DE3735702A1 - Process and apparatus for influencing the growth, division and differentiation of cells - Google Patents

Abstract

A process for influencing the growth, division and differentiation of cells is characterised in that the electrical dipole moments of the cells are changed in strength and/or direction. An apparatus for influencing the growth, division and differentiation of cells has a culture container to receive a cell culture, the culture container (4) consisting of a non-conducting material and being arranged in the region of the lines of force of two electrodes (6, 8, 14, 16, 46, 48) connected to an adjustable DC voltage source (9). The dipole moments of the cells are influenced either by the electrical DC field or the electrical direct current. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differen­ zierung von Zellen.The invention relates to a method and a Vorrich to influence growth, division and differences adornment of cells.

Experimentelle Arbeiten des Institutes für Molekular- Physikalische Physiologie in Hannover (Direktor: Dr. Dr. Herbert Athenstaedt) haben ein neues, interdisziplinäres Forschungsgebiet im Grenzbereich zwischen Biomedizin und Physik erschlossen; es ergaben sich grundlegend neue Er­ kenntnisse, insbesondere in der Zell- und Entwicklungs­ biologie. Diese grundwissenschaftlichen Ergebnisse er­ möglichen nunmehr bedeutsame Nutzanwendungen für Biotech­ nologie, Medizin und Biologie.Experimental work by the Institute of Molecular Physical Physiology in Hanover (Director: Dr. Dr. Herbert Athenstaedt) have a new, interdisciplinary Research area in the border area between biomedicine and Opened up physics; there were fundamentally new Er knowledge, especially in cell and development biology. These basic scientific results possible useful applications for biotech nology, medicine and biology.

Die Untersuchungen zeigten, daß zwei, in der Physik bei bestimmten Kristallen und synthetischen Polymeren seit langem bekannte Eigenschaften, nämlich spontane Polarisation und Pyroelektrizität (1, 2), auch in lebenden Organismen vor­ kommen. Sie wurden in Geweben und Organen des Menschen, der Tiere und Pflanzen sowie in lebenden Zellen einwandfrei nachgewiesen. Beide Eigenschaften spielen eine fundamentale Rolle bei den Wachstumsvorgängen (der Morphogenese) und bei zahlreichen physiologischen Funktionen der Organismen (3-10).The investigations showed that two properties that have long been known in physics for certain crystals and synthetic polymers, namely spontaneous polarization and pyroelectricity ( 1 , 2 ), also occur in living organisms. They have been properly detected in the tissues and organs of humans, animals and plants as well as in living cells. Both properties play a fundamental role in the growth processes (morphogenesis) and in numerous physiological functions of the organisms ( 3-10 ).

Die molekularen Voraussetzungen für die Polarität lebender Zellen waren bisher ungeklärt (11, 12). Mit pyroelektrischen Meßmethoden wurde der Nachweis einer spon­ tanen Polarisation erbracht, d.h. eines permanenten elek­ trischen Dipolmomentes, in Richtung der Zell-Hauptachse (Längspolarisation der Zelle); desgleichen besteht auch polares, d.h. pyroelektrisches Verhalten in den radialen Achsenrichtungen der Zelle (Radialpolarisation der Zelle (3, 4).The molecular requirements for the polarity of living cells have so far not been clarified ( 11, 12 ). Pyroelectric measurement methods were used to demonstrate spontaneous polarization, ie a permanent electrical dipole moment, in the direction of the cell's main axis (longitudinal polarization of the cell); there is also polar, ie pyroelectric, behavior in the radial axial directions of the cell (radial polarization of the cell ( 3 , 4 ).

Weitere Experimentalserien zeigten, daß Gewebe und Organe, die ja 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 permanen­ tes elektrisches Dipolmoment senkrecht zur Epidermis-Ober­ fläche. Die Epidermis hat somit die physikalischen Eigen­ schaften eines empfindlichen pyroelektrischen Detektors und Transducers (3, 4, 7-9).Further experimental series showed that tissues and organs, which are made up of polar single cells, also show spontaneous polarization in defined axis directions. The epidermis, the outermost cellular layer that surrounds the animal and plant organism almost on its entire surface, has a permanent electrical dipole moment perpendicular to the epidermis surface. The epidermis thus has the physical properties of a sensitive pyroelectric detector and transducer ( 3 , 4 , 7-9 ).

