines erkrankten Herzens unterstützen können. Dies bietet unter Umständen
ungeahnte Perspektiven zur Behandlung von Herzerkrankungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein künstlich hergestelltes, dreidimensionales
Muskelgewebe enthaltend eine Trägersubstanz und Muskelzellen. Das künstlich hergestellte,
dreidimensionale Muskelgewebe ist erhältlich durch Herstellung eines Gemischs aus einer
Trägersubstanz und einer Nährstofflösung, Neutralisierung des Gemischs, Zugabe von
Matrigel und einer Muskelzellsuspension zu dem neutralisierten Gemisch sowie
anschließendem Inkubieren des Gemischs unter Bedingungen, unter denen ein
dreidimensionales Muskelgewebe entstehen kann. Es ist prinzipiell jede Muskelzellart
einsetzbar, jedoch besonders bevorzugt, Herzmuskelzellen zu verwenden. Die Herkunft der
Muskelzellen ist unkritisch. Insbesondere im Hinblick auf Erkenntnisgewinne in
Zusammenhang mit Herzerkrankungen des Menschen ist es besonders bevorzugt,
Säugermuskelzellen, beispielsweise aus der Ratte oder aus der Maus, einzusetzen. Es können
dabei unter anderem ausdifferenzierte Muskelzellen, beispielsweise Herzmuskelzellen, als
Ausgangsmaterial hergenommen werden oder auch die bereits vorstehend beschriebenen,
pluripotenten, embryonalen Stammzellen der Maus, welche in spontan pulsierende
Herzmuskelzellen differenzieren können (siehe DD 299 439 A5). Als bevorzugtes
Trägermaterial bietet sich wiederum Kollagen an, insbesondere wenn Herzmuskelzellen oder
Zellen, die zu Herzmuskelzellen differenzieren können, zum Einsatz kommen. Die übrigen
Parameter (Art und Konzentration der Nährlösung, der Trägersubstanz, des
Neutralisationsmittels, des Matrigels und der Muskelzellsuspension, Dauer und Temperatur
des Inkubationsschrittes etc.) entsprechen vorzugsweise den in den Ansprüchen, der
Beschreibungseinleitung und den Beispielen der vorliegenden Anmeldung wiedergegebenen
Angaben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren und Beispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Zellkulturschale mit einem darin angeordneten Element;
Fig. 2 eine größere Schaleneinheit, in der mehrere erfindungsgemäße Zellkulturschalen nach
Fig. 1 enthalten sind;
Fig. 3 ein mittels der in Fig. 1 gezeigten Zellkulturschale erhaltenes, ringförmiges,
künstliches, dreidimensionales Herzgewebe (EHT);
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Multi-Well-
Platte mit einer Vorrichtung zur Kraftmessung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zellkulturschale mit einer Vorrichtung zur Messung der Kontraktionskraft, gezeigt
zum Zeitpunkt des Gießens des EHTs;
Fig. 6 die erfindungsgemäße Zellkulturschale gemäß Fig. 5 nach Entfernen des Platzhalters;
Fig. 7 die in Fig. 5 gezeigte erfindungsgemäße Zellkulturschale mit einer motorisierten
Einrichtung zum Dehnen des EHTs;
Fig. 8 die in Fig. 5 gezeigte erfindungsgemäße Zellkulturschale mit einer Einrichtung zur
Messung der Kontraktionskraft des EHTs;
Fig. 9 eine Einrichtung zur Messung der Kontraktionskraft, wie sie in Fig. 8 verwendet wird;
Fig. 10 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit der Ratten-EHT-Bildung von der Matrigel-
Konzentration in dem Rekonstitutionsgemisch ersichtlich ist; und
Fig. 11 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Kontraktionskraft von EHTs von der
Vordehnung der EHTs zeigt.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße, runde Zellkulturschale 1 gezeigt, welche ein zentral
angeordnetes, zylinderförmiges Element 2 enthält. Die Zellkulturschale 1 weist einen
erhöhten Randbereich 3 und einen Vertiefungsbereich 4 auf, der ein Gemisch aus
Trägermaterial, Zellsuspension und Nährmedium aufnehmen kann. Der Durchmesser der
Zellkulturschale 1 beträgt 15 mm und der Durchmesser des zentral angeordneten,
zylindrischen Elements beträgt 5 mm.
