DE4230194A1 - Modul zur Züchtung und zur Nutzung der Stoffwechselleistung zum Erhalt von Mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul zur Züchtung und zur Nutzung der Stoffwechselleistung zum Erhalt von Mikroorganismen, insbesonders von Zellen oder Bakterien sowie ein Verfahren zum Betreiben des Mo­ duls und die Verwendung des Moduls.

Vorrichtungen für den Stoffaustausch, z. B. Bioreakto­ ren, Perfusionsgeräte oder allgemein Module, insbe­ sondere im Bereich von Leberunterstützungssystemen, sind bekannt.

In der DE-OS 38 37 226 wird ein Perfusionsgerät zum Züchten und Erhalt von Hepatozyten beschrieben. Die­ ses Perfusionsgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Kammer mit Zellkompartment und Perfusionskom­ partment, welche durch eine semipermeable Membran ge­ trennt sind, enthält. Die Hepatozyten sind dabei an den Träger im Hepatozyten-Kompartment immobilisiert.

Zusätzliche Hohlfasermembrane im Zellkompartment enthalten Galle.

Aus der US 3,734,351 ist eine Methode zur leberspezi­ fischen Behandlung von Blut und eine entsprechende Vorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen Kammer mit drei unabhängigen, übereinanderge­ schichteten Kompartments, welche durch zwei Flachmem­ braneinlagen in der Kammer gebildet werden, auf.

Das erste Kompartment enthält Blut, dessen Bestand­ teile durch die erste Membranlage hindurch in das zweite Kompartment gelangen können. Im zweiten Kompartment befinden sich Leberzellen, welche die Blutbestandteile verstoffwechseln. Eine zweite Mem­ bran teilt dieses Zellkompartment von einem dritten Kompartment, in welchem sich eine Dialysatflüssigkeit befindet. In dieses dritte Kompartment diffundieren Stoffe aus dem Zellkompartment, welche hieraus ab­ transportiert werden können.

Der Stoffaustausch zwischen den Zellen und dem Blut oder Mediumkompartment entsteht bei diesem Stand der Technik durch Diffusion. Dies wirkt sich aber nach­ teilig auf den Zellstoffwechsel und dessen Steuerbar­ keit aus. Bedingt durch die bauliche Ausgestaltung, nämlich Bauformen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß das Medium auf einer Seite einströmt und nach der Diffusion durch die Membrane wieder austritt, ergibt sich zwischen dem Mediumeinfluß und dem Mediumausfluß ein unterschiedlicher Beitrag für den Zellstoffaus­ tausch. Im Anfangsbereich findet ein erhöhter Stoff­ austausch statt, der dann im Laufe des Hindurchflie­ ßens des Mediums durch die Hohlfasermembrane abnimmt. Dies hat zur Folge, daß die Zellen einen unterschied­ lichen Beitrag bezüglich des Stoffaustausches ausge­ setzt sind. All dies führt dazu, daß kein gleichmäßi­ ger Stoffaustausch stattfindet und z. B. der Metabo­ lismus von Zellen und deren Lebensfähigkeit deutlich beeinträchtigt wird.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, deren Auf­ gabe es ist, ein Modul für den Stoffaustausch zwi­ schen Mikroorganismen, insbesondere Zellen, und einem Medium anzugeben, das es ermöglicht, daß der Stoff­ austausch und die Steuerbarkeit des Stoffaustausches verbessert werden und daß z. B. der Metabolismus und die Lebensfähigkeit von Zellen gesteigert werden.

Die Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Die Un­ teransprüche 2 bis 15 betreffen vorteilhafte Weiter­ bildungen des Moduls.

Das Verfahren zum Betreiben des Moduls ist durch den Anspruch 16 gekennzeichnet. Die Ansprüche 17 bis 27 betreffen Weiterbildungen des Verfahrens.

Die Verwendung des Moduls ist durch die Ansprüche 28 bis 31 gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird dabei unter Modul eine Stoffaus­ tauschvorrichtung in Form dreidimensionaler Körper verstanden, der aus einem Außengehäuse und einem in­ neren Bereich besteht, wobei im Inneren des Moduls ein dicht gepacktes räumliches Netzwerk angeordnet ist. Die Form des Moduls kann dabei vielgestaltig sein. Das Modul kann z. B. einen rechteckigen, quadra­ tischen oder auch n-eckigen Grundriß aufweisen. Auch kugelförmige Module sind für die erfindungsgemäße Lehre geeignet.

Erfindungswesentlich ist nun, daß mindestens drei un­ abhängige Membransysteme eingesetzt werden, wobei hier mindestens zwei unabhängige Membransystem als Hohlfasermembransysteme ausgebildet sind und daß diese Hohlfasermembransysteme im Innenbereich ein dicht gepacktes Netzwerk bilden.

Ein erstes unabhängiges Hohlfasermembransystem dient dabei für den Mediumzufluß. Ein zweites unabhängiges Hohlfasermembran ist für die Versorgung der Mikroor­ ganismen, z. B. mit Sauerstoff bzw. die Entsorgung mit CO₂, vorgesehen. Der Mediumabfluß wird durch ein drittes unabhängiges Membransystem sichergestellt.

