DE102010035587A1

DE102010035587A1 - Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in biologischem Gewebe

Info

Publication number: DE102010035587A1
Application number: DE201010035587
Authority: DE
Inventors: Dr. Warnke Ulrich
Original assignee: Warnke United Res & Dev GmbH; Warnke United Research & Development GmbH
Current assignee: Warnke United Res & Dev GmbH; Warnke United Research & Development GmbH
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in biologischem Gewebe, insbesondere Muskel- oder/und Nervengewebe, mit Hilfe elektrischer Felder. Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Gewebe derart vorgesehen, dass Reizungen der Zellmembranen, welche die Grundfunktionen des Gewebes auslösen, unterbunden sind. Insbesondere ist die Auslösung von Muskelkontraktion oder/und Nervenimpulsen durch das elektrische Feld unterbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in biologischem Gewebe durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Gewebe.
Zellmembranen von biologischem Gewebe, z. B. Muskel- oder Nervengewebe, sind natürlicherweise elektrischen Feldern mit Feldstärken in der Größenordnung von 10⁶ bis 10⁷ V/m ausgesetzt. Zum Beispiel die Aktionspotentiale in Muskeln und Nerven schwanken zwischen positiven und negativen solchen Feldstärkewerfen. Unter dem Einfluss der elektrischen Felder haben die Membrankomponenten, bei denen es hauptsächlich um Phospholipide, Cholesterol und Proteine handelt, eine feste Konformation, d. h. zueinander eine feste Zuordnung, und Orientierung. Die Membrankomponenten, insbesondere die Lipide und Proteine, bilden Ionenkanäle, die sich durch Änderung einer elektrischen Polarisationsspannung bzw. Feldstärke, die zu Konformationsänderungen der Lipide und Proteine führt, schließen oder öffnen lassen.
Bei Konformationsänderungen der durch die Lipide und Proteine gebildeten Molekülaggregate ändern sich Bindungen von Atomen und Molekülfraktionen. Maßgebend für diese Bindungen sind Elektronen, wobei neben elektromagnetischen Feldern auch elektrostatische Felder (Coulomb Kräfte) eine Rolle spielen. Insbesondere ist für die sich ergebenden Bindungskräfte der Spin der Elektronen von Bedeutung, der wiederum in Wechselwirkung mit dem Spin der Atomkerne steht. Die erwähnten Molekülaggregate weisen große Cluster von Atomkernen mit einem Spin auf. Die Membranen sind insofern durch Spins gesättigt. Aufgrund des Spin-Hall-Effekts vermögen neben Magnetfeldern auch elektrische Felder die Spinpolarisation zu beeinflussen und unter Herstellung von Kohärenz unpolarisierte Elektronen auszurichten. Stimulierungen der Zellmembranen erlangen ihre Wirkung also in erster Linie durch Beeinflussung der Elektronenspin- und Kernspinstrukturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in biologischem Gewebe zu schaffen, die eine gezielte, ungestörte Stimulierung der Zellmembranen ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Gewebe derart, dass Reizungen der Zellmembranen, welche die Grundfunktionen des Gewebes auslösen, unterbunden werden.
Vorteilhaft lassen sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Hilfe elektrischer Felder z. B. die Zellmembranen von Muskel- oder Nervengewebe beeinflussen, ohne Muskelkontraktion oder Nervenimpulse auszulösen. Indem durch das besondere, erfindungsgemäß aufgeprägte elektrische Feld die Spinausrichtung von Bindungselektronen in den Molekülen, auch in die Zellmembranen umgebenden paramagnetischen Gasmolekülen, insbesondere NO, CO und O₂, ausgerichtet werden, lassen sich die Membranen z. B. zur Bildung von Poren anregen, die wiederum Substanzen verstärkt diffundieren lassen. In den Membranen können Enzyme aktiviert werden, die z. B. gemäß NADH-Oxidase Hyperoxid-Anionen bilden. Stickstoffmonoxid lässt sich deaktivieren und Peroxinitrit bilden, was zu Nekrose und Apoptose der Zellen führt.
Das elektrische Feld wird vorzugsweise in Form von Impulsen mit einem vorgegebenen Feldstärke-Zeit-Verlauf und/oder vorgegebenen minimalen Zeitabständen zwischen den Impulsen angelegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung für Impulse mit einer Anstiegsdauer von weniger als 5 μsec ausgelegt, wobei vorzugsweise auch die Abklingdauer weniger als 5 μsec beträgt.
Als Gesamtimpulsdauer hat sich eine Obergrenze von 100 μsec als vorteilhaft erwiesen. Der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen liegt in einem Kaskadenmodus, vorzugsweise zwischen 20 μsec und der Gesamtimpulsdauer. In einem Einzelimpulsmodus sind Abstände größer 1 sec vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lassen sich die Parameter der Impulse, einschließlich der maximalen Feldstärke der Impulse, variieren. Insbesondere kann eine Variation der Impulsparameter von Impuls zu Impuls erfolgen, wobei ggf. ein periodisches An- und Abschwellen der Impulsparameter einstellbar ist.
Als Elektroden kommen an das Gewebe anlegbare oder/und in das Gewebe einstechbare Elektroden in Betracht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung Einrichtungen der Erzeugung des elektrischen Feldes durch Influenz auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen.
1 eine Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, und
2 eine durch die Vorrichtung von 1 erzeugte Folge von Feldstärkeimpulsen.
Eine Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in Körpergewebe 1, im vorliegenden Fall Muskelgewebe, umfasst zwei in das Körpergewebe 1 einsteckbare Elektroden 2 und 3.
Die Elektroden 2 und 3 sind an eine Impulserzeugungs- und -formungseinrichtung 4 angeschlossen, die ihrerseits mit einer Steuer-, Anzeige- und Bedieneinrichtung 5 sowie mit einer durch die Einrichtung 5 aktivierbaren Strommesseinrichtung 6 in Verbindung steht.
Im Betrieb erzeugt die Vorrichtung zwischen den Elektroden 2 und 3 ein durch einen Vektorpfeil 7 angedeutetes elektrisches Feld, welches das Gewebe 1 durchsetzt.
Wie 2 zu entnehmen ist, wird das elektrische Feld mit der Feldstärke E impulsweise erzeugt, wobei die maximale Feldstärke E_max jeweils bei 0,7 × 10³ V/m liegt. Die Anstiegszeit t_an, d. h. der Zeitraum, in welchem die Feldstärke vom Wert 0 bis E_max ansteigt, beträgt weniger als 5 μsec, ebenso die Abstiegszeit t_ab. Die Gesamtimpulsdauer T_G liegt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei 80 μsec. Die Abstandsdauer zwischen den Impulsen T_A bei 20 μsec.
Schon bei Einwirkungen der Impulse über weniger als eine Minute ist eine merkliche Zunahme von Poren in den Zellmembranen des Muskelgewebes zu verzeichnen, was sich anhand einer Leitwertmessung mit Hilfe der Strommesseinrichtung 6 nachweisen lässt. Diese Leitwertmessung kann sich unter weiterer Nutzung der in das Gewebe 1 eingestochenen Elektroden 2, 3 unmittelbar an die Impulsbehandlung anschließen.
Bei Werten von 10³ V/cm der maximalen Feldstärke E_max wird eine noch intensivere, zum Absterben der Zellen führende Porenbildung ein.
Über die Steuer-, Anzeige und Bedieneinrichtung 5 lässt sich die Impulsbildung durch die Impulserzeugungs- und -formungseinrichtung 6 variieren, wobei jeder der oben genannten Parameter verstellbar ist. Darüber hinaus können die Impulse in dem genannten Umfang innerhalb der Impulsfolge von Impuls zu Impuls verändert werden, wobei sich insbesondere ein periodisches. An- und Abschwellen der Impulsparameter, beispielsweise der maximalen Feldstärke E_max, einstellen lässt.

