DE3038255A1 - Examining biological effects on foodstuffs of seeds - by measuring intensity of ultra-weak photon radiation in vitro - Google Patents

Examining biological effects on foodstuffs of seeds - by measuring intensity of ultra-weak photon radiation in vitro

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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light

Abstract

A measurement of the spontaneous or stimulated emission of ultra-weak photon radiation is used as an in vitro parameter of a cell lot. The parameter is used to detect possible cell-damaging or regenerating effects or to act as a quality control. The measured quantity is either the photon intensity or a photon statistic e.g. the distribution of numbers of photons emitted in a measuring interval. The ultra-weak radiation is typically in the infra red band and has an energy very much less than that of thermal radiation. Typically the radiation is 10 power (-10) less than thermal radiation. The radiation is detected by a photo multiplier with a gain of over 10 power 6. The method may be used to determine whether a cell lot is in a healthy state. Alternatively it can be used to determine the effect of an agent on the cells. The method is partic. suitable for quality control in foodstuffs.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Method and device for testing

biologischen wirkungen physikalischer und/ oder chemischer Agenzien. biological effects of physical and / or chemical agents.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von biologischen Wirkungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive, durch Bestimmung der ultraschwachen Photonenemission, insbesondere wm Ultrarot- bis Ultraviolett- Spektralbereich, wobei die Photonenhäufigkeit und deren zeitlicher Verlauf (Photonenstatistik) als Meßgröße bestimmt wird, vorzugsweise zur in vitro Prüfung von Substanzen auf mögliche zellschädigende bzw. zellregenerierende Wirkungen.The invention relates to a method for testing biological Effects of physical and / or chemical agents on cell collectives Determination of the ultra-weak photon emission, especially wm ultrared to ultraviolet Spectral range, where the photon frequency and its time Course (photon statistics) is determined as a measurable variable, preferably for in vitro Testing of substances for possible cell-damaging or cell-regenerating effects.

Die bisher bekannten Verfahren zur Prüfung der Wirkungen von physikalischen oder chemischen Agenzien beruhen entweder darauf, daß Zellkollektive in einem in vitro Test oder in natürlich vorkommenden Organismen, z.B. an Pflanzen oder Versuchstieren im in vivo Test, unter definierten Bedingungen, dem zu prüfenden Agens ausgesetzt werden. Unter Berücksichtigung der statistischen Verteilung werden Dosis- Effekt- Kurven ermittelt, die die Abhängigkeit zwischen der Dosis des verabreichten Agens und dem Parameter des untersuchten Objekts, wie z.B. der Mutationsrate oder der Zahl koloniebildungsfähiger Zellen bei Kulturen, dem Blutdruck, der Pulsfrequenz oder der Überlebenszahl von Versuchstieren aufzeigen. Aufgrund der statistisch bewerteten Meßergebnisse lassen sich Schlüsse hinsichtlich zellschädigender oder zellregenerierender Wirkungen bestimmter Agenzien, wie Strahlung, chemischer Stoffe oder dgl. ziehen.The previously known method for testing the effects of physical or chemical agents are based either on the fact that cell collectives in an in vitro test or in naturally occurring organisms, e.g. on plants or test animals exposed to the agent to be tested in an in vivo test under defined conditions will. Taking into account the statistical distribution, dose-effect- Curves determined showing the dependence between the dose of the administered agent and the parameter of the examined object, such as the mutation rate or the Number of cells capable of colony formation in cultures, blood pressure, pulse rate or show the survival number of laboratory animals. Based on the statistically assessed Measurement results can be used to draw conclusions about cell-damaging or cell-regenerating Effects of certain agents, such as radiation, chemical substances or the like. Drag.