Jedes einzelne unabhängige Hohlfasermembransystem be­ steht dabei aus einer Vielzahl einzelner Hohlfaser­ membranen, wobei jeweils die Hohlfasern eines Systems mit mindestens einem Einlaß bzw. Einlaß und einem Auslaß kommunizieren. Damit wird sichergestellt, daß die Hohlfasern eines jeweiligen unabhängigen Systems gleichzeitig durch den Einlaß z. B. mit Medium ver­ sorgt werden können.

Die unabhängigen Hohlfasermembransysteme bilden nun im Innenbereich des Moduls ein räumlich dicht gepack­ tes Netzwerk und zwar in der Weise, daß nahezu an je­ der Stelle des Netzwerkes wenige Mikroorganismen na­ hezu identische Bedingungen für die Substratversor­ gung haben. Dadurch sind die Verhältnisse in physio­ logischen Organen mit eigenen Arterien und Venen, wie z. B. der Leber, mit der Anordnung von Hepatozyten in Lobuli weitgehend simuliert. Durch die unabhängige Anordnung der verschiedenen Membransystem bietet das Modul den Vorteil eines dezentralen Transportes von z. B. Nährstoffen, Syntheseprodukten und Gasen zu- und von einer Vielzahl von Mikroorganismen unabhängig von ihrer Position im Modul, wie es in der Zellumgebung in natürlichen Organen der Fall ist.

Der Mediumausfluß wird dabei erfindungsgemäß durch das dritte unabhängige Membransystem gewährleistet. Dieses Membransystem kann nun ebenfalls eine Hohlfa­ sermembrane oder aber auch ein auswechselbare Flach­ membran oder eine auswechselbare Kapillarmembran sein. Entscheidend dabei ist, daß auch das dritte Membransystem unabhängig von den beiden anderen Hohl­ fasermembransystemen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschla­ gen, daß das dicht gepackte Netzwerk im Innenbereich durch drei unabhängige Hohlfasermembransysteme gebil­ det wird. In diesem Fall sind alle unabhängigen Mem­ bransysteme Hohlfasermembrane, die im Innenbereich angeordnet sind. Hierbei dient dann ein erstes unab­ hängiges Hohlfasermembransystem für den Mediumein­ fluß, ein zweites für den Mediumausfluß und ein drit­ tes zur zusätzlichen Versorgung z. B. mit Sauerstoff. Das dicht gepackte Netzwerk besteht dann aus diesen drei unabhängigen Systemen. Das dicht gepackte Netz­ werk kann dabei verschieden aufgebaut sein, solange nur gewährleistet ist, daß jeweils wenige Mikroorga­ nismen im Innenbereich, eine identische Substratver­ sorgung haben. Das räumliche dicht gepackte Netzwerk kann z. B. aus dicht gepackten Schichten bestehen, wo­ bei sich jeweils Schichten von unabhängigen System abwechseln. Eine erste Schicht, die aus einzelnen Hohlfasermembranen besteht, ist dabei horizontal an­ geordnet. Die zweite Schicht, die jeweils wieder aus einzelnen Hohlfasermembranen besteht, ist dabei eben­ falls in der gleichen Ebene aber gegenüber der ersten Schicht verdreht z. B. in einem Winkel von 90° ange­ ordnet. Diese Schichten wechseln sich nun ab und bil­ den zusammen eine dichte Packung. Das dritte unabhän­ gige Hohlfasermembransystem, das jeweils wiederum aus einzelnen Schichten von Hohlfasermembranen besteht, durchzieht nun diese beiden Schichten z. B. vertikal von oben nach unten und "verwebt" somit die beiden ersten unabhängigen Schichten miteinander.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, drei unabhängige Hohlfasermembransysteme in sich ab­ wechselnden Schichten so übereinander zu legen, daß sie alle in einer Ebene liegen, aber jeweils um z. B. 60° verdreht angeordnet sind.

Dieses dicht gepackte Netzwerk ist nun im Innenbe­ reich des Moduls angeordnet. Dadurch, daß jedes unab­ hängige System mit mindestens einem Einlaß bzw. einem Einlaß und einem Auslaß kommuniziert, ist nun gewähr­ leistet, daß das zuführende Medium an alle Orte im Modul gleichförmig geführt wird, ebenso wie eine gleichförmige Sauerstoffzufuhr erreicht wird. Durch das dritte unabhängige System für den Mediumabfluß kann nun auch kontinuierlich und gleichmäßig das Me­ dium aus dem gesamten Modul, an jeder Stelle, abge­ führt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den drei Hohlfaser­ membransystemen im Innenbereich ein weiteres unabhän­ giges Membransystem für den Mediumabfluß verwendet wird. Erfindungsgemäß kann dazu am Außengehäuse ent­ weder eine auswechselbare Flachmembran oder eine aus­ wechselbare Kapillarmembran angebracht werden. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist sicherge­ stellt, daß ein problemloser Abfluß des Mediums, auch über längere Zeit, erreicht werden kann.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß das dicht gepackte Netzwerk durch zwei unab­ hängige Hohlfasermembransysteme gebildet wird, wobei ein erstes für den Mediumzufluß und ein zweites unab­ hängiges Hohlfasermembransystem für die Sauerstoff­ versorgung dient, und daß als drittes unabhängiges Membransystem eine auswechselbare Kapillarmembrane, die am Außengehäuse befestigt ist, für den Mediumab­ fluß dient.