Spontane Polarisation, verbunden mit pyroelektrischem Verhalten wurde ferner nachgewiesen im Zentralnervensystem (Gehirn, Rückenmark) (3-6), in Sinnesrezeptoren (3-5), im Endothel des Herz-Kreislaufsystems (4), in allen wesent­ lichen Strukturen (Knochen, Knorpel, Zwischenwirbelscheiben, Bänder, Sehnen) des Wirbeltier-Skelettsystems (10) sowie in den Leitungsgeweben (Phloem, Xylem) der Pflanzen.Spontaneous polarization combined with pyroelectric behavior has also been demonstrated in the central nervous system (brain, spinal cord) ( 3-6 ), in sensory receptors ( 3-5 ), in the endothelium of the cardiovascular system ( 4 ), in all essential structures (bones, cartilage , Intervertebral discs, ligaments, tendons) of the vertebrate skeletal system ( 10 ) and in the conduction tissues (phloem, xylem) of the plants.

Es wurde nachgewiesen, daß die Wachstumsrichtung in Zellen und Geweben übereinstimmt mit der Richtung (dem Vektor) einer inherenten spontanen Polarisation, d.h. also eines permanenten elektrischen Dipolmomentes.It has been shown that the growth direction in Cells and tissues match the direction (the Vector) of an inherent spontaneous polarization, i.e. so a permanent electrical dipole moment.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen anzugeben.The object of the present invention is a method and an apparatus for influencing Specify growth, division and differentiation of cells.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß die elektrischen Dipolmomente der Zellen hinsichtlich Stärke und/oder Richtung verändert werden.This task is solved procedurally in that the electrical dipole moments of the cells in terms of strength and / or change direction.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß Zellen eine spontane Polarisation zeigen. Durch die Erfindung zeigte sich in überraschender Weise, daß Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen beeinflußt werden können durch Änderung der elektrischen Dipolmomente der Zellen. The invention uses the knowledge that cells are a show spontaneous polarization. Showed by the invention itself in a surprising way that growth, division and Differentiation of cells can be influenced by Change in the electrical dipole moments of the cells.  

Aufgrund der spontanen Polarisation der Einzelzellen zeigen auch Gewebe, Organe und Organismen polare Eigenschaften. Die höheren architektonischen Stufen (Gewebe, Organe) der Organismen entstehen durch eine koordinierte drei-dimen­ sionale Orientierung von zellulären elektrischen Dipolen. Durch die Erfindung ist eine künstliche Steuerung des Wachstums und der Differenzierung tierischer und pflanz­ licher Strukturen möglich, und zwar durch Modifikation der Dipol-Textur.Because of the spontaneous polarization of the individual cells tissues, organs and organisms also show polar properties. The higher architectural levels (tissues, organs) of the Organisms arise through a coordinated three-dimensional sional orientation of cellular electrical dipoles. The invention is an artificial control of the Growth and differentiation of animal and plant structures possible, by modification the dipole texture.

Damit können biologische Systeme aller Art, also menschliche, tierische und pflanzliche Einzelzellen, sowie Einzeller (u.a. Bakterien, Viren), menschliche, tierische und pflanzliche Gewebe und Organe, desgleichen tierische und pflanzliche Organismen beeinflußt werden.This means that biological systems of all kinds, ie human, animal and plant single cells, as well Protozoa (including bacteria, viruses), human, animal and plant tissues and organs, as well as animal ones and plant organisms are affected.

Unter Wachstumsbeeinflussung gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine künstliche Verstärkung oder Ab­ schwächung 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 will be an artificial reinforcement or Ab weakening of growth and / or differentiation, a standstill of growth and / or differentiation, however also understood an unlimited increase.

