CH654328A5 - METHOD FOR PRODUCING SUBSTANCES GENERATED BY LIVING CELLS. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von durch lebende Zellen erzeugten Substanzen. The present invention relates to a method for producing substances produced by living cells.
Fortschritte in der Zellenbiologie haben ergeben, dass die Zellen verschiedener höherer Organismen kleine Mengen von Substanzen erzeugen, die eine signifikante potentielle oder beweisbare Brauchbarkeit für die Behandlung oder Diagnose von Krankheiten haben. Beispiele derartiger Substanzen sind in der Literatur reichlich vorhanden, und dazu gehören verschiedene biologische Reaktionen modifizierende Mittel, wie Hormone, Interferone und Lymphokine sowie andere Substanzen, wie Antikörper, die bei diagnostischen Tests verwendet werden. Zellkulturen von mikrobiellem Ursprung wurden seit langem zur Herstellung grosser Mengen von Antibiotika verwendet. Advances in cell biology have shown that the cells of various higher organisms produce small amounts of substances that have significant potential or demonstrable utility for the treatment or diagnosis of diseases. Examples of such substances are abundant in the literature and include various biological response modifiers such as hormones, interferons and lymphokines, as well as other substances such as antibodies used in diagnostic tests. Cell cultures of microbial origin have long been used to produce large quantities of antibiotics.
Besonders bei Zellkulturen, die aus höheren Tieren stammen, besteht eine immerwährende Gefahr von bakteriellen oder anderen Verunreinigungen. In den meisten Fällen sind auch die durch die Zellkulturen erzeugten Mengen der interessierenden Substanz sehr gering und sammeln sich in dem Kulturmedium an, das ein kompliziertes Gemisch von Serumproteinen und anderen Substanzen enthält. Dies macht die Isolierung und Reinigung der interessierenden Substanz schwierig. Especially with cell cultures that come from higher animals, there is a constant risk of bacterial or other contamination. In most cases, the amounts of the substance of interest generated by the cell cultures are also very small and accumulate in the culture medium, which contains a complex mixture of serum proteins and other substances. This makes isolation and purification of the substance of interest difficult.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Substanzen, die durch lebende Zellen erzeugt werden, zur Verfügung. Die praktische Ausführung der Erfindung hat den doppelten Vorteil, dass sie ein schützendes Milieu für die Zellen der Kultur zur Verfügung stellt und ein Mittel zum Sammeln von interessierenden Substanzen in einem Medium, das weniger beigemischte Fremdkomponenten enthält, zur Verfügung stellt. Die Erfindung kann angewandt werden, um die interessierende Substanz von höhermolekularen Serumproteinen und dergleichen zu trennen, die normalerweise erforder5 The invention provides a method for producing substances that are produced by living cells. Practical implementation of the invention has the double advantage that it provides a protective environment for the cells of the culture and a means for collecting substances of interest in a medium which contains fewer admixed foreign components. The invention can be used to separate the substance of interest from the higher molecular weight serum proteins and the like that are normally required5
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lieh sind, um die fortlaufende Lebensfähigkeit und den Stoffwechsel der erzeugenden Zellen zu unterhalten. Die Erfindung kann aber auch angewandt werden, um die interessierende Substanz in einem Medium zu sammeln, das verhältnismässig geringe Mengen von niedermolekularen Nährstoffen oder Zellstoffwechselprodukten enthält. are loaned to maintain the continued viability and metabolism of the producing cells. However, the invention can also be used to collect the substance of interest in a medium which contains relatively small amounts of low molecular weight nutrients or cell metabolism products.
Das Verfahren umfasst die Einkapselung von Zellen innerhalb einer Membran, die für die Nährstoffe, Ionen und andere verhältnismässig niedermolekulare Materialien, die erforderlich sind, um den normalen Stoffwechsel und die fortlaufende Lebensfähigkeit der Zellen zu gewährleisten, permeabel ist. Die Membran kann für die durch die Zellen ausgeschiedene interessierende Substanz permeabel sein oder nicht, hat aber in jedem Falle eine Obergrenze der Permeabilität, die genügt, um den Durchgang von Molekülen mit einem Molekulargewicht eines bestimmten vorgegebenen Wertes, der im allgemeinen unterhalb etwa 2,0 x IO5 u liegt, zu ermöglichen. Die so erzeugten Kapseln werden in einem herkömmlichen wässrigen Kulturmedium suspendiert, und man lässt die eingekapselten Zellen den normalen In-vitro-Stoff-wechsel erfahren. Substanzen mit einem Molekulargewicht unterhalb der oberen Permeabilitätsgrenze der Membran, die von den Zellen ausgeschieden werden, durchdringen die Membran und sammeln sich in dem Kulturmedium an. Vorteilhafterweise können hochmolekulare Substanzen, wie Serumproteine, die für die Gesundheit und Lebensfähigkeit vieler Typen von Zellkulturen aus höheren Tieren erforderlich sind, die aber im typischen Falle selbst nicht verbraucht werden, in die Mikrokapseln einverleibt werden, wo sie eingeschlossen sind und nicht in das Kulturmedium diffundieren können. Substanzen, die die Zellkultur während des Stoffwechsels verbraucht und die ein Molekulargewicht haben, das genügend niedrig ist, um die Diffusion durch die Kapselmembranen zu ermöglichen, treten aus dem Kulturmedium durch die Membranen hindurch. Stoffwechselprodukte der Zellen mit genügend kleinen Molekularabmessungen, dass sie durch die Membranen durchtreten können, diffundieren in das ausserhalb der Kapsel befindliche Medium. Wenn die interessierenden Substanzen ein Molekulargewicht unterhalb v der Obergrenze der Permeabilität haben, diffundieren sie in das Medium ausserhalb der Kapseln, aus dem sie wegen der Abwesenheit von verunreinigenden höhermolekularen Materialien, die in nicht eingekapselten Zellkulturen nach dem Stande der Technik vorhanden sind, verhältnismässig leicht geerntet werden können. Wenn die interessierende Substanz ein Molekulargewicht oberhalb der Obergrenze der Permeabilität der Membranen hat, dann sammelt sie sich in den Kapseln an, die anschliessend aus dem Medium isoliert und zerstört werden können, damit Gewinnungsverfahren angewandt werden können. The method involves encapsulating cells within a membrane that is permeable to the nutrients, ions, and other relatively low molecular weight materials required to maintain normal metabolism and continued cell viability. The membrane may or may not be permeable to the substance of interest excreted by the cells, but in any case has an upper limit of permeability sufficient to allow the passage of molecules with a molecular weight of a certain predetermined value, generally below about 2.0 x IO5 u lies. The capsules produced in this way are suspended in a conventional aqueous culture medium and the encapsulated cells are allowed to experience the normal in vitro metabolism. Substances with a molecular weight below the upper permeability limit of the membrane, which are secreted by the cells, penetrate the membrane and accumulate in the culture medium. Advantageously, high molecular weight substances, such as serum proteins, which are necessary for the health and viability of many types of cell cultures from higher animals, but which are typically not consumed themselves, can be incorporated into the microcapsules, where they are enclosed and do not diffuse into the culture medium can. Substances that consume cell culture during metabolism and that have a molecular weight that is low enough to allow diffusion through the capsule membranes pass from the culture medium through the membranes. Metabolic products of the cells with sufficiently small molecular dimensions that they can pass through the membranes diffuse into the medium outside the capsule. If the substances of interest have a molecular weight below v the upper limit of permeability, they diffuse into the medium outside the capsules, from which they are harvested relatively easily because of the absence of contaminating higher molecular weight materials which are present in non-encapsulated cell cultures according to the prior art can be. If the substance of interest has a molecular weight above the upper limit of the permeability of the membranes, then it accumulates in the capsules, which can then be isolated from the medium and destroyed so that recovery processes can be used.
Die Erfindung unterliegt im wesentlichen keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Typen von Zellen, die innerhalb der Kapselmembranen eingeschlossen werden können. Speziell wird in Betracht gezogen, dass Kulturen aus den Zellen von Geweben aller höheren Tiere sowie Mikroorganismen verwendet werden können. Verschmolzene Zellen, z.B. Hybri-domzellen, oder genetisch modifizierte Zellen, die z.B. mittels der sich entwickelnden Technologie der rekombinierenden DNS erzeugt sind, können gleichfalls ohne Schwierigkeiten eingekapselt werden. Kurz, sofern ein Kulturmedium existiert, das brauchbar ist um den betreffenden Zelltyp in vitro zu erhalten, kann dieser Zelltyp erfindungsgemäss verwendet werden. Beispiele der Typen von Substanzen, die mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erzeugt werden können, sind Insulin, Glycogen, Prolactin, Somatostatin, Thyroxin, Steroidhormone, Hypophysenhormone, Interferone, Follikel stimulierende Hormone (FSH), PTH und Antikörper. The invention is essentially not subject to any restrictions on the types of cells that can be enclosed within the capsule membranes. Specifically, it is contemplated that cultures from the cells of tissues of all higher animals as well as microorganisms can be used. Fused cells, e.g. Hybrid dom cells, or genetically modified cells, e.g. using the evolving technology of recombinant DNA can also be encapsulated without difficulty. In short, if a culture medium exists which is useful for obtaining the cell type in question in vitro, this cell type can be used according to the invention. Examples of the types of substances which can be produced by means of the method according to the invention are insulin, glycogen, prolactin, somatostatin, thyroxine, steroid hormones, pituitary hormones, interferons, follicle-stimulating hormones (FSH), PTH and antibodies.
Das Produkt von Stufe (B) umfasst eingekapselte lebensfähige Zellen, die in einem wässrigen Kulturmedium suspendiert sind. Die eingekapselten Zellen weisen Membranen auf, die durch eine Obergrenze der Permeabilität gekennzeichnet sind, die genügt, um den Durchtritt der Nährstoffe zu ermög-5 liehen, die für den Zellstoffwechsel und die fortlaufende Lebensfähigkeit erforderlich sind. Die Membranen um-schliessen lebensfähige Zellen, die in einem Medium angeordnet sind, das alle Komponenten enthält, die erforderlich sind, um den Stoffwechsel der Zellen aufrechtzuerhalten, und io die eine Grösse im Bereich oberhalb der oberen Permeabilitätsgrenze der Membran haben. Das Kulturmedium enthält Komponenten, die erforderlich sind, um die Lebensfähigkeit der Zellen aufrechtzuerhalten, und die ein Molekulargewicht unterhalb der oberen Permeabilitätsgrenze der Membranen 15 haben. The product of step (B) comprises encapsulated viable cells suspended in an aqueous culture medium. The encapsulated cells have membranes characterized by an upper limit of permeability sufficient to allow the passage of the nutrients necessary for cell metabolism and continued viability. The membranes enclose viable cells which are arranged in a medium which contains all components which are necessary to maintain the metabolism of the cells and which are of a size in the range above the upper permeability limit of the membrane. The culture medium contains components that are necessary to maintain cell viability and that have a molecular weight below the upper permeability limit of the membranes 15.
Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von durch lebende Zellen erzeugten Substanzen unter Verwendung eines Systems, bei dem die erzeugenden Zellen in einem schützenden, gesunden Mikromilieu enthalten sind, 20 das von einer semipermeablen Membran begrenzt ist, die dazu dient, Produkte des Zellstoffwechsels von hochmolekularen Materialien, die für die Lebensfähigkeit und Erhaltung der Zellen erforderlich sind, zu trennen, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von biologisch aktiven Materialien aus 25 Zellkulturen sowie die Erzeugung von Antikörpern und biologische Reaktionen modifizierenden Mitteln, wie Hormonen, Interferonen und Lymphokinen, in einem serumfreien Medium zu ermöglichen. The aim of the invention is therefore to provide a process for the production of substances produced by living cells using a system in which the producing cells are contained in a protective, healthy microenvironment 20 which is delimited by a semipermeable membrane which serves to produce products to separate the cell metabolism from high-molecular materials, which are necessary for the viability and maintenance of the cells, an improved method for the production of biologically active materials from 25 cell cultures as well as the production of antibodies and agents modifying biological reactions, such as hormones, interferons and lymphokines, in a serum-free medium.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung und 3o der Zeichnung beschrieben, worin Fig. 1 ein schematisches Diagramm darstellt, das den Erfindungsgedanken erläutert, und Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die Ergebnisse des in Beispiel 5 beschriebenen Versuches wiedergibt. The invention is described in the following description and 30 of the drawing, in which FIG. 1 is a schematic diagram which explains the inventive concept, and FIG. 2 is a graphical representation which shows the results of the experiment described in Example 5.
Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht darin, eine 35 semipermeable Membran um einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen herum vorzusehen, um ein Mikromilieu für die Zellen zur Verfügung zu stellen, das mit dem Zellkulturmedium komplett ist und durch die Membran von einem äusseren wässrigen Medium getrennt ist. Zellen von Menschen 40 oder Säugetieren benötigen im typischen Falle für ihre fortlaufende Gesundheit und Lebensfähigkeit das Vorhandensein von Serumproteinen, von denen ein Teil ein Molekulargewicht von über 65 000 bis 150 000 u haben. Bei dem Verfahren zum Züchten von nicht eingekapselten Zellen nach dem 45 Stande der Technik werden die interessierenden Materialien, die von den Zellen ausgeschieden werden, in dem Kulturmedium dispergiert und sowohl mit hochmolekularen als auch mit niedermolekularen Komponenten gemischt. Da die Mengen der von den Zellen erzeugten Produkte im typischen Falle so ziemlich klein sind, wird die Isolierung der interessierenden Substanz eine schwierige Reinigungsaufgabe. Ferner sind menschliche und Säugetier-Zellkulturen bekanntlich empfindlich gegen Verunreinigungen durch bakterielle oder andere Quellen. Dies macht es erforderlich, dass die Züch-55 tung unter Anwendung verschiedener Methoden zur Erhaltung der Sterilität ausgeführt wird und dass oft Antibiotika in das Medium eingeschlossen werden müssen. The general idea of the invention is to provide a semipermeable membrane around individual cells or groups of cells in order to provide a micro-milieu for the cells, which is complete with the cell culture medium and is separated from an external aqueous medium by the membrane. Human or mammalian 40 cells typically require the presence of serum proteins, some of which have a molecular weight in excess of 65,000 to 150,000 µ, for continued health and viability. In the prior art method of growing non-encapsulated cells, the materials of interest that are secreted by the cells are dispersed in the culture medium and mixed with both high molecular weight and low molecular weight components. Since the amounts of products produced by the cells are typically quite small, isolating the substance of interest becomes a difficult cleaning task. Furthermore, human and mammalian cell cultures are known to be sensitive to contamination from bacterial or other sources. This requires that the breeding be carried out using various methods of maintaining sterility and that antibiotics often have to be included in the medium.
Durch die praktische Ausführung der Erfindung werden die vorstehenden Schwierigkeiten verringert, indem man die 60 Zellen der Kultur innerhalb von semipermeablen Membranen mit einer vorgegebenen Permeabilitätsgrenze einkapselt, die im allgemeinen nicht höher als etwa 200 000 u ist, das heisst die Membran enthält Poren, die es Substanzen mit einem maximalen Molekulargewicht bei oder unterhalb der oberen 65 Permeabilitätsgrenze ermöglichen, die Membran zu passieren, während Substanzen mit einem Molekulargewicht oberhalb der oberen Permeabilitätsgrenze die Membran nicht durchqueren können. Dies ermöglicht die Einkapselung von By practicing the invention, the above difficulties are alleviated by encapsulating the 60 cells of the culture within semipermeable membranes with a predetermined permeability limit which is generally no higher than about 200,000 µ, that is, the membrane contains pores that it Substances with a maximum molecular weight at or below the upper 65 permeability limit enable the membrane to be passed through, while substances with a molecular weight above the upper permeability limit cannot cross the membrane. This enables the encapsulation of
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Zellen zusammen mit einem Kulturmedium, das alle für die fortlaufende Lebensfähigkeit, den Stoffwechsel und sogar für die Mitose erforderlichen Komponenten enthält, und die so eingekapselten Zellen dann in einem Kulturmedium zu suspendieren, das niedermolekulare Substanzen enthält, die von den Zellen verbraucht werden, das aber nicht die erforderlichen hochmolekularen Substanzen zu enthalten braucht. Cells together with a culture medium that contains all the components necessary for ongoing viability, metabolism and even for mitosis, and then to encapsulate the cells encapsulated in a culture medium that contains low-molecular substances that are consumed by the cells, but that does not need to contain the required high molecular weight substances.
Im typischen Falle nehmen Zellen von höheren Organismen keine hochmolekularen Serumproteine und dergleichen auf, benötigen sie aber in nächster Nähe, damit ihre normalen biologischen Reaktionen weitergehen. Salze, Aminosäuren und andere niedermolekulare Faktoren, die von den Zellen aufgenommen oder dem Stoffwechsel unterworfen werden, treten frei durch die Membran hindurch und können nach Bedarf durch einfache Auswechslung des ausserhalb der Kapsel befindlichen Kulturmediums ergänzt werden. Ausgeschiedene Produkte des Zellstoffwechsels mit einem Molekulargewicht unterhalb der Obergrenze der Permeabilität der Membran sammeln sich in dem Medium ausserhalb der Kapseln an, aus dem die interessierenden Stoffwechselprodukte einfacher geerntet und isoliert werden können, weil in dem Medium keine hochmolekularen Materialien vorhanden sind. Die Ernte von interessierenden Produkten mit einem Molekulargewicht oberhalb der oberen Permeabilitätsgrenze wird ebenfalls erleichtert, da sich derartige Produkte innerhalb der Kapseln ansammeln und nicht in dem ausserhalb der Kapseln vorhandenen grossen Volumen verteilt sind. Typically, cells from higher organisms do not take up high molecular weight serum proteins and the like, but need them in close proximity to continue their normal biological reactions. Salts, amino acids and other low-molecular factors, which are taken up by the cells or are subjected to metabolism, pass freely through the membrane and can be supplemented as required simply by changing the culture medium located outside the capsule. Eliminated products of cell metabolism with a molecular weight below the upper limit of the permeability of the membrane accumulate in the medium outside the capsules, from which the metabolic products of interest can be harvested and isolated more easily because there are no high molecular weight materials in the medium. The harvesting of products of interest with a molecular weight above the upper permeability limit is also facilitated, since such products accumulate inside the capsules and are not distributed in the large volume present outside the capsules.
Der Erfindungsgedanke, angewandt auf niedermolekularen Zellprodukte, ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch erläutert. Wie dargestellt, ist eine Zelle 10 innerhalb einer Kapselmembran 12 mit Poren 16 angeordnet. Hochmolekulare Faktoren 18 sind innerhalb der Membran 12 eingeschlos-, sen und können innerhalb der Grenzen der Membran frei in dem Medium 14 zirkulieren. Die von der Zelle benötigten Komponenten 20 sowie die Stoffwechselprodukte 22 einschliesslich der interessierenden Substanz 22' zirkulieren frei sowohl in dem Medium innerhalb der Kapseln als auch in dem Medium ausserhalb der Kapseln und durchqueren die Membran durch die Poren 16. Nach Bedarf kann das ausserhalb der Kapseln befindliche Medium entweder periodisch oder kontinuierlich zusammen mit all seinen Komponenten durch Absaugen oder dergleichen von den Kapseln selbst getrennt und durch frisches Medium ersetzt werden. Das gesammelte Medium ist im wesentlichen frei von hochmolekularen Komponenten 18, wodurch die Ernte- und Isolierungsverfahren vereinfacht werden. Ferner bleibt die Zelle 10 zu jeder Zeit innerhalb des Mikromilieus innerhalb der Kapseln geschützt. The idea of the invention, applied to low molecular weight cell products, is schematically illustrated in Fig. 1 of the drawing. As shown, a cell 10 is arranged within a capsule membrane 12 with pores 16. High molecular weight factors 18 are enclosed within the membrane 12 and can circulate freely within the medium 14 within the limits of the membrane. The components 20 required by the cell and the metabolic products 22 including the substance of interest 22 'circulate freely both in the medium inside the capsules and in the medium outside the capsules and cross the membrane through the pores 16. This can be done outside the capsules if required located medium either periodically or continuously with all its components by suction or the like from the capsules themselves and replaced by fresh medium. The collected medium is essentially free of high molecular weight components 18, which simplifies the harvesting and isolation processes. Furthermore, the cell 10 remains protected at all times within the micromilieu within the capsules.
In manchen Fällen, z.B. zur Stimulierung der Erzeugung einer besonderen interessierenden Substanz durch eingekapselte Zellen, ist es erforderlich, die Zellen hochmolekularen Komponenten auszusetzen, deren Molekülabmessungen zu gross sind, um die Membran zu durchqueren. Ein Beispiel ist die Erzeugung von Interferon aus menschlichen Fibroblasten, Leukozyten oder lymphoblastoiden Zellen, die durch Behandlung mit bestimmten Viren oder hochmolekularen Nucleinsäuren veranlasst werden, Interferon auszuscheiden. Falls die obere Permeabilitätsgrenze der Membranen niedriger ist als das Molekulargewicht des die Sekretion veranlassenden Faktors, müssen die Zellen vor der Einkapselung der Interferon-Induktion unterworfen werden, oder die Kapselmembranen müssen nach der Züchtung der Zellen selektiv zerstört werden, damit derartige hochmolekulare Materialien von der Zelle aufgenommen werden können. In der US-Patentanmeldung Nr. 243 584 vom 13. März 1981 ist ein Verfahren zur selektiven Zerstörung bestimmter Typen von Kapselmembranen offenbart, das für diese und andere Zwecke ohne Schädigung der Zellen angewandt werden kann. In some cases, e.g. In order to stimulate the production of a special substance of interest by encapsulated cells, it is necessary to expose the cells to high molecular weight components, the molecular dimensions of which are too large to cross the membrane. One example is the generation of interferon from human fibroblasts, leukocytes or lymphoblastoid cells, which are caused to excrete interferon by treatment with certain viruses or high-molecular nucleic acids. If the upper permeability limit of the membranes is lower than the molecular weight of the secretion-causing factor, the cells must be subjected to interferon induction before encapsulation, or the capsule membranes must be selectively destroyed after the cells have been grown in order for such high molecular weight materials to be released from the cell can be included. U.S. Patent Application No. 243,584, March 13, 1981, discloses a method for selectively destroying certain types of capsule membranes that can be used for these and other purposes without damaging the cells.
Das erfindungsgemässe Verfahren hängt von der Fähigkeit ab, um Zellen herum semipermeable Membranen zu bilden, ohne gleichzeitig ihre fortlaufende Lebensfähigkeit nachteilig zu beeinflussen. Eines der geeigneten Einkapse-5 lungsverfahren wird im folgenden detailliert beschrieben. The method of the invention depends on the ability to form semipermeable membranes around cells without adversely affecting their continued viability. One of the suitable encapsulation methods is described in detail below.