Das dicht gepackte Netzwerk im Innenbereich, das durch die zwei Hohlfasermembransysteme gebildet wird, ist dabei wieder analog den bisher schon beschriebe­ nen aufgebaut.

Eine zusätzliche Variante sieht vor, daß der Medi­ umabfluß durch eine auswechselbare Flachmembran am Außengehäuse erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung wird das Netzwerk im Innenbereich wieder durch zwei unab­ hängige Hohlfasermembransysteme gebildet.

Erfindungsgemäß werden als Hohlfasermembrane bevor­ zugt Polypropylen, Polyamid, Polysulphon oder Cellu­ lose oder Silikon verwendet. Die Auswahl der Hohlfa­ sermembrane richtet sich dabei nach den Mikroorganis­ men, die für den Stoffaustausch vorgesehen sind. Er­ findungsgemäß lassen sich aber alle gängigen Hohlfa­ sermembrane, die bereits aus dem Stand der Technik für Stoffaustauschvorrichtungen bekannt sind, anwen­ den.

Erfindungsgemäß kann bei Verwendung von drei unabhän­ gigen Hohlfasermembransystemen, die im Innenbereich ein dicht gepacktes Netzwerk bilden, ein Kapillarsy­ stem aus flüssigkeitsimpermeablen Kapillaren, wie z. B. aus Edelstahl oder Glas verwendet werden. Dieses kann dann der Temperierung des Moduls mit seinem In­ nenraum dienen. Ebenso ermöglicht es ein gleichförmi­ ges Abkühlen des Moduls mit seinem Innenraum und ein­ gebrachten Mikroorganismen unter -20°C. In einer wei­ teren erfindungsgemäßen Ausgestaltung können aber auch alle weiteren Hohlfasersysteme zur Temperierung bzw. zum Abkühlen bis unter den Gefrierpunkt verwen­ det werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird vor­ geschlagen, daß das Außengehäuse durch eine Ausguß­ masse gebildet wird, wobei jeweils immer sicherge­ stellt wird, daß ein Zugang von außen in das Volumen der Kapillare ermöglicht wird.

Das Modul weist in einer weiteren Ausgestaltung noch verschiedene Zugänge auf. Ein erster Zugang dient da­ bei dazu, um die Mikroorganismen in das Modul einzu­ füllen. Weitere Zugänge dienen zur Druck-, pH- und Temperaturmessung im Innenbereich des Moduls.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des Moduls. Erfindungsgemäß wird dabei der Innenbereich des Moduls mit Mikroorganismen gefüllt. Im Anschluß daran werden die für die Züchtung und/oder Erhalt nötigen physiologischen Bedingungen ein­ gestellt. In ein erstes unabhängiges Hohlfasermem­ bransystem wird dann das Medium zugeführt. Das Medium tritt durch die Hohlfasermembran hindurch und ver­ stoffwechselt sich mit den Mikroorganismen, die sich entweder in den Hohlräumen befinden oder an den Mem­ branen adhäriert sind. Der Stoffaustausch zwischen den Mikroorganismen und dem Medium erfolgt dabei durch Konvektion. Um dies zu gewährleisten, muß le­ diglich der Ausgang, an dem unabhängigen Hohlfaser­ membransystem, in dem das Medium zugeführt wird, ver­ schlossen werden, so daß das Medium durch die Hohlfa­ sermembrane hindurchtreten muß. Das erfindungsgemäße Modul kann aber auch im Diffusionsbetrieb betrieben werden, indem nämlich der Ausgang beim unabhängigen Hohlfasermembransystem für den Mediumfluß offengelas­ sen wird und somit nur ein Diffusionsbetrieb statt­ findet. Der besondere Vorzug der Erfindung ist aber darin zu sehen, daß durch den Konvektionsbetrieb ein optimaler und steuerbarer Stoffaustausch erfolgt, wo­ hingegen beim Stand der Technik bisher lediglich ein Stoffaustausch durch Diffusion stattfindet.

Die Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, daß die Hohlfasermembranen bzw. Kapillaren mit einem für die Zellen bzw. Mikroorganismen geeignetem Substrat zur Vermittlung der Adhäsion der Mikroorganismus an die Kapillarsysteme beschichtet werden können. Das Sub­ strat, das die Adhäsion vermittelt, enthält Bestand­ teile der sog. Biomatrix von Zellen, welche sich in den Zellzwischenräumen von Organen befinden.