Drei der in Fig. 1 gezeigten Zellkulturschalen 1 sind in Fig. 2 in einer größeren Schaleneinheit
5 angeordnet. Die Schaleneinheit 5 ist eine handelsübliche Petri-Schale aus Kunststoff mit
einem Durchmesser von 10 cm. In einer solchen Schaleneinheit 5 können bis zu 5
Zellkulturschalen 1 untergebracht werden. Des weiteren ist in Fig. 2 eine Pipette 6 gezeigt,
mit der eine Zellsuspension/Kollagen-Mischung in eine Zellkulturschale 1 pipettiert wird.
In Fig. 3 ist ein künstliches, dreidimensionales, ringförmiges Herzgewebe (EHT) 7 gezeigt,
wie es nach etwa 8 Tagen Inkubation in einer Zellkulturschale 1, welche mit einer Mischung
aus Kollagen, einer Rattenherzmuskelzellsuspension, Matrigel und Nährmedium beschickt
worden ist erhalten wurde. Das EHT ist zwischen zwei Haltedrähten 8, 9 aufgespannt und hat
dadurch seine ursprüngliche Kreisform verloren. Das in Fig. 3 gezeigte EHT weist längere,
parallele Abschnitte 7a und enge, bogenförmige Abschnitte 7b auf, wobei sich die Abschnitte
7b um die Haltedrähte 8, 9 herum erstrecken.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Multi-Well-Platte, mittels der eine Druckmessung an
den in Fig. 3 gezeigten ringförmigen EHTs (in Fig. 4 mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet)
durchgeführt werden kann. Die einzelnen EHTs befinden sich in einem Nährmedium 30. Mit
der Bezugsziffer 10 ist ein sog. Delrin-Träger bezeichnet, welcher als Grundplatte der Multi-
Well-Platte fungiert, und Bezugsziffer 11 stellt eine Teflonmaske dar. Mit der Schraube 12
aus V2A-Stahl ist die Teflonmaske 11 mit dem Delrin-Träger 10 verschraubt. Zentral in der
Zellkulturschale 1 ist ein zylindrisches, dauerelastisches Element 13 aus Latex angeordnet.
Das Element 13 weist die Form eines Hohlkörpers auf. In diesem Hohlkörper befindet sich
ein Träger 14, welcher den Hohlkörper formstabil hält. Des weiteren treten von unten durch
den Delrin-Träger 10 eine Entlüftungskanüle 15 und ein Millar-Tipkatheter 16 als
Druckaufnahmeeinrichtung in das hohle Element 13 ein. Von den Tipkathetern 16 gehen
Leitungen 17 über einen nicht gezeigten Verstärker zu einer ebenfalls nicht gezeigten
Aufzeichnungseinrichtung (einem Personal Computer).
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird bei den erfindungsgemäß hergestellten
EHTs nicht der entwickelte Druck, sondern direkt die isometrische Kraft gemessen. Dazu
wird ein EHT-Ring 18 in einer Zellkulturschale 19 wie in Fig. 5 gezeigt um ein Element 20
herum gegossen, welches eine zylindrische Form aufweist, zentral in der Zellkulturschale 19
angeordnet ist und aus einem festen, nicht elastischen Material (Teflon) besteht. Das
zylindrische Element 20 kann nach der Bildung der EHTs durch Herausziehen nach oben aus
der Zellkulturschale 19 entfernt werden. Fig. 6 zeigt die Zellkulturschale 19 ohne
zylindrisches Element 20. Das EHT wird nun von zwei Haltedrähten 8 und 9 gehalten (siehe
Fig. 3, 5 und 6). Die Haltedrähte 8 und 9 sind während des Gießens und des Wachstums der
EHTs in zwei Ausnehmungen des zylindrischen Elements 20 angeordnet, so daß die
Außenkontur des zylindrischen Elements 20 trotz des Vorhandenseins der beiden Haltedrähte
8 und 9 einer glatten Zylinderwand entspricht.
In Fig. 5 ist ferner eine Einrichtung gezeigt, mit der die entwickelte Kontraktionskraft der
EHTs gemessen werden kann. Diese Einrichtung weist einen im mittleren Bereich 8a des
Haltedrahts 8 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 21 auf, welcher über einen Kabelanschluß
22 und einen nicht gezeigten Verstärker mit einer ebenfalls nicht gezeigten
Aufzeichnungseinrichtung in Verbindung steht. Der Haltedraht 8 weist stabile (starre) untere
und obere Bereiche 8b, 8c auf, welche über einen flexiblen Teil (mittlerer Bereich 8a)
miteinander in Verbindung stehen. Der flexible, mittlere Teil 8a des Haltedrahts 8 besteht aus
einem dauerelastischen Material (im vorliegenden Fall aus dauerelastischem Federstahl), die
stabilen (starren) oberen und unteren Abschnitte 8b, 8c des Haltedrahts 8 aus V2A-Stahl. Der
Dehnungsmeßstreifen 21 ist auf den flexiblen, mittleren Teil 8a des Haltedrahts 8 aufgeklebt
und registriert die durch Kontraktionen der Zellen verursachten Verbiegungen des flexiblen
Teils des Haltedrahts.