Das Gewebe oder die Zellen, das bzw. die eingekapselt werden sollen, werden in einem wässrigen Medium suspendiert, das sich für die Erhaltung oder für das Unterhalten der fortlaufenden Stoffwechselprozesse des speziellen Gewebe-io oder Zelltyp eignet. Für diesen Zweck geeignete Medien sind im Handel erhältlich. Der durchschnittliche Durchmesser des einzukapselnden Materials kann innerhalb weiter Grenzen zwischen einigen Mikrometern und mehreren Millimetern variieren. Die besten Ergebnisse werden aber mit Kapseln mit 15 einer Grösse im Bereich von 300 bis 1000 [im erzielt. Langer-hans-Inseln von Menschen oder Säugetieren haben im typischen Falle einen Durchmesser von 50 bis 200 [im. Individuelle Zellen, wie Fibroblasten, Leukozyten, Lymphoblastoide, pankreatische ß-Zellen, a-Zellen, S-Zellen oder Gemische 20 derselben in verschiedenen Verhältnissen oder andere Gewebeeinheiten, können nach Wunsch eingekapselt werden. Auch Mikroorganismen, einschliesslich solcher, die durch rekombinierende DNS oder mittels anderer Methoden genetisch modifiziert worden sind, können eingekapselt werden. 25 Die fortlaufende Lebensfähigkeit derartiger lebender Materialien hängt u.a. von der Zugänglichkeit der erforderlichen Nährstoffe, der Sauerstoffübertragung, dem Fehlen von toxischen Substanzen in dem Medium und dem pH-Wert des Mediums ab. Bisher war es nicht möglich, derartige lebende 3o Materialien in einem physiologisch verträglichen Milieu zu erhalten, während man sie gleichzeitig einkapselte. Das Problem bestand darin, dass die für die Membranbildung erforderlichen Bedingungen für das Gewebe tödlich oder schädlich waren, und vor der Erfindung der US-Patentanmeldung 35 Nr. 24 600 bestand kein Membranbildungsverfahren, das es einem Gewebe ermöglichte, in gesundem Zustand zu überleben. The tissue or cells to be encapsulated are suspended in an aqueous medium that is suitable for maintaining or maintaining the ongoing metabolic processes of the particular tissue or cell type. Media suitable for this purpose are commercially available. The average diameter of the material to be encapsulated can vary within wide limits between a few micrometers and several millimeters. However, the best results are achieved with capsules with a size in the range from 300 to 1000 μm. Langer hans islands of humans or mammals typically have a diameter of 50 to 200 [im. Individual cells, such as fibroblasts, leukocytes, lymphoblastoids, pancreatic β-cells, a-cells, S-cells or mixtures thereof in different ratios or other tissue units, can be encapsulated as desired. Microorganisms, including those that have been genetically modified by recombinant DNA or other methods, can also be encapsulated. 25 The continued viability of such living materials depends, among other things, on on the accessibility of the required nutrients, the oxygen transfer, the absence of toxic substances in the medium and the pH of the medium. So far, it has not been possible to obtain such living materials in a physiologically acceptable environment while encapsulating them. The problem has been that the conditions required for membrane formation have been lethal or harmful to the tissue, and prior to the invention of U.S. Patent Application No. 35 No. 24,600, there was no membrane formation process that would allow tissue to survive in healthy condition.
Es wurde jedoch gefunden, dass bestimmte wasserlösliche Substanzen, die mit lebendem Gewebe physiologisch verträg-40 lieh sind und wasserunlöslich gemacht werden können, um eine formbeständige, zusammenhängende Masse zu bilden, verwendet werden können, um eine «zeitweilige Kapsel» However, it has been found that certain water-soluble substances that are physiologically compatible with living tissue and that can be rendered water-insoluble to form a dimensionally stable, continuous mass can be used to form a "temporary capsule".
oder schützende Sperrschicht um einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen herum zu bilden, und dass diese zeitweilige 45 Kapsel behandelt werden kann, um eine weniger zeitweilige semipermeable Membran um die Zellen herum abzuscheiden, ohne die Zellen zu schädigen. Eine solche Substanz wird, im typischen Falle bei einer Konzentration in der Grössenord-nung von einigen Gew.-%, zu dem Kulturmedium des Geweso bes gegeben, das auch Zellen der Impfkultur, Serumkomponenten (falls erforderlich) und gegebenenfalls ein zelliges Substrat, wie Kollagen oder ein anderes hochmolekulares, in Wasser dispergierbares Material, das als Fixierungssubstrat wirkt, enthält. Bei Verwendung von Kollagen sollte die Kon-55 zentration im Bereich von etwa 10 ug/ml bis 1 mg/ml liegen, liegt aber vorzugsweise in der Grössenordnung von 100 bis 500 (ig/ml. or to form a protective barrier around individual cells or groups of cells and that this temporary capsule can be treated to deposit a less temporary semipermeable membrane around the cells without damaging the cells. Such a substance is, typically at a concentration of the order of a few% by weight, added to the culture medium of the tissue, which also contains cells of the inoculum, serum components (if necessary) and, if appropriate, a cellular substrate such as collagen or other high molecular weight water dispersible material that acts as a fixation substrate. When using collagen, the concentration should be in the range of about 10 µg / ml to 1 mg / ml, but is preferably in the order of 100 to 500 (µg / ml.
Die Lösung wird dann zu Tröpfchen verformt, die das Gewebe zusammen mit seinem Medium enthalten, und diese 6o werden sofort wasserunlöslich gemacht und geliert, mindestens in einer Oberflächenschicht. Danach werden die formbeständigen zeitweiligen Kapseln mit einer weniger zeitweiligen Membran versehen, die ihrerseits anschliessend selektiv zerstört werden kann, wenn man wünscht, das Gewebe ohne 65 Schädigung freizusetzen. Sofern es das zur Bildung der zeitweiligen Kapseln verwendete Material erlaubt, kann das Innere der Kapsel nach Bildung der permanenten Membran wieder verflüssigt werden. Dies erfolgt durch Wiederherstel The solution is then deformed into droplets, which contain the tissue together with its medium, and these 60 are immediately made water-insoluble and gelled, at least in one surface layer. Then the shape-retaining temporary capsules are provided with a less temporary membrane, which in turn can then be selectively destroyed if one wishes to release the tissue without damage. If the material used to form the temporary capsules permits, the interior of the capsule can be liquefied again after the permanent membrane has been formed. This is done by restore
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lung der Bedingungen, unter denen das Material löslich ist, in dem Medium. the conditions under which the material is soluble in the medium.
Das zur Bildung der zeitweiligen Kapseln verwendete Material kann ein beliebiges nichttoxisches, wasserlösliches Material sein, das durch eine Veränderung der ionischen Umgebung oder der ionischen Konzentration in eine formbeständige Masse übergeführt werden kann. Das Material sollte auch mehrere leicht ionisierbare anionische Reste, z.B. Car-boxylgruppen, enthalten, die durch Salzbildung mit Polymeren, die mehrere kationische Gruppen enthalten, reagieren können. Wie weiter unten erklärt werden wird, ermöglicht es die Verwendung eines Materials dieses Typs, ohne Schwierigkeiten in den Oberflächenschichten der zeitweiligen Kapsel eine permanente Membran mit einer vorbestimmten Obergrenze der Permeabilität abzuscheiden. The material used to form the temporary capsules can be any non-toxic, water-soluble material that can be converted to a dimensionally stable mass by changing the ionic environment or concentration. The material should also contain several easily ionizable anionic residues, e.g. Car-boxyl groups, which can react by salt formation with polymers that contain several cationic groups. As will be explained below, the use of a material of this type enables a permanent membrane with a predetermined upper limit of permeability to be deposited without difficulty in the surface layers of the temporary capsule.
Die zurzeit bevorzugten Materialien zur Bildung der zeitweiligen Kapsel sind saure, wasserlösliche, natürliche oder synthetische Polysaccharidgummis. Derartige Materialien sind im Handel erhältlich. Sie werden im typischen Falle aus pflanzlichem Material extrahiert und werden häufig als Additive für verschiedene Nahrungsmittel verwendet. Natrium-alginat ist das zurzeit bevorzugte wasserlösliche Gummi. Algi-nate mit Molekulargewichten im Bereich oberhalb von 150 000 u können zwar verwendet werden, vermögen aber wegen ihrer molekularen Abmessungen und ihrer Viskosität gewöhnlich nicht, die am Ende gebildeten Kapselmembranen zu durchdringen. Alginàte mit niedrigeren Molekulargewichten, z.B. 50 000 bis 80 000 u, können durch Diffusion durch eine Membran mit genügender Porosität leichter aus dem Volumen innerhalb der Kapsel entfernt werden und werden daher bevorzugt. Andere verwendbare Gummis sind saure Fraktionen von Guargummi, Carrageenan, Pektin, Tragantgummi oder Xanthangummi. The currently preferred materials for forming the temporary capsule are acidic, water soluble, natural or synthetic polysaccharide gums. Such materials are commercially available. They are typically extracted from plant matter and are often used as additives in various foods. Sodium alginate is the currently preferred water-soluble rubber. Alginates with molecular weights in the range above 150,000 u can be used, but because of their molecular dimensions and their viscosity they are usually unable to penetrate the capsule membranes formed in the end. Alginates with lower molecular weights, e.g. 50,000 to 80,000 µ can be more easily removed from the volume within the capsule by diffusion through a membrane with sufficient porosity and are therefore preferred. Other gums that can be used are acidic fractions of guar gum, carrageenan, pectin, tragacanth or xanthan gum.
Diese Materialien weisen glykosidisch verknüpfte Saccha-ridketten auf. Ihre freien Säuregruppen liegen oft in der Alkalimetallsalzform, z.B. der Natriumform, vor. Wenn ein mehrwertiges Ion, wie Calcium oder Aluminium, gegen das Alkalimetallion ausgetauscht wird, werden die wasserlöslichen Polysaccharidmoleküle «vernetzt» unter Bildung eines wasserunlöslichen, formbeständigen Gels, das durch Entfernung dieser Ionen durch Ionenaustausch oder mit Hilfe eines Sequestriermittels wieder löslich gemacht werden kann. Obgleich im wesentlichen jedes beliebige mehrwertige Ion, das mit dem sauren Gummi ein Salz zu bilden vermag, verwendbar ist, werden vorzugsweise physiologisch verträgliche Ionen, z.B. Calcium, verwendet. Dies trägt dazu bei, das Gewebe im lebenden Zustand zu halten. Auch andere mehrwertige Kationen können verwendet werden. Magnesiumionen bewirken keine Gelierung von Natriumalginat. These materials have glycosidically linked saccharide chains. Their free acid groups are often in the alkali metal salt form, e.g. the sodium form. When a multivalent ion, such as calcium or aluminum, is exchanged for the alkali metal ion, the water-soluble polysaccharide molecules are "crosslinked" to form a water-insoluble, dimensionally stable gel that can be made soluble again by removing these ions by ion exchange or with the aid of a sequestering agent. Although substantially any polyvalent ion capable of forming a salt with the acidic gum is useful, physiologically acceptable ions, e.g. Calcium. This helps to keep the tissue alive. Other multivalent cations can also be used. Magnesium ions do not cause sodium alginate to gel.
Eine Lösung mit typischer Zusammensetzung umfasst gleiche Volumen einer Zellkultur in ihrem Kulturmedium und einer 1- oder 2%igen Lösung von Gummi in physiologischer Kochsalzlösung. Wenn man Natriumalginat verwendet, wurde eine 1,2- bis l,6%ige Lösung erfolgreich verwendet. Wenn die einzukapselnden Zellen dem Typ angehören, die an einem Fixierungssubstrat fixiert sein müssen, um eine Mitose zu erfahren, und wenn die Zellen innerhalb der Kapseln gezüchtet werden sollen, können Kollagen oder andere hochmolekulare, in Wasser dispergierbare Proteine oder Polypeptide, entweder natürliche oder synthetische, in die Zellkultur einverleibt werden und werden dann innerhalb des Volumens der endgültig gebildeten Kapsel eingeschlossen. Wenn ein Polymer mit mehreren kationischen Gruppen, z.B. Polylysin, für diesen Zweck verwendet wird, reagieren die kationischen Gruppen mit anionischen Gruppen in dem wasserlöslichen Gummi unter Bildung einer im wesentlichen wasserunlöslichen Grundmasse, die mit dem Gummi verflochten ist. Die bevorzugten Konzentrationen derartiger Materialien liegen in der Grössenordnung von 100 bis 500 (ig/ml der Suspension (einschliesslich der Gummilösung). A solution with a typical composition comprises equal volumes of a cell culture in its culture medium and a 1 or 2% solution of gum in physiological saline. When using sodium alginate, a 1.2 to 1.6% solution was successfully used. If the cells to be encapsulated are of the type that must be fixed to a fixation substrate to experience mitosis and if the cells are to be grown within the capsules, collagen or other high molecular weight, water-dispersible proteins or polypeptides, either natural or synthetic, can be used , are incorporated into the cell culture and are then enclosed within the volume of the final capsule formed. If a polymer with multiple cationic groups, e.g. Polylysine, used for this purpose, the cationic groups react with anionic groups in the water-soluble rubber to form a substantially water-insoluble matrix which is intertwined with the rubber. The preferred concentrations of such materials are in the order of 100 to 500 (ig / ml of the suspension (including the gum solution).
In der nächsten Stufe des Einkapselungsprozesses wird die das Gewebe enthaltende Gummilösung in Tröpfchen mit 5 der gewünschten Grösse übergeführt. Danach werden die Tröpfchen sofort geliert, um formbeständige, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sphärische oder sphäroide Massen zu bilden. Die Tropfenbildung kann in bekannter Weise ausgeführt werden. Es folgt ein Beispiel eines solchen Verfah-lo rens. In the next stage of the encapsulation process, the rubber solution containing the tissue is transferred into droplets of 5 of the desired size. The droplets are then gelled immediately to form dimensionally stable, preferably, but not necessarily, spherical or spheroidal masses. The drop formation can be carried out in a known manner. An example of such a procedure follows.