Ein weiterer Vorzug der Erfindung ist, daß zusätzlich zum verwendeten Zelltyp ein oder mehrere weitere Zelltypen in Kokulturtechnik in den Innenraum einge­ bracht werden können. Diese zusätzliche Zelltypen können dabei in dem Hohlraum eines oder mehrerer un­ abhängiger Kapillarsysteme kultiviert werden. Zellen für die Kokultivierung sind z. B. Nichtparenchymzellen aus den Lebersinusoiden.

Das erfindungsgemäße Modul bietet weiterhin den Vor­ teil, daß eines der unabhängigen Membransysteme zum Abtransport z. B. von Bestandteilen der Lebergalle dienen kann.

Durch die vorgeschlagenen unabhängigen Membransysteme ist somit eine große Breite und Anwendungsmöglichkei­ ten des Moduls gegeben.

Erfindungsgemäß werden in weiteren bevorzugten Aus­ führungsformen noch Abwandlungen vorgeschlagen. So kann zur Unterstützung des Mediumabflußes noch zu­ sätzlich zu den unabhängigen Hohlfasermembransystemen auswechselbare Kapillarmembrane bzw. auswechselbare Flachmembrane vorgesehen sein. Eine bevorzugte Aus­ führungsform weist wiederum drei unabhängige Hohlfa­ sermembransysteme auf, die im Innenbereich ein dicht gepacktes Netzwerk bilden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Mikroorganismen Zellen und hier insbesondere Leberzellen sind. Besonders für Leberzellen ist das erfindungsgemäße Modul und das Verfahren anwendbar. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Moduls in einem extrakorporalen Leberunterstützungssystems konnte die Leistungsfähigkeit von Leberzellen gegen­ über dem Stand der Technik um 40% gesteigert werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus den Figurenbeschreibungen 1 bis 10. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch ein Modul mit rechteckiger Bauform,

Fig. 2 jeweils einzelne Hohlfasermembrane, entspre­ chend Fig. 1, von drei unabhängigen Membran­ systemen,

Fig. 3 unabhängige Hohlfasermembransysteme entspre­ chend Fig. 1 mit Zellkulturen,

Fig. 4 jeweils einzelne Kapillare von vier unabhän­ gigen Systemen,

Fig. 5 dreidimensionale Darstellung einer Ebene eines Moduls mit vier unabhängigen Hohlfa­ sermembransystemen, entsprechend Fig. 4,

Fig. 6 drei Möglichkeiten des Mediumausflußes aus dem Modul,

Fig. 7 alternative Anordnungen der Membranköpfe auf einer Seite des Moduls,

Fig. 8 Querschnitt eines Moduls mit Hohlfasermem­ branen und Membranköpfen mit verschieden ausgestalteten Hohlfasermembranen,

Fig. 9 verschiedene Zugänge zum Modul und

Fig. 10 exemplarische Verwendung eines Moduls als extrakorporales Unterstützungssystem.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine mögliche Ausgestaltung eines Moduls. Dieses Modul 1 weist ein dicht gepacktes Netzwerk 5 aus drei unab­ hängigen Systemen auf.

Das Modul 1 besteht aus einem Außengehäuse 2 und einem Innenbereich 4, in dem sich das dicht gepackte Netzwerk 5 befindet. Das Außengehäuse 2 besteht aus einer Dichtmasse, in die die Kapillare vergossen sind. Das Außengehäuse 2 weist dabei einen Zugang von außen in das Lumen der Kapillaren auf. Die Dichtmasse erhält die mechanische Stabilität des Moduls.

Das dicht gepackte Netzwerk 5, im Innenbereich 4 des Moduls 1, ist dabei im Beispielsfall wie folgt aufge­ baut:

Ein erstes unabhängiges Hohlfasermembransystem wird durch Schichten von Hohlfasern 3 gebildet, wobei diese ersten Schichten horizontal angeordnet sind. Jede einzelne Schicht besteht dabei aus linearen Hohlfasermembranen 3, die dicht nebeneinander ange­ ordnet sind. Das zweite unabhängige Hohlfasermem­ bransystem wird dabei ebenfalls durch Schichten ge­ bildet, die in diesem Fall in einen Winkel von 90° in derselben Ebene angeordnet sind, wobei sich die Schichten der beiden unabhängigen Systeme abwechseln. Diese Schichten sind in Fig. 1 zum Teil durch Kreise dargestellt. In einem Modul 1 sind nun diese abwech­ selnden Schichten dicht übereinander gepackt angeord­ net. In einem Versuchsmodul mit den Außenabmessungen 12×12 cm sind dabei ca. 100 Schichten übereinander angeordnet. Das dritte unabhängige Hohlfasermembran- System ist nun im Beispielsfall nach Fig. 1 durch die vertikalen Linien dargestellt. Diese Linien stellen Hohlfasermembrane dar, die nun die in einer Ebene liegenden Schichten vertikal von oben nach unten durchziehen. In dem beschriebenen Versuchsmodul sind dabei ca. 50 Schichten vorgesehen, die das Modul ver­ tikal von oben nach unten verweben. Durch diese Aus­ gestaltung des dicht gepackten Netzwerkes ist es nun gewährleistet, daß wenige Zellen, wie in Fig. 2a und 2b ersichtlich, jeweils eine identische Substratver­ sorgung haben.