Mit der Bezugsziffer 23 ist in Fig. 5 eine Arretierung des Haltedrahts an einer
Dehnungsstange 24a bezeichnet. Mit dieser Anordnung kann nun die Kontraktionskraft von
EHTs direkt am Ort ihrer Herstellung bestimmt werden, ohne diese, wie früher nötig (siehe
DE 195 00 498 A1), aus der Anzuchtschale entnehmen und in ein Organbad zur Messung
überführen zu müssen.
Von der in Fig. 5 gezeigten Zellkulturschale 19 kann eine Vielzahl hinter- und/oder
nebeneinander angeordnet sein, so daß auch diese Ausführungsform der Erfindung in Form
von Multi-Well-Platten ausgestaltet sein kann. Auch hier sind wieder 24 (4 × 6) oder ein
Vielfaches davon an neben- und hintereinander angeordneten Zellkulturschalen bevorzugt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, stellt Fig. 5 die Situation nach dem Gießen der EHT-Ringe
18 um das zylindrische Element 20 in der Zellkulturschale 19 dar. Die EHTs können
daraufhin für einige (ca. 3 bis 4) Tage ausreifen. Danach wird, wie aus Fig. 6 ersichtlich, das
zylindrische Element 20 entfernt, und die EHT-Ringe werden nunmehr von den Haltedrähten
8 und 9 innen gehalten. Die beiden Haltedrähte werden dann soweit voneinander entfernt, bis
sich der EHT-Ring 7, wie in Fig. 3 gezeigt, als ein Längsoval erstreckt, das zwei parallel
angeordnete Bereiche 7a aufweist. In dieser Position kann die Kraft, die das EHT entwickelt,
direkt durch Biegung des Haltedrahts 8 ermittelt werden (in der beschriebenen
Ausführungsform wird die Kraft, wie oben beschrieben, über den Haltedraht 8 gemessen).
Dazu ist der Haltedraht 8 in seinem mittleren, flexiblen Bereich 8a mit einem
Dehnungsmeßstreifen 21 beklebt, der über eine Verstärkermeßbrücke (nicht gezeigt) mit
einem Aufzeichnungsgerät (Personal Computer, ebenfalls nicht gezeigt) verbunden ist. Der
flexible Bereich 8a erlaubt es dadurch eine Kraftmessung an einzelnen EHTs durchzuführen.
Um optimale Kraftausbeuten zu erzielen, ist es vor einer Messung der Kontraktionskraft der
EHTs notwendig, diese vorzudehnen. Eine entsprechende Dehnungsmotorik ist in Fig. 7
gezeigt. Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, daß die chronische Dehnung der
EHTs zu einer erheblichen Zunahme der Gewebeentwicklung und Größenzunahme der
einzelnen Herzmuskelzellen sowie zu einer Zunahme der kontraktilen Kraft auf das drei- bis
fünffache im Vergleich zu nicht vorgedehnten EHTs führt. Es ist daher günstiger, wenn die
Kraftmessung nicht unmittelbar nach Ausreifung der EHTs vorgenommen wird. Die positiven
Wirkungen der Vordehnung treten bereits nach etwa 24 Stunden auf. Üblicherweise wird die
Vordehnung über einen Zeitraum von etwa 1 bis etwa 7 Tage durchgeführt, da eine
Vordehnung, die länger als 7 Tage dauert, praktisch keine Erhöhung der Kontraktionskraft
mehr mit sich bringt. Das Ausmaß der Vordehnung sollte im Bereich von etwa 3 bis etwa 20
% der Ausgangslänge liegen, wobei eine Vordehnung von etwa 10% besonders bevorzugt ist.
Günstigerweise wird die Vordehnung motorisiert vorgenommen. Im Zustand des Gießens und
der motorisierten Dehnung der EHTs befinden sich die Dehnungsstangen 24a, 24b, an denen
die Haltedrähte 8 und 9 befestigt sind, in einer unteren Stellung. Im Zustand der
Kraftmessung befindet sich die Dehnungsstange 24a, an welcher der Haltedraht 8 mit dem
flexiblen Anteil 8a befestigt ist, in einem angehobenen Zustand (Fig. 8), in dem der obere
stabile (starre) Teil 8c des Haltedrahts an der Dehnungsstange 24a befestigt und der flexible
(mittlere) Anteil 8a frei beweglich ist.
