DE102008059731A1 - Method and device for stimulating cells - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Stimulieren von Zellen (14), mit den Schritten Anordnen der Zellen (14) mit mechanischem Kontakt zu einem Abtriebsteil (28) eines Antriebs (16) und dauerhaftem Ausüben einer Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen (14).The invention relates to a method for mechanically stimulating cells (14), comprising the steps of arranging the cells (14) in mechanical contact with an output part (28) of a drive (16) and permanently exerting a force with a predetermined course of force on the cells ( 14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stimulieren von Zellen. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Zellstimulierungsvorrichtung mit (a) einem Zellgefäß für Zellen und (b) einem Antrieb zum mechanischen Stimulieren der Zellen.The The invention relates to a method for stimulating cells. According to one In the second aspect, the invention relates to a cell stimulating device with (a) a cell vessel for cells and (b) a drive for mechanically stimulating the cells.

Um Zellen zu Umwandlungen zu bewegen, beispielsweise um aus toti-, pluri- und multipotenten Zellen tendonales und myotisches Gewebe zu züchten, ist bekannt, die Zellen chemischen und mechanischen Reizen auszusetzen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bekannte Stimulationsverfahren kaum in der Lage sind, toti-, pluri- und multipotente Zellen effektiv in tendonales und myotisches Gewebe umzuwandeln.Around Move cells to transformations, for example, to death, pluripotent and multipotent cells It is known to grow tendon and myotic tissue to expose chemical and mechanical stimuli. It has, however demonstrated that known stimulation methods are barely able to toti, pluripotent and multipotent cells effective in tendonales and to transform myotic tissue.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Stimulieren von Zellen anzugeben, mit dem toti-, pluri- und multipotente Zellen leichter in tendonales und myotisches Gewebe überführt werden können.Of the Invention is based on the object, a method for stimulating cells, with the toti, pluripotent and multipotent cells easier can be converted into tendonales and myotic tissue.

Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum Stimulieren von Zellen mit den Schritten (a) Anordnen der Zellen mit mechanischem Kontakt zu einem Abtriebsteil eines Antriebs und (b) dauerhaft Ausüben einer Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen.The Invention solves the problem by a method of stimulating cells with the Steps (a) placing the cells in mechanical contact with one another Stripping part of a drive and (b) permanently exercising one Force with a given force on the cells.

Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine gattungsgemäße Zellstimulierungsvorrichtung, bei der der Antrieb eingerichtet ist zum Ausüben einer Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf.According to one second aspect triggers the invention the problem by a generic cell stimulation device, wherein the drive is arranged to exert a force with a predetermined Force curve.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie eine Umwandlung von toti-pluri und multipotenten Zellen in tendonales und myotisches Gewebe erlaubt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine Umwandlung beispielsweise von Stammzellen in Herzmuskelzellen eine besonders gleichförmige und reproduzierbare mechanische Stimulation voraussetzt. Ändert sich die mechanische Stimulation, beispielsweise weil sich ein bei bekannten Verfahren verwendeter Elektromotor erwärmt, sich dadurch der ohmsche Widerstand der stromdurchflossenen Leiter erhöht und so die mechanische Stimulierung sich mit der Zeit ändert, so sind toti-pluri und multipotente Zellen nur schlecht in tendonales und myotisches Gewebe umwandelbar.Advantageous at the invention is that they are a transformation of toti-pluri and allows multipotent cells in tendonales and myotic tissue. It has become demonstrated that a conversion of, for example, stem cells into Myocardial cells have a particularly uniform and reproducible mechanical Stimulation requires. change The mechanical stimulation, for example, because a at heated electric motor heated, thereby the ohmic Resistance of the current-carrying conductor increases and so does the mechanical stimulation changes with time, so toti-pluri and multipotent cells are poor in tendonales and myotic tissue convertible.

Vorteilhaft ist zudem, dass das Verfahren besonders einfach ist. So kann das Ausüben der Kraft mit dem vorgegebenen Kraftverlauf mittels stromgeführter Tauchspule erfolgen. Eine derartige Vorrichtung ist besonders einfach aufgebaut. Sie hat zudem den Vorteil, dass der Kraftverlauf im Prinzip beliebig vorgebbar ist.Advantageous is also that the procedure is very simple. That's how it works exercise the force with the specified force curve by means of current-driven plunger coil respectively. Such a device is particularly simple. It also has the advantage that the force curve in principle arbitrarily specified is.