Zum Betrieb des Moduls wird nun z. B. Medium durch den Mediumeinstromkopf 6 in das Lumen der Kapillare zu­ geführt. Der dem Mediumeinstromkopf 6 gegenüberlie­ gende ist geschlossen. Dieses Medium tritt nun durch die Membrane der Kapillare hindurch und es tritt ein Stoffaustausch mit den Zellen 9, die entweder in den Hohlräumen angeordnet sind und/oder an den Kapillaren adhäriert sind, ein. Die Zellen 9 werden dann während des Stoffaustausches mit Sauerstoff versorgt. Der Sauerstoff tritt dabei durch den Sauerstoffeinstrom­ kopf 13 in das Lumen der Kapillare ein und wird über den Sauerstoffaustromkopf 14 abgeführt. Im Beispiels­ fall sind die Hohlfasermembrane 3 des unabhängigen Systems, für die Sauerstoffversorgung, durch U-för­ mige Hohlfasermembrane gebildet. Der Stoffabtransport erfolgt dann über das dritte unabhängige Hohlfaser­ membransystem durch die mit Kreisen gekennzeichneten Hohlfasermembranen. Diese Hohlfasermembrane münden dann in einen Mediumausstromkopf 15, von wo aus das Medium abgeführt werden kann (nicht abgebildet).

Durch den Zugang 7 können in dem Innenbereich des Mo­ duls 1 Zellen 9 zugeführt werden. Ein weiterer Zugang 8 ist vorgesehen, um Messungen im Innenbereich des Moduls wie z. B. Druck, Temperatur oder pH vornehmen zu können.

Die gezeigte mögliche Ausgestaltung des Moduls kann beliebig variiert werden. Die Grundform des Moduls kann nicht nur rechteckig sein, sondern sie kann ge­ nauso ein N-Eck sein oder ein sonstiger beliebiger Hohlkörper, sofern der Hohlkörper es ermöglicht, daß in einem Innenbereich 4 ein dicht gepacktes Netzwerk 5 von unabhängigen Hohlfasermembransystemen unterge­ bracht werden kann. Erfindungswesentlich ist dabei immer die Ausgestaltung des dicht gepackten Netzwer­ kes 5 des Hohlfasermembransystemes. Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Möglichkeit ist es ge­ nauso möglich, einzelne Schichten dicht gepackt über­ einander anzuordnen, wobei jede einzelne Schicht aus abwechselnden unabhängigen Hohlfasermembranen ge­ bildet ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden ersten Schichten nicht im Winkel von 90°, sondern in einen Winkel α von 0 bis 180° anzuordnen. Auch für das dritte unabhängige Hohlfasermembransy­ stem bestehen beliebige Möglichkeiten, solange nur gewährleistet ist, daß eine nahezu identische Sub­ stratversorgung sowohl für Mediumzufluß, Sauerstoff­ versorgung und Mediumabfluß gewährleistet ist.

Fig. 2 zeigt jeweils einzelne Hohlfasern 3 von drei unabhängigen Hohlfasermembransystemen. Fig. 3a und b zeigen dabei eine beliebig herausgegriffene Stelle aus dem Innenbereich 4 des Moduls 1. Aus Fig. 2a und b ist der wesentliche Erfindungsgedanke erkennbar. Durch die Hohlfasermembran 3, die ein einzelnes Mem­ bran aus einem ersten unabhängigen Membransystem dar­ stellt, wird Medium zugeführt (durch Pfeile angedeu­ tet). Dieses Medium tritt durch die Membran 3 hin­ durch. Die Mikroorganismen 9, hier Zellen, befinden sich dabei in den Hohlräumen des dicht gepackten Netzwerkes 5 und/oder sind, wie in Fig. 3 gezeigt, an den Kapillaren adhäriert. Zwischen den Zellen 9 und dem Medium findet dann ein Stoffaustausch statt. Er­ findungsgemäß wird dabei durch ein weiteres unabhän­ giges Hohlfasermembransystem, hier in Fig. 2a und 2b herausgegriffen eine einzelne Hohlfasermembran 3, die Zellen z. B. mit Sauerstoff versorgt (horizontale Mem­ brane). Ein drittes unabhängiges Hohlfasermembransy­ stem, hier wiederum nur durch eine einzelne Hohlfa­ sermembran 3 dargestellt, dient zum Mediumausstrom. Nach dem Stoffaustausch des Mediums mit den Zellen wird demgemäß das Medium abgeführt.