Die Durchführung derartiger Tests erfordert wegen der großen biologischen Streuungsbreite einen erheblichen Aufwand. Die Zulässigkeit der Anwendung dieser Testuntersuchungen ist dabei von Fall zu Fall unterschiedlich theoretisch fundiert und gerechtfertigt. Letztlich entscheidet der vorher nicht mit Sicherheit vorhersehbare Erfolg der Maßnahmen, die aus solchen Untersuchungen abgeleitet werden, über die Zuverlässigkeit der Methode im Einzelfall.Carrying out such tests requires because of the large biological Spread a considerable effort. The admissibility of the application of this Test examinations are theoretically based differently from case to case and justified. Ultimately, the one that cannot be foreseen with certainty beforehand decides Success of the measures that are derived from such studies on the Reliability of the method in each individual case.

Die Erfindung gebt von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren zur Prüfung von biologischen Wir-Kungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive zu schaffen. Der Begriff "Agenzien" soll dabei sowohl Strahlungen bzw. Schwingungen in allen Frequenzbereichen, als auch anorganische und organische chemische Stoffe bzw. Stoffgemische und Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen einschlie3en.The invention is based on the object of a method for Testing of biological effects of physical and / or chemical agents to create cell collectives. The term "agents" is intended to include both radiations or vibrations in all frequency ranges, as well as inorganic and organic chemical substances or mixtures of substances and substances in various aggregate states include.

Das Kennzeichnende der windung ist darin zu sehen, daß die ultraschwache Photonenemission und die Photonenstatistik des gesunden bzw. des sterbenden Zellkollektivs ohne das Agens ermittelt wird, daß die Photonenemission nach Einwirkung des Agens als nhotonenstatistik ermittelt wird, und daß die Beurteilung des Agens hinsichtlich seines schädigenden oder regenerierenden Einflusses danach erfolgt, ob sich die PLlotonenemission im Sinne eines gesunden Zellkollektivs oder eines erkrankten bzw. sterbenden Zellkollelctivs ändert.The distinctive feature of the twist is that it is ultra-weak Photon emission and the photon statistics of the healthy or dying cell collective without the agent it is determined that the photon emission after exposure to the agent is determined as photon statistics, and that the assessment of the agent with regard to his damaging or regenerative influence takes place according to whether the PLlotonenemission in the sense of a healthy cell collective or a diseased or dying cell collective changes.

Aus der Veröffentlichung "Elektromagnetic Bio-Information" von F.A. Popp, G. Becker, E.L. König; W. Peschka, Edts., Urban & Schwarzenberg, München-Baltimore 1979 ist es bekannt, daß biologische Systeme, insbesondere lebende Zellen, eine ultraschwache Lichtstrahlung emittieren, die von verschiedenen Umgebungseinflüssen abhängt.From the publication "Elektromagnetic Bio-Information" by F.A. Popp, G. Becker, E.L. King; W. Peschka, Edts., Urban & Schwarzenberg, Munich-Baltimore 1979 it is known that biological systems, especially living cells, a Emit ultra-weak light radiation from various environmental factors depends.

Das Vorhandensein einer solchen ultraschwachen Photonenemission wird bei dem vorliegenden Meßverfahren als Grundlage vorausgesetzt, welches die Wirkung von Agenzien aus ihrem Einfluß auf die Photonenemission biologischer Systeme ableitet und mit dem Verhalten ungestörter Systeme bzw. absterbender Systeme vergleicht.The presence of such an ultra-weak photon emission will in the case of the present measurement method, presupposed as a basis, which the effect of agents from their influence on the photon emission of biological systems and compares it with the behavior of undisturbed systems or dying systems.