Vorteilhaft ist zudem, dass sich Änderungen der mechanischen Eigenschaften der Zellen nicht auf die Stimulierung auswirken. Bei weggeführten mechanischen Stimulierungen würde sich die Kraft ändern, wenn sich beispielsweise die Elastizität der Zellen verändert. Gerade dann, wenn sich toti-pluri und multipotente Zellen in tendonales und myotisches Gewebe umwandeln sollen, kann es aber zu Änderungen der Festigkeitseigenschaften, insbesondere des Elastizitätsmoduls, der Zellen kommen. Mit Hilfe der Erfindung ist eine zeitlich konstante mechanische Stimulierung mit dem vorgegebenen Kraftverlauf über eine lange Zeit möglich. Dadurch, dass die Kraft mit dem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen aufgebracht wird, werden also sich etwaig ändernde mechanische Eigenschaften der Zellen ausgeglichen. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die mechanischen Eigenschaften der Zellen dabei erfasst werden.Advantageous is also that changes in the mechanical properties of the cells not on the stimulation impact. When carried away mechanical stimulation would the strength change For example, if the elasticity of the cells changes. Just then, when toti-pluri and multipotent cells in tendonales and to transform myotic tissue, but it may change the strength properties, in particular the modulus of elasticity, the cells are coming. With the help of the invention is a temporally constant mechanical stimulation with the given force curve over one long time possible. Because the force with the given force curve on the Cells are applied, so are possibly changing mechanical Characteristics of the cells balanced. It is possible, but not necessary, that the mechanical properties of the cells are detected.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Anordnen der Zel len mit mechanischem Kontakt zu dem Abtriebsteil insbesondere verstanden, dass eine Zellkultur aus zusammenhängenden Zellen mit einem Ende am Abtriebsteil und mit einem anderen Ende an einem feststehenden Objekt befestigt werden. Es ist möglich, die Zellen zwischen dem Abtriebsteil und einer Wand anzuordnen, so dass eine Druckkraft auf die Zellen ausgeübt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Zellen so mit dem Abtriebsteil und einem feststehenden Objekt verbunden werden, so dass eine Zugkraft auf die Zellen aufgebracht werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, während des vorgegebenen Kraftverlaufs sowohl Zug- als auch Druckkräfte von einer oder mehreren, verschiedenen Seiten auf die Zellen aufzubringen.in the Under the present description, the arrangement of the Zel len understood with mechanical contact with the driven part in particular that a cell culture of contiguous cells with an end on the stripping section and with another end on a stationary object be attached. It is possible, to arrange the cells between the stripping section and a wall, so that a compressive force can be exerted on the cells. But it is also possible, that the cells so with the stripping section and a fixed object be connected so that a tensile force is applied to the cells can be. Of course it is also possible while the given force curve both tensile and compressive forces of a or several, different sides on the cells.

Unter dem Merkmal, dass die Kraft dauerhaft ausgeübt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass die mechanische Stimulierung länger als eine Stunde andauert. Insbesondere dauert das Ausüben der Kraft mit dem vorgegebenen Kraftverlauf länger als einen Tag an, wobei sogar vorgesehen sein kann, dass die Dauer mehr als eine Woche beträgt.Under The feature that the force is exercised permanently is particularly important understand that the mechanical stimulation lasts more than an hour. In particular, the exercise takes the force with the given force curve for more than a day, where may even be provided that the duration is more than a week.

Unter dem Merkmal, dass die Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen ausgeübt wird, wird insbesondere verstanden, dass der zeitliche Kraftverlauf in einem digitalen oder analogen Speicher hinterlegt ist und dass der Antrieb so angesteuert wird, dass die Kraft zeitlich dem Kraftverlauf folgt. Dabei ist der Kraftverlauf insbesondere periodisch in der Zeit. Im letzteren Fall wird ein Kraftverlaufs-Zyklus beständig wiederholt.Under the characteristic that the force with a given force course is exerted on the cells, is understood in particular that the temporal force curve in a digital or analog memory is deposited and that the Drive is controlled so that the force follows the force curve in time. The force curve is especially periodic in time. In the latter case, a force course cycle is constantly repeated.

Bevorzugt erfolgt das Ausüben der Kraft elektromagnetisch. Hierunter ist zu verstehen, dass ein elektrischer Strom unmittelbar in eine entlang einer Längsachse des Antriebsteils wirkenden Kraft umgesetzt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass durch das Regeln des Stroms der Kraftverlauf besonders einfach geregelt werden kann. In anderen Worten erfolgt das Ausüben der Kraft mittels eines elektromagnetischen Aktuators.Preferably, the exertion of the force takes place electromagnetically. This is to be understood as meaning that an electric current flows directly into a force acting along a longitudinal axis of the drive part is implemented. The advantage of this is that can be controlled by the rules of the flow of force particularly easily. In other words, the application of the force by means of an electromagnetic actuator.

