用于借助气溶胶润湿试样的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于气溶胶润湿试样的设备，所述试样优选为生物试样，例如细胞试样，尤其在空气液体边界层上的细胞试样。本发明也还涉及一种用于借助气溶胶润湿试样的相应的方法。试样尤其是细胞并且优选是上皮细胞，尤其优选是肺细胞。
【背景技术】
[0002]通常必需的是，将试样、例如细胞在实验中例如为了活性物质筛选而暴露于物质并且尤其暴露于药物活性物质，或者例如为了毒性研究而暴露于有毒物质。
[0003]通常，对此执行在活体外的细胞试验。在此，在所谓浸没细胞培养条件(submerseZellkulturbedingungen)下对细胞的试样添加活性物质或毒理学活性的材料。在这种浸没细胞培养条件中，细胞完全地由细胞培养基覆盖并且测试物质、例如药物活性物质或有毒物质直接移液至细胞培养基中。
[0004]对于上皮细胞，即对本体向外限界的细胞，例如肺上皮细胞、皮肤细胞或视网膜细胞，所述情况当然是不现实的，因为本体中的上皮细胞典型地形成空气液体边界层(LFG)。也就是说，在上皮细胞的一侧上存在空气或普通的气体并且在另一侧上存在间质的组织或普通的液体。
[0005]对于在这种细胞上的研究和实验，这种细胞完全浸没到细胞培养基中是生理学上不现实的。但是同时，对这种细胞的研究或实验通常是令人感兴趣的。这尤其适用于借助于吸入式给料的材料的活性和毒性研究，例如适用于处理可气溶胶化的材料尤其纳米材料的工作场所安全的研究或吸入式治疗。
[0006]例如使用LFG的研究，以便分析承载气溶胶的物质(例如活性物质、毒素、纳米颗粒)对细胞的影响。在此，尤其对细胞的影响优先的是:所述影响存在于空气/体液接触面，即例如肺的上皮细胞、皮肤或视网膜上。在吸入式治疗中，将气溶胶化的活性物质有针对性地施加到肺上皮上，以便治疗肺病或身体组织的疾病。此外，肺也提供用于处理多种有毒的或潜在有毒的材料、即例如在工作场所处的环境精细粉尘或纳米材料的最重要的途径。
[0007]为了能够在尽可能生理学的条件下检查这种上皮细胞，研发了不同的模拟这种LFG氛围的方法。尤其借助于插入式细胞培养小室(Transwell-1nserts)也能够在标准化的微滴定板中培养在LFG上的细胞。在LFG上的上皮细胞的培养基本上是生理学上现实的进而在物质的作用方面也许比上文所描述的液体细胞培养更具效力。
[0008]因此，存在下述基本需求:为对这种LFG细胞培养的研究和试验提供适合的系统，借助于所述系统能够将材料均由地以小的层厚度(例如大约10-100 μπι)涂覆到LFG细胞培养上。这种材料典型地包括液态的气溶胶化的活性物质，但是也能够包括干的物质。尤其对于借助于部分地非常昂贵的活性物质的制药学的研究而言，气溶胶化的活性物质到LFG细胞上的均匀的分布和高的沉积效率是有利的。因为至今为止既没有设立适合的设备也没有相应的方法，将LFG细胞培养用于制药学的研究和实验现在还是相对受限制的。
[0009]已经存在一些针对借助于气溶胶化的材料铺盖在LFG上的(肺)细胞的系统。所述系统能够基于用于下述工艺要求的解决方案划分为不同的类别。一方面提出气溶胶化的物质到细胞的运输的要求(运输)和另一方面提出气溶胶到细胞上的沉积的任务(沉积)。
[0010]根据DE 102009016364A1的系统，气溶胶通过空气流运送到细胞(运输:空气流动)并且借助于扩散和/或沉降(根据气溶胶的尺寸和质量)沉着到细胞上。
[0011]此外已知的是，使用用于气溶胶运输的空气流动，其中通过静电的淀积来进行沉积。在此，首先静电地为气溶胶充电然后在电场中电泳地沉着到细胞上。
[0012]还已知的是，从相对小的距离通过直接的“喷洒(Ansprayen) ”来施加细胞。在此，通过气溶胶的产生以高的速度(例如借助于高压喷嘴或快速的载体空气流)进行运输并且通过惯性压紧进行到细胞上的沉积。这种类型的系统通常具有如下缺点:不确保气溶胶均匀地分布到细胞上或者运行在技术上是极其耗费的。