Im Prinzip kann diese Prüfung mit jeder Form eines Zellkollektivs, insbesondere mit einer Zellkultur, aber auch mit einer Testpflanze oder mit einem Versuchstier ausgeführt werden. Da die ultraschwache Photonenstrahlung durch den Einfluß der Prüfsubstan- zen charakteristisch verändert wird, lassen sich aus den Messungen vor und während der Einwirkung der Prüfsubstanz u.U. wertvolle Schlüsse auf den Wirkungsmechanismus und die generelle Wirksamkeit der- Agenzien ziehen. Anstelle der bisher üblichen Dosis- Effekt- Kurven treten Diagramme, in denen gegebenenfalls vorteilhaft der spektral unterteilte zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Strahlung, sowie charakteristische Parameter der Photonenstatistik wie z.B. faktorielle Momente, Kumulanten etc. in Abhängigkeit von der Dosis der verabreichten Substanz bzw. der Stärke des applizierten physikalischen Agens,z,B. einer Wärmestrahlung, dargestellt werden. Die so erhaltenen Diagramme werden nach Intensität und nach den verschiedenen möglichen Kohärenzmaßen der Photonenstatistik (vgl.In principle, this test can be carried out with any form of a collective of cells, especially with a cell culture, but also with a test plant or with one Experimental animal are run. Since the ultra-weak photon radiation through the Influence of the test substance zen is characteristically changed The measurements before and during the action of the test substance may be valuable Conclusions on the mechanism of action and the general effectiveness of the agents draw. Instead of the usual dose-effect curves, there are diagrams in to which, if necessary, the spectrally subdivided intensity curve over time is advantageous of the emitted radiation, as well as characteristic parameters of the photon statistics such as factorial moments, cumulants etc. depending on the dose of administered substance or the strength of the applied physical agent, z, B. a thermal radiation. The diagrams obtained in this way are according to Intensity and according to the various possible coherence measures of the photon statistics (see.

R.J. Glauber, Quantum Optics, Academic Press NY London, 1969) ausgewertet. Diese Methode kann gegeijenenfalls zweckmäßig modifiziert werden durch definierten Einsatz weiterer äußerer Einwirkungen, z.B. zusätzlicher Lichteinstrahlung bestimmter Wellenlänge oder durch die zusätzliche Einwirkung von entsprechenden elektrischen und/oder magnetischen Feldern.R.J. Glauber, Quantum Optics, Academic Press NY London, 1969). If necessary, this method can be appropriately modified by defining it Use of other external influences, e.g. additional light irradiation from certain Wavelength or by the additional action of appropriate electrical and / or magnetic fields.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann so aufgebaut sein, daß ein für die ultraschwache Photonenstrahlung durclässiges Probengefäß vorgesehen ist, an dessen Austrittsfläche der Strahlung sich ein Photonensensor befindet, welcher eine wesentliche Nachweisempfindlich;eu. für Photonenstrailung zwischen 10 000 nm und 200 nm aufweist, und daß die Ausgangsgröße des Sensors durch einen Meßverstärker verstärkt wird, der mit einem schreibenden und/oder anzeigenden Meßgerät in Verbindung steht.An advantageous device for performing the method can be structured in such a way that one for the ultra-weak photon radiation permeable sample vessel is provided, at the exit surface of which the radiation there is a photon sensor which is significantly sensitive to detection; eu. for photon distribution between 10,000 nm and 200 nm, and that the output variable of the sensor is amplified by a measuring amplifier with a writing and / or indicating measuring device.

Im einzelnen haben sich z.B. Alkalimetalle und einige aus mehreren Elementen zusammengesetzte Stoffe, wie Na, K, Cs, Sb, ... als geeignete Nachweissubstanzen erwiesen. Bei dem Meßverstärker wird zweckmäßig eine an sich bekannte Ausführung, beispielsweise in der Form eines Photomultipliers mit einem Verstarkungsfaktor V>106 verwendet.In particular, for example, alkali metals and some of several Substances composed of elements, such as Na, K, Cs, Sb, ... as suitable detection substances proven. In the case of the measuring amplifier, a design known per se is expediently used, for example in the form of a photomultiplier with a gain factor V> 106 used.

Nachfolgend sollen zwei Ausführungsbeispiele des neuen Prüfverfahrens beschrieben werden.The following are two exemplary embodiments of the new test method to be discribed.

