DE3735702C2

DE3735702C2 -

Info

Publication number: DE3735702C2
Application number: DE19873735702
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Dr. 3000 Hannover De Athenstaedt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1989-06-22
Also published as: DE3735702A1

Description

Die Erfindung betrifft das im Anspruch 1 angegebene Verfahren. Die Ansprüche 2 bis 7 betreffen eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to that specified in claim 1 Method. Claims 2 to 7 relate to a device to carry out this procedure.

Experimentelle Arbeiten des Institutes für Molekular-Physikalische Physiologie in Hannover (Direktor: Dr. Dr. Herbert Athenstaedt) haben gezeigt, daß zwei, in der Physik bei bestimmen Kristallen und synthetischen Polymeren seit langem bekannte Eigenschaften, nämlich spontane Polarisation und Pyroelektrizität (siehe S. 9 (1), (2)), auch in lebenden Organismen vorkommen. Sie wurden in Geweben und Organen des Menschen, der Tiere und Pflanzen, sowie in lebenden Einzelzel len einwandfrei nachgewiesen. Beide Eigenschaften scheinen eine grundlegende Rolle bei den Wachstumsvorgängen (der Morphogenese) und bei zahlreichen physiologischen Funktionen der Organismen zu spielen (siehe S. 9 (3)-10).Experimental work by the Institute for Molecular-Physical Physiology in Hanover (Director: Dr. Dr. Herbert Athenstaedt) have shown that two, in physics for certain crystals and synthetic polymers have long-known properties, namely spontaneous polarization and pyroelectricity (see p. 9 (1), (2)), also in living organisms. They were found in tissues and organs of humans, animals and plants, as well as in living single cells len properly proven. Both properties seem one fundamental role in growth processes (morphogenesis) and with numerous physiological functions of the organisms play (see p. 9 (3) -10).

Die molekularen Voraussetzungen für die Polarität lebender Zellen waren bisher ungeklärt (siehe S. 9 (11), (12)). Mit pyroelektrischen Methoden wur de der Nachweis einer spontanen Polarisation erbracht, d. h. eines permanenten elektrischen Dipolmomentes in Richtung der strukturel len/funktionellen Hauptachse der Zelle (siehe S. 9 (3), (4)).The molecular requirements for the polarity of living cells were previously unsettled (see p. 9 (11), (12)). With pyroelectric methods de proof of spontaneous polarization is provided, d. H. one permanent electrical dipole moment in the direction of the structural len / functional main axis of the cell (see p. 9 (3), (4)).

Weitere Experimentalserien zeigten, daß Gewebe und Organe, die aus - polaren - Einzelzellen aufgebaut sind, ebenfalls eine spontane Polarisation in definierten Achsenrichtungen aufweisen. So hat die Epidermis, die äußerste zelluläre Schicht, welche den tierischen und pflanzlichen Organismus nahezu auf seiner gesamten Oberfläche umgibt, ein permanentes elektrisches Dipolmoment senk recht zur Epidermis-Oberfläche. Die Epidermis hat somit die physi kalischen Eigenschaften eines empfindlichen pyroelektrischen Detektors und Transducers (siehe S. 9 (3), (4), (7)-(9)).Further experimental series showed that tissues and organs that made up of - polar - single cells, also one have spontaneous polarization in defined axis directions. So has the epidermis, the outermost cellular layer, which the animal and plant organism almost all of it Surrounding surface, lower a permanent electrical dipole moment right to the epidermis surface. The epidermis thus has the physi calic properties of a sensitive pyroelectric Detectors and transducers (see p. 9 (3), (4), (7) - (9)).

Spontane Polarisation, verbunden mit pyroelektrischem Verhalten wurde ferner nachgewiesen im Zentralnervensystem (Gehirn, Rücken mark) (siehe S. 9 (3)-(6)), in Sinnesrezeptoren (siehe S. 9 (3)-(5)), im Endothel des Herz- Kreislaufsystems (siehe S. 9 (4)), in allen wesentlichen Strukturen (Knochen, Knorpel, Zwischenwirbelscheiben, Bänder, Sehnen) des Wirbeltier- Skelettsystems (siehe S. 9 (10)), sowie in den Leitungsgeweben (Phloem, Xylem) der Pflanzen.Spontaneous polarization combined with pyroelectric behavior was also detected in the central nervous system (brain, back mark) (see p. 9 (3) - (6)), in sensory receptors (see p. 9 (3) - (5)), in the endothelium of the cardiac Circulatory system (see p. 9 (4)), in all essential structures (bones, Cartilage, intervertebral discs, ligaments, tendons) of the vertebrate Skeletal system (see p. 9 (10)), as well as in the conduction tissues (Phloem, Xylem) of plants.