Die in den Fig. 2a und 2b abgebildeten einzelnen Hohlfasermembranen sind Bestandteile des dicht ge­ packten Netzwerkes 5 im Inneren des Moduls 1. Das dicht gepackte Netzwerk 5 ist dabei so aufgebaut (Fig. 1, 10), daß an jeder Stelle, innerhalb des Mo­ duls 1, gleiche Bedingungen der Substratversorgung vorherrschen. An jeder Stelle des Moduls 1 werden die Zellen 9 demnach gleichmäßig versorgt und damit wird ein optimaler Stoffaustausch und eine Steuerbarkeit des Stoffaustausches gewährleistet. Aus Fig. 2b ist die Perfusion der Zellen 9 und der Mediumstrom ent­ lang der Kapillare ersichtlich. Durch diese erfin­ dungsgemäße Ausgestaltung kommt man nun den wahren Verhältnissen z. B. in der Leber sehr nahe.

Fig. 3 zeigt verschiedene Zellkulturmethoden inner­ halb des Moduls. Erfindungsgemäß können die Mikroor­ ganismen 9 auf verschiedene Weise im Modul 1 angeord­ net sind. Fig. 3a zeigt eine Adhäsionskultur an Membranen, Fig. 3b eine Aggregatkultur zwischen den Membranen, Fig. 3c Mikrokarrierkulturen zwischen den Membranen, Fig. 3d Kapselkulturen zwischen den Mem­ branen und Fig. 3e Kokulturen in separaten Membran­ kompartments. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Moduls 1, d. h. durch das dicht gepackte Netzwerk im Innenbereich des Moduls bestehend aus einzelnen Hohl­ fasermembranen, lassen sich somit verschiedene Zell­ kulturmethoden anwenden und damit eine große Anwen­ dungsbreite für die Erfindung realisieren.

Fig. 4 zeigt nun jeweils einzelne Kapillare von vier unabhängigen Systemen und wie die Kapillaren be­ schichtet sind mit Adhäsionsfaktoren. Drei Systeme liegen dabei in einer Ebene. Fig. 4 zeigt herausge­ griffen vier unabhängige Membransysteme, die jeweils Bestandteil eines gesamten Systems sind. Ein Hohlfa­ sermembransystem 3 dient dabei, wie bereits in Fig. 1 und 2 beschrieben, zum Mediumeinfluß, ein System 3 zum Mediumausfluß, ein drittes System zur Oxygenie­ rung und ein weiteres unabhängiges System 10 z. B. zur Dialyse, als Wärmeaustauscher für Tiefgefrierung von Zellen oder für Kokulturen mit weiteren Zelltypen. Die schwarzen Stellen an den Membranen 3 zeigen die Porenöffnungen (Zellen nicht abgebildet). Durch die Bereitstellung von vier verschiedenen unabhängigen Hohlfasersystemen läßt sich somit der Anwendungsbe­ reich des Erfindungsgegenstandes nochmals deutlich erweitern. Neben dem wesentlichen Vorteil der Erfin­ dung, daß eine gleiche Substratversorgung für nahezu jede Zelle innerhalb des Moduls vorliegt, ermöglicht es die Erfindung auch, durch die Beschichtung der Ka­ pillaren mit Adhäsionsfaktoren innerhalb des Moduls eine möglichst große Menge an Zellen unterzubringen, die nahezu alle eine gleiche Substratversorgung er­ fahren, und deshalb eine erhöhte Lebensdauer aufwei­ sen.

Fig. 5 zeigt nun in einer Draufsicht, in dreidimen­ sionaler Ausgestaltung, eine Ebene eines Moduls mit vier unabhängigen Hohlfasermembranensystemen, analog Fig. 4. Ein erstes unabhängiges System dient hierzu wieder zum Mediumeinstrom, ein zweites zum Mediumaus­ strom und ein drittes zur Sauerstoffversorgung. Ein viertes unabhängiges Hohlfasersystem kann zur Dialyse oder als Wärmeaustauscher für Tiefgefrierung der Zel­ len oder auch als Substratzufuhr für Kokulturen die­ nen.

Fig. 6 zeigt verschiedene Möglichkeiten des Medium­ ausflußes aus dem Modul 1. In den bisher in den Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung erfolgte der Mediumausfluß jeweils über Hohlfaser­ membrane 3. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß der Mediumausfluß nicht nur durch Hohlfaser­ membrane, die Bestandteil eines unabhängigen Hohlfa­ sermembransystems innerhalb des dicht gepackten Netz­ werkes 5 sind, erfolgt, sondern daß der Mediumausfluß noch durch verschiedene Varianten erfolgen kann. Fig. 6 zeigt dabei in einem Bild die verschiedenen Mög­ lichkeiten. Entweder erfolgt der Ausfluß über fest eingefügte Kapillarmembrane, räumlich in vorgegebener Anordnung zu den übrigen Kapillarmembranen, oder über auswechselbare Kapillarmembrane 12, ebenfalls räum­ lich unabhängig zu den übrigen Membransystemen. Die auswechselbare Kapillarmembran 12 ist dabei am Außen­ gehäuse 2 befestigt. Das Außengehäuse 2 muß dabei eine Öffnung aufweisen, die dazu geeignet ist, die auswechselbare Kapillarmembran 12 aufzunehmen.