Ausführungsbeispiel I Bei karzinogenen Stoffen wird nach dem bekannten Stande der Technik unterstellt, daß Funktionen angesprochen werden, die nicht unbedingt von der Art des untersuchten biologischen Systems abhängig sind.Embodiment I In the case of carcinogenic substances, according to the known The state of the art assumes that functions are addressed that are not necessarily depend on the type of biological system studied.

Im allgemeinen ist die Karzinogenität eines Stoffes molekülspezifisch und damit nicht von der Art des betroffenen biologischen Systems abhängig. Die gleiche Betrachtung gilt auch für die Nutagenität.In general, the carcinogenicity of a substance is molecule-specific and therefore not dependent on the type of biological system involved. The same Consideration also applies to nutagenicity.

Zwischen tierischen und pflanzlichen Tumoren bestehen zunächst keine faßbaren prinzipiellen Unterschiede.Initially, there are no between animal and plant tumors tangible differences in principle.

Zur Prüfung der Karzinogenität einer Substanz genügt es deshalb im allgemeinen auf ein Zellkollektiv in Form einer Testpflanze zurückzugreifen, die eine besonderes ausgeprägte und gut meßbare Photonenemission aufweist. Dies gilt beispielsweise für Gurkenkeime.It is therefore sufficient to test the carcinogenicity of a substance generally to fall back on a collective of cells in the form of a test plant, the has a particularly pronounced and easily measurable photon emission. this applies for example for cucumber sprouts.

Unter vergleichbaren Bedingungen werden die Keime einerseits mit bekannten, nicht karzinogenen Substanzen, ähnlicher molekularer Konfiguration, und andererseits mit der Prüfsubstanz, deren Karzinogenität zu testen ist, behandelt. In beiden Fällen wird die Gesamtintensität der ultraschwachen Photonenstrahlung in bestimmter Spektralverteilung untersucht.Under comparable conditions, the germs are on the one hand with known, non-carcinogenic substances, of similar molecular configuration, and on the other hand treated with the test substance whose carcinogenicity is to be tested. In both cases becomes the total intensity of the ultra-weak photon radiation in a certain spectral distribution examined.

Ändert sich die Photonenstatistik p(nT), die angibt, mit welcher Häufigkeit n Photonen (n = 1, 2, 3 ..) in einem vorgegebenen eßzeitintervall T emittiert werden, bei der Prubstanz weniger stark in Richtung zunehmender Inkohärenz der Strahlung im biologischen System, als bei der nicht karzinogenen Vergleichssubstanz, dann kann durch Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Photonenstatistik auf nicht karzinogene Eigenschaften der Prüfsubstanz geschlossen werden. Umgekehrt muß bei genau festlegbaren Tnkohärenzkriterien mit der karzinogenen Wirkung der Prüfsubstanz gerechnet werden.If the photon statistics p (nT) change, which indicates the frequency with which n photons (n = 1, 2, 3 ..) are emitted in a given eating time interval T, in the case of the pr substance less strongly in the direction of increasing incoherence of the radiation in biological System than with the non-carcinogenic reference substance, then by comparing the time course of the photon statistics on not carcinogenic properties of the test substance are concluded. The other way round must be precisely definable coherence criteria with the carcinogenic effect of the test substance be expected.

AusführunhtsUeispiel Ii Es soll ein Gegengift für ein bestimmtes Zellgift in vitro d. h. außerhalb des menschlichen Körpers (aufgefunden werden. Wie bekannt, induziert die Giftwirkung im allgemeinen eine drastische Erhöhung der Photonenemission um den Faktor 1 000 und mehr.Embodiment Ii It is supposed to be an antidote for a certain cell poison in vitro d. H. outside the human body (to be found. As is known, the toxic effect generally induces a drastic increase in photon emission by a factor of 1,000 and more.

Dies entspricht dem in der eingangs angegebenen Literaturstelle Popp, Becker, König nachgewiesenen Anstieg der Photonenemission einer absterbenden Zelle.This corresponds to the Popp reference given at the beginning, Becker, König demonstrated the increase in photon emission from a dying cell.