Besonders bevorzugt umfasst das Ausüben der Kraft ein stromgeführtes Bestromen einer Magnetspule, insbesondere einer Tauchspule, wobei die Magnetspule mit einem Kern zusammenwirkt, der Teil des Abtriebsteils ist. Eine solche Vorrichtung ist leicht herzustellen, da beispielsweise ein einfacher Lautsprecher zu einer solchen Vorrichtung umgebaut werden kann.Especially Preferably, the exercise includes the Force a current-carrying Bestromen a solenoid, in particular a plunger, wherein the magnetic coil cooperates with a core, the part of the driven part is. Such a device is easy to manufacture, for example a simple speaker to be converted to such a device can.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine von den Zellen ausgeübte zeitabhängige Eigenkraft erfasst. Aufgrund der mechanischen Stimulierung durch das dauerhafte Ausüben der Kraft mit dem vorgegebenen Kraftverlauf beginnen die Zellen, zunehmend rhythmisch zu kontrahieren. Um die mechanische Stimulierung der Zellen zu optimieren, ist es vorteilhaft zu wissen, wann die Zellen mit einer Eigenbewegung beginnen und wie diese aussieht. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, diese Informationen besonders einfach zu gewinnen.According to one preferred embodiment one exerted by the cells time-dependent intrinsic force detected. Due to the mechanical stimulation by the permanent exercise the force with the given force curve, the cells start, increasingly rhythmically contract. To the mechanical stimulation To optimize the cells, it is beneficial to know when Start cells with their own movement and what it looks like. The inventive method allows to gain this information especially easy.

Besonders bevorzugt umfasst das Erfassen der Eigenkraft die Schritte eines Ermittelns desjenigen Anteils an Strom durch die Magnetspule, der zum Entstehen der Kraft auf die Zellen führt, und eines Ermittelns einer Differenz zwischen diesem Anteil und einem Soll-Strom, der an die Magnetspule angelegt werden muss, um bei nicht-aktiven Zellen die vorgegebene Kraft anzulegen. Der Anteil an Strom durch die Magnetspule, der zum Entstehen der Kraft führt, kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die Stärke des Stroms ermittelt wird, der eine Phasenverschiebung von 90° zu der Spannung hat, die über die Magnetspule abfällt. In Vorversuchen kann ermittelt werden, welcher Strom notwendig ist, damit die Magnetspule eine vorgegebene Kraft auf die Zellen ausübt. Erwärmt sich nun die Magnetspule, so ändert sich deren ohmscher Widerstand. Es muss daher an die Magnetspule eine höhere Spannung angelegt werden, um den vorgegebenen Strom fließen zu lassen. Dabei führt ein erhöhter ohmscher Widerstand der Magnetspule zu einer notwendigen Spannung, die in Phase ist mit dem notwendigen Strom. Durch Separieren der beiden Effekte können Einflüsse eines sich ändernden ohmschen Widerstands der Magnetspule herausgerechnet werden.Especially Preferably, the detection of the intrinsic force comprises the steps of Determining the portion of current through the solenoid, the Emergence of the force leads to the cells, and of a determining one Difference between this share and a target electricity paid to the Magnetic coil must be applied to the non-active cells apply predetermined force. The proportion of current through the solenoid, which leads to the emergence of the force, can for example be determined by the strength of the Current is determined, which is a phase shift of 90 ° to the voltage has that over the solenoid falls off. In preliminary tests it can be determined which electricity is necessary so that the magnetic coil exerts a predetermined force on the cells. Warms up now the solenoid, so changes their resistive resistance. It must therefore be connected to the solenoid a higher one Voltage can be applied to let the given current flow. It leads an elevated ohmscher Resistance of the solenoid to a necessary voltage in Phase is with the necessary electricity. By separating the two Effects can influences a changing one Ohmic resistance of the solenoid coil are calculated out.