Ein Röhrchen, das eine wässrige Lösung mehrwertiger Kationen, z.B. eine 1,5%ige Calciumchloridlösung, enthält, wird mit einem Stopfen versehen, der einen Tropfenbildungsapparat enthält. Der Apparat besteht aus einem Gehäuse mit i5 einer oberen Luftaufnahmedüse und einem langgestreckten Hohlkörper, der durch Reibungskraft in dem Stopfen befestigt ist. Eine 10-ml-Spritze, die mit einer Fortschaltpumpe versehen ist, wird oben auf dem Gehäuse montiert, wobei z.B. eine mit Teflon beschichtete Nadel mit einem Innendurch-20 messer von 0,25 mm durch die ganze Länge des Gehäuses hindurchreicht. Das Innere des Gehäuses ist so konstruiert, dass die Spitze der Nadel einem dauernden laminaren Luftstrom ausgesetzt ist, der als Luftmesser wirkt. Im Gebrauch wird die Spritze mit der Lösung, die das einzukapselnde 25 Material enthält, gefüllt und die Fortschaltpumpe betätigt, um in Inkrementen Tröpfchen der Lösung aus der Spitze der Nadel hinauszutreiben. Jeder Tropfen wird durch den Luftstrom «abgeschnitten» und fällt annähernd 2,5 cm hinab in die Calciumchloridlösung, wo er sofort durch Absorption von 30 Calciumionen geliert. Der Abstand zwischen der Spitze der Nadel und der Oberfläche der Calciumchloridlösung ist in diesem Falle genügend gross, damit die Natriumalginat-Zell-Suspension die physikalisch günstigste Form animmt, nämlich eine Kugel (maximales Volumen bei minimaler Oberflä-35 che). Die Luft innerhalb des Röhrchens entweicht durch eine Öffnung in dem Stopfen. Dies führt zur «Vernetzung» des Gels und zur Bildung einer hochviskosen, formbeständigen schützenden zeitweiligen Kapsel, die das suspendierte Gewebe und sein Medium enthält. Die Kapseln sammeln sich 40 in der Lösung als getrennte Phase an und können durch Absaugen abgetrennt werden. A tube containing an aqueous solution of polyvalent cations, e.g. a 1.5% calcium chloride solution is provided with a stopper which contains a droplet forming apparatus. The apparatus consists of a housing with an upper air intake nozzle and an elongated hollow body which is fixed in the stopper by frictional force. A 10 ml syringe equipped with a indexing pump is mounted on top of the housing, e.g. a Teflon-coated needle with an inside diameter of 0.25 mm extends through the entire length of the housing. The interior of the housing is designed so that the tip of the needle is exposed to a continuous laminar flow of air that acts as an air knife. In use, the syringe is filled with the solution containing the material to be encapsulated and the indexing pump is actuated to drip droplets of the solution out of the tip of the needle in increments. Each drop is “cut off” by the air flow and falls approximately 2.5 cm down into the calcium chloride solution, where it immediately gels through the absorption of 30 calcium ions. In this case, the distance between the tip of the needle and the surface of the calcium chloride solution is sufficiently large for the sodium alginate cell suspension to take the physically most favorable form, namely a sphere (maximum volume with minimum surface area). The air inside the tube escapes through an opening in the stopper. This leads to the "crosslinking" of the gel and the formation of a highly viscous, dimensionally stable, protective temporary capsule which contains the suspended tissue and its medium. The capsules collect in the solution as a separate phase and can be removed by suction.
In der nächsten Stufe des Verfahrens wird durch «Vernetzung» von Oberflächenschichten eine semipermeable Membran um die Oberfläche der zeitweiligen Kapseln herum 45 abgeschieden. Dies kann erfolgen, indem man die gelierten zeitweiligen Kapseln einer wässrigen Lösung eines Polymeren aussetzt, das kationische Gruppen enthält, die mit den anionischen funktionellen Gruppen der Gelmoleküle reaktionsfähig sind. Polymere, die mit Säure reaktionsfähige Gruppen, wie so freie Imin- oder Amingruppen, enthalten, werden bevorzugt. In dieser Situation wird das Polysaccharidgummi durch Wechselwirkung (Salzbindungsbildung) zwischen den Car-boxylgruppen und den Amin- oder Imingruppen vernetzt. Die Permeabilität kann innerhalb gewisser Grenzen gesteuert 55 werden, indem man das Molekulargewicht des verwendeten vernetzenden Polymeren in geeigneter Weise ausgewählt und indem man die Konzentration der Polymerlösung und die Dauer der Einwirkung reguliert. Eine Lösung eines Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht dringt innerhalb einer 60 gegebenen Zeit weiter in die zeitweiligen Kapseln ein als ein hochmolekulares Polymer. Der Grad des Eindringens des Vernetzungsmittels wurde in Beziehung zu der resultierenden Permeabilität gesetzt. Im allgemeinen ist die Porengrösse um so grösser, je höher das Molekulargewicht und je geringer die 65 Eindringung ist. Allgemein können Polymere mit Molekulargewichten im Bereich von 3000 bis 100 000 u oder mehr verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit von der Dauer der Reaktion, der Konzentration der Polymerlösung und dem In the next stage of the process, a “semi-permeable membrane” is deposited around the surface of the temporary capsules by “crosslinking” surface layers. This can be done by exposing the gelled temporary capsules to an aqueous solution of a polymer containing cationic groups that are reactive with the anionic functional groups of the gel molecules. Polymers containing acid reactive groups such as free imine or amine groups are preferred. In this situation, the polysaccharide rubber is cross-linked by interaction (salt bond formation) between the car-boxyl groups and the amine or imine groups. Permeability can be controlled within certain limits by appropriately selecting the molecular weight of the crosslinking polymer used and by regulating the concentration of the polymer solution and the duration of exposure. A solution of a low molecular weight polymer penetrates further into the temporary capsules within a given time than a high molecular weight polymer. The degree of penetration of the crosslinking agent was related to the resulting permeability. In general, the larger the molecular weight and the lower the penetration, the larger the pore size. In general, polymers with molecular weights in the range of 3,000 to 100,000 µ or more can be used depending on the duration of the reaction, the concentration of the polymer solution and the like
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gewünschten Grad der Permeabilität. Eine erfolgreiche Kombination von Reaktionsbedingungen bei Verwendung eines Polylysins mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 35 000 u umfasste die Reaktion einer 0,0167% Poly-lysin enthaltenden physiologischen Kochsalzlösung unter Rühren während zwei Minuten. Dies ergab Membranen mit einer oberen Permeabilitätsgrenze von etwa 100 000 u. Die optimalen Reaktionsbedingungen, die sich für die Steuerung der Permeabilität bei einem gegebenen System eignen, können im Hinblick auf die vorstehenden Richtlinien leicht empirisch festgelegt werden. Unter Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, die obere Permeabilitätsgrenze der Membranen auf einen vorgegebenen Wert unter etwa 200 000 u einzustellen. desired degree of permeability. A successful combination of reaction conditions using a polylysine with an average molecular weight of about 35,000 µ comprised the reaction of a physiological saline solution containing 0.0167% poly-lysine with stirring for two minutes. This resulted in membranes with an upper permeability limit of approximately 100,000 u. The optimal reaction conditions suitable for controlling permeability in a given system can easily be determined empirically in view of the above guidelines. Using this method, it is possible to set the upper permeability limit of the membranes to a predetermined value below about 200,000 µ.
Beispielsweise von geeigneten vernetzenden Polymeren sind Proteine und Polypeptide, die entweder natürlich oder synthetisch sein können und freie Amino- oder Iminogruppen enthalten, Polyäthylenamine, Polyäthylenimine und Poly-vinylamine. Polylysin, sowohl in der D-Form als auch in der L-Form, wurde erfolgreich verwendet. Auch Proteine, wie Polyarginin, Polycitrullin oder Polyornithin, sind verwendbar. Polymere mit einer Positiven Ladungsdichte im höheren Bereich, z.B. Polyvinylamin, haften stark an den anionischen Gruppen der Gelmoleküle unter Bildung beständiger Membranen, aber die Membranen lassen sich ziemlich schwer zerstören. Examples of suitable crosslinking polymers are proteins and polypeptides, which can either be natural or synthetic and contain free amino or imino groups, polyethylene amines, polyethylene imines and poly vinyl amines. Polylysine, in both the D and L forms, has been used successfully. Proteins such as polyarginine, polycitrulline or polyornithine can also be used. Polymers with a positive charge density in the higher range, e.g. Polyvinylamine, strongly adhere to the anionic groups of the gel molecules to form stable membranes, but the membranes are rather difficult to destroy.
Die Behandlung mit einer verdünnten Lösung von Gummi verknüpft die freien Aminogruppen auf den Oberflächen der Kapseln, die andernfalls den Kapseln eine Neigung zum Zusammenklumpen verleihen könnten. Treatment with a dilute solution of gum links the free amino groups on the surfaces of the capsules, which could otherwise give the capsules a tendency to clump together.
An diesem Punkt des Einkapselungsverfahrens können Kapseln gesammelt werden, die eine semipermeable Membran aufweisen, die eine gelierte Lösung von Gummi, ein mit dem Zelltyp verträgliches Kulturmedium, Zellen und gegebenenfalls eine innere Matrix von Kollagen oder einem anderen Fixierungssubstrat enthalten. Da innerhalb der Kapseln und durch die Membranen hindurch eine Massenübertragung begünstigt werden soll, wird das Gel vorzugsweise wieder zu seiner wasserlöslichen Form verflüssigt. Dies kann geschehen, indem man die Bedingungen, unter denen das Gummi flüssig ist, wieder herstellt, z.B. indem man das Calcium oder die anderen mehrwertigen Kationen aus dem inneren Gel entfernt. Das Medium in den Kapseln kann einfach wieder löslich gemacht werden, indem man die Kapsel in mit Phosphat gepufferte Kochsalzlösung eintaucht, die Alkalimetallionen und Wasserstoffionen enthält. Die einwertigen Ionen tauschen sich gegen die Calciumionen oder anderen mehrwertigen Ionen innerhalb des Gummis aus, wenn die Kapseln unter Rühren in die Lösung eingetauchst werden. Natriumci-tratlösungen können für den gleichen Zweck verwendet werden und dienen dazu, die mehrwertigen Ionen zu sequestrieren. At this point in the encapsulation process, capsules can be collected that have a semi-permeable membrane that contains a gelled solution of gum, a culture medium compatible with the cell type, cells, and optionally an inner matrix of collagen or other fixation substrate. Since mass transfer within the capsules and through the membranes is to be promoted, the gel is preferably liquefied again to its water-soluble form. This can be done by restoring the conditions under which the rubber is liquid, e.g. by removing the calcium or other multivalent cations from the inner gel. The medium in the capsules can be easily solubilized by immersing the capsule in phosphate buffered saline containing alkali metal ions and hydrogen ions. The monovalent ions exchange for the calcium ions or other multivalent ions within the gum when the capsules are immersed in the solution with stirring. Sodium citrate solutions can be used for the same purpose and serve to sequester the multivalent ions.
Zellkulturen, die wie oben beschrieben eingekapselt worden sind, können in einem Kulturmedium suspendiert werden, das spezifisch darauf ausgerichtet ist, alle Anforderungen des betreffenden Zelltyps zu erfüllen, und unterliegen weiterhin normalem In-vitro-Stoffwechsel. Wenn die Kultur ein Milieu mit hochmolekularen Komponenten, wie Serumkomponenten, benötigt, können diese aus dem Medium ausserhalb der Kapseln weggelassen werden. Im typischen Fall haben die Komponenten, die normalerweise von den Zellen aufgenommen werden, ein verhältnismässig geringes Molekulargewicht und diffundieren leicht durch die Kapselmembranen in das Mikromilieu der Zellen, wo sie durch die Zellmembran hindurchdringen. Stoffwechselprodukte der Zellen, die in das Medium innerhalb der Kapsel ausgeschieden werden, diffundieren gleichfalls durch die Kapselmembran hindurch und sammeln sich im Medium ausserhalb der Kapsel an, wenn sie ein Molekulargewicht unterhalb der Obergrenze der Permeabilität der Kapselmembran haben. Cell cultures that have been encapsulated as described above can be suspended in a culture medium that is specifically designed to meet all the requirements of the cell type in question and are still subject to normal in vitro metabolism. If the culture requires an environment with high molecular components such as serum components, these can be omitted from the medium outside the capsules. Typically, the components that are normally taken up by the cells have a relatively low molecular weight and diffuse easily through the capsule membranes into the micro-milieu of the cells, where they penetrate through the cell membrane. Metabolic products of the cells that are secreted into the medium inside the capsule also diffuse through the capsule membrane and accumulate in the medium outside the capsule if they have a molecular weight below the upper limit of the permeability of the capsule membrane.