Mögliche Antagonisten der Giftwirkung sind somit alle Stoffe, die diesen extrem starken Anstieg der Emission ultraschwacher Photonen verhindern.Possible antagonists of the poisonous effect are therefore all substances that prevent this extremely large increase in the emission of ultra-weak photons.

Im oberen Tei von Figur 1 ist der Verlauf der Photonenemission von Gurkenkeimen als Photonenzählrate PZR dargestellt, die zu dem angegebenen Zeitpunkt mit dem Zellgift Heparin behandelt wurden. Unmittelbar nach der Zugabe von Heparin nimmt die Stahlenemission zunächst ab, um dann nach mehreren Stunden mit immer deutlicher werdenden Fluktuationen anzusteigen, bis nach etwa i1 Stunden ein maximaler Anstieg erreicht wird, der durch stetigen Abfall bis auf Null den Tod des Zellverbandes ankündigt.In the upper part of FIG. 1, the course of the photon emission is from Cucumber sprouts shown as the photon count PZR at the specified time with the Cell poison heparin were treated. Immediately after the The addition of heparin reduces the radiation emission at first, and then after several Hours of increasing with increasing fluctuations, until after about i1 hours a maximum increase is reached, which is due to a steady decrease up to Zero heralds the death of the cell assembly.

Wie Figur 1 in ihrem unteren Teil erkennen läßt, wird dieser Verlauf durch den Antagonisten Protamin verinnert. Unmittelbar nach Protaminzugabe, die etwa 30 Minuten nach der Gifteinwirkung erfolgt, zeigt sich zunächst zwar ein spontaner Anstieg der Photonenemission, der aber nach kurzer Zeit in einen Kurvenverlauf übergeht, der für gesunde Keime charakertistiscl ist.As can be seen in the lower part of FIG. 1, this curve becomes retained by the antagonist protamine. Immediately after adding protamine, the About 30 minutes after exposure to the poison occurs, it is initially spontaneous Increase in photon emission, which changes to a curve after a short time, which is characteristic of healthy germs.

Figur 2 erläutert in einfacher chematischer Darstellung die benutete, erfindunesilnäße Meßvorrichtug. Man erkennt ein Probeaufnahmegefäß 1 aus Quarzglas, in dem die zu untersuchende Zellkultur untergebracht wird.Figure 2 explains in a simple chemical representation the used, Inventive measuring device. One recognizes a sample receptacle 1 made of quartz glass, in which the cell culture to be examined is housed.

Vor seiner Austrittsfläche befindet sich ein Photonensensor 2 in Form einer Photokathode. Die Ausgangsgröße des Sensors wird über einen Meßverstärker 3 einem Meßgerät 4 zugeführt.A photon sensor 2 is located in front of its exit surface a photocathode. The output of the sensor is provided by a measuring amplifier 3 supplied to a measuring device 4.

Claims (8)