Beginnen die Zellen mit eigenen Bewegungen, so führt das zu einer zusätzlichen Kraft auf das Abtriebsteil. Je nach Phasenlage dieser zusätzlichen Kraft relativ zum vorgegebenen Kraftverlauf ist ein größerer oder kleinerer elektrischer Strom notwendig, um den vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen aufzubringen. Die Differenz zwischen dem Strom, der tatsächlich notwendig ist und dem Strom, der in Vorversuchen für nicht-aktive Zellen ermittelt worden ist, entspricht derjenigen Kraft, die die Zellen aufgrund ihrer eigenen Aktivität auf das Abtriebsteil ausüben. Durch die angegebenen Verfahrensschritte kann damit die Aktivität der Zellen allein aus elektrischen Größen ermittelt werden, was besonders einfach und prozesssicher möglich ist. Aus der Differenz kann dann die Eigenkraft ermittelt werden.Kick off the cells with their own movements, this leads to an additional Force on the output part. Depending on the phase position of this additional force relative to the predetermined force curve is a larger or smaller electrical Electricity necessary to apply the given force to the cells. The difference between the current that is actually necessary and the Electricity used in preliminary tests for non-active cells has been determined corresponds to that Force the cells due to their own activity on the Exercise stripping section. By The specified process steps can thus increase the activity of the cells determined solely from electrical quantities which is particularly easy and process-reliable. From the difference, the intrinsic force can be determined.

In anderen Worten bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren in seiner allgemeinen Form, dass sich ändernde mechanische Eigenschaften der Zellen dadurch implizit bzw. intrinsisch ausgeglichen werden, dass der Kraftverlauf auf die Zellen vorgegeben wird, nicht aber beispielsweise eine Weg-Zeit-Abhängigkeit des Abtriebsteils.In In other words, the inventive method in its general Shape that changing mechanical properties of the cells thereby implicit or intrinsic be compensated, that the force distribution given to the cells is, but not, for example, a path-time dependency the stripping section.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte eines Ermittelns einer charakteristischen Größe des Eigenkraftverlaufs, insbesondere einer Schlagfrequenz der Zellen, und eines Veränderns des vorgegebenen Kraftverlaufs, insbesondere einer Frequenz und/oder einer Amplitude, in Abhängigkeit von der charakteristischen Größe. Wird beispielsweise festgestellt, dass die Zellen mit einer bestimmten Frequenz angefangen haben zu kontrahieren, so kann vorgesehen sein, dass die Frequenz des vorgegebenen Kraftverlaufs sich an diese Frequenz anpasst oder um einen vorgegebenen Wert darüber oder darunter liegt. Vorteilhaft hieran ist, dass die natürliche Umgebung der Zellen simuliert werden kann.According to one particularly preferred embodiment The method comprises the steps of determining a characteristic Size of the power curve, in particular a beat frequency of the cells, and changing the predetermined force curve, in particular a frequency and / or an amplitude, depending of the characteristic size. Becomes For example, found that the cells with a specific Frequency have begun to contract, it may be provided that the frequency of the predetermined force curve to this frequency adapts or exceeds a given value above or below. Advantageous this is the natural environment the cells can be simulated.

Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen aktiven (extrinsischen) Ausgleich der mechanischen Eigenschaften der Zellen. Dies stellt einen zweiten Regelkreis dar. Während der erste Regelkreis auf kurzen Zeitskalen sicherstellt, dass stets eine Kraft gemäß dem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen angelegt wird, regelt der zweite Regelkreis beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude des vorgegebenen Kraftverlaufs auf die momentanen Eigenschaften der Zellen.at The preferred embodiment described above is for an active (extrinsic) compensation of the mechanical properties the cells. This represents a second control loop. During the first loop on short time scales ensures that always a force according to the given Force curve is applied to the cells, controls the second loop For example, the frequency or the amplitude of the predetermined force curve on the current properties of the cells.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Bestromen so, dass der mechanische Kraftverlauf einem Herzspannungsverlauf entspricht. Beim Aufnehmen eines Elektrokardiogramms werden die elektrischen Aktivitäten der Herzmuskelfasern aufgezeichnet. Eine Kurve, die die Spannung an einem vorgegebenen Ableitungspunkt gegen die Zeit aufträgt, wird als Herzspannungsverlauf bezeichnet.According to one preferred embodiment takes place the energizing so that the mechanical force curve a cardiac voltage curve equivalent. When taking an electrocardiogram, the electrical activities recorded the cardiac muscle fibers. A curve showing the tension at a predetermined derivative point versus time referred to as cardiac stress history.