In allen bisher von uns untersuchten biologischen Systemen stimmte die Richtung (der Vektor) der spontanen Polarisation überein mit der Richtung des Wachstums und der Differenzierung. Nachdem unsere Untersuchungen zeigten, daß in lebenden Zellen, Geweben und Orga nen eine elektrische Dipoltextur besteht, wird verständlich, daß diese biologischen Systeme auf Einwirkung elektrischer Gleichströme mit Wachstumsveränderungen reagieren.In all of the biological systems examined by us so far the direction (the vector) of the spontaneous polarization coincides with the direction of growth and differentiation. After ours Investigations showed that in living cells, tissues and org There is an electrical dipole texture, it is understandable that these biological systems on exposure to direct electrical currents react with changes in growth.

In diesem Zusammenhang ist bekannt, daß flüssige Kulturen von Mikroorganismen eine Beschleunigung des Zellwachstums zeigen, wenn man über zwei Elektroden einen schwachen Gleichstrom mit einer Stromdichte in der Größenordnung von einigen nA/cm² durch das flüssige Kulturmedium hindurchleitet (Umschau 1966, Heft 22, Seite 746). Diese Möglichkeit der Wachstumsbeeinflussung durch elektrische Gleichströme gehört so mit zum Stande der Technik.In this context, it is known that liquid cultures of microorganisms show an acceleration of cell growth when a weak direct current with a current density of the order of a few nA / cm ^{2 is passed} through the liquid culture medium via two electrodes (Umschau 1966, number 22, page 746). This possibility of influencing growth by means of direct electrical currents is therefore part of the prior art.

Andere Möglichkeiten der Steuerung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, die nicht zum Stande der Technik ge hören, ergeben sich gemäß Patentanspruch 1.Other ways to control growth, division, and Differentiation of cells that are not state of the art hear, surrender according to claim 1.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren und Vorrichtungen zur Beeinflussung von Wachstum, Tei lung und Differenzierung von Zellen anzugeben. Nachdem der molekulare Wirkungsmechanismus der Zusammenhänge von Dipoltex tur und Wachstumsmechanismen von Zellen und Geweben durch unsere Befunde in wesentlichen Punkten geklärt werden konnte, ist eine ge zielte Steuerung von Wachstum und Differenzierung nunmehr möglich. The object of the present invention is methods and devices for influencing growth, part development and differentiation of cells specify. After this the molecular mechanism of action of the connections of Dipoltex structure and growth mechanisms of cells and tissues through our Findings could be clarified in essential points is a ge targeted control of growth and differentiation is now possible.

Damit können menschliche, tierische und pflanzliche Einzelzellen, sowie Einzeller (u. a. Bakterien, Viren) aber auch menschliche, tierische und pflanzliche Gewebe und Organe in Wachstum und Ent wicklung beeinflußt werden.This allows human, animal and plant single cells, as well as unicellular organisms (including bacteria, viruses) but also human, animal and vegetable tissues and organs in growth and ent winding can be influenced.

Unter Wachstumsbeeinflussung gemäß der vorliegenden Erfindung wer den eine künstliche Verstärkung oder Abschwächung des Wachstums und/oder der Differenzierung, ein Stillstand von Wachstum und/oder Differenzierung, aber auch eine unbegrenzte Vermehrung verstanden.Under the influence of growth according to the present invention, who an artificial increase or slowdown in growth and / or differentiation, a standstill of growth and / or Differentiation, but also understood an unlimited increase.

Durch die Erfindung können Kulturen biotechnologisch oder medizi nisch bedeutsamer Einzeller, Gewebezellen, Gewebe und Organe mit relativ geringem Aufwand hergestellt werden. Das gilt insbesondere für solche Zellen, Gewebe und Organe, für die es bisher überhaupt keine verfahrenstechnische Möglichkeit der Herstellung gab.The invention allows cultures to be biotechnologically or medicinally nisch significant cell, tissue cells, tissues and organs with can be produced relatively little effort. This is especially true for those cells, tissues and organs for which there was so far there was no procedural possibility of production.