[0013]通常，已知的系统仅能用于毒理学重要的干气溶胶，然而不能用于制药学的液体气溶胶。此外，能使用的颗粒大小通常是受限制的，例如限制为小于I μπι。如用于吸入式治疗的、例如大于I μπι的较大的气溶胶通常是不可行的。
[0014]已知的系统中的多种也具有对于含水的溶液的非常小的、例如大约0.1 μ g/cm3/h或大约0.lnl/cm2/h的活性物质沉积速率(Paur等著的Journal of Aerosol Science42(2011)，第668-692页及其中表格3)，进而需要非常长的、几小时至几天的暴露时间，以便产生可测量的细胞生物学的响应(Antwort)。相应的方法和仪器是成本极其高且时间极其长的并且还使借助于仅能够培养大约7天的细胞的工作变得困难。操作以及质量控制也是耗费的。已知系统的(细胞)沉积效率(气溶胶发生器中的沉着到细胞上的投入材料的百分比份额)通常大大低于100%，例如低于1%，这有时归因于气溶胶在细胞上的小的沉积效率和在气溶胶发生器中和在输送管路中的物质损失(残留)。此外，静电的沉积系统证实为不利的，因为不可避免的充电电流能够具有对细胞响应的扭曲的影响。此外，已知的系统中的一些的缺点在于，其允许材料在细胞上的不均匀的分布或相同分布。因此，在细胞上的类似的且可复现的剂量测定是不可行的。由于不可控的条件，仅能困难地确定可靠的剂量作用关系。最后，通过惯性压紧沉着材料的解决方案是不利的，因为细胞有时承受气溶胶的高的流入速度。
[0015]对大多数已知的系统的共同之处是:借助于持续的空气流将气溶胶载入到暴露腔室中，这以相应的工艺上的耗费为前提。对于这种系统示例的是:空气液体界面细胞暴露系统(Air-Liquid-1nterface Cell Exposure System)，简称ALICE (在Lenz，A.G., E.Karg, B.Lentner, V.Dittrich, C.Brandenberger, B.Rothen-Rutishauser, H.Schulz,G.A.Ferron 和0.Schmid 著的 A dose-controlled system for air-liquid interface cell exposureand applicat1n to zinc oxide nanoparticles, Particle and Fibre Toxicology6(32)，第1-17页，2009中描述)。气溶胶云雾借助于外部的空气流从一侧运输到暴露腔室中，在那气溶胶云雾向下下落，形成漩涡并且构成烟雾，所述烟雾沉淀到细胞上进而将所述细胞用物质润湿。在暴露腔室的另一侧上又抽出排空气溶胶的空气。所述系统具有大约7%的相对小的细胞沉积效率并且要求相对大的空间(大约Im3)进而不能在无菌台的条件下运行。此外，所述系统技术上非常复杂地构成进而是在运行中是更耗费的。此外，所述系统需要空气加湿器、栗和空气流量计以产生外部的空气流以及小滴收集器，以便避免在暴露过程中的干扰。此外，雾化器侧向地设置在暴露腔室旁边并且该系统借助于外部的空气流、尤其即不以无空气流的方式运行。
[0016]无空气流运行的另一方法由F.Blank 在 Blank F，Rothen-RutishauserBM, Schurch S，Gehr P:An optimized in vitro model of the respiratory tract wallto study particle cell interact1ns.Journal of Aerosol Medicine-Deposit1nClearance and Effects in the Lung, 19 (3):第 392-405 页，2006 中介绍。在所述方法中，通过直接的喷洒来润湿试样，其中喷雾器定位在试样上方12cm处。系统产生气溶胶喷雾并且借助于惯性压紧将气溶胶沉着在试样上。沉淀作用和云雾效应未被利用或能可被利用。此外，系统是开放的(没有侧壁或盖区域)并且通过在此提供的方法实现未标记的、但是可能相对小的沉积效率。此外，这种喷洒具有在与产生的位置具有非常小的距离处之后已经不均匀的小滴分布。因此，这种方法不适合于提供物质在设置在10cm2或更大的面积之上的试样上的均匀分布。此外，不保证试样润湿的可复现性，因为所使用的雾化器(微喷雾器，Penn-Century公司，美国)手动地运行。