Die eingekapselten Zellen können unter Bedingungen z.B. der Temperatur, des pH-Wertes und des ionischen Milieus gezüchtet werden, die gleich sind wie bei herkömmlichen Kulturen. Die von den Zellen erzeugten Produkte können ebenfalls aus dem Medium ausserhalb der Kapsel oder aus den Kapseln in herkömmlicher Weise geerntet werden. Jedoch hat das hier offenbarte Kulturverfahren die folgenden Vorteile: The encapsulated cells can be e.g. temperature, pH and ionic milieu, which are the same as in conventional cultures. The products produced by the cells can also be harvested from the medium outside the capsule or from the capsules in a conventional manner. However, the culture method disclosed here has the following advantages:
1. Die Zellen der Kultur sind gegen Scherkräfte und mechanische Schädigung und gegen Verunreinigung durch Faktoren mit Abmessungen oberhalb der oberen Permeabilitätsgrenze der Membranen geschützt. Dies bedeutet, dass die Anforderungen an die Handhabung und Sterilität, die normalerweise mit Züchtungsverfahren verbunden sind, etwas gelockert werden können, da Mikroorganismen die eingekapselten Zellen nicht erreichen können und mit Viren infizierte Zellen keine anderen Zellen zu infizieren brauchen. 1. The cells of the culture are protected against shear forces and mechanical damage and against contamination by factors with dimensions above the upper permeability limit of the membranes. This means that the handling and sterility requirements normally associated with breeding methods can be relaxed somewhat, since microorganisms cannot reach the encapsulated cells and cells infected with viruses do not need to infect other cells.
2. Die Kapseln immobilisieren die Zellen innerhalb eines Milieus, in das hochmolekulare Materialien eingeschlossen sind, und trotzdem werden niedrigermolekulare Zellennährstoffe und -produkte leicht entfernt und eingeführt. Dies erlaubt es, das Nährmedium nach Wunsch intermittierend oder kontinuierlich zu sammeln und zu ergänzen, ohne die Zellen zu stören. 2. The capsules immobilize the cells within a milieu that includes high molecular weight materials, and yet low molecular weight cell nutrients and products are easily removed and introduced. This allows the nutrient medium to be collected and supplemented intermittently or continuously as desired without disturbing the cells.
3. Interessierende Substanzen, die durch die Zellen erzeugt werden, lassen sich leichter gewinnen. Ausgeschiedene Zellprodukte mit Molekülabmessungen, die genügend klein sind, um die Kapselmembranen zu durchdringen, sammeln sich in dem Medium ausserhalb der Kapseln im Gemisch mit Nährstoffen. Jedoch werden hochmolekulare Serumkomponenten und dergleichen nicht in das Medium ausserhalb der Kapseln freigesetzt, was die Gewinnung eines interessierenden Zellproduktes vereinfacht. Ausgeschiedene Zellprodukte mit Molekülabmessungen oberhalb der oberen Permeabilitätsgrenze der Membranen sammeln sich innerhalb der Kapseln an. Natürlich können Zellprodukte, die nicht durch die Zellmembran ausgeschieden werden, ebenfalls von Interesse sein. Diese können in relativ konzentrierter Form gewonnen werden, indem man die Kapseln isoliert und anschliessend die Membranen selektiv zerstört, z.B. unter Anwendung der folgenden angegebenen Methode, und erforderlichenfalls die Zellmembranen zerstört. 3. Interesting substances that are generated by the cells are easier to obtain. Eliminated cell products with molecular dimensions that are sufficiently small to penetrate the capsule membranes collect in the medium outside the capsules in a mixture with nutrients. However, high molecular serum components and the like are not released into the medium outside the capsules, which simplifies the extraction of a cell product of interest. Eliminated cell products with molecular dimensions above the upper permeability limit of the membranes accumulate inside the capsules. Of course, cell products that are not excreted through the cell membrane may also be of interest. These can be obtained in a relatively concentrated form by isolating the capsules and then selectively destroying the membranes, e.g. using the following method, and if necessary, destroys the cell membranes.
4. Das Volumen innerhalb der Kapseln stellt ein Milieu zur Verfügung, das für die Zellteilung gut geeignet ist. Es wurde beobachtet, dass Suspensionskulturen innerhalb der Kapseln eine Mitose erfahren. Fixierungsabhängige Zellen, die in normalen Kulturen in einer zweidimensionalen einfachen Schicht wachsen, vermehren sich unter Bildung einer erheblichen Menge von Zellen innerhalb der Kapsel. Derartige Zellen verwenden die Innenoberflächen der Membran als Substrat und/oder fixieren sich an den hochmolekularen Materialien, die oben genannt wurden und die innerhalb der Kapseln angeordnet sind. Dies führt zu signifikanten Zunahmen der Zelldichte, verglichen mit herkömmlichen Kulturen. Die fortlaufende Lebensfähigkeit derartiger Zelltrauben wird durch die Tatsache begünstigt, dass die Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen der Kapseln ziemlich gross sein können, so dass alle Zellen Zugang zu den erforderlichen Nährstoffen, Sauerstoff usw. haben. 4. The volume inside the capsules provides an environment that is well suited for cell division. Suspension cultures within the capsules were observed to experience mitosis. Fixation-dependent cells, which grow in normal cultures in a two-dimensional simple layer, multiply with the formation of a considerable amount of cells within the capsule. Such cells use the inner surfaces of the membrane as a substrate and / or attach themselves to the high molecular materials mentioned above and which are arranged inside the capsules. This leads to significant increases in cell density compared to conventional cultures. The continued viability of such grapes is favored by the fact that the surface to volume ratio of the capsules can be quite large, so that all cells have access to the necessary nutrients, oxygen, etc.
In bestimmten Situationen ist es vorteilhaft, die Kapselmembranen selektiv zu zerstören, um die Zellen ohne Schädigung freizusetzen. Eines der bemerkenswerten Beispiele ist die Herstellung von Interferon. Zellen, die Interferon zu erzeugen vermögen, müssen bei der Vorbereitung für das Interferon-Erzeugungsstadium bestimmten Viren oder Nucleinsäuren ausgesetzt werden. Bei mehreren Interferon- In certain situations, it is advantageous to selectively destroy the capsule membranes in order to release the cells without damage. One of the notable examples is the production of interferon. Cells capable of producing interferon must be exposed to certain viruses or nucleic acids in preparation for the interferon generation stage. With multiple interferon
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Induktionsverfahren werden der Kultur auch Reagentien zugesetzt, um die Proteinsynthese zu hemmen. Demzufolge muss das Wachstumsstadium des Züchtungsprozesses unter Bedingungen ausgeführt werden, die von denen der Interfe-ron-Induktionsstufe ganz verschieden sind. Wenn die für die Interferon-Induktion verwendeten Substanzen ein Molekulargewicht oberhalb der oberen Durchlässigkeitsgrenze der Kapselmembran haben (wie im Falle von Virusinduktionen), kann der Induktionsprozess nicht in der eingekapselten Zellkultur ausgeführt werden. Demzufolge müssen Interferon erzeugende Zellen, wenn sie innerhalb der Kapsel gezüchtet worden sind, durch Zerstören der Membran freigesetzt werden, um sie dem Induktionsprozess zu unterwerfen. Induction processes also add reagents to the culture to inhibit protein synthesis. As a result, the growth stage of the breeding process must be carried out under conditions that are quite different from those of the Interfe-ron induction stage. If the substances used for interferon induction have a molecular weight above the upper permeability limit of the capsule membrane (as in the case of virus induction), the induction process cannot be carried out in the encapsulated cell culture. Accordingly, interferon-producing cells, when grown within the capsule, must be released by destroying the membrane in order to subject them to the induction process.
Zellen, die in Membranen des oben dargelegten Typs eingeschlossen sind, können mittels eines Verfahrens freigesetzt werden, bei dem im Handel erhältliche Reagentien, deren Eigenschaften die eingekapselten Zellen nicht in signifikanter Weise nachteilig beeinflussen, verwendet werden. Zuerst werden die Kapseln von ihrem Suspendiermedium abgetrennt, gründlich gewaschen, um alle auf dem Äusseren der Mikro-kapseln vorhandenen Verunreinigungen zu entfernen, und dann unter Rühren in einer gemischten Lösung von einatomigen, mehrwertigen Kationen, wie Caliumionen, und einem zerstörenden Polymer mit mehreren anionischen Resten, wie einem Salz einer Polysulfonsäure oder Polyphosphorsäure, dispergiert. Für diese Stufe wird Heparin, ein natürliches sul-foniertes Polysaccharid, bevorzugt. Die anionische Ladungsdichte des zerstörenden Polymeren sollte gleich wie die Ladungsdichte des ursprünglich zur Bildung der Membranen verwendeten polyanionischen Materials oder vorzugsweise grösser sein. Das Molekulargewicht des Polymeren sollte mindestens vergleichbar sein mit dem Molekulargewicht des Polymeren mit mehreren kationischen Gruppen, das zur Bildung der Membran verwendet wurde, und ist vorzugsweise grösser. Innerhalb der Suspension von Kapseln in der gemischten Lösung konkurrieren die Calciumionen mit den polykationischen Polymerketten, die zur Bildung der Membran verwendet wurden, um anionische Gruppen auf dem wasserlöslichen Gummi. Gleichzeitig konkurriert das Heparin oder andere Polymer mit mehreren anionischen Gruppen, das in der Lösung gelöst ist, mit dem Gummi in der Membran um die kationischen Gruppen auf den Polymerketten. Dies führt zu einem in Wasser dispergierbaren oder vorzugsweise wasserlöslichen Komplex von z.B. Polylysin und Heparin und zur Assozierung der einatomigen Kationen mit den Molekülen des Gels. Cells encapsulated in membranes of the type set forth above can be released by a method that uses commercially available reagents, the properties of which do not significantly affect the encapsulated cells. First, the capsules are separated from their suspending medium, washed thoroughly to remove any contaminants present on the exterior of the microcapsules, and then with stirring in a mixed solution of monatomic, polyvalent cations, such as potassium ions, and a destructive polymer with several anionic ones Residues such as a salt of a polysulfonic acid or polyphosphoric acid are dispersed. Heparin, a natural sulfonated polysaccharide, is preferred for this stage. The anionic charge density of the destructive polymer should be equal to or preferably greater than the charge density of the polyanionic material originally used to form the membranes. The molecular weight of the polymer should be at least comparable to the molecular weight of the multi-cationic polymer used to form the membrane, and is preferably larger. Within the suspension of capsules in the mixed solution, the calcium ions compete with the polycationic polymer chains used to form the membrane for anionic groups on the water-soluble rubber. At the same time, the heparin or other polymer with multiple anionic groups dissolved in the solution competes with the rubber in the membrane for the cationic groups on the polymer chains. This results in a water dispersible or preferably water soluble complex of e.g. Polylysine and heparin and to associate the monatomic cations with the molecules of the gel.
Diese Stufe macht die Membran bei der anschliessenden Einwirkung eines Sequestriermittels, das den Zerstörungspro-zess durch Aufnahme von einatomigen Ionen aus dem Gel zu Ende führt, löslich. Falls Bruchstücke von Kapselmembranen in dem Medium verbleiben, könnnen sie leicht von den Zellen getrennt werden. This step makes the membrane soluble in the subsequent action of a sequestering agent, which ends the destruction process by taking up monatomic ions from the gel. If fragments of capsule membranes remain in the medium, they can easily be separated from the cells.