Die aufgrund der vorliegenden Erfindung möglichen Verfahrenstech niken umfassen insbesondere:The process technology possible on the basis of the present invention Techniques include in particular:

1. Production of cells that can be divided indefinitely;
2. Production of medically significant unicellular organisms (e.g. certain bacteria or viruses) or tissue cells;
3. Production of cells or tissues with a specific Production of certain enzymes, hormones or other cell pro products;
4. Production of cells or tissues that are particularly useful for Further processing suitable as biosensors;
5. Making cells or tissues for use on future areas of bioelectronics and for example Model structures of the brain.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die ver wendeten elektrischen Oberflächenladungen oder elektrischen Gleichfelder variabel gestaltet werden können. Hierdurch ist eine Fein einstellung auf die Dipoltextur menschlicher, tierischer und pflanzlicher Gewebezellen, sowie von Einzellern (beispielsweise von Bakterien, Viren) möglich.An essential feature of the present invention is that the ver applied electrical surface charges or electrical Same fields can be designed variably. This is a fine adjustment to the dipole texture of human, animal and plant tissue cells, as well as single cells (e.g. bacteria, viruses) possible.

Die Entwicklung von Zellen und Zellorganellen kann wesentlich wirkungsvoller als es bisher möglich war gesteuert werden:The development of cells and cell organelles can be essential can be controlled more effectively than was previously possible:

Eine Anpassung an die jeweiligen Eigenarten der bestimmten Zell art oder eines ganz bestimmten Kultivierungsvorhabens ist optimal durchführbar, indem das Oberflächenpotential von negativen Poten tialwerten über das Potential Null bis zu positiven Potentialwer ten, während eines Kulturverfahrensablaufes jederzeit verändert werden kann. Die Veränderung ist mit Hilfe von Meßgeräten exakt bestimmbar. Die Potentialveränderung kann kontinuierlich oder in Stufen erfolgen. Mit dieser Methode ist es möglich, ein Zellkul turverfahren zu optimieren und das erforderliche Potentialni veau - auch während des Verfahrensablaufes - jederzeit nach ge wünschten Normen exakt zu steuern. An adaptation to the particular characteristics of the particular cell type or a specific cultivation project is optimal feasible by the surface potential of negative pots tial values above the potential zero up to positive potential values changed at any time during a cultural process can be. The change is exact with the help of measuring devices determinable. The change in potential can be continuous or in Levels. With this method it is possible to build a cell culture optimize the process and the required potential veau - even during the course of the procedure - at any time according to ge to control the desired standards precisely.

Eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen ist im Anspruch 2 angegeben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen dieser Vorrich tung beinhalten die weiteren Ansprüche 3 bis 7.A device for influencing growth, division and differentiation of cells is specified in claim 2. Advantageous and practical developments of this Vorrich tion include further claims 3 to 7.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is based on the Drawing will be explained in more detail. It shows

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, Fig. 1 shows schematically a first embodiment of a device for influencing growth, division and differentiation of cells,

Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, Fig. 2 shows schematically a second embodiment of a device for influencing growth, division and differentiation of cells,

Fig. 3 schematisch eine erste apparative Einrichtung mit mehreren Vorrich tungen nach Fig. 1 zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differen zierung von Zellen. Fig. 3 shows schematically a first apparatus with several Vorrich lines according to Fig. 1 for influencing growth, division and differentiation of cells.

