DE10306534B4

DE10306534B4 - Vorrichtung zur Steigerung der katalytischen Aktivität von Enzymen durch Emission von Induktions- und Licht- Signalen

Info

Publication number: DE10306534B4
Application number: DE10306534A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: SCHOBER MEDITEC GmbH
Current assignee: SCHOBER MEDITEC GmbH
Priority date: 2002-02-17
Filing date: 2003-02-15
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2023-02-16
Also published as: DE10306534A1

Abstract

Vorrichtung zur Steigerung der katalytischen Aktivität von Enzymen, gekennzeichnet durch einen Generator und damit verbundene Sende-Antennen, die durch den Generator mit gepulsten niederfrequenten Spannungssignalen bis 1 kHz beaufschlagt werden und diese als induktive Signale sowie zu diesen komplementäre Lichtsignale emittieren.

Description

Enzyme sind die zentralen Funktionseinheiten der lebenden Zelle. Sie erfüllen verschiedenste Aufgaben, wie zum Beispiel den Stoffaufbau und Abbau, den Stofftransport, die Übertragung von Signalen oder die Regulation der Zellprogramme. Die korrekte Funktion der Zelle und damit die Gesundheit von Organismen hängt daher vom richtigen Funktionieren und Zusammenspiel der Enzyme ab.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung und Verbesserung von Enzymfunktionen im lebenden Organismus sowie in technischen Anwendungen. Durch die Anwendung erfolgt eine Sensibilisierung und Steigerung der Konformationsänderungs-Bereitschaft und -Geschwindigkeit von Polypeptidstrukturen zur Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen, sowie zur Steigerung der biokatalytischen Aktivität von Enzymen in biologischen Systemen und technischen Anwendungen.
Die Enzyme und Substrate werden mittels Emission von induktiven Signalen bestimmter Charakteristik dahingehend beeinflusst, dass durch die Wechselwirkung der pulsierenden Stimulation aufgrund einer dynamischen Flexibilisierung der Proteinstruktur der Enzymmoleküle

a. der Substrataustausch (Zutritt und Abtransport) der Substratmoleküle zum aktiven Zentrum beschleunigt wird,
b. die Enzym-Substrat-Wechselwirkung verbessert wird (optimierte Anpassung der Struktur sowie Elektronenverteilung der Substratbindungstasche an die Substratmoleküle) sowie
c. die Rückfaltung von durch Stresseinwirkung inaktivierter, missgefalteter Proteine in die biologisch aktive Form unterstützt wird.

Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die DD 248 140 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stimulierung von Fermentationsprozessen, bei der elektrische Felder induktiv in Fermentationskulturen eingekoppelt werden. Die in WO 96/32158 A1 beschriebene zur Anwendung am Patienten geeignete Vorrichtung weist einen mit Sende-Antennen verbundenen Generator zur Erzeugung gepulster induktiver Signale bis 100 Hz auf. Zusätzlich werden von der Vorrichtung Lichtsignale ausgesandt, jedoch nicht über die Sende-Antennen zum Wirkort, sondern an einer Kontrolleinrichtung, die der Funktionskontrolle und der Kontrolle der Körperfunktionen des zu behandelnden Menschen dienen.
Eine Kombination der Aussendung von gepulsten niederfrequenten Spannungssignalen und Lichtsignalen über Sende-Antennen zu einem Wirkort ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale charakterisiert.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorrichtung fördert bzw. verstärkt biokatalytische Reaktionen im lebenden Gewebe und kann dadurch bei krankhaften Vorgängen zum Heilungsprozess des zu behandelnden Patienten positiv beitragen. Die Vorrichtung weist ein Steuergerät mit Prozessoren auf, welche spezielle Impulse mit bestimmten Frequenzen und Stromstärken an einem oder mehreren Applikatoren zur Behandlung des Patienten freigeben kann und an der zu behandelnden Stelle biokatalytische Reaktionen und dadurch Heilungsprozesse im Zuge einer Therapie positiv beeinflusst.
Die durch einen Generator erzeugten gepulsten Gleichspannungs- oder Wechselspannungs-Signale in einem Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz von 1 mHz bis zu 100 Hz, wirken mittels induktiven Sende-Antennen auf das für den jeweiligen Heilungsprozess wichtige Organ, oder auf einen technologischen Prozess ein und begünstigt die für den Heilungsprozess oder technologischen Prozess jeweils notwendigen biokatalytischen Reaktionen. Weiterhin wird hierdurch bei Enzymen die Einstellung der optimalen Konformation verbessert und die Wechselwirkung der Enzyme und Substrate sowie zu anderen Proteinen positiv stimuliert.
Das vom Generator erzeugte Wechselspannungs-Signal, welches dem Profil nach einem Sinus entspricht oder diesem ähnlich oder abgeleitet ist, kann sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz konkret eingestellt werden. Die Amplitude und Frequenz kann auch mit bestimmten einstellbaren Min- und Max-Werten begrenzt und ähnlich einem Wobbelsender zyklisch und automatisch auf- und abgefahren werden. Das Wechselspannungs-Signal kann kontinuierlich oder mit einem einstellbaren Puls/Pause-Verhältnis erzeugt werden.
Das vom Generator erzeugte gepulste Gleichspannungs-Signal ist in der Amplitude und Frequenz konkret einstellbar. Die Amplitude und Frequenz kann auch mit bestimmten einstellbaren Min- und Max-Werten begrenzt und ähnlich einem Wobbelsender zyklisch und automatisch auf- und abgefahren werden. Das Gleichspannungs-Signal kann kontinuierlich oder mit einem einstellbaren Puls/Pause-Verhältnis erzeugt werden.
Das Profil des Gleichspannungs-Signals kann einem Rechteck-Impuls, einem Trapez- oder Dreieck-Impuls oder einem Sägezahn-Impuls nachempfunden sein, wobei der Sägezahn stetig linear ansteigen kann oder aber auch mit mehreren linearen Anstiegen und dazwischenliegenden, der Steigung des Ansteigens entsprechend geringfügigen senkrechten Einbrüchen ansteigt, bis der Impuls ein definiertes Amplituden-Maximum erreicht hat. Das Profil kann auch einer e-Funktion oder einer parabolischen Funktion entsprechen, wobei ein mehrmaliger Ansatz zum Einschwingen in diese Funktionen möglich ist, bis ein definiertes Amplituden-Maximum erreicht ist, oder kann in der Weise erfolgen, indem der Anstieg des Sägezahl-Impulses durch ein stetiges wechselseitiges Ansteigen und dem Ansteigen entsprechendes geringeres Abfallen, ähnlich einer wellenförmigen Sinus-Funktion, erfolgt, und sich zudem in der Frequenz dieses wechselseitigen An- und Absteigens steigern kann, bis ein definiertes Amplituden-Maximum erreicht ist.
Das individuelle, mit bestimmter Charakteristik versehenes Impuls-Profil kann zu einem sich in bestimmten Grenzen ändernden Impuls-Paket zusammengestellt werden. Hierbei kann sowohl das Puls-Profil, die Puls-Dauer des Einzelimpulses, die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, die Dauer der Puls-Pause, sowie das Verhältnis von Puls-Zeit und Pause-Zeit eingestellt werden.