Eine weitere Variante besteht darin, am Außengehäuse 2 ebenfalls auswechselbare Flachmembrane 11 anzuord­ nen. Hierzu muß das Außengehäuse 2 wiederum entspre­ chende Öffnungen aufweisen.

Entscheidend ist hierbei, daß die jeweiligen speziel­ len Mediumausflußvorrichtungen unabhängig zu den Hohlfasermembransystem sind. Diese verschiedenen Me­ diumausflußvorrichtungen können auch zusätzlich zu einem bereits vorhandenen Mediumausfluß über eine Hohlfaserkapillarmembran, die Bestandteil des dicht gepackten Netzwerkes ist, erfolgen.

Fig. 7 zeigt eine spezielle Anordnung von Membranköp­ fen 6, 13, 14, 15 auf einer einzigen Seite des Moduls 1. Diese Ausgestaltung der Erfindung, d. h. die Anord­ nung aller Zu- und Abflüsse an den Außenflächen des Moduls 1 auf einer einzigen Seite, hat den Vorteil, daß hierbei alle Anschlüsse zu einer Ebene geführt werden können.

Fig. 8 zeigt eine Querschnittszeichnung eines acht­ eckigen Moduls mit Kapillarmembranen und Membranköp­ fen 6, 13, 14, 15. Fig. 8 zeigt wiederum die ver­ schiedenen Möglichkeiten auf, wie die Kapillare in einer Ebene geführt werden können. So ist es möglich, die Kapillare einfach doppelläufig zu führen mit einem Kopf für Mediumein- und -ausfluß. Eine weitere Variante ist eine Kapillare einfach gerade mit einem entsprechenden Kopf für den Mediumeinfluß. Eine drit­ te Möglichkeit besteht darin, eine Kapillare einfach gerade mit totem Ende zu verwenden und einen Kopf für Mediumein- und -ausfluß. Eine vierte Möglichkeit be­ steht in einer doppelläufigen Kapillare mit Zirkula­ tion und einen Kopf für Mediumein- und -ausfluß.

Fig. 9 zeigt verschiedene Zugänge zum Innenbereich 4 des Moduls. Das Modul kann demnach verschiedene Zu­ gänge 7, 8 aufweisen, um Messungen für Druck und Temperatur sowie Fluß, pH oder Osmolarität vorzuneh­ men.

Fig. 10 zeigt nun die Verwendung eines Moduls 1 als extrakorporales Leberunterstützungssystem. Das Me­ dium, hier das Blutplasma, wird dabei über eine Blut­ pumpe 16 in dem Mediumeinstromkopf 6 des Moduls zuge­ führt. Die Sauerstoffversorgung erfolgt über den Ein­ stromkopf 13. Über den Ausstromkopf 14 wird der Sau­ erstoff wieder abgeführt (nicht abgebildet). Die Me­ diumabfuhr erfolgt über den Mediumausstromkopf 15 und entsprechende Kontroll- und Pumpeinheiten 17.

Alle Zellen im System haben durch die erfindungsge­ mäße Ausgestaltung gleiche Bedingungen der Substrat­ versorgung. Das zuführende Medium wird an alle Orte im Modul gleichförmig geführt, ebenso die Sauerstoff­ zufuhr. Durch Verwendung verschiedener ausführender Kapillare ist eine selektive Entnahme z. B. liprophi­ ler Substrate möglich.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung konnte die Lebensdauer (z. B. von Leberzellen) von 3 Tagen auf 15 Tage gesteigert werden und die Aktivität um 40% er­ höht werden.

Claims (31)

1. Modul (1) zur Züchtung und zur Nutzung der Stoffwechselleistung zum Erhalt von Mikroor­ ganismen (9), insbesonders für Zellen oder Bak­ terien, bestehend aus einem Außengehäuse (2), mindestens drei unabhängigen Membransystemen, wobei mindestens zwei unabhängige Membransysteme als Hohlfasermembrane (3) ausgebildet und im In­ nenbereich (4) des Moduls (1) angeordnet sind, und daß diese Hohlfasermembrane (3) ein dicht gepacktes räumliches Netzwerk (5) bilden und Mi­ kroorganismen (9), die sich in den Hohlräumen des Netzwerkes (5) befinden und/oder an den Hohlfasermembranen (3) adhäriert sind.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (5) aus sich kreuzenden und/oder überlagernden Hohlfa­ sermembranen (3) besteht und so aufgebaut ist, daß die Mikroorganismen (9) an jeder Stelle im Innenbereich (4) des Moduls (1) nahezu gleiche Bedingungen der Substratver- und Entsorgung ha­ ben.

3. Modul nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dicht gepackte Netzwerk (5) im Innenbereich (4) durch drei un­ abhängige Hohlfasermembransysteme gebildet wird.

4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am Außen­ gehäuse (2) eine auswechselbare Flachmembrane (11) angeordnet ist.

5. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am Außen­ gehäuse (2) eine auswechselbare Kapillarmembrane (12) angeordnet ist.