Durch die Erfindung können insbesondere Kulturen bio­ technologisch oder biomedizinisch bedeutsamer Einzeller, Ge­ webezellen, Gewebe und Organe mit relativ geringem wirt­ schaftlichem Aufwand hergestellt werden. Außerdem können vorteilhaft Biosensoren hergestellt werden.In particular, cultures can be bio technologically or biomedically important single cell, Ge weave cells, tissues and organs with a relatively low host economic effort are produced. You can also advantageous biosensors are manufactured.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der er­ findungsgemäßen Aufgabenlösung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient embodiments of the task solution according to the invention are in subclaims featured.

Die Dipoltextur in biologischen Systemen kann ver­ ändert werden durch Verwendung von elektrischen Gleich­ strömen oder elektrischen Gleichfeldern, wobei die biolo­ gischen Objekte elektrischen Gleichströmen geeigneter Strom­ stärke oder elektrischen Gleichfeldern durch Verwendung von Elektroden geeigneter Größe und Form ausgesetzt werden, vgl. Ansprüche 4 und 5. Dabei können homogene oder inhomogene Gleichfelder eingesetzt werden. Die Dipolstruktur kann ferner verändert werden durch Körper, Substrate, Materialien, biologische Strukturen oder dergleichen mit definierter elektrischer Oberflächenladung, vgl. Ansprüche 6 bis 8. Die Gleichströme, Gleichfelder und elektrischen Oberflächen­ ladungen können variabel gestaltet werden. Hierdurch ist eine Feineinstellung auf die offenbar sehr differenzierten Ladungsverhältnisse an den Oberflächen menschlicher, tie­ rischer und pflanzlicher Gewebezellen sowie von Einzelzellen (beispielsweise von bestimmten Bakterien oder Viren) möglich. Die Entwicklung von Zellen und Zellorganellen kann wesent­ lich wirkungsvoller gesteuert werden. Eine Anpassung an die jeweiligen Eigenarten der bestimmten Zellart oder eines ganz bestimmten Kultivierungsvorhabens ist optimal durchführbar, indem das Oberflächenpotential von negativen Potentialwerten über das Potential Null bis zu positiven Potentialwerten während eines Kulturverfahrensablaufes jederzeit verändert werden kann. Die Veränderung ist mit Hilfe von Meßgeräten exakt bestimmbar. Die Potentialveränderung kann kontinuier­ lich oder in Stufen erfolgen. Mit dieser Methode ist es mög­ lich, ein Zellkulturverfahren zu optimieren und das erforder­ liche Potentialniveau - auch während des Verfahrensablaufes - jederzeit nach gewünschten Normen exakt zu steuern.The dipole texture in biological systems can be changed by using direct electric currents or direct electric fields, the biological objects being subjected to suitable direct current electric currents or direct electric fields by using electrodes of suitable size and shape, cf. Claims 4 and 5. Homogeneous or inhomogeneous DC fields can be used. The dipole structure can also be changed by bodies, substrates, materials, biological structures or the like with a defined electrical surface charge, cf. Claims 6 to 8. The DC currents, DC fields and surface electric charges can be made variable. This enables a fine adjustment to the apparently very differentiated charge conditions on the surfaces of human, deep and plant tissue cells as well as of individual cells (for example of certain bacteria or viruses). The development of cells and cell organelles can be controlled much more effectively. An adaptation to the particular characteristics of the specific cell type or a very specific cultivation project can be carried out optimally by changing the surface potential from negative potential values over the potential zero to positive potential values at any time during a culture process. The change can be exactly determined with the help of measuring devices. The change in potential can take place continuously or in stages. With this method it is possible to optimize a cell culture process and to precisely control the required level of potential - even during the course of the process - at any time according to the desired standards.

Eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen ist im Anspruch 17 angegeben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen dieser Vorrich­ tung beinhalten die weiteren Ansprüche 18 bis 29.A device for influencing growth, division and differentiation of cells is given in claim 17. Advantageous and practical developments of this Vorrich tion include further claims 18 to 29.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention will now be described with reference to the accompanying 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 device having a plurality of apparatus Vorrich obligations of FIG. 1 for influencing growth, division and differentiation of cells cation,

Fig. 4 schematisch eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen in der Draufsicht, und Fig. 4 schematically shows a third embodiment of a device for influencing growth, division and differentiation of cells in the plan view, and

Fig. 5 schematisch eine zweite apparative Einrichtung mit mehreren Vorrich­ tungen nach Fig. 4 in der Draufsicht. Fig. 5 shows schematically a second apparatus with several Vorrich lines according to Fig. 4 in plan view.

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. Der 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. aus 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 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 a cell culture 5 is located, stands on the, for example, negatively charged, electrode 6 designed as a base plate. This made of metal (eg stainless steel) 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. The contact to the upper conductor layer or to the upper electrode can be realized, for example, 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 stehen 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 parallel switched devices 2 are in the large receptacle 21 made of 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 requires that all Kulturbe containers are loaded with the same test material (for example, 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.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Vorrichtung 40 und eine apparative Einrichtung 42, die eine Vielzahl der Vorrichtun­ gen 40 verwendet. Bei der Vorrichtung 40 bzw. der apparativen Einrichtung 42 werden die Zellkulturen keinem Gleichfeld, sondern einem Gleichstrom ausgesetzt. FIGS. 4 and 5 show an apparatus 40 and a means of apparatus 42 which uses a variety of gene Vorrichtun 40. In the device 40 or the apparatus 42 , the cell cultures are not exposed to a direct field, but rather to a direct current.

Die Vorrichtungen 40 weisen Kulturbehälter 44 beliebiger Größe aus elektrisch isolierendem Material auf. Die Kultur­ behälter können einen rechteckigen oder quadratischen Grund­ riß haben. Die Kulturbehälter 44 werden an zwei gegenüber­ liegenden Wandinnenflächen mit Elektroden 46, 48 (Kathode und Anode) versehen, die an eine Gleichspannungsquelle 50 angeschlossen werden. Der Boden der Kulturbehälter kann neu­ tral sein oder aus einem anorganischen oder organischen Ma­ terial bestehen, welches zwischen den Elektroden in Richtung von einer zur anderen Elektrode permanent polarisiert ist. Anorganische Materialien hierfür sind z.B. das ferroelektrische Lithiumniobat (LiNbO₃) oder der pyroelektrische Turmalin (hier­ von müßten Scheiben parallel zur polaren Z-Achse geschnitten werden). Wird die Bodenfläche des Gefäßes aus mehreren neben­ einanderliegenden Teilstücken eines solchen polaren Materials zusammengesetzt (wie vergleichsweise ein Zimmer-Fußboden aus parallel gefügten Brettern), so ist darauf zu achten, daß die polaren Achsen aller Teilstücke parallel zuein­ ander liegen.The devices 40 have culture containers 44 of any size made of electrically insulating material. The culture containers can have a rectangular or square base. The culture containers 44 are provided on two opposite inner wall surfaces with electrodes 46 , 48 (cathode and anode), which are connected to a DC voltage source 50 . The bottom of the culture container can be neutral or consist of an inorganic or organic material which is permanently polarized between the electrodes in the direction from one electrode to the other. Inorganic materials for this are, for example, the ferroelectric lithium niobate (LiNbO ₃ ) or the pyroelectric tourmaline (here the disks would have to be cut parallel to the polar Z axis). If the bottom surface of the vessel is composed of several adjacent sections of such a polar material (such as, for example, a room floor made of parallel boards), care must be taken that the polar axes of all sections are parallel to each other.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die polare Bodenfläche der Gefäße in Richtung Anode - Kathode mit parallelen Rillen 52 versehen wird (etwa wie bei der pa­ rallelen Ritzung eines optischen Beugungsgitters). Die Rillen bewirken eine Anhäufung der Zellen in den Rillen und eine besonders gute Ausrichtung derselben. Anstelle von Rillen können auch längspolarisierte dünne Stäbchen auf den Boden des Kulturbehälters dicht aneinanderliegend gebracht werden. Solche Stäbchen können beispielsweise aus Kollagenfasern bestehen, die eine relativ starke Längspola­ risation zeigen. Die Richtungswirkung eines schwachen Gleichstromes, der zwischen den Elektroden durch den Kultur­ behälter geleitet wird, kann auf diese Weise durch die Rich­ tungswirkung des polaren Bodenmaterials verstärkt werden.It has proven to be advantageous if the polar bottom surface of the vessels is provided with parallel grooves 52 in the direction of the anode - cathode (for example as in the case of the parallel scratching of an optical diffraction grating). The grooves cause the cells to accumulate in the grooves and align them particularly well. Instead of grooves, longitudinally polarized thin rods can also be placed close to one another on the bottom of the culture container. Such rods can for example consist of collagen fibers, which show a relatively strong longitudinal polarization. The directional effect of a weak direct current, which is passed between the electrodes through the culture container, can be enhanced in this way by the directional effect of the polar soil material.