Weiterhin kann auch die Polarität der Impulse automatisch wechselnd oder individuell fixiert werden.
Die Applikatoren, welche die Sende-Antennen beinhalten, sind über mehradrige, vorzugsweise abgeschirmte Steuerleitungen mit dem Generator verbunden. Die Induktion der Sende-Antennen kann physikalisch derart abgeschirmt sein, dass sie ihre Sende-Energie ausschließlich in eine beabsichtigte Wirkrichtung abgeben können.
Zusätzlich ergibt sich durch diese Abschirmung eine Konzentration der Sende-Energie sowie eine abschirmende Schutzwirkung gegen ungewollte, den Prozess störende, Fremd-Felder.
Die Funktion der Sende-Antenne kann durch geeignete Anzeige-Elemente zusätzlich akustisch hörbar und optisch sichtbar gemacht werden.
Sind mehrere Sende-Antennen innerhalb eines Applikators erforderlich, um eine größere Fläche induktiv zu bestrahlen, können die Sende-Antennen seriell, parallel oder serien-parallel miteinander verbunden sein, wobei die Polarität der Induktions-Energie durch den Wickelsinn der Sende-Antennen vorzugsweise gleichgerichtet ist.
Hierbei können die Sende-Antennen einzeln oder in bestimmten Gruppen angesteuert werden, wobei die Reihenfolge und Richtung individuell festgelegt werden kann.
Die Sende-Antennen können mit einer elektronischen Intelligenz ausgestattet sein und sind in der Lage, mit dem Generator zu kommunizieren. Trotz der per elektronischem Programm vorgegebenen Sende-Energie kann auf bestimmte externe Parameter wie z. B. Biofeedback-Signale reagiert werden, um das zu sendende Signal qualitativ zu optimieren. Wesentlich hierbei ist, dass die externen Parameter als Regelgröße in einen Regelkreis des Systems eingebunden werden können.
Das Biofeedback-Signal kann eine Regelgröße darstellen, welche sich durch organische Parameter wie Körpertemperatur, Blutdruck, Sauerstoff-Partialdruck, Puls, ausgeatmete Gase und deren Volumen, Körperwiderstand, Körperkapazität, Körperinduktivität usw. darstellt, aber auch durch ein physikalisches, chemisches oder psychophysiologisches Signal, welches durch den Organismus oder durch eine technische Anwendung dahingehend beeinflusst wird, dass dieses Signal eine spezifische Informationen wie z. B. Qualität oder Quantität transformiert enthält. Eine der möglichen physikalischen Methoden ein Biofeedback-Signal aufzunehmen und innerhalb des Systems als Regelgröße zu verarbeiten ist die Umkehr-Funktion der induktiven Sende-Antennen in induktive Empfangs-Antennen.
Für eine zeitgemäße Ausführung ist es erforderlich, dass das System spezielle Schnittstellen besitzt für Sende- und Empfangs-Antennen, Feedback-Signale, Ausdruck, Anzeigen, Fernbedienungen sowie Schnittstellen für PC, Internet und Chipkarten-Leser. Das System kann darüber hinaus ein eigenes Betriebssystem besitzen, eine Funkuhr mit automatischer Zeitsteuerung, elektronische Langzeitspeicher, Sprach- und Präsentationsfähigkeit in Wort und Bild sowie eine berührungssensitive Matrix-LCD.
Bedingt durch den molekularen Verband der Enzyme und die damit verbundenen höheren Atomgewichte gegenüber einzelnen Zellen bietet sich an, eine Stimulation vorzugsweise in dem niederen Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz durchzuführen.
Durch die vergleichsweise höheren Wellenlängen und die damit verbundenen geringeren Resonanzfrequenzen der Enzyme besteht hier eine größere Affinität, ein optimales Energiepotential anzunehmen, was Voraussetzung dafür ist, dass eine optimale Konformation und eine optimale biokatalytische Reaktion stattfinden kann.
Ohne an eine Hypothese gebunden zu sein, ergibt sich die Aktivitätssteigerung der Enzyme vermutlich aufgrund der nachfolgend genannten Zusammenhänge.
Geladene Aminösäuren im aktiven Zentrum spielen bei der Mehrzahl der Enzyme eine essenzielle Rolle. Solche Aminosäuren sind in der Regel (durch die Interaktion mit weiteren Aminosäureresten des Proteins) aktiviert, das heißt in ihrer elektrischen Ladung verstärkt; aktivierte Aminosäuren zeigen aufgrund dieses Verhalten eine erhöhte chemische Reaktivität. Bei bestimmten Enzymen sind außerdem positiv geladene Metallionen (z. B. Mg²⁺ Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺) direkt am Katalysemechanismus im aktiven Zentrum beteiligt und damit essenziell für die Funktion des Enzyms.