6. Modul nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dicht gepackte Netzwerk (5) durch zwei unabhängige Hohlfaser­ membransysteme gebildet wird und daß eine aus­ wechselbare Kapillarmembrane (12) am Außenge­ häuse (2) vorgesehen ist.

7. Modul nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dicht gepackte Netzwerk (5) durch zwei unabhängige Hohlfaser­ membransysteme gebildet wird und daß eine aus­ wechselbare Flachmembrane (11) am Außengehäuse (2) vorgesehen ist.

8. Modul nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Hohlfasermem­ brane Polypropylen, Polyamid; Polysulphon, Cel­ lulose oder andere permeable Membrane verwendet werden.

9. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dicht gepackte Netzwerk (5) zusätzlich ein weiteres flüssig­ keitsimpermeables unabhängiges Kapillarsystem aufweist.

10. Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kapillare (10) für das flüssigkeitsimpermeable Kapillarsystem Edelstahl, Glas, Silikon oder andere flüssig­ keitsimpermeable Materialien verwendet werden.

11. Modul nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (2) durch eine Ausgußmasse gebildet wird, wobei ein Zugang von außen in das Lumen der Kapillare oder Hohlfasermembrane ermöglicht ist.

12. Modul nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ein- und/oder Auslaß, in das Lumen der Kapillare oder Hohlfasermembrane entsprechende Ein- und/oder Auslaßköpfe (6, 13, 14, 15) vorgesehen sind, die mit den jeweiligen unabhängigen Kapillarsystemen kommunizieren.

13. Modul nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Außengehäuse (2) des Moduls ein oder mehrere Zugänge (7) vorgese­ hen sind, die in den Innenbereich (4) führen, um Mikroorganismen (9) in das Modul (1) einzufül­ len.

14. Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugänge (7) sich als perforierte Röhren in das Modul hinein fort­ setzen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Mikroorganismen (9) in den Innenbereich (4) er­ möglicht wird.

15. Modul nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zugang (8) im Außengehäuse (2) angeordnet ist, der zur Druck­ messung im Innenbereich (4) des Moduls (1) dient.

16. Verfahren zum Betreiben des Moduls nach den An­ sprüchen 1 bis 15 zum Erhalt und zur Nutzung der Stoffwechselleistung und/oder Züchtung von Mi­ kroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich (4) des Moduls (1) mit Mi­ kroorganismen (9) gefüllt und die für die Züch­ tung und/oder Erhalt nötigen Bedingungen einge­ stellt werden und daß über ein erstes unabhängi­ ges Hohlfasermembransystem Medium zugeführt und daß die Mikroorganismen (9) über ein zweites un­ abhängiges Hohlfasermembransystem zusätzlich z. B. mit Sauerstoff versorgt und von CO₂ ent­ sorgt werden und daß nach erfolgtem Stoffaus­ tausch das Medium über ein drittes unabhängiges Membransystem abgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte unabhän­ gige Membransystem für den Mediumabfluß ein Hohlfasermembransystem ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediumausfluß zusätzlich am Außengehäuse (2) des Moduls (1) über eine auswechselbare Kapillarmembrane (12) erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediumausfluß zusätzlich am Außengehäuse (2) des Moduls (1) über eine auswechselbare Flachmembrane (11) er­ folgt.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte unabhän­ gige Membransystem für den Mediumausfluß eine auswechselbare Flachmembrane (11) ist.

21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte unabhän­ gige Membransystem für den Mediumausfluß eine auswechselbare Kapillarmembrane (12) ist.

22. Verfahren nach Anspruch 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen (9) sich in den Hohlräumen des Netzwerkes (5) befinden, und/oder an den Membranen (3) adhä­ riert sind.

23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder mehrere der unabhängigen Kapillarsysteme zeitweilig für das Abkühlen des Modules (1) mit den Mikroorga­ nismen (9) verwendet werden, indem diese mit einem Kühlmedium durchströmt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (1) mit den enthaltenen Mikroorganismen (9) auf Tempe­ raturen unter -20°C abgekühlt wird, um die Mi­ kroorganismen (9) über längere Zeiträume zu la­ gern bzw. zu transportieren.

25. Verfahren nach Anspruch 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen des Mo­ duls (1) mit den enthaltenen Mikroorganismen (9) nach dem Austausch des Zellernährungsmediums mit einem geeigneten Zellgefriermedium erfolgt.

26. Verfahren nach Anspruch 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul (1) ein für die Mikroorganismen (9) physiologischer Druck, Temperatur und pH eingestellt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen Zellen, insbesondere Leberzellen, sind.

28. Verwendung eines Moduls nach den Ansprüchen 1 bis 15 als Leberunterstützungssystem.

29. Verwendung des Moduls nach den Ansprüchen 1 bis 15 als Alternativmethode zur Vermeidung von Tierversuchen.

30. Verwendung des Moduls nach den Ansprüchen 1 bis 15 als System zur Produktion von Proteinen oder weiteren Blutbestandteilen.

31. Verwendung des Moduls nach den Ansprüchen 1 bis 15 als System zur Produktion monoklonaler Anti­ körper.