Wie eine Ausbildung nach den Fig. 4 und 5 im Schnitt aussieht, ist gestrichelt für den Kulturbehälter A in der Fig. 3 eingezeichnet worden.How a design according to FIGS. 4 and 5 looks in section has been drawn in dashed lines for the culture container A in FIG. 3.

Die Vorrichtungen 40 in der apparativen Einrichtung 42 sind parallel geschaltet. Die Parallelkreise weisen einstell­ bare Widerstände Ra, Rb, Rc auf zur Änderung der Stromstärke in den Parallelkreisen. Mit Hilfe von Meßinstrumenten 54 ist die jeweilige Stromstärke meßbar.The devices 40 in the apparatus 42 are connected in parallel. The parallel circuits have adjustable resistances Ra, Rb, Rc for changing the current in the parallel circuits. The respective current strength can be measured with the aid of measuring instruments 54 .

Die Zellen in den Zellkulturen der Vorrichtungen nach den Fig. 4 und 5 müssen immobilisiert werden, um die elektro­ phoretische Wanderung zu verhindern. Dies kann durch Zusatz von Gelatine oder Agar erfolgen.The cells in the cell cultures of the devices according to FIGS. 4 and 5 have to be immobilized in order to prevent the electrophoretic migration. This can be done by adding gelatin or agar.

Bei den immobilisierten lebenden Zellen werden durch den Gleichstrom (in Abhängigkeit von der Richtung und Stärke des Gleichstromes) eine Verstärkung oder Abschwächung der inherenten Dipolmomente verursacht.In the immobilized living cells are through the direct current (depending on the direction and strength of the direct current) an amplification or weakening of the causes inherent dipole moments.

Es ist auch möglich, das inherente Dipolmoment durch einen entsprechend dosierten Gleichstrom auf - Null zu bringen (Neutralisierung des Dipolmomentes). Ebenso ist eine Richtungsänderung oder Richtungsumkehr der Dipolmomente erreichbar, solange der Gleichstrom einwirkt, wobei evtl. mit einer zeitlichen Nachwirkung zu rechnen ist nach Ab­ schaltung des Gleichstromes. Eine dauernde Richtungsum­ kehrung ist evtl. auch erzielbar.It is also possible to pass through the inherent dipole moment  a correspondingly dosed direct current to - zero bring (neutralization of the dipole moment). Likewise a change in direction or reversal of the dipole moments achievable as long as the direct current acts, whereby after-effects are to be expected according to Ab switching the direct current. A constant change of direction Turnaround may also be achievable.

Bei den Einrichtungen nach den Fig. 1, 2 und 4 handelt es sich um solche für die Großfertigung. Die Kulturbehälter selbst können jede Größe und jede Gestalt und Form aufweisen. Als Material für die Kulturbehälter ist Polystyrol besonders gut geeignet.The devices according to FIGS. 1, 2 and 4 are those for large-scale production. The culture containers themselves can have any size and any shape and form. Polystyrene is particularly well suited as a material for the culture containers.