Geladene Seitenketten/Metallionen koordinieren und fixieren die chemisch zu verändernden Zielmoleküle (Substrate) eines Enzyms. Durch Wechselwirkung zwischen den Ladungen der aktivierten Aminosäuren/Metallionen mit den Elektronenwolken der Substratmoleküle werden diese in einen Übergangszustand versetzt. Dazu werden die Bindungen und Elektronen des Substratmoleküls in einer Weise verschoben, dass die Struktur und die Elektronenverteilung einem Zustand entspricht, wie er im Verlauf der chemischen Umsetzung des Substratmoleküls auftritt.
Durch diesen Mechanismus kommt es zu einer Erniedrigung der Aktivierungsenergie; die Reaktion kann bei niedrigeren Temperaturen beschleunigt ablaufen. Bei Reaktionen, bei denen zwei Substratmoleküle mit einander reagieren (Fusion beider Moleküle oder Übertragung chemischer Gruppen) spielt außerdem die korrekte räumliche Ausrichtung und gezielte Annäherung der Substratmoleküle eine wichtige Rolle für die Beschleunigung des Reaktionsablaufes. Dies wird durch die koordinierte Bindung der Substratmoleküle an aktivierte Aminosäureseitenketten/Metallionen im aktiven Zentrum des Enzyms erreicht.
Es ist davon auszugehen, dass niederfrequente magnetische Wechselfelder und gleichermaßen elektromagnetische Wechselfelder mit Wellenlängen des Lichtes und der lichtnahen Bereiche (Ultaviolett und Infrarot), durch paramagnetische Resonanz direkt mit den Ladungen aktivierter Seitenketten/Metallionen in Wechselwirkung treten, diese dynamisieren und die elektrische Ladung verstärken. Dadurch kommt es zu einer verstärkten Stabilisierung der Übergangszustandskomplexe. Zusätzlich ist zu erwarten, dass durch den Einfluss der Wechselfelder die koordinierte Annäherung von Substratmolekülen verbessert wird. Als logische Konsequenz kann festgestellt werden, dass es Infolge dieser Mechanismen zu einer Steigerung der Enzymaktivität kommt.
Bei bestimmten Enzymen ist nicht die eigentliche chemische Reaktion, sondern die Diffusion der Substratmoleküle in das aktive Zentrum des Enzyms der geschwindigkeitslimitierende Faktor. Dies tritt ein, wenn folgende Enzymparameter erfüllt sind: k_cat/K_m > 10⁸ [s^–1M^–1]. In diesen Fällen ist davon auszugehen, dass durch die Einwirkung niederfrequenter elektromagnetischer Wechselfelder eine Verbesserung der Diffusion, d. h. des Zu- und Abtransports geladener Substratmoleküle zum aktiven Zentrum des Enzyms und damit eine zusätzliche Steigerung der Enzymaktivität erreicht wird.
Ausführungsbeispiel (nachgereicht):
Das Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Aufbau A.
Die Stimulation von Enzymen wird festgestellt anhand der Messung der enzymatischen Aktivität von Lactat-Dehydrogenase (LDH) aus Rinderherz (SERVA). LDH katalysiert die Umsetzung von Pyruvat zu Lactat; dabei wird als Reduktionsmittel die reduzierte Form des Nicotinamidadeninnukleotid (NADH) verbraucht und zur oxidierten Form NAD umgesetzt.
Die Reaktiongeschwindigkeit – und damit die Aktivität des Enzyms – wird anhand der Abnahme der Lichtabsorption von NADH bei 366 nm in einem Photometer verfolgt. Die Änderung der Extinktion über der Zeit (angegeben in ΔE/min) bei identischer Geometrie der Messküvette (1 cm Schichtdicke) stellt ein direktes Maß für die enzymatische Aktivität im Testansatz dar.
Aufbau B.
Parallel hierzu wird eine weitere Messung durchgeführt mit exakt gleichen Parametern, jedoch mit einer zusätzlichen Emission von gepulsten induktiven Signalen und synchronisiertem Licht. Die Frequenz der induktiven Signale wird gewobbelt und bewegt sich zwischen 2 Hz und 20 Hz. Die Frequenz in diesen Grenzen wird stetig im 1 Hz-Rhythmus geändert. Nach Erreichen der oberen Grenzfrequenz wird die Frequenz schrittweise wieder herunter gefahren bis 2 Hz und umgekehrt. Die induktiven Signale haben einen Grundimpuls mit dem Profil eines 5-fach dynamisierten Sägezahn-Impulses mit einer Länge von 5 ms. Der Grundimpuls wird stetig induziert und ist in Pulsgruppen zusammengefasst. Die Anzahl der Grundimpulse innerhalb einer Pulsgruppe wird fortlaufend geändert und ergibt die Frequenz 2 Hz bis 20 Hz. Die Lichtsignale werden synchron durch die Pulsgruppen erzeugt und durch insgesamt 55 Stück LED emittiert. Die LED sind aufgeteilt in zwei Gruppen zu 37 Stück LED in Farbe Rot und 18 Stück LED in der Farbe Infrarot. Die Wellenlängen der Farben betragen für rot = 628 nm, und für infrarot = 940 nm. Das Licht der roten LED hat eine Lichtstärke von 3000 mcd.
Feststellung:
Die Anwendung des Verfahrens nach Aufbau B zeigt gegenüber dem Verfahren nach Aufbau A eine Steigerung der katalytischen Aktivität. Siehe Tabelle 1. Tabelle. 1