Es hat sich gezeigt, dass Stammzellen und pluripotente Zellen besonders gut in Kardiomyozyten überführt werden können, wenn der vorgegebene Kraftverlauf dem Herzspannungsverlauf entspricht. Dabei ist die Kraft, die an die Zellen angelegt wird, zur Spannung im Herzspannungsverlauf zum Beispiel proportional. So ist es möglich, zunächst ein Elektrokardiogramm bei einer Person aufzunehmen und den Antrieb dann so anzusteuern, dass er eine Kraft auf die Zellen ausübt, die ein ihrem Verlauf der gemessenen Spannung entspricht.It has been shown that stem cells and pluripotent cells can be converted into cardiomyocytes particularly well if the given force curve corresponds to the cardiac voltage curve. For example, the force applied to the cells is proportional to the voltage in the cardiac output, for example. Thus, it is possible first to record an electrocardiogram in a person and then to drive the drive so that it exerts a force on the cells, which corresponds to their course of the measured voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt daher das Bestromen so, dass die Magnetspule mit einem vorgegebenen Stromverlauf erfolgt, wobei der Stromverlauf eine Herz-Sinus-Kurve ist. Unter der Herz-Sinus-Kurve wird der Erregungsverlauf im Sinusknoten des Herzens verstanden.According to one preferred embodiment takes place therefore the energizing so that the magnetic coil with a predetermined Current course occurs, whereby the current course a heart sinus curve is. Under the heart-sinus curve, the course of the excitation in the sinus node of the heart understood.

Besonders geeignet zur Durchführung des Verfahrens sind tendonales und myotisches Gewebe oder in tendonales und myotisches Gewebeumwandelbare Zellen.Especially suitable for implementation of the method are tendonale and myotic tissue or in tendonales and myotic tissue convertible cells.

Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn eine Amplitude des Abtriebsteils weniger als 5 μm beträgt. Vorteilhaft ist zudem, wenn die Kraft kleiner bleibt als 5 mN.It It has been found that it is advantageous if an amplitude the stripping section less than 5 microns is. It is also advantageous if the force remains smaller than 5 mN.

In der erfindungsgemäßen Zellstimulierungsvorrichtung wird der Ist-Strom bevorzugt rückgekoppelt, um den Soll-Strom zu regeln. Bevorzugt umfasst die Stimulationseinrichtung eine Magnetspule mit einem Kern und eine Regelung zum stromgeführten Regeln der Magnetspule, so dass der Antrieb den vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellkontur ausübt.In the cell stimulating device according to the invention the actual current is preferably fed back, to regulate the target current. The stimulation device preferably comprises a magnetic coil with a core and a regulation for current-controlled the solenoid, so that the drive the predetermined force curve on the cell contour.

Bevorzugt ist die Regelung eingerichtet zum Bestromen der Magnetspule mit einem vorgegebenen Stromverlauf, der dem Herzströmungsverlauf entspricht. Dazu kann die Regelung einen digitalen oder analogen Speicher umfassen, aus dem der vorgegebene Kraftverlauf ausgelesen wird.Prefers is the scheme set up to energize the solenoid with a predetermined current waveform corresponding to the cardiac flow history. To the controller may include a digital or analog memory, from which the given force curve is read out.

Wenn von toti-, pluri- und multipotenten Zellen gesprochen wird, so werden darunter auch Stammzellen verstanden. Unter tendonalem und myotischem Gewebe werden insbesondere Kardiomyozyten verstanden.If to speak of total, pluripotent and multipotent cells including stem cells understood. Under tendonal and myotic Tissues are understood in particular cardiomyocytes.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtin the Below, the invention will be described with reference to an exemplary embodiment explained in more detail. there shows

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zellstimulierungsvorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 a schematic view of a cell stimulating device according to the invention for carrying out a method according to the invention.

1 zeigt eine Zellstimulierungsvorrichtung 10, die ein Zellgefäß 12 für Zellen 14.1, 14.2, ... und einen Antrieb 16 zum mechanischen Stimulieren der Zellen 14 umfasst. Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen im Folgenden das Objekt als solches. 1 shows a cell stimulating device 10 containing a cell vessel 12 for cells 14.1 . 14.2 , ... and a drive 16 for mechanically stimulating the cells 14 includes. Reference numerals without counting suffix hereinafter refer to the object as such.

Das Zellgefäß 12 umfasst eine Nährstoffversorgung 18 in Form einer Perfusionsvorrichtung, mit der die Zellen 14 mit den für sie notwendigen Nährstoffen versorgt werden. Die Zellen 14 bilden einen Zellverband 20, der an einem ersten Ende 22 an einem Befestigungselement 24 befestigt ist. Mit seinem dem ersten Ende 22 entgegengesetzten Ende 26 ist der Zellverband 20 an einem Abtriebsteil 28 des Antriebs 16 befestigt.The cell vessel 12 includes a nutrient supply 18 in the form of a perfusion device, with which the cells 14 be supplied with the nutrients necessary for them. The cells 14 form a cell structure 20 who is at a first end 22 on a fastener 24 is attached. With his first end 22 opposite end 26 is the cell structure 20 on a stripping section 28 of the drive 16 attached.