Die zurzeit bevorzugte Lösung für die erste Stufe des selektiven Zerstörungsprozesses enthält 1,1% (Gew./Vol.) Calciumchlorid und zwischen 500 und 1500 Einheiten Heparin pro ml der Lösung. Zu dieser Lösung wird ein Volumen von Mikrokapseln zugesetzt, das genügt, um zwischen etwa 20 und 30% des Gesamtvolumens der Dispersion auszumachen. Calciumchlorid und Heparin werden für die Zerstörung der Membranen von Zellen enthaltenden Kapseln bevorzugt, da beide Reagentien mit den meisten Zellen physiologisch verträglich sind und daher die Möglichkeit einer Zellschädigung minimieren. Gemische von Aluminiumsalzen oder Salzen anderer mehrwertiger Kationen (aber keine Magnesiumionen) können ebenfalls zusammen mit den Polysulfonsäure-oder Polyphosphorsäuresalzen des oben beschriebenen Typs verwendet werden. The currently preferred solution for the first stage of the selective destruction process contains 1.1% (w / v) calcium chloride and between 500 and 1500 units of heparin per ml of the solution. A volume of microcapsules sufficient to make up between about 20 and 30% of the total volume of the dispersion is added to this solution. Calcium chloride and heparin are preferred for destroying the membranes of capsules containing cells, since both reagents are physiologically compatible with most cells and therefore minimize the possibility of cell damage. Mixtures of aluminum salts or salts of other polyvalent cations (but no magnesium ions) can also be used together with the polysulfonic acid or polyphosphoric acid salts of the type described above.
Im allgemeinen können die Konzentrationen der einatomigen Ionen und des anionischen Polymeren, die in dieser Stufe angewandt werden, innerhalb weiter Grenzen schwanken. Die optimalen Konzentrationen können leicht empirisch bestimmt werden und hängen von der Einwirkungszeit sowie 5 von dem zur Bildung der Membranen verwendeten speziellen Polymeren ab. In general, the concentrations of the monatomic ions and the anionic polymer used in this step can vary within wide limits. The optimal concentrations can easily be determined empirically and depend on the exposure time and the specific polymer used to form the membranes.
Das zurzeit bevorzugte Sequestriermittel zur Ausführung der selektiven Zerstörung ist Natriumeitrat, obgleich auch andere Alkalimetallcitrate und Alkalimetallsalze der Äthylen-io diamintetra-Essigsäure verwendet werden können. Wenn Natriumeitrat verwendet wird, liegt die optimale Konzentration in der Grössenordnung von 55 mMol pro Liter. Es wird bevorzugt, das Citrat oder andere Sequestriermittel in isotonischer Kochsalzlösung zu lösen, um die Zellschädigung zu 15 minimieren. The currently preferred sequestering agent for carrying out the selective destruction is sodium citrate, although other alkali metal citrates and alkali metal salts of ethylene-io-diamintetra-acetic acid can also be used. When sodium citrate is used, the optimal concentration is on the order of 55 mmol per liter. It is preferred to dissolve the citrate or other sequestering agent in isotonic saline to minimize cell damage.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. The following examples illustrate the invention.
Beispiel 1 Insulin-Erzeugung 20 Langerhans-Inseln werden aus menschlichen Leichen oder tierischem Pankreas erhalten und bei einer Konzentration von annähernd 103 Inseln pro ml zu einer kompletten Gewebekultur (CMRL-1969, Connaught Laboratories, Toronto, Canada) gegeben. Die Gewebekultur enthält alle 25 Nährstoffe, die für die fortgesetzte Lebensfähigkeit der Inseln erforderlich sind, sowie die Aminosäuren, die von den ß-Zel-len zur Herstellung von Insulin verwendet werden. 0,4 ml einer Suspension von 103 Inseln pro ml werden dann zu 0,5 ml einer l,2%igen Lösung von Natriumalginat (Sigma 30 Chemical Company) in physiologischer Kochsalzlösung gegeben. Example 1 Insulin Production 20 islets of Langerhans are obtained from human corpses or animal pancreas and are added to a complete tissue culture (CMRL-1969, Connaught Laboratories, Toronto, Canada) at a concentration of approximately 103 islets per ml. The tissue culture contains all 25 nutrients that are necessary for the continued viability of the islands, as well as the amino acids that are used by the ß-cells to produce insulin. 0.4 ml of a suspension of 103 islands per ml are then added to 0.5 ml of a 1.2% solution of sodium alginate (Sigma 30 Chemical Company) in physiological saline.
Dann wird eine l,5%ige Calciumchloridlösung verwendet, um Tröpfchen der Lösung in der oben dargelegten Weise zu gelieren. Tröpfchen mit einem Durchmesser in der Grössen-35 Ordnung von 300 bis 400 um, die aus der Spitze der Nadel austreten, gelieren sofort beim Eintritt in die Calciumchloridlösung. Die gelierten Kapseln werden dann in ein Becherglas übergeführt, das 15 ml einer Lösung enthält, die 1 Teil 2%iger 2-(Cyclohexylamino)-äthansulfonsäure-Pufferlösung in 40 0,6%igem Kochsalz (isotonisch, pH 8,2), verdünnt mit 20 Teilen l%igem Calciumchlorid, enthält. Nach 3minütigem Eintauchen werden die Kapseln zweimal in l%igem Calciumchlorid gewaschen. A 1.5% calcium chloride solution is then used to gel droplets of the solution in the manner set out above. Droplets with a size 35 order of 300 to 400 µm, which emerge from the tip of the needle, gel immediately upon entering the calcium chloride solution. The gelled capsules are then transferred to a beaker containing 15 ml of a solution which dilutes 1 part of 2% 2- (cyclohexylamino) -ethanesulfonic acid buffer solution in 40 0.6% sodium chloride (isotonic, pH 8.2) with 20 parts of 1% calcium chloride. After immersion for 3 minutes, the capsules are washed twice in 1% calcium chloride.
Die Kapseln werden dann in 32 ml einer Lösung überge-45 führt, die 1 Teil l%iges Polylysin (durchschnittliches Molekulargewicht 35 000 u in 80 Teilen physiologischer Kochsalzlösung enthält. Nach 3 Minuten wird die Polylysinlösung abdekantiert. Die Kapseln werden mit l%igem Calciumchlorid gewaschen und gegebenenfalls wieder 3 Minuten lang in so einer Lösung von Polyäthylenimin (Molekulargewicht 40 000 bis 60 000) suspendiert, die durch Verdünnen einer 3,3%igen Polyäthylenimin-Vorratslösung in Morpholinopropansulfon-Säurepuffer (0,2molar, pH 6) mit genügend l%igem Calciumchlorid, damit sich eine Endpolymerkonzentration von 0,12% 55 ergibt, hergestellt ist. Die resultierenden Kapseln, die «permanente» semipermeable Membranen haben, werden dann zweimal mit l%igem Calciumchlorid und zweimal mit physiologischer Kochsalzlösung gewaschen und mit 10 ml 0,12%iger Alginsäurelösung gemischt. The capsules are then transferred to 32 ml of a solution containing 1 part 1% polylysine (average molecular weight 35,000 u in 80 parts physiological saline. After 3 minutes the polylysine solution is decanted off. The capsules are filled with 1% calcium chloride washed and optionally resuspended for 3 minutes in such a solution of polyethyleneimine (molecular weight 40,000 to 60,000), which was obtained by diluting a 3.3% polyethyleneimine stock solution in morpholinopropanesulfonic acid buffer (0.2 molar, pH 6) with sufficient l % calcium chloride to give a final polymer concentration of 0.12% 55. The resulting capsules, which have "permanent" semipermeable membranes, are then washed twice with 1% calcium chloride and twice with physiological saline and with 10 ml 0 , 12% alginic acid solution mixed.
60 Die Kapseln klumpen nicht zusammen, und viele enthalten Langerhans-Inseln. Das Gel auf der Innenseite der Kapseln wird wieder verflüssigt, indem man die Kapseln 5 Minuten lang in ein Gemisch aus Kochsalzlösung und Citratpuffer (pH 7,4) eintaucht. Schliesslich werden die Kapseln im 65 CMLR-69-Medium suspendiert. 60 The capsules don't clump together, and many contain islets of Langerhans. The gel on the inside of the capsules is liquefied again by immersing the capsules in a mixture of saline and citrate buffer (pH 7.4) for 5 minutes. Finally, the capsules are suspended in 65 CMLR-69 medium.
Unter dem Mikroskop stellt man fest, dass diese Kapseln eine sehr dünne Membran enthalten, die eine Insel ein-schliesst, in der einzelne Zellen sichtbar sind. Molekühle mit Under the microscope, you can see that these capsules contain a very thin membrane that encloses an island in which individual cells are visible. Molecules with
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einem Molekulargewicht bis etwa 100 000 u können die Membranen durchqueren. Dies ermöglicht es, dass Sauerstoff, Aminosäuren, Nährstoffe und Plasmakomponenten, die im Kulturmedium verwendet werden (das heisst niedermolekular Komponenten von fötalem Kälberplasma), die Insel erreichen und dass Insulin ausgeschieden wird. a molecular weight up to about 100,000 u can cross the membranes. This enables oxygen, amino acids, nutrients and plasma components used in the culture medium (i.e. low molecular weight components of fetal calf plasma) to reach the island and insulin to be excreted.
Nach wiederholten Waschbehandlungen mit physiologischer Kochsalzlösung werden Mikrokapseln, die nach dem obigen Verfahren erhalten wurden und annähernd 15 Inseln enthalten, in 3 ml CMRL-1969 suspendiert. Als sie 8 Tage alt waren, schieden die Kapseln in Gegenwart von 600 mg Glucose pro dl in einem Ansatz in 1,5 Stunden 67 Einheiten Insulin pro ml in das ausserhalb der Kapsel befindliche Medium aus. Bei einem zweiten Ansatz wurden in der gleichen Zeit 68 Einheiten Insulin pro ml erzeugt. 1 Woche alte Kapseln schieden in dem gleichen Medium, aber in Gegenwart von 100 mg Glucose pro dl in einem ersen Ansatz in 1,2 Stunden 25 Einheiten Insulin pro ml und in einem zweiten Ansatz 10 Einheiten Insulin pro ml aus. After repeated washes with physiological saline, microcapsules obtained by the above procedure and containing approximately 15 islets are suspended in 3 ml of CMRL-1969. When they were 8 days old, the capsules excreted 67 units of insulin per ml in the medium outside the capsule in the presence of 600 mg of glucose per dl in one batch in 1.5 hours. In a second approach, 68 units of insulin per ml were generated in the same time. 1-week-old capsules excreted 25 units of insulin per ml in a first batch in the same medium, but in the presence of 100 mg of glucose per dl, and 10 units of insulin per ml in a second batch.
Beispiel 2 Example 2
Herstellung von Interferon-ß Production of interferon-ß
Menschliche Fibroblasten, die durch Behandlung von menschlichem Vorhautgewebe mit Trypsin und Äthylendi-amintetra-Essigsäure während 5 Minuten bei 37 °C in bekannter Weise erhalten wurden, werden in einem kompletten Wachstumsmedium (CMLR-1969, Connaught Laboratories) suspendiert, das mit 40 Vol.-% gereinigtem fötalem Kälberserum, 0,8% Natriumalginat (Sigma) und 200 ug gereinigtem Kalbshautkollagen pro ml ergänzt ist. Die Zelldichte der Suspension beträgt etwa 1,5 x 107 Zellen pro ml. Zeitweilige Alginatkapseln werden wie in Beispiel 1 dargelegt gebildet. In Oberflächenschichten der Kapseln werden semipermeable Membranen abgeschieden, indem man die Kapseln in einer 0,005%igen (Gew./Vol) wässrigen Lösung von Polylysin (Molekulargewicht 43 000 u) 3 Minuten lang suspendiert. Human fibroblasts, which were obtained in a known manner by treating human foreskin tissue with trypsin and ethylenediaminetetraacetic acid for 5 minutes at 37 ° C., are suspended in a complete growth medium (CMLR-1969, Connaught Laboratories), which was mixed with 40 vol. -% purified fetal calf serum, 0.8% sodium alginate (Sigma) and 200 µg purified calf skin collagen per ml. The cell density of the suspension is approximately 1.5 × 10 7 cells per ml. Temporary alginate capsules are formed as set out in Example 1. Semipermeable membranes are deposited in surface layers of the capsules by suspending the capsules in a 0.005% (w / v) aqueous solution of polylysine (molecular weight 43,000 u) for 3 minutes.