Die Deckelelektrode 8 kann aus einem durchsichtigen Metall­ oxid bestehen. Man kann auch auf eine zusätzliche Deckel­ elektrode verzichten, wenn der Deckel selbst aus einem elektrisch leitenden Glas oder einem durchsichtigen, elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem durchsichtigen Metalloxid, besteht. The lid electrode 8 can be made of a transparent metal oxide. It is also possible to dispense with an additional cover electrode if the cover itself consists of an electrically conductive glass or a transparent, electrically conductive material, for example a transparent metal oxide.

Literaturliterature

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12. ALBERTS, B., BRAY, D., LEWIS, J., RAFF, M. ROBERTS, K., WATSON, JD Molecular Biology of the Cell. Garland Publishing Inc., New York (1983).

Claims (30)

1. Verfahren zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Dipolmomente (die spontane Polarisation) der Zellen hinsichtlich Stärke und/ oder Richtung verändert werden.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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die spontane Polarisation der Zellen in Längsrichtung (strukturelle bzw. morphologische und funktionelle bzw. physiologische Richtung der Zellen) be­ einflußt wird.2. The method according to claim 1, characterized records that the spontaneous polarization of the cells in the longitudinal direction (structural or morphological and functional or physiological direction of the cells) be is influenced. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radiale spontane, etwa senkrecht zur Zellmembran gerichtete Polarisation der Zellen beein­ flußt wird.3. The method according to claim 1, characterized records that the radial spontaneous, approximately perpendicular polarization of the cells directed towards the cell membrane is flowing. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen einem elektrischen Gleichfeld ausgesetzt werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the cells be exposed to a direct electric field. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein elektri­ scher Gleichstrom durch die Zellen geleitet wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 3, because characterized in that an electri shear direct current is passed through the cells.   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zellen in Wirkverbindung mit Körpern, Substraten oder Materialien mit definierter elektrischer Oberflächenladung gebracht werden.6. The method according to any one of claims 1 to 3, since characterized by that the cells in active connection with bodies, substrates or materials brought with a defined electrical surface charge will. 7. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zellen in Wirkverbindung mit biologischen, Oberflächenpotentiale aufweisenden Strukturen (Zellen, Geweben, Zellprodukten, z.B. Kollagen- oder Keratin­ strukturen) gebracht werden.7. The method according to claim 6, characterized records that the cells are in active connection with biological structures with surface potential (Cells, tissues, cell products, e.g. collagen or keratin structures). 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zellen in Wirkverbindung mit einer ein Oberflächenpotential auf­ weisenden Membran aus natürlichen oder synthetischen Polymeren gebracht werden.8. The method according to any one of claims 1 to 3, because characterized by that the cells in active connection with a surface potential pointing membrane made of natural or synthetic Polymers are brought. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lebende Nervenzellen mit ihren Axonen mit Hilfe elektrischer Gleich­ felder oder elektrischer Gleichströme parallel ausge­ richtet werden.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that living Nerve cells with their axons using electrical DC fields or electrical direct currents in parallel be judged. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bio­ logische Molekülaggregate oder Moleküle mit pyroelektri­ schen und piezoelektrischen Eigenschaften (beispielsweise von Mikrotubuli, Aktinfilamenten oder Neurofilamenten) oder polare Zellen parallel ausgerichtet werden mit Hilfe von elektrischen Gleichfeldern oder elektrischen Gleichströmen.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that bio logical molecular aggregates or molecules with pyroelectri and piezoelectric properties (for example of microtubules, actin filaments or neurofilaments) or polar cells are aligned in parallel with With the help of constant electrical fields or electrical DC currents. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gleich­ strom, Gleichfeld und elektrisches Oberflächenpotential variierbar sind. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that equal current, constant field and electrical surface potential are variable.   12. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung unbegrenzt teilungsfähiger Zellen oder Gewebe.12. Application of the method according to one of the preceding Claims for the production of unlimited divisible cells or tissue. 