In dem in Fig. 7 gezeigten Zustand (mit in unterer Stellung befindlicher Dehnungsstange 24a)
ist die Dehnung des EHTs über einen gewünschten Zeitraum (bei Ratten-EHT in der Regel 1
bis 7 Tage) möglich. In dieser Phase bleibt die Dehnungsstange 24a tiefgestellt, so daß diese
unterhalb des flexiblen Anteils 8a des Haltedrahts 8 angreift, wodurch auf den flexiblen
Anteil des Haltedrahts keine Kraft einwirkt. In Fig. 8 ist die Dehnungsstange 24a über den
flexiblen Anteil 8a des Haltedrahts 8 hinweg angehoben worden, so daß der flexible Anteil
des Haltedrahts 8 freigegeben wird und über diesen die von den EHTs entwickelte Kraft
(Biegung des flexiblen Anteils 8a mit Dehnungsmeßstreifen 21) gemessen werden kann. Im
Prinzip kann zwischen Dehnungsphase (Dehnungsstange 24a unten) und Meßphase
(Dehnungsstange 24a oben) beliebig oft hin und her gewechselt werden. Die Applikation von
Testsubstanzen, Viren, Oligonukleotiden etc. kann in jeder Phase erfolgen.
Im Falle einer Multi-Well-Platte kann, sofern genügend Kapazitäten an
Aufzeichnungsmöglichkeiten vorhanden sind, die Kraftmessung in allen einzelnen
Kulturschalen (d. h. auf allen Kanälen) simultan erfolgen. Ist die Speicherkapazität geringer
oder soll der technische Aufwand vermindert werden, ist es auch möglich, immer nur einige
Kanäle (z. B. 4 bis 8) gleichzeitig zu messen, wobei zwischen den einzelnen Kanälen der
gesamten Multi-Well-Platte durch eine geeignete Software umgeschaltet werden kann.
Dadurch wird, mit gewissen Lücken, eine kontinuierliche Aufzeichnung aller Kanäle über
einen beliebigen Zeitraum möglich.
In Fig. 9 ist der Haltedraht 8 nochmals im Detail gezeigt. Der Haltedraht 8 ist im unteren
Bereich steif und mit einer Sicherung 26 gegen Abrutschen versehen. In dem Bereich des
Haltedrahts, in dem der Dehnungsmeßstreifen 21 angeordnet ist, ist der Haltedraht 8 flexibel.
Oberhalb dieses flexiblen Abschnitts schließt sich wieder ein steifer Abschnitt an, über den
der Kabelanschluß 22 zu Verstärker und Aufzeichnungseinrichtung verläuft.
Es wurden von 0 bis 3 Tage alten, neugeborenen Ratten (insgesamt 2560 Einzeltiere)
Kardiomyocyten aus den Herzen gewonnen, und zwar mittels einer Modifikation des von
Webster KA, Discher DJ, Bishopric NH, 1993, Induction and nuclear accumulation of fos and
jun proto-oncogens in hypoxic cardiac myocytes, J Biol Chem 268: 16852-16858,
beschriebenen Verfahrens. Die Zellen wurden für 1 bis 2 h in 10% fötalem Kälberserum
vorplattiert, und nicht-angewachsene Zellen wurden pelletiert und in Kulturmedium
suspendiert (Dulbecco's modifiziertes essentielles Minimalmedium (DMEM), 10%
Pferdeserum, 2% Hühnchenembryoextrakt, 100 µg/ml Streptomycin und 100 U/ml Penicillin
G). Zum Gießen der EHTs betrug die Zelldichte 10 × 106 Zellen/ml. Die prinzipielle Technik
wurde in Eschenhagen T, Fink C, Remmers U, Scholz H, Wattchow J, Weil J, Zimmermann
H, Dohmen HH, Schäfer H, Bishopric N, Wakatsuki T, Elson EL, 1997, Three-dimensional
reconstitution of embryonic cardiomyocytes in a collagen matrix: A new heart muscle system.
FASEB J 11: 683-694 bereits beschrieben.
Um geeignete Kulturbedingungen für Ratten-EHTs definieren zu können, wurden die
folgenden Parameter untersucht:
- 1. Zellisolierungsverfahren (Trypsin, verschiedene Kollagenasetypen, Dispase)
- 2. Zelldichte (0,8-1,3 × 106/EHT)
- 3. Kollagenkonzentration (0,8-1,3 mg/ml)
- 4. Ersatz des Zell/Kollagen-Rekonstitutionsgemisches mit extrazellulärer Matrix aus dem Engelbreth-Holm-Swarm Tumor (Harbor Bio-Products Tebu, Frankfurt (BRD); nachfolgend als Matrigel bezeichnet) und Serumkomplementen aus Hühnchenembryonen und/oder Säugetier.