Messung Enzymkonzentration [μg/ml] Aktivität [ΔE/min] Aktivität mit gepulsten Signalen [ΔE/min]

1 0,1 0,09 0,104

2 0,2 0,22 0,26

3 0,5 0,6 0,71

4 1,0 1,12 1,32

Claims

Vorrichtung zur Steigerung der katalytischen Aktivität von Enzymen, gekennzeichnet durch einen Generator und damit verbundene Sende-Antennen, die durch den Generator mit gepulsten niederfrequenten Spannungssignalen bis 1 kHz beaufschlagt werden und diese als induktive Signale sowie zu diesen komplementäre Lichtsignale emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator derart ausgebildet ist, dass die erzeugten Spannungssignale im Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz liegen und in ihrer Amplitude und Frequenz einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Lichtsignale sich innerhalb des Spektralbereiches des sichtbaren Lichtes sowie den angrenzenden Bereichen, dem Infrarot und Ultraviolett, befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht monochromatisches Laserlicht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator derart ausgebildet ist, dass er Wechselspannungssignale erzeugt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator derart ausgebildet ist, dass er Gleichspannungssignale erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Gleichspannungssignals einem Sägezahn-Impuls entspricht, wobei der Sägezahn stetig linear ansteigt oder mit mehreren linearen Anstiegen und dazwischenliegenden der Steigung des Ansteigens entsprechend geringfügigen Einbrüchen ansteigt, bis der Impuls ein definiertes Amplituden-Maximum erreicht hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine physikalische Abschirmung der Sende-Antennen derart vorgesehen ist, dass diese ihre Sende-Energie ausschließlich in eine beabsichtigte Wirkrichtung abgeben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sende-Antennen innerhalb eines Applikators angeordnet sind, wobei die Sende-Antennen seriell, parallel oder serien-parallel miteinander verbunden sind, und wobei die Polarität der Induktionsenergie durch den Wickelsinn der Sende-Antennen vorzugsweise gleichgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anzeige-Elemente derart angeordnet sind, dass die Funktion der Sende-Antennen hör- und sichtbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen derart ausgebildet sind, dass ihre Funktion von induktiven Sende-Antennen in induktive Empfangs-Antennen umkehrbar ist.