Die resultierenden Kapseln werden in CMLR-1969, das mit 10% fötalem Kälberserum ergänzt ist, suspendiert. Die vorstehenden Stufen werden alle bei 37 °C ausgeführt. Nach Bebrüten bei der gleichen Temperatur findet man bei Untersuchung der Kapseln unter dem Mikroskop, dass sie Fibroblasten enthalten, die innerhalb der Mikrokapseln eine Mitose erfahren haben und eine dreidimensionale fibroblastische Morphologie aufweisen. The resulting capsules are suspended in CMLR-1969 supplemented with 10% fetal calf serum. The above steps are all carried out at 37 ° C. After incubation at the same temperature, the capsules are examined under a microscope to find that they contain fibroblasts that have undergone mitosis within the microcapsules and have a three-dimensional fibroblastic morphology.
Nach 4- bis 5tägiger Bebrütung werden die eingekapselten Fibroblasten einer Interferon-ß-Superinduktionsmethode nach dem Verfahren von Vilcek unterworfen. Unter einer 5%igen Kohlendioxydatmosphäre (95% Luft) wird die Kapselsuspension in Gegenwart von 100 ug Poly I-Poly C pro ml, einer doppelsträngigen RNS (bekanntes Interferon-ß-Induk-tionsmittel), das von PL Biochemicals, Milwaukee, Wisconsin erhältlich ist, und 50 jig Cycloheximid pro ml (Proteinsyntheseinhibitor, Calbiochem, La Jolla, California) 1 Stunde lang bei 37 °C bebrütet. Nach 1 Stunde werden die suspendierten Kapseln in dem Medium (CMLR-1969), das 50 ug Cycloheximid pro ml enthält, gewaschen und dann unter einer 5%igen Kohlendioxydatmosphäre wieder 3 Stunden lang bei 37 °C in der gleichen Lösung suspendiert. Am Ende dieser Bebrütung wird die Waschstufe wiederholt, worauf die Kapseln wieder in dem Medium, das 50 ug Cycloheximid pro ml und 5 ug Actimomycin D pro ml (ein bekannter RNS-Syn-theseinhibitor, Calbiochem) enthält, suspendiert und unter einer 5%igen Kohlendioxydatmosphäre 2 Stunden lang bei 37 °C bebrütet. Die Kapseln werden dann zweimal in dem Medium gewaschen und bei 37 °C 18 bis 24 Stunden lang im serumfreien Medium suspendiert; während dieser Zeit scheiden die Fibroblasten Interferon-ß aus, das ein Molekulargewicht in der Grössenordnung von 21 000 u hat und aus dem Medium ausserhalb der Kapseln geerntet werden kann. After incubation for 4 to 5 days, the encapsulated fibroblasts are subjected to an interferon-ß superinduction method using the Vilcek method. Under a 5% carbon dioxide atmosphere (95% air), the capsule suspension becomes available in the presence of 100 µg poly I-poly C per ml, a double-stranded RNA (known interferon-β-inducer) available from PL Biochemicals, Milwaukee, Wisconsin and incubated 50 jig of cycloheximide per ml (protein synthesis inhibitor, Calbiochem, La Jolla, California) for 1 hour at 37 ° C. After 1 hour the suspended capsules are washed in the medium (CMLR-1969) containing 50 µg cycloheximide per ml and then resuspended in a 5% carbon dioxide atmosphere for 3 hours at 37 ° C in the same solution. At the end of this incubation, the washing step is repeated, whereupon the capsules are resuspended in the medium containing 50 μg cycloheximide per ml and 5 μg actimomycin D per ml (a known RNA synthesis inhibitor, Calbiochem) and below a 5% strength Incubated carbon dioxide atmosphere at 37 ° C for 2 hours. The capsules are then washed twice in the medium and suspended in the serum-free medium at 37 ° C. for 18 to 24 hours; During this time, the interferon-ß fibroblasts, which has a molecular weight of the order of 21,000 u and can be harvested from the medium outside the capsules, are excreted.
Beispiel 3 5 Herstellung von Interferon-ß Example 3 5 Production of Interferon-β
Die Verfahrensweise von Beispiel 2 wird wiederholt, wobei aber die Kapselmembranen von der Induktion selektiv zerstört werden, so dass das Poly I-Poly C leichter Zugang zu den Fibroblasten findet. Das Zerstörungsverfahren wird folio gendermassen ausgeführt: The procedure of Example 2 is repeated, but the capsule membranes are selectively destroyed by the induction, so that the poly I-poly C has easier access to the fibroblasts. The destruction process is carried out as follows:
Man lässt Portionen von 10 ml der Mikrokapselsuspen-sion, die etwa 500 bis 1000 Kapseln pro ml enthält, sich absetzen und saugt das Suspensionsmedium ab. Die Kapseln werden zweimal mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (pH 15 7,4) gewaschen. Die gewaschenen Kapseln werden dann mit einem aliquoten Teil von 3,0 ml phosphatgepufferter Kochsalzlösung, die 1000 Einheiten Heparin pro ml und 1,1% (Gew./Vol.) Calciumchlorid enthält, gemischt. Die Suspension wird 3 Minuten lang bei 37 ° C gerührt; danach lässt man 20 die Kapseln sich absetzen, saugt die überstehende Flüssigkeit ab und wäscht die Kapseln zweimal mit 3,0 ml 0,15 molarem Kochsalz. Nach Absaugen der zweiten Waschlösung werden die Kapseln mit 2,0 ml einer gemischten Lösung gemischt, die gleiche Volumenmengen 110-mmolares Natriumeitrat und 25 0,15 molares Natriumchlorid enthält (pH 7,4). Das Gemisch wird von Hand 1 Minute lang verwirbelt, um die Auflösung der Membranen zu veranlassen, wonach die Zellen zweimal in dem Medium gewaschen werden. Portions of 10 ml of the microcapsule suspension, which contains about 500 to 1000 capsules per ml, are allowed to settle and the suspension medium is suctioned off. The capsules are washed twice with phosphate buffered saline (pH 15 7.4). The washed capsules are then mixed with an aliquot of 3.0 ml of phosphate buffered saline containing 1000 units of heparin per ml and 1.1% (w / v) calcium chloride. The suspension is stirred at 37 ° C for 3 minutes; then the capsules are allowed to settle, the supernatant is suctioned off and the capsules are washed twice with 3.0 ml of 0.15 molar sodium chloride. After the second washing solution has been suctioned off, the capsules are mixed with 2.0 ml of a mixed solution which contains equal amounts of 110 mmol sodium citrate and 25 0.15 molar sodium chloride (pH 7.4). The mixture is swirled by hand for 1 minute to cause the membranes to dissolve, after which the cells are washed twice in the medium.
Die Zellen werden dann in dem Medium suspendiert, 30 dem in Beispiel 2 beschriebenen Induktionsverfahren unterworfen und dann wieder wie in Beispiel 2 beschrieben eingekapselt. Die Kapselsuspension wird dann in einem serumfreien Medium 18 bis 24 Stunden lang bebrütet; während dieser Zeit wird von den Zellen Interferon-ß ausgeschieden, 35 durchdringt die Kapselmembranen und sammelt sich in dem ausserhalb der Kapseln befindlichen Medium ein The cells are then suspended in the medium, subjected to the induction process described in Example 2 and then encapsulated again as described in Example 2. The capsule suspension is then incubated in a serum-free medium for 18 to 24 hours; During this time, interferon-ß is excreted from the cells, 35 penetrates the capsule membranes and collects in the medium outside the capsules
Wenn die Beispiele 2 und 3 mit Poly I-Poly C (5S) (Sedimentationswert, Poly I und Poly C erwärmt zur Bildung von doppelsträngiger RNS) ausgeführt wird, so ergeben sich die 40 folgenden Werte der Interferon-ß-Erzeugung, ausgedrückt in Einheiten Interferon-ß/105-Zellen : If Examples 2 and 3 are carried out with poly I-poly C (5S) (sedimentation value, poly I and poly C heated to form double-stranded RNA), the following 40 values of the interferon-β production result, expressed in units Interferon-ß / 105 cells:
1. 2. 1.2.
Beispiel 2 25 25 Example 2 25 25
■»5 Beispiel 3 2500 2500 ■ »5 Example 3 2500 2500
Wenn die Beispiele 2 und 3 mit Poly I-Poly C (12S) (Sedimentationswert, doppelsträngig wie gekauft) ausgeführt werden, ergeben sich die folgenden Werte der Interferon-ß-50 Erzeugung, ausgedrückt in Einheiten Interferon-ß/105-Zellen: If Examples 2 and 3 are carried out with poly I-poly C (12S) (sedimentation value, double-stranded as purchased), the following values of the interferon-β-50 production result, expressed in units of interferon-β / 105 cells:
1. 2. 1.2.
Beispiel 2 25 25 Example 2 25 25
Beispiel 3 2500 2500 Example 3 2500 2500
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Es wird angenommen, dass die hundertfache Zunahme der erzeugten Menge bei Anwendung der Verfahrensweise von Beispiel 3 gegenüber Beispiel 2 mindestens zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass der Poly I-Poly C in dem Verfah-60 ren von Beispiel 3 einen besseren Zugang zu den Zellen hat. It is believed that the hundredfold increase in the amount produced using the procedure of Example 3 over Example 2 is at least in part due to the fact that the poly I-poly C in the method of Example 3 has better access to the cells Has.
Beispiel 4 Example 4
Die Verfahrensweise von Beispiel 2 wird wiederholt, wobei aber Kapseln, die kein Kollagen enthalten, verwendet 65 werden. Die eingekapselten Zellen wurden in einer herkömmlichen einschichtigen Kultur gezüchtet, mit Trypsin behandelt und mit Poly I-Poly C (5S) der Induktion unterworfen und gleichzeitig in Mikrokapseln eingekapselt. Es wurde gefun The procedure of Example 2 is repeated, but capsules containing no collagen are used. The encapsulated cells were grown in a conventional monolayer culture, treated with trypsin and induction with Poly I-Poly C (5S) while encapsulated in microcapsules. It was found
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den, dass das ausserhalb der Kapseln vorhandene Medium 2500 Einheiten Interferon-ß/105-Zellen enthält. that the medium present outside the capsules contains 2500 units of interferon-β / 105 cells.
Beispiel 5 Example 5
Monoklonale Antikörper Monoclonal antibodies
Von Herman Eisen beim MIT erhaltene Hybridom-Zellen wurden bis zu einer Dichte von 3,0 x 106 Zellen pro ml gezüchtet. Diese Zellen wurden aus Mäusemilzzellen und Mäusemyelomzellen in einer Weise verschmolzen, wie jetzt aus dem Stande der Technik gut bekannt ist, und stellten eine unsterbliche Zellinie dar, die in der Kultur Antikörper gegen Dinitrophenyl-Rinderserum-Albumin erzeugte. Aliquote Teile von 3 ml der Zellsuspension wurden durch Zugabe von 2,1 ml der Suspension, die 1,4% Natriumalginat enthielt, zu 0,6 ml fötalem Kälberserum und 0,3 ml physiologischer (150-mmolarer) Kochsalzlösung erhalten. Tröpfchen der Suspension wurden sofort in Calciumchloridlösung geliert und dann mit einer 0,016 gew.-%igen Lösung von Poly-L-lysin behandelt. Das Innere der resultierenden Kapseln wurde dann durch Eintauchen in eine Lösung von 1 Teil 110 mmola-rem Natriumeitrat und 3 Teilen 150 mmolarer Kochsalzlösung während 6 Minuten wieder verflüssigt. Die Hybridom-zellen enthaltenden Kapseln wurden dann in einem Gemisch aus RPMI-1640-Medium (Gibco) das 20% durch Wärme inaktivierten Kälberserum enthielt, suspendiert. Hybridoma cells obtained from Herman Eisen at MIT were grown to a density of 3.0 x 106 cells per ml. These cells were fused from mouse spleen cells and mouse myeloma cells in a manner now well known in the art and constituted an immortal cell line that raised antibodies to dinitrophenyl bovine serum albumin in culture. Aliquots of 3 ml of the cell suspension were obtained by adding 2.1 ml of the suspension containing 1.4% sodium alginate to 0.6 ml of fetal calf serum and 0.3 ml of physiological (150 mmolar) saline. Droplets of the suspension were immediately gelled in calcium chloride solution and then treated with a 0.016% by weight solution of poly-L-lysine. The inside of the resulting capsules were then liquefied by immersing them in a solution of 1 part 110 mmolar sodium citrate and 3 parts 150 mmolar saline for 6 minutes. The capsules containing hybridoma cells were then suspended in a mixture of RPMI 1640 medium (Gibco) containing 20% heat inactivated calf serum.