Nach dem Standardverfahren wurde eine Zell/Kollagengemisch-Stammlösung für 8 EHTs
hergestellt und bis zum Gießen auf Eis gelagert. 1,33 ml des Kollagentyps I (aus
Rattenschwänzen; 3,6 mg/ml in 0,1% Essigsäure; Upstate Biotechnology, Lake Placid NY)
wurde mit 1,33 ml 2 × konzentriertem Kulturmedium (2 × DMEM, 20% Pferdeserum, 4%
Hühnchenembryoextrakt, 200 µg/ml Streptomycin, 200 U/ml Penicillin G) gemischt und mit
182 µl 0,1 M NaOH neutralisiert. Diesem Gemisch wurden 0,48 ml Matrigel zugesetzt und
dem Ganzen wurden 1,48 ml der Zellsuspension zugegeben, was insgesamt 15 × 106 Zellen
entspricht.
1 ml der Zell/Kollagenmischung wurde in eine Zellkulturschale (Delrin) mit einem
Durchmesser von 15 mm geschüttet. Das zentral in der Schale angeordnete, zylinderförmige
Element hatte einen Durchmesser von 5 mm und konnte mittels einer Schraube am Boden der
Zellkulturschale befestigt werden. Das Gemisch wurde dann für 60 min bei 37°C inkubiert bis
es gelartig erstarrt war. Danach wurde 20 ml Kulturmedium zugegeben. Nach einer weiteren
Inkubation über Nacht wurde das Medium ausgetauscht und danach jeden Tag.
Die weiteren Untersuchungen haben ergeben, daß es die Zugabe von Matrigel war, welche
bewirkte, daß sich spontan und kohärent schlagende Ratten-EHTs bildeten, wobei diese
Wirkung durch die Zugabe von Hühnchenembryoextrakt noch verstärkt wurde. In Fig. 10 ist
dabei der Einfluß von steigenden Konzentrationen Matrigel im Rekonstitutionsgemisch
gezeigt. Es wurden Ratten-EHTs hergestellt in Abwesenheit (0%) und in Gegenwart von
steigenden Konzentrationen Matrigel (5%, 10%, 15% des Rekonstitutionsgemischs). Nach
neuntägiger Kultivierung wurde die Kontraktionsamplitude (Kontraktionskraft) mittels einer
isometrischen Kraftübertragungseinrichtung bestimmt, nachdem auf Lmax (Länge der
maximalen Kraftentwicklung) eingestellt wurde. Ratten-EHTs ohne Matrigel schlugen nicht
kohärent und entwickelten somit keine meßbare Kontraktionsamplitude. Um kohärent
schlagende EHTs zu bekommen, war es also notwendig, dem Rekonstitutionsgemisch
Matrigel zuzusetzen. Die Kontraktionsamplitude nahm mit steigenden
Matrigelkonzentrationen zu, wie in dem in Fig. 10 gezeigten Diagramm zu sehen ist. In dem
Diagramm ist auf der Ordinate die Kontraktionskraft in mN und auf der Abszisse des
prozentuale Anteil von Matrigel am Rekonstitutionsgemisch angegeben. Mit dem Stern über
den Säulen ist eine Standardabweichung P < 0,05 gegen 5% bezeichnet. Die in den Säulen
bzw. oberhalb der Abszisse angegebenen Zahlen entsprechen den untersuchten, unabhängigen
EHTs.
In diesem Beispiel soll der Einfluß der sechs Tage währenden phasischen Dehnung auf die
von ETHs entwickelte Kontraktionskraft beschrieben werden.
EHTs wurden wie vorstehend beschrieben vier Tage lang kultiviert und dann für sechs Tage
einer automatisierten, mittels eines Motors durchgeführten Dehnung unterzogen. Das Ausmaß
der Dehnung lag zwischen 1 und 20% der Originallänge der EHTs, wobei eine weitere, nicht
gedehnte Gruppe von EHTs unter ansonsten identischen Bedingungen gehalten wurde, die als
Kontrollgruppe diente. Die Frequenz, mit der sich die Dehnungseinrichtung drehte, betrug 1,5 Hz.
Die gesamte Vorrichtung wurde in einem CO2-Inkubator bei 37°C gehalten. Das
Kulturmedium wurde jeden Tag gewechselt.
Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, ist erst oberhalb von 3% Dehnung ein signifikanter Anstieg der
Kontraktionskraft erkennbar, der bei 5% Dehnung ein Maximum erreicht.
Claims (91)
1. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Matrixkörpers aus einer
Trägersubstanz und darin eingelagerten Zellkulturen, wobei die Vorrichtung durch
folgende Bestandteile gekennzeichnet ist:
- a) eine Zellkulturschale (1; 19)und
- b) mindestens ein Element (2; 20), welches in der Zellkulturschale angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Element (2; 20)
vorhanden ist, welches zentral in der Zellkulturschale (1; 19) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 20)
aus der Zellkulturschale (1; 19) herausnehmbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Zellkulturschale
(1; 19) angeordnete mindestens eine Element (2; 20) am Boden der Zellkulturschale
befestigbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Element
(2; 20) ein Gewinde aufweist, mittels welchem es in eine im Boden der Zellkulturschale
(1; 19) angeordnete, das Gewinde aufnehmende Einrichtung ein- und ausschraubbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Element
(2; 20) in eine Vertiefung des Bodens der Zellkulturschale (1; 19) einsteckbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der
Zellkulturschale (1; 19) angeordnete Element (2; 20) ein integraler Bestandteil der
Zellkulturschale (1; 19) ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das mindestens eine Element (2; 20), welches in der Zellkulturschale (1; 19) gelagert ist,
zylinderförmig ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das mindestens eine Element (2; 20) aus einem dauerelastischen Material aufgebaut ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dauerelastische Material
Latex oder Silikon ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
mindestens eine Element (2; 20) aus einem festen, nicht elastischen Material ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, nicht elastische
Material Teflon oder Delrin ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser des zylinderförmig ausgebildeten Elements (2; 20) zwischen 3 und 8 mm
beträgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
zylinderförmig ausgebildeten Elements (2; 20) 5 mm beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zellkulturschale (1; 19) rund ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der
Zellkulturschale (1; 19) zwischen 10 und 20 mm liegt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der
Zellkulturschale (1; 19) 15 mm beträgt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellkulturschale (1; 19) ellipsenförmig ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die große Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (1; 19) zwischen 10 und 30 mm und die kleine
Hauptachse der ellipsenförmigen Zellkulturschale (1; 19) zwischen 5 und 20 mm liegt,
mit der Maßgabe, daß die große Hauptachse immer größer ist als die kleine Hauptachse.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die große Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (1; 19) 25 mm und/oder daß die kleine Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (1; 19) 15 mm lang ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägersubstanz Kollagen ist.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die eingelagerten Zellkulturen Muskelzellen oder Stammzellen, die in vitro zu
Muskelzellen differenziert werden können, enthalten.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Muskelzellen
Herzmuskelzellen oder Stammzellen, die in vitro zu Herzmuskelzellen differenziert
werden können, sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Herzmuskelzellen
Säugerherzmuskelzellen, insbesondere Ratten- oder Mausherzmuskelzellen, sind.
25. Multi-Well-Platte zum Herstellen einer Vielzahl von dreidimensionalen Matrixkörpern
aus einer Trägersubstanz und darin eingelagerten Zellkulturen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Multi-Well-Platte eine Vielzahl von neben- und/oder hintereinander angeordneten
Vorrichtungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
26. Multi-Well-Platte nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß 24 Vorrichtungen
oder ein Mehrfaches davon nebeneinander angeordnet sind.
27. Lösung zum Kultivieren von Säugerkardiomyocyten in einer Trägersubstanz, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lösung extrazelluläre Matrix aus dem Engelbreth-Holm-Swarm-
Tumor (Matrigel) enthält.
28. Lösung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mindestens 5 Vol.-%
Matrigel enthält.
29. Lösung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung zwischen 5 und 15 Vol.-%
Matrigel enthält.
30. Lösung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung 10 Vol.-% Matrigel
enthält.
31. Lösung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung
des weiteren 1 × Dulbecco's modifiziertes essentielles Minimalmedium (1 × DMEM), 10%
Pferdeserum, 2% Hühnchenembryoextrakt, 100 µg/ml Streptomycin und 100 U/ml
Penicillin G enthält.
32. Lösung nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die
Säugerkardiomyocyten Rattenkardiomyocyten sind.