Das Abtriebsteil 28 ist Teil einer Tauchspule 30, die mit einem Magneten 32 des Antriebs 16 zusammenwirkt. Wird die Tauchspule 30 über Zuleitungen 34.1, 34.2 mit einer von der Zeit t abhängigen Spannung u(t) beaufschlagt, so bewegt sich die Tauchspule 30 relativ zum Magneten 32 und übt dadurch eine Kraft F(t) auf den Zellverband 20 aus.The output part 28 is part of a diving coil 30 that with a magnet 32 of the drive 16 interacts. Will the plunger coil 30 via supply lines 34.1 . 34.2 subjected to a voltage u (t) dependent on the time t, the moving coil moves 30 relative to the magnet 32 and thereby exerts a force F (t) on the cell structure 20 out.

1 zeigt zudem eine Regelung 36, die einen nicht eingezeichneten Operationsverstärker umfasst und Teil des Antriebs 16 ist. Der Operationsverstärker ist so geschaltet, dass die Tauchspule 30 mit einem zeitlich vorgegebenen Stromverlauf i(t) bestromt werden kann, so dass der Kraftverlauf F(t) entsteht. 1 also shows a regulation 36 , which includes an operational amplifier (not shown) and part of the drive 16 is. The operational amplifier is switched so that the plunger coil 30 can be supplied with a timed current waveform i (t), so that the force curve F (t) is formed.

Die Steuerung 36 umfasst einen digitalen oder analogen Speicher 38, in dem ein Herzspannungsverlauf 40 hinterlegt ist. Über eine Bedienvorrichtung 42 kann die Regelung eingestellt werden. Beispielsweise kann statt des Herzspannungsverlaufs 40 eine beliebige Kurve u(t) vorgegeben werden, gemäß der der zeitliche Strom i(t) von der Regelung 36 dann ausgeregelt wird. Insbesondere lassen sich über die Bedienvorrichtung 42 ein Offset- und ein Proportionalitätsfaktor einstellen, die eine Vorspannung auf den Zellverband 20 und eine Amplitude der Kraft F definieren.The control 36 includes a digital or analog memory 38 , in which a cardiac voltage curve 40 is deposited. About a control device 42 the regulation can be adjusted. For example, instead of the cardiac voltage waveform 40 an arbitrary curve u (t) can be specified, according to which the temporal current i (t) from the regulation 36 then it is corrected. In particular, can be over the operating device 42 set an offset and a proportionality factor, which gives a bias to the cell structure 20 and define an amplitude of the force F.

Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens liest die Regelung 36 aus dem digitalen Speicher 38 den vorgegebenen Verlauf für die anzulegende Kraft F(t) aus. Dadurch bestromt die Regelung 36 die Tauchspule 30 mit einem zeitlich veränderlichen Strom i(t), so dass am Abtriebsteil 28 die gewünschte Kraft F(t) anliegt.To carry out the method according to the invention reads the scheme 36 from the digital memory 38 the given course for the force to be applied F (t). This energises the regulation 36 the plunger coil 30 with a time-variable current i (t), so that the output part 28 the desired force F (t) is applied.

Die Zellen 14 sind Stammzellen oder pluripotente Zellen, die sich in Kardiomyozyten umwandeln können. Die Zellen 14 werden nun gemäß dem Herzspannungsverlauf 40 mechanisch stimuliert und erhalten zudem über die Nährstoffversorgung 18 chemische Botenstoffe, die sie zur Umwandlung in Kardiomyozyten veranlassen. Auf diese Weise wird Herzmuskelgewebe erhalten.The cells 14 are stem cells or pluripotent cells that can transform into cardiomyocytes. The cells 14 will now be according to the cardiac voltage history 40 mechanically stimulated and also get on the nutrient supply 18 chemical messengers that cause them to transform into cardiomyocytes. In this way cardiac muscle tissue is obtained.

Ändert sich aufgrund von Erwärmung beispielsweise ein ohmscher Widerstand der Tauchspule 30, so muss eine höhere Spannung u(t) von der Regelung 36 angelegt werden, damit der gleiche Strom i(t) erreicht wird. Da bei einem ohmschen Widerstand keine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom auftritt, kann der Einfluss eines sich ändernden ohmschen Widerstands einfach von der Regelung 36 herausgerechnet werden. Auf diese Weise ist stets bekannt, wie groß derjenige Strom ist, der in der Tauchspule 30 dafür sorgt, dass die Kraft F(t) entsteht.Changes due to heating, for example, an ohmic resistance of the plunger coil 30 , so must a higher voltage u (t) from the scheme 36 be created so that the same Current i (t) is reached. Since there is no phase shift between the voltage and the current in the case of an ohmic resistance, the influence of a changing ohmic resistance can easily be determined by the regulation 36 be calculated out. In this way, it is always known how large the current is that in the plunger coil 30 ensures that the force F (t) arises.