Die Zelldichten der eingekapselten und nicht eingekapselten Hybridomkulturen und die sowohl von den eingekapselten als auch von den nicht eingekapselten Kulturen erzeugten Mengen an monoklonalen Antikörpern wurde periodisch bestimmt. Die Ergebnisse sind graphisch in Fig. 2 dargestellt. The cell densities of the encapsulated and unencapsulated hybridoma cultures and the amounts of monoclonal antibodies produced by both the encapsulated and the unencapsulated cultures were determined periodically. The results are shown graphically in FIG. 2.
Beispiel 6 Example 6
Interferon-a aus Leukozyten Interferon-a from leukocytes
30 ml «buffy coats», erhalten vom amerikanischen Roten Kreuz, wurden mit 3,0 ml 5%iger Äthylendiamintetra-Essig-säure behandelt und wiederholt 10 Minuten lang bei 4 °C 0,83%igem Ammoniumchlorid ausgesetzt, um die roten Blutkörperchen zu lysieren. Zwischen den Ammoniumchloridbehandlungen wurde 5 Minuten lang zentrifugiert (1200 Umdrehungen pro Minute bei 4 °C), um Bruchstücke von den zurückbleibenden intakten Leukozyten abzutrennen. Die Zellen wurden dann im MEM (minimales essentielles Medium, serumfrei - Gibco), verdünnt um einen Faktor 100, suspendiert und 15 Minuten lang mit Tryptanblau angefärbt. Eine Zellzählung, die mit einer Probe ausgeführt wurde, ergab, 30 ml "buffy coats", obtained from the American Red Cross, were treated with 3.0 ml of 5% ethylenediaminetetra-acetic acid and repeatedly exposed to 0.83% ammonium chloride at 4 ° C for 10 minutes in order to reduce the red blood cells lyse. Centrifugation (1200 rpm at 4 ° C) for 5 minutes between ammonium chloride treatments to separate debris from the remaining intact leukocytes. The cells were then suspended in MEM (minimal essential medium, serum-free - Gibco) diluted by a factor of 100 and stained with tryptan blue for 15 minutes. A cell count performed on a sample showed
dass etwa 1,3 x 109 Leukozyten pro 30 ml «buffy coat» überlebten. Die Zellen wurden dann bei einer Dichte von 1 x 107 Zellen pro ml in dem Medium, das mit 2% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum ergänzt war, suspendiert. that about 1.3 x 109 leukocytes per 30 ml "buffy coat" survived. The cells were then suspended at a density of 1 x 107 cells per ml in the medium supplemented with 2% heat-inactivated fetal calf serum.
Die Induktion erfolgte, indem man die Zellsuspension bei 37 °C unter Rühren 1 Stunde lang Sendaiviren (verschiedene Konzentrationen in Hämagglutinierungseinheiten pro ml -Flow Laboratories, Md.) aussetzte. Das Virus wurde dann durch Zentrifugieren bei Raumtemperatur von den Zellen getrennt, und die Zellen wurden wieder in gleichen Volumen MEM mit 4% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum und 1,4% Natriumalginat suspendiert. Wie oben dargelegt, wurden Kapseln gebildet und dann wieder in serumfreien und serumhaltigen Medien suspendiert. Es gab keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Mengen an Interferon, die in dem ausserhalb der Kapseln befindlichen Medium dieser Testproben nachgewiesen wurden. Die Interferon-Erzeugungswerte waren auch in nicht eingekapselten Vergleichskulturen gleich hoch. Die Ergebnisse dieser Versuche sind unten angegeben : Induction was carried out by exposing the cell suspension to sendai viruses (various concentrations in hemagglutination units per ml -Flow Laboratories, Md.) At 37 ° C. with stirring for 1 hour. The virus was then separated from the cells by centrifugation at room temperature and the cells were resuspended in equal volumes of MEM with 4% heat-inactivated fetal calf serum and 1.4% sodium alginate. As stated above, capsules were formed and then resuspended in serum-free and serum-containing media. There were no significant differences in the levels of interferon detected in the off-capsule medium of these test samples. The interferon production values were also the same in comparison cultures that were not encapsulated. The results of these experiments are given below:
Sendaivirus Sendai virus
Erzeugtes Interferon Generated interferon
(HA-Einheiten/ml) (HA units / ml)
(Einheiten/107-Zellen) (Units / 107 cells)
600 600
10 10th
300 300
20 20th
150 150
33 33
75 75
50 50
Beispiel 7 io Interferon-a aus Lymphoblastoiden Example 7 io Interferon-a from lymphoblastoids
Namalwa-Zellen von der American Type Culture Collection wurden sowohl in herkömmlicher Kultur als auch innerhalb von Mikrokapseln in RPMI-1640-Medium, das mit 10% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum ergänzt 15 war, gezüchtet. Teile der Zellsuspensionen wurden dann Interferon-Induktions- und -Produktionsverfahren unterworfen, wobei ein Teil eingekapselt war und der andere nicht eingekapselt war. Die Kulturen enthielten im wesentlichen die gleiche Anzahl von Zellen. 25 mg Bromdesoxyuridin in dop-20 pelt destilliertem Wasser pro ml wurden sowohl zu der eingekapselten als auch zu der nicht eingekapselten Kultur zugesetzt, um die Mitose zu hemmen. Nach 36stündigem Bebrüten bei 37 °C wurden die Zellen beider Kulturen gewaschen und dann in RPMI-1640-Medium suspendiert, das mit 2% durch 25 Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum ergänzt war. Namalwa cells from the American Type Culture Collection were grown both in conventional culture and within microcapsules in RPMI 1640 medium supplemented with 10% heat inactivated fetal calf serum 15. Portions of the cell suspensions were then subjected to interferon induction and production processes, with one portion encapsulated and the other unencapsulated. The cultures contained essentially the same number of cells. 25 mg of bromodeoxyuridine in dop-20 pelt of distilled water per ml was added to both the encapsulated and non-encapsulated cultures to inhibit mitosis. After incubation at 37 ° C for 36 hours, the cells of both cultures were washed and then suspended in RPMI-1640 medium supplemented with 2% heat-inactivated fetal calf serum.
Die eingekapselte Kultur wurde dann behandelt, um die Kapselmembranen selektiv zu zerstören. Die Kapseln wurden dreimal in physiologischer Kochsalzlösung gewaschen, bei 37 °C 10 Minuten lang in einer Lösung, die 1000 Einheiten 30 Heparin pro ml und 1,1% Calciumchlorid enthielt, bebrütet und dann wieder in Kochsalzlösung gewaschen. Die gewaschenen Kapseln wurden dann bei 37 °C 5 Minuten lang mit einer verdünnten Lösung von Natriumeitrat in physiologischer Kochsalzlösung bebrütet. Durch Rühren der Kapselsus-35 pension in diesem Zeitpunkt lösen sich die Membranen auf und setzen die Namalwa-Zellen frei. Die Zellsuspension wird dann zentrifugiert, um Rückstände zu entfernen, und mehrere Male mit Citrat/Kochsalz-Lösung gewaschen. The encapsulated culture was then treated to selectively destroy the capsule membranes. The capsules were washed three times in physiological saline, incubated at 37 ° C for 10 minutes in a solution containing 1000 units of 30 heparin per ml and 1.1% calcium chloride, and then washed again in saline. The washed capsules were then incubated at 37 ° C for 5 minutes with a dilute solution of sodium citrate in physiological saline. By stirring the capsule-35 pension at this point, the membranes dissolve and release the Namalwa cells. The cell suspension is then centrifuged to remove residues and washed several times with citrate / saline solution.
Beide Kulturen wurden dann bei einer Dichte von 4o 1,0 x 106 Zellen pro ml in frischem RPMI-1640-Kulturme-dium suspendiert, das mit 2% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum und Puffer (pH 7,4) ergänzt war. Both cultures were then suspended at a density of 4o 1.0 x 106 cells per ml in fresh RPMI 1640 culture medium supplemented with 2% heat-inactivated fetal calf serum and buffer (pH 7.4).
Dann wurde der Bankowski-Stamm des Newcastle-Disease-Virus in Fruchtwasser sowohl zu der herkömmlichen 45 Kultur als auch zu der vorher eingekapselten Kultur gegeben. Das Virus hatte eine Konzentration von 1,0 x 108 pfu/ml und wurde von den Poultry Health Laboratories, Davis, California, erworben. 1 ml des Virus wurde pro 10 ml Zellsuspension zugesetzt. Die Kulturen wurden 24 Stunden lang bei 37 ° C so bebrütet. Then the Bankowski strain of Newcastle Disease Virus in amniotic fluid was added to both the conventional culture and the previously encapsulated culture. The virus was 1.0 x 108 pfu / ml and was purchased from Poultry Health Laboratories, Davis, California. 1 ml of the virus was added per 10 ml of cell suspension. The cultures were incubated at 37 ° C for 24 hours.
Die herkömmliche Kultur wurde dann in 5 Teile (unten mit 1 bis 5 bezeichnet) geteilt, und die vorher eingekapselte Kultur wurde in 4 Teile (unten mit 6 bis 9 bezeichnet) geteilt. Jeder der 9 aliquoten Teile der Kultur wurde dann nach den 55 unten angegebenen Behandlungen auf die Produktion von Interferon untersucht, The conventional culture was then divided into 5 parts (labeled 1 to 5 below), and the previously encapsulated culture was divided into 4 parts (labeled 6 to 9 below). Each of the 9 aliquots of the culture was then tested for interferon production after the 55 treatments listed below,
1. unbehandelt; 1. untreated;
2. wieder in RPMI-1640-Medium mit 2% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum suspendiert; 2. resuspended in RPMI 1640 medium with 2% heat inactivated fetal calf serum;
60 3. wieder in serumfreiem RPMI-1640-Medium suspendiert; 60 3. resuspended in serum-free RPMI-1640 medium;
4. zusammen mit RPMI-1640-Medium und 5% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum eingekapselt; Kapseln in serumfreiem Medium suspendiert; 65 5. zusammen mit RPMI-160-Medium und 5% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum eingekapselt; Kapseln in Medium mit 2% fötalem Kälberserum suspendiert; 4. Encapsulated with RPMI 1640 medium and 5% heat inactivated fetal calf serum; Capsules suspended in serum-free medium; 5. Encapsulated with RPMI 160 medium and 5% heat inactivated fetal calf serum; Capsules suspended in medium with 2% fetal calf serum;
654 328 654 328
10 10th
6. wieder in serumfreiem Medium suspendiert; 6. suspended again in serum-free medium;
7. wieder in Medium, das 2% durch Wärme inaktiviertes fötales Kälberserum enthält, suspendiert; 7. Suspended again in medium containing 2% heat-inactivated fetal calf serum;
8. zusammen mit Medium plus 5% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum eingekapselt; Kapseln in ser- 5 umfreiem Medium suspendiert; 8. Encapsulated with medium plus 5% heat inactivated fetal calf serum; Capsules suspended in 5 um free medium;
9. zusammen mit Medium plus 5% durch Wärme inaktiviertem fötalem Kälberserum eingekapselt; Kapseln in Medium plus 2% Serum suspendiert. 9. Encapsulated with medium plus 5% heat inactivated fetal calf serum; Capsules suspended in medium plus 2% serum.
Die folgende Tabelle gibt die Menge an Zellen an, die in 10 jeder der Zellkulturen 1 bis 9 erforderlich ist, um eine Einheit Interferon-a zu erzeugen: The following table shows the amount of cells required in 10 of each of cell cultures 1 to 9 to produce one unit of interferon-a:
Zellkultur Cell culture
Menge an Zellen Amount of cells
Zellkultur Cell culture
Menge an Zellen Amount of cells
1 1
30 30th
6 6
40 40
2 2nd
45 45
7 7
40 40
3 3rd
- -
8 8th
1000, 360 1000, 360
4 4th
680 680
9 9
200, 100 200, 100
5 5
2000 2000
G G
2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
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