Soweit sachlich vernünftig, werden in den Figuren der Zeichnung für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen ver wendet.As far as reasonably reasonable, the figures of the Drawing for the same components same reference numerals ver turns.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 2, bei der ein elektrisches Gleichfeld zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen eingesetzt wird. Die Vorrichtung besteht aus einem mit einem Deckel 3 ver sehenen Kulturbehälter 4, der sich im elektrischen, praktisch homogenen Gleichfeld zwischen zwei plattenförmigen Elektroden 6 und 8 befindet, die mit den Polen einer Gleichspannungs quelle 9 verbunden sind. Die Kulturbehälter 4, in dem sich eine Zellkultur 5 befindet, steht dabei auf der z. B. negativ geladenen, als Bodenplatte ausgebildeten Elektrode 6. Diese aus Metall (z. B. nichtrostendem Stahl) bestehende Boden platte 6 ist so gestaltet, daß auf ihr beliebig viele Kultur behälter abgestellt werden können. Die obere Elektrode 8 ist vorzugsweise als durchsichtige Leiterschicht auf dem vor zugsweise ebenfalls durchsichtigen Deckel 3 des Kulturbe hälters ausgebildet, um eine mühelose Beobachtung der Zell kultur zu gewährleisten. Ein Wechselschalter (nicht darge stellt) ermöglicht eine Umpolung der Elektroden 6 und 8 und somit eine Richtungsumkehr des Gleichfeldes zwischen den Elektroden. Die Feldstärke innerhalb des Kulturbehälters bzw. innerhalb der Zellkultur 5 kann durch ein Meßinstrument 10 und einen veränderlichen Widerstand R (nicht dargestellt) exakt geregelt werden. Der Kontakt zur oberen Leiterschicht bzw. zur oberen Elektrode kann z. B. durch einen federnden, verschwenkbaren Metallbügel (nicht dargestellt) realisiert werden. Fig. 1 shows an apparatus 2 in which a DC electric field for influencing growth, division and differentiation of cells is used. The device consists of a ver with a lid 3 culture container 4 , which is located in the electrical, practically homogeneous DC field between two plate-shaped electrodes 6 and 8 , which are connected to the poles of a DC voltage source 9 . The culture container 4 , in which there is a cell culture 5 , stands on the z. B. negatively charged, designed as a base plate 6th This metal (z. B. stainless steel) existing floor plate 6 is designed so that any number of culture containers can be parked on it. The upper electrode 8 is preferably formed as a transparent conductor layer on the preferably also transparent cover 3 of the culture container to ensure an effortless observation of the cell culture. A changeover switch (not shown) enables a polarity reversal of the electrodes 6 and 8 and thus a reversal of the direction of the constant field between the electrodes. The field strength within the culture container or within the cell culture 5 can be precisely regulated by a measuring instrument 10 and a variable resistance R (not shown). The contact to the upper conductor layer or to the upper electrode can, for. B. can be realized by a resilient, pivotable metal bracket (not shown).

Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 12 zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, bei der der Kulturbehälter 4 auf einer Anordnung aus zwei platten förmigen, beabstandeten nach Art eines Plattenkondensators angeordneten Elektroden 14 und 16 steht. Der Kulturbehälter 4 befindet sich in den Feldlinien der oberen Elektrode 14. Das im Vergleich zu der Vorrichtung nach Fig. 2 relativ schwache und nicht homogene Feld kann durch die an die Elektroden ge legte elektrische Spannung so gesteuert werden, daß eine aus reichende Wirkung in der Zellkultur 5 erzielt wird. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 braucht die obere Elektrode 14 nicht aus durchsichtigem Material zu bestehen. Fig. 2 shows a device 12 for influencing growth, division and differentiation of cells in which the culture container 4 shaped plates on an array of two, in the manner of a plate capacitor are arranged spaced electrodes 14 and 16 is. The culture container 4 is located in the field lines of the upper electrode 14 . The relatively weak and non-homogeneous field compared to the device of FIG. 2 can be controlled by the electrical voltage applied to the electrodes in such a way that a reaching effect in the cell culture 5 is achieved. In the apparatus of Fig. 2, the upper electrode 14 need not be made of transparent material.