Beginnen die Zellen 14 aufgrund der mechanischen Stimulierung autonom zu kontrahieren, so entsteht eine Eigenkraft FZ(t), die ebenfalls am Abtriebsteil 28 angreift. Diese zusätzliche Eigenkraft FZ(t) führt zu korrespondierenden Änderungen im Strom i(t), die von der Regelung 36 erfasst werden. Es ist damit möglich, anhand des Stroms i(t) den Eigenkraftverlauf FZ(t) aus i(t) zu ermitteln.Begin the cells 14 due to the mechanical stimulation to contract autonomously, so an inherent force F Z (t), which also at the output part 28 attacks. This additional intrinsic force F Z (t) leads to corresponding changes in the current i (t) resulting from the control 36 be recorded. It is thus possible, based on the current i (t), to determine the inherent force profile F Z (t) from i (t).

Die Regelung 36 ermittelt auf diese Weise den Eigenkraftverlauf FZ(t) und berechnet daraus mindestens eine charakteristische Größe, wie beispielsweise die Amplitude und die Frequenz. In Abhängigkeit von dem so ermittelten Ergebnis wird der vorgegebene Kraftverlauf F(t) geändert. Die Eigenkraft FZ(t) wird zudem im digitalen Speicher 38 abgelegt.The regulation 36 determined in this way the inherent force curve F Z (t) and calculated from at least one characteristic variable, such as the amplitude and the frequency. Depending on the result thus determined, the predetermined force curve F (t) is changed. The intrinsic force F Z (t) is also stored in digital memory 38 stored.

1010
ZellstimulierungsvorrichtungCell stimulation device
1212
Zellgefäßcell vessel
1414
Zellecell
1616
Antriebdrive
1818
Nährstoffversorgungnutrients
2020
Zellverbandcell structure
2222
erstes Endefirst The End
2424
Befestigungselementfastener
2626
zweites Endesecond The End
2828
Abtriebsteilstripping section
3030
Tauchspulemoving coil
3232
Magnetmagnet
3434
Kabelelectric wire
3636
Regelungregulation
3838
digitaler Speicherdigital Storage
4040
HerzspannungsverlaufHeart voltage curve
4242
Bedienvorrichtungoperating device
uu
Spannungtension
ii
Stromelectricity
FF
Kraftforce
tt
ZeitTime

Claims (16)