Patentansprüche 1. Verfahren zur Prüfung von biologischen Wirkungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive, durch Bestimmung der ultraschwachen Photonenemission, insbesondere vom. Claims 1. Method for testing biological effects physical and / or chemical agents on cell collectives, by determination ultra-weak photon emission, especially from. Ultrarot- bis Ultraviolett- Spektralbereich, wobei die Photonenhäufigkeit und deren zeitlicher Verlauf als Meßgröße bestimmt wird, vorzugsweise zur in vitro Prüfung von Substanzen auf mögliche zellschädigende bzw. regenerierende Wirkungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß die ultraschwache Photonenemission und die Photonenstatistik des gesunden oder des erkrankten bzw. sterbenden Zellkollektivs ohne dag Agens ermittelt wird, daß die Photonenemission nach Einwirkung des Agens als Photonenstatistik ermittelt wird, und daß die Beurteilung des Agens hinsichtlich seines schädigenden oder regenerierenden Einflusses danach erfolgt, ob sich die Photonenemission im Sinne eines gesunden Zellkollektivs oder eines erkrarzkten bzw. sterbenden Zellkollektivs ändert. Ultra-red to ultra-violet spectral range, with the frequency of photons and whose time course is determined as a measured variable, preferably for in vitro Testing of substances for possible cell-damaging or regenerative effects, it is noted that the ultra-weak photon emission and the photon statistics of the healthy or the diseased or dying cell collective without the agent it is determined that the photon emission after exposure to the agent is determined as photon statistics, and that the assessment of the agent with regard to its damaging or regenerative influence depends on whether the Photon emission in the sense of a healthy cell collective or a scratched resp. dying cell collective changes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß vor der Aufnahme der Photonenstatistik unter Einfluß des zu prüfenden Agens eine Photonenstatistik unter der Einwirkung eines anderen Agens von bekannter Wirkung aufgenommen wird, und daß zur Beurteilung des Prüfergebnisses beide Photonenstatistiken vergleichen werden.2. The method according to claim 1, d a d u r c h characterized in that before the recording of the photon statistics under the influence of the agent to be tested a photon statistics is ingested under the influence of another agent of known activity, and that to assess the test result, compare the two photon statistics will. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei einem auf seine karzinogenen Eigenschaften zu prüfenden chemischen Stoff eine erste Photonenstatistik mit einem nicht karzinogenen Stoff von chemisch ähnlichem Strukturaufbau ermittelt wird, daß eine zweite Photonenstatistik mit dem zu prüfenden Stoff aufgenommen wird und daß beide Photonenstatistiken miteinander unter dem Gesichtspunkt der Inkohärenz der Strahlung verglichen werden.3. The method according to claim 2, d a d u r c h characterized in that at a chemical substance to be tested for its carcinogenic properties Photon statistics with a non-carcinogenic substance with a chemically similar structure it is determined that a second photon statistic was recorded with the substance to be tested becomes and that both photon statistics with each other from the point of incoherence the radiation can be compared. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die ultraschwache Photonenemission als Photonenstatistik in verschiedenen Spektralbereichen gemessen wird.4. The method according to claim 1, 2 or 3, d a d u r c h characterized, that the ultra-weak photon emission as photon statistics in different spectral ranges is measured. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennze ichnet, daß während der Messung der ultraschwachen Photonenemission zusätzlich auf das Zellkollektiv ein magnetisches und/oder elektrisches Feld einwirkt.5. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that that during the measurement of the ultra-weak photon emission additionally on the cell collective a magnetic and / or electric field acts. 6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Messung der ultraschwachen Photonenemission zusätzlich eine Lichtstrahlung von definierter Wellenlänge auf das Zellkollektiv einwirkt.6. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that that during the measurement of the ultra-weak photon emission additionally a light radiation acts of a defined wavelength on the cell collective. 7. Vorrichtung zur Durdhführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis C, d a d u r c h gekennzeichnet, daß ein für ultraschwache Photonenstrahlung durchlässiges Probengefäß vorgesehen ist, daß sich an dessen Austrittsfläche der Strahlung ein Photonensensor befindet, welcher eine wesentliche Nachweisempfindlichkeit in dem zu untersuchenden Strahlungsbereich auf weist, und daß die Ausgangsgröße des Sensors durch einen Meßverstärker verstärkt wird, der mit einem schreibenden und/oder anzeigenden Meßgerät in Verbindung steht.7. Device for Durdhführung the method according to any one of the claims 1 to C, d a d u r c h marked that one for ultra-weak photon radiation permeable sample vessel is provided that the exit surface of the Radiation a photon sensor is located, which one essential Detection sensitivity in the radiation area to be examined, and that the output of the sensor is amplified by a measuring amplifier that is in connection with a writing and / or display measuring device. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß als Sensor zum Nachweis der Photonenstrahlung eine Photokathode verwendet wird.8. Apparatus according to claim 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t that a photocathode is used as a sensor for detecting the photon radiation will.
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