Die Fig. 3 zeigt eine apparative Einrichtung 20 mit einem Aufnahmebehälter 21 für eine Vielzahl von Vorrichtungen 2 der in der Fig. 1 gezeigten Art (vorliegend sind nur fünf Vor richtungen mit Kulturbehältern A, B, C, D und E dargestellt). Die parallel geschalteten Vorrichtungen 2 bestehen in dem großen Aufnahmebehälter 21 aus einem isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, durch dessen Boden 24 hindurch die unteren plattenförmigen Elektroden mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle 26 verbunden sind. Die oberen Elektroden 8 sind mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Für jede Vorrichtung ist eine bestimmte Feldstärke mit Hilfe eines einstellbaren Widerstandes R 1, R 2, R 3, R 4, R 5 einstell bar, der im Parallelzweig jeder Vorrichtung 2 angeordnet ist. Mit Hilfe von Meßinstrumenten 28, 28′ ist die jeweilige zwischen den Elektroden vorhandene Spannung und damit die Feldstärke ablesbar. Die Messung kann dabei über den Elek troden 6 und 8 (Meßinstrument 28) oder über den Widerständen (Meßinstrument 28′) erfolgen. Um eine gegenseitige Beein flussung der Felder zu verhindern, sind die einzelnen Vor richtungen 2 durch Abschirmungen 30 voneinander getrennt. Fig. 3 shows an apparatus 20 with a receptacle 21 for a variety of devices 2 of the type shown in Fig. 1 (in the present case only five devices with culture containers A, B, C, D and E are shown). The devices 2 connected in parallel are made in the large receptacle 21 from an insulating material, for example plastic, through the bottom 24 of which the lower plate-shaped electrodes are connected to a pole of a DC voltage source 26 . The upper electrodes 8 are connected to the other pole of the DC voltage source. For each device, a certain field strength is adjustable with the help of an adjustable resistor R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , which is arranged in the parallel branch of each device 2 . With the help of measuring instruments 28, 28 ' , the respective voltage present between the electrodes and thus the field strength can be read off. The measurement can be done via the electrodes 6 and 8 (measuring instrument 28 ) or via the resistors (measuring instrument 28 ' ). In order to prevent mutual interference of the fields, the individual devices 2 are separated from one another by shields 30 .

Die Einrichtung nach Fig. 3 ermöglicht es, in kurzer Versuchsdauer festzustellen, welche Feldstärke optimal ge eignet ist für die Durchführung eines bestimmten Kultivie rungsprogrammes. Dies setzt voraus, daß sämtliche Kulturbe hälter mit dem gleichen Untersuchungsmaterial (z. B. einer erstmalig zu untersuchenden Zellart) beschickt werden.The device according to FIG. 3 makes it possible to determine in a short test period which field strength is optimally suitable for carrying out a specific cultivation program. This presupposes that all culture containers are loaded with the same test material (e.g. a cell type to be examined for the first time).

Um die Funktion einer solchen apparativen Einrichtung 20 anschaulich zu machen, wird angenommen, daß im Kulturbehälter Nr. A die Feldstärke beispielsweise den Wert 100 beliebiger Ein heit, Nr. B den Wert 200, Nr. C den Wert 300 und so fort er hält, so daß eine Potentialreihe erstellt wird. Hierdurch ergeben sich neue Möglichkeiten und Verbesserungen für eine optimierte Beeinflussung der Entwicklung biologischer Systeme.In order to illustrate the function of such an apparatus 20 , it is assumed that in the culture container No. A the field strength, for example, the value 100 of any unit, No. B the value 200, No. C the value 300 and so on, so that a potential series is created. This opens up new possibilities and improvements for an optimized influence on the development of biological systems.

Claims

1. A method for influencing growth, division and differentiation of cells, characterized in that the electrical dipole moments (the spontaneous polarization) of the cells are changed in terms of strength and / or direction,
where the cells are exposed to a constant electric field,
or in active connection with bodies, substrates or materials with a defined electrical surface charge,
or brought with a membrane made of natural or synthetic polymers with a surface potential,
and where DC field and electrical surface potential can be varied.

2. Device for influencing growth, division and differentiation of cells according to claim 1, with a culture container for receiving a cell culture, characterized in that the culture container ( 4 ) consisting of non-conductive material in the field lines of two to an adjustable DC voltage source ( 9 ) connected electrodes ( 6, 8; 14, 16 ) is arranged on.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the one electrode ( 6 ) is designed as a base plate for receiving the culture container ( 4 ) and the other electrode ( 8 ) as a cover plate for the lid of the culture container.

4. The device according to claim 3, characterized in that the cover electrode ( 8 ) consists of a transparent, conductive material.

5. The device according to claim 4, characterized ge indicates that the electrode as a thin Be Layering of the lid is formed.

6. The device according to claim 2, characterized in that the culture container ( 4 ) is arranged on the one electrode ( 14 ) of an electrode arrangement constructed in the manner of a Plattenkon capacitor ( 14, 16 ).

7. Device according to one of claims 2 to 6, there characterized by that the area of the plate-shaped electrodes approximately the area of the culture corresponds to the container.