33. Verfahren zum Kultivieren einer Zellkultur in einer Trägersubstanz, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Trägersubstanzlösung, eine Zellsuspension und eine Nährlösung
enthaltend die extrazelluläre Matrix des Engelbreth-Holm-Swarm-Tumors (Matrigel)
zusammengegeben werden, dergestalt, daß das Gesamtgemisch aus
Trägersubstanzlösung, Zellsuspension und Nährlösung eine Konzentration an Matrigel
aufweist, die ausreicht, um ein dreidimensionales, künstliches Zellgewebe entstehen zu
lassen.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtgemisch aus
Trägersubstanzlösung, Zellsuspension und Nährlösung mindestens 5 Vol.-% Matrigel
enthält.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtgemisch aus
Trägersubstanzlösung, Zellsuspension und Nährlösung zwischen 5 und 15 Vol.-%
Matrigel enthält.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtgemisch aus
Trägersubstanzlösung, Zellsuspension und Nährlösung 10 Vol.-% Matrigel enthält.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trägersubstanz Kollagen ist.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellsuspension Kardiomyocyten enthält.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Kardiomyocyten
Säugerkardiomyocyten sind.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Säugerkardiomyocyten
Rattenkardiomyocyten sind.
41. Vorrichtung für die Messung isometrischer Kraftparameter von Zellkulturen, wobei die
Vorrichtung durch folgende Bestandteile gekennzeichnet ist:
- a) eine Zellkulturschale (19),
- b) mindestens ein Element (20), welches in der Zellkulturschale angeordnet ist,
- c) eine Druckaufnahmeeinrichtung (16; 21)und
- d) eine Einrichtung zur Aufzeichnung von Druckänderungen.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß diese als weiteren
Bestandteil eine Verstärkungseinrichtung aufweist.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß diese
als weiteren Bestandteil eine Dehnungseinrichtung (24a, 24b) aufweist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungseinrichtung
eine Dehnungsstange ist.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckaufnahmeeinrichtung ein Dehnungsmeßstreifen (21) ist.
46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckaufnahmeeinrichtung ein Tipkatheter (16) ist.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß das
mindestens eine in der Zellkulturschale (19) angeordnete Element (20) ein integraler
Bestandteil der Zellkulturschale ist.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß das
mindestens eine in der Zellkulturschale (19) angeordnete Element (20) zylinderförmig
ausgebildet ist.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß das
mindestens eine Element (20) aus einem dauerelastischen Material aufgebaut ist.
50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß das dauerelastische
Material Latex oder Silikon ist.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß das
mindestens eine Element (20) aus einem nicht elastischen Material aufgebaut ist.
52. Vorrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht elastische
Material Delrin oder Teflon ist.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser des zylinderförmig ausgebildeten Elements (20) zwischen 3 und 8 mm
beträgt.
54. Vorrichtung nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
zylinderförmig ausgebildeten Elements (20) 5 mm beträgt.
55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 54, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellkulturschale (19) rund ist.
56. Vorrichtung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der
Zellkulturschale (19) zwischen 10 und 20 mm beträgt.
57. Vorrichtung nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der
Zellkulturschale (19) 15 mm beträgt.
58. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 57, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellkulturschale (19) ellipsenförmig ausgebildet ist.
59. Vorrichtung nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß die große Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (19) zwischen 10 und 30 mm und die kleine
Hauptachse der ellipsenförmigen Zellkulturschale (19) zwischen 5 und 20 mm liegt, mit
der Maßgabe, daß die große Hauptachse immer größer ist als die kleine Hauptachse.
60. Vorrichtung nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß die große Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (19) 25 mm und/oder daß die kleine Hauptachse der
ellipsenförmigen Zellkulturschale (19) 15 mm lang ist.
61. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 60, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellkultur in eine Trägersubstanz eingebettet ist.
62. Vorrichtung nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstanz
Kollagen ist.
63. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 62, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zellkulturen Muskelzellen, insbesondere Rattep- oder Mausmuskelzellen, enthalten.
64. Vorrichtung nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, daß die Muskelzellen
Herzmuskelzellen sind.
65. Vorrichtung nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß die Herzmuskelzellen
Säugerherzmuskelzellen sind.
66. Vorrichtung nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß die Säugerherzmuskelzellen
Rattenherzmuskelzellen sind.