【发明内容】
[0017]因此本发明的第一目的是提出一种替选的且优选改进的设备或一种改进的方法。所述设备或所述方法尤其应削弱或解决上述问题。
[0018]因此，换言之，本发明的目的是，提供用于快速地、简单地、均匀地和/或可复现地将物质或气溶胶(尤其液态或固态的物质)施加到试样上、尤其到LFG细胞培养上的一种设备或一种方法。此外，所述设备或所述方法应适合于以高的沉积速率(每单位细胞覆盖面积每单位时间的气溶胶量)涂覆气溶胶。
[0019]同样本发明的目的是，有效地、可简单操作地且剂量学精确地构成所述设备或所述方法。优选地，方法本身应不引起在细胞中或在组织切片上的生物学效应。
[0020]所述目的由根据本发明的设备和根据本发明的方法实现，尤其如所附的权利要求、下面的方面和/或进一步的说明所描述。特别地，本发明涉及一种用于试样的气溶胶暴露的新型的系统(设备、方法和应用)。所述试样能够是生物学的试样，例如是细胞。所述细胞能够以单个细胞的形式、作为细胞复合物(直至器官)、组织切片和/或培养细胞，例如作为培养细胞的层(Rasen)存在。尤其，这能够是在空气液体边界层(LFG)上的细胞。但是此外，所述试样也能够是例如由金属、塑料和/或玻璃构成的材料试样。
[0021]根据第一方面，本发明包括一种用于借助于气溶胶润湿至少一个试样的设备。在此，气溶胶理解为物质与气体、例如空气的混合物。物质能够以液态或固态形式、例如作为小滴或粉尘存在。因此，换言之，气溶胶是由固态的和/或液态的悬浮小粒和气体构成的混合物。设备包括优选基本上竖直的侧壁以及底部区域。底部区域在标准使用中、尤其在重力方向观察设置在设备的下部区域中。所述底部区域优选由侧壁、尤其侧向地限界。底部区域优选为了容纳用于试样的定位的定位设备或为了与用于试样的定位的定位设备共同作用而进行匹配或具有这种定位设备。设备还包括盖区域，所述盖区域与底部区域竖直地相对置(上部)，并且所述盖区域优选由竖直的侧壁、尤其侧向地限界。盖区域优选为了容纳盖或顶或为了与盖或顶共同作用而进行匹配或具有这种盖或顶。设备形成气溶胶暴露腔室。术语暴露腔室尤其理解为通过设备限定的空间并且所述暴露腔室尤其由侧壁、底部区域和盖区域与周围环境隔开。所述暴露腔室还包括用于气溶胶生成的设备和/或构成为用于与用于气溶胶生成的设备共同作用，所述设备也称作气溶胶化设备，其优选是用于产生液态气溶胶的雾化设备。用于气溶胶生成的设备是能够根据成形和应用产生烟雾、云雾或者小滴气溶胶的设备。在此，气溶胶化设备优选设置在盖区域附近并且尤其设置在盖区域或盖中、其之上或其之下，优选在任何情况下在俯视图中都设置在侧壁之内或侧壁之间。在此，设备和/或气溶胶化设备匹配成，使得气溶胶能够沿朝底部区域的方向释放。气溶胶化设备设置在底部区域之上或能够在那里设置为，使得气溶胶设备在竖直的俯视图中至少部分地覆盖底部区域并且优选大致居中地相对于所述底部区域设置。设备优选具有适合于定位和/或固定气溶胶化设备的机构。通过根据本发明的设备能够用物质润湿试样。
[0022]定位设备尤其允许至少一个试样、尤其细胞试样并且优选上皮细胞适当地优选设置在LFG上。在此，定位设备优选板状地构成并且优选具有用于试样或试样保持件的一个或多个凹部。对于定位设备优选的实例是微量滴定板。其他实例是皮氏培养皿或载玻片。定位设备的凹部优选构成为用于容纳细胞的培养基以及定位辅助、尤其插入式细胞培养小室，借助于其辅助能够将细胞设置在LF