Verfahren zum mechanischen Stimulieren von Zellen (14), mit den Schritten (a) Anordnen der Zellen (14) mit mechanischem Kontakt zu einem Abtriebsteil (28) eines Antriebs (16) und (b) dauerhaftem Ausüben einer Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellen (14).Method for mechanically stimulating cells ( 14 ), with the steps (a) arranging the cells ( 14 ) with mechanical contact to a driven part ( 28 ) of a drive ( 16 ) and (b) permanently exerting a force with a given course of force on the cells ( 14 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausüben der Kraft elektromagnetisch erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that exercising the force is electromagnetically. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausüben der Kraft den folgenden Schritt umfasst: – stromgeführtes Bestromen einer Magnetspule (30), – wobei die Magnetspule (30) mit einem Kern zusammenwirkt und der Kern oder die Magnetspule (30) Teil des Abtriebsteils (28) ist.A method according to claim 2, characterized in that the application of the force comprises the following step: - energized energizing a magnetic coil ( 30 ), - wherein the magnetic coil ( 30 ) cooperates with a core and the core or the magnetic coil ( 30 ) Part of the stripping section ( 28 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Kraftverlauf periodisch ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the predetermined force curve is periodic. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: – Erfassen einer von den Zellen (14) ausgeübten Eigenkraft (FZ).Method according to one of the preceding claims, characterized by the step: - detecting one of the cells ( 14 ) applied inherent force (F Z ). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Eigenkraft (FZ) die folgenden Schritte umfasst: – Ermitteln desjenigen Anteils am Strom durch die Magnetspule (30), der zum Entstehen der Kraft (F) auf die Zellen (14) führt, und – Ermitteln einer Differenz zwischen diesem Anteil und einem Soll-Strom, der an die Magnetspule (30) angelegt werden muss, um bei nicht-aktiven Zellen die vorgegebene Kraft anzulegen.A method according to claim 5, characterized in that the detection of the intrinsic force (F Z ) comprises the following steps: - determining that portion of the current through the magnetic coil ( 30 ), which causes the generation of force (F) on the cells ( 14 ), and - determining a difference between this proportion and a desired current which is applied to the magnetic coil ( 30 ) must be created in order to create the specified force for non-active cells. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ermitteln einer charakteristischen Größe des Eigenkraftverlaufs, insbesondere einer Schlagfrequenz der Zeilen (14), und – Verändern des vorgegebenen Kraftverlaufs, insbesondere einer Frequenz und/oder einer Amplitude, in Abhängigkeit von der charakteristischen Größe.Method according to Claim 6, characterized by the steps of: determining a characteristic quantity of the inherent force curve, in particular a beat frequency of the lines ( 14 ), and - changing the predetermined force curve, in particular a frequency and / or an amplitude, as a function of the characteristic variable. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftverlauf einem Herzspannungsverlauf (40) entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the force curve corresponds to a cardiac voltage curve ( 40 ) corresponds. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bestromen so erfolgt, dass die Magnetspule (30) mit einem vorgegebenem Stromverlauf erfolgt und – dass der Stromverlauf eine Herz-Sinus-Kurve ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the energizing takes place so that the magnetic coil ( 30 ) takes place with a predetermined current profile and - that the current waveform is a heart-sinusoidal curve. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (14) toti-, pluri- und/oder multipotente Zellen, insbesondere Kardiomyozyten oder in Kardiomyozyten umwandelbare Zellen (14) sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cells ( 14 ) total, pluriparous and / or multipotent cells, in particular cardiomyocytes or cells convertible into cardiomyocytes ( 14 ) are. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude des Abtriebsteils (28) weniger als 5 μm beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an ampli tude of the stripping section ( 28 ) is less than 5 microns. Zellstimulierungsvorrichtung mit (a) einem Zellgefäß für Zellen (14) und (b) einem Antrieb (16) zum mechanischen Stimulieren der Zellen (14), dadurch gekennzeichnet, dass (c) der Antrieb (16) eingerichtet ist zum Ausüben einer Kraft mit einem vorgegebenen Kraftverlauf.Cell stimulation device comprising (a) a cell vessel for cells ( 14 ) and (b) a drive ( 16 ) for mechanically stimulating the cells ( 14 ), characterized in that (c) the drive ( 16 ) is arranged to exert a force with a predetermined force curve. Zellstimulierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb – eine Magnetspule (30) und – eine Regelung zum stromgeführten Regeln der Magnetspule (30), so dass der Antrieb (16) den vorgegebenen Kraftverlauf auf die Zellkultur ausübt, aufweist.Cell stimulation device according to claim 12, characterized in that the drive - a magnetic coil ( 30 ) and - a regulation for the current-controlled control of the magnetic coil ( 30 ), so that the drive ( 16 ) has the predetermined force curve on the cell culture, has. Zellstimulierungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist zum Bestromen der Magnetspule (30) mit einem vorgegebenem Stromverlauf, der einem Herzspannungsverlauf (40) entspricht.Cell stimulation device according to claim 12 or 13, characterized in that the control is adapted to energize the magnetic coil ( 30 ) with a predetermined current waveform corresponding to a cardiac voltage waveform ( 40 ) corresponds. Zellstimulierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist zum – Ermitteln desjenigen Anteils am Strom durch die Magnetspule (30), der eine Phasenverschiebung von 90° zu der Spannung hat, die über die Magnetspule (30) abfällt, und – Ermitteln einer Differenz zwischen diesem Anteils und einem Soll-Strom, der an die Magnetspule (30) angelegt werden muss, um bei nicht-aktiven Zellen die vorgegebene Kraft anzulegen.Cell stimulation device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the control is set up for - determining that portion of the current through the magnetic coil ( 30 ), which has a phase shift of 90 ° to the voltage which is applied via the magnetic coil ( 30 ), and - determining a difference between this proportion and a desired current which is applied to the magnetic coil ( 30 ) must be created in order to create the specified force for non-active cells. Zellstimulierungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist zum – Ermitteln einer Schlagfrequenz der Zellen (14) und – Verändern einer Frequenz und/oder einer Amplitude des vorgegebenen Kraftverlaufs in Abhängigkeit von der Schlagfrequenz.Cell stimulation device according to claim 15, characterized in that the control is set up for - determining a beat frequency of the cells ( 14 ) and - changing a frequency and / or an amplitude of the predetermined force curve as a function of the beat frequency.
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