67. Verfahren zum meßbaren Verfolgen von Kontraktionen eines in eine Trägersubstanz
eingelagerten Zellgewebes mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen einer Zellkulturschale und mindestens eines Elements, welches in der Zellkulturschale angeordnet ist;
- b) Einfüllen einer Trägersubstanzlösung sowie einer Zellsuspension in die Zellkulturschale, welche das darin angeordnete Element enthält;
- c) Zugabe einer Nährlösung, wobei die Zugabe der Lösung vor oder nach dem Inkubieren gemäß Schritt d) erfolgen kann;
- d) Inkubieren der nach Schritt b) oder c) beschickten Zellkulturschale in einem Brutschrank, bis der Inhalt der Zellkulturschale erstarrt ist;
- e) weiteres Inkubieren der Zellkulturschale für mehrere Tage;
- f) gegebenenfalls Vordehnen des in der Zellkulturschale erstarrten Matrixkörpers, enthaltend die Trägersubstanz, das Zellgewebe sowie die Nährlösung, mittels einer Dehnungseinrichtung;
- g) Bestimmen der isometrischen Kraftentwicklung des Zellgewebes mittels einer Druckaufnahmeeinrichtung und
- h) Aufzeichnung der isometrischen Kraftentwicklung mittels einer Datenaufzeichnungseinrichtung.
68. Verfahren nach Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstanz Kollagen
ist.
69. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 oder 68, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis zwischen der in Schritt b) zugegebenen Trägersubstanzlösung einerseits und
der in Schritt c) zugegebenen Nährlösung andererseits etwa 1 : 1 beträgt.
70. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 69, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Schritt c) zugegebene Nährlösung extrazelluläre Matrix des Engelbreth-Holm-Swarm-
Tumors (Matrigel) enthält.
71. Verfahren nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtansatz aus
Trägersubstanz, Zellen und Nährlösung mindestens 5 Vol.-% Matrigel enthält.
72. Verfahren nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtansatz zwischen 5
und 15 Vol.-% Matrigel enthält.
73. Verfahren nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtansatz 10 Vol.-%
Matrigel enthält.
74. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 73, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gesamtansatz des weiteren 1 × Dulbecco's modifiziertes essentielles Minimalmedium (1 ×
DMEM), 10% Pferdeserum, 2% Hühnchenembryoextrakt, 100 µg/ml Streptomycin und
100 U/ml Penicillin G enthält.
75. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 74, dadurch gekennzeichnet, daß das
Zellgewebe Muskelgewebe ist.
76. Verfahren nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß Muskelgewebe
Herzmuskelgewebe ist.
77. Verfahren nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, daß das Herzmuskelgewebe
Säugerherzmuskelgewebe ist.
78. Verfahren nach Anspruch 77, dadurch gekennzeichnet, daß das Säugerherzmuskelgewebe
Rattenherzmuskelgewebe ist.
79. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 78, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d)
1 bis 2 Stunden inkubiert wird.
80. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 79, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d)
bei etwa 37°C inkubiert wird.
81. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 80, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt e)
2 bis 15 Tage, vorzugsweise 5 bis 12 Tage, insbesondere 8 bis 10 Tage inkubiert wird.
82. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 81, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vordehnung in Schritt f) zwischen 3 und 20% der Originallänge des Matrixkörpers
beträgt.
83. Verfahren nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Vordehnung 10% beträgt.
84. Verfahren nach Anspruch 82 oder 83, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixkörper ein
EHT ist.
85. Verfahren nach einem der Ansprüche 67 bis 84, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vordehnung für 1 bis 7 Tage durchgeführt wird.
86. Verfahren nach Anspruch 85, dadurch gekennzeichnet, daß die Vordehnung 4 bis 6 Tage
durchgeführt wird.
87. Künstlich hergestelltes, dreidimensionales Muskelgewebe, enthaltend eine
Trägersubstanz und Muskelzellen, erhältlich durch Herstellen eines Gemischs aus einer
Trägersubstanzlösung und einer Nährstofflösung, Neutralisieren des Gemischs, Zugabe
von extrazellulärer Matrix aus dem Engelbreth-Holm-Swarm-Tumor (Matrigel) und einer
Muskelzellsuspension zu dem Gemisch, und anschließendem Inkubieren des Gemisch
unter Bedingungen, so daß ein künstliches, dreidimensionales Muskelgewebe entsteht.
88. Künstlich hergestelltes, dreidimensionales Muskelgewebe nach Anspruch 87, dadurch
gekennzeichnet, daß das Muskelgewebe Säugermuskelgewebe ist.
89. Künstlich hergestelltes, dreidimensionales Muskelgewebe nach einem der Ansprüche 87
oder 88, dadurch gekennzeichnet, daß das Muskelgewebe Herzmuskelgewebe ist.
90. Verwendung des künstlich hergestellten, dreidimensionalen Muskelgewebes gemäß
einem der Ansprüche 87 bis 89 zur Unterstützung erkrankten Muskelgewebes.
91. Verwendung des künstlich hergestellten, dreidimensionalen Muskelgewebes gemäß
einem der Ansprüche 87 bis 89 zum Ersatz erkrankten Muskelgewebes.
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