Claims

Vorrichtung zur Stimulierung von Zellmembranen in biologischem Gewebe, insbesondere Muskel- oder Nervengewebe, mit Hilfe elektrischer Felder, gekennzeichnet durch Einrichtungen (2, 3, 5) zum Anlegen eines elektrischen Feldes (7) an das Gewebe (1) derart, dass Reizungen der Zellmembranen, welche die Grundfunktion des Gewebes (1) auslösen, unterbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung von Muskelkontraktionen oder/und Nervenimpulsen durch das elektrische Feld unterbunden ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Stimulation der Durchlässigkeit der Zellmembranen, insbesondere zur Stimulation von Porenbildung, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld in Form von Impulsen mit einem vorgegebenen Feldstärke-Zeit-Verlauf oder/und vorgegebenen minimalen Zeitabständen (T_A) zwischen den Impulsen anlegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Impulse mit einer Anstiegsdauer (t_an) von weniger als 5 μsec anlegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Impulse mit einer Abstiegsdauer (t_ab) von weniger als 5 μsec anlegbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtimpulsdauer weniger als 100 μsec beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen in einem Kaskadenmodus zwischen 20 μsec und der Gesamtimpulsdauer und einem Einzelimpulsmodus oberhalb 1 sec liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsparameter, einschließlich der maximalen Feldstärke (E_max), variierbar, insbesondere von Impuls zu Impuls, variierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gewebe anlegbare oder/und in das Gewebe einstechbare Elektroden (2, 3) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Anlegen des elektrischen Feldes zur Erzeugung des elektrischen Feldes durch Influenz vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Messung des Leitwertes des Gewebes (1), vorzugsweise unter Nutzung der Einrichtungen zum Anlegen des elektrischen Feldes, insbesondere der Elektroden (2, 3), vorgesehen sind.