13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Kulturen biotechnologisch oder biomedizinisch bedeutsamer Einzeller (beispielsweise von bestimmten Bakterien oder Viren).13. Application of the method according to one of claims 1 to 11 for the production of cultures biotechnologically or biomedically important unicellular organisms (e.g. from certain bacteria or viruses). 14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Kulturen von biotechnologisch oder biomedizinisch bedeutsamer Gewebezellen.14. Application of the method according to one of claims 1 to 11 for the production of cultures of biotechnological or biomedically important tissue cells. 15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Kulturen von biotechnologisch oder biomedizinisch bedeutsamer Gewebe oder Organe.15. Application of the method according to one of claims 1 to 11 for the production of cultures of biotechnological or biomedically important tissues or organs. 16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Steuerung der Enzym- oder Hormonproduktion von Zellen, Geweben oder Organen.16. Application of the method according to one of claims 1 to 11 to control enzyme or hormone production of cells, tissues or organs. 17. Vorrichtung zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen, mit einem Kulturbehälter zur Aufnahme einer Zellkultur, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der aus nichtleitendem Material bestehende Kulturbehälter (4) im Bereich der Feldlinien zweier an eine einstellbare Gleichspannungs­ quelle (9) angeschlossener Elektroden (6, 8; 14, 16) an­ geordnet ist.17. Device for influencing growth, division and differentiation of cells, 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 connected to an adjustable DC voltage source ( 9 ) Electrodes ( 6 , 8 ; 14 , 16 ) is arranged on. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine Elektrode (6) als Bodenplatte zur Aufnahme des Kulturbehälters (4) und die andere Elektrode (8) als Deckplatte für den Deckel des Kulturbehälters ausgebildet ist. 18. The apparatus according to claim 17, 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 cover of the culture container. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckelelektrode (8) aus einem durchsichtigen, leitenden Material besteht.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the cover electrode ( 8 ) consists of a transparent, conductive material. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrode als dünne Be­ schichtung des Deckels ausgebildet ist.20. The apparatus according to claim 19, characterized ge indicates that the electrode as a thin Be Layering of the lid is formed. 21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kulturbehälter auf der einen Elektrode (14) einer nach Art eines Plattenkonden­ sators ausgebildeten Elektrodenanordnung (14, 16) ange­ ordnet ist.21. The apparatus according to claim 17, characterized in that the culture container on the one electrode ( 14 ) is arranged in the manner of a plate capacitor capacitor arrangement ( 14 , 16 ) is arranged. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fläche der plattenförmigen Elektroden etwa der Fläche des Kultur­ behälters entspricht.22. Device according to one of claims 17 to 21, there characterized by that the area of the plate-shaped electrodes approximately the area of the culture corresponds to the container. 23. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Kulturbehälter (44) zwei an die Gleichspannungsquelle (50) angeschlossene Elektroden (46, 48) angeordnet sind, die in die Zellenkultur (5) ein­ tauchen, in der die Zellen durch geeignete Zusätze, wie Gelatine oder Agar, immobilisiert sind.23. The device according to claim 17, characterized in that in the culture container ( 44 ) two to the DC voltage source ( 50 ) connected electrodes ( 46 , 48 ) are arranged, which are immersed in the cell culture ( 5 ) in which the cells by suitable Additives such as gelatin or agar are immobilized. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektroden ganzflächig auf den Innenflächen zweier gegenüberliegender Wände des Kulturbehälters angeordnet sind.24. The device according to claim 23, characterized ge indicates that the electrodes cover the entire surface on the inner surfaces of two opposite walls of the Culture containers are arranged. 25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden des Kulturbehälters aus anorganischem oder organischem Material (z.B. Lithium­ niobat oder pyroelektrischem Turmalin) besteht, das zwischen den Elektroden in Richtung von einer zur anderen Elektrode permanent polarisiert ist.25. The device according to claim 23, characterized ge indicates that the bottom of the culture container made of inorganic or organic material (e.g. lithium niobate or pyroelectric tourmaline) that exists between  the electrodes from one electrode to the other is permanently polarized. 26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden des Kulturbehälters zwischen den Elektroden in Richtung von einer zur anderen Elektrode mit Rillen (52) versehen ist oder in dieser Rich­ tung mit dünnen, längs polarisierten Stäbchen (beispiels­ weise aus Kollagenfasern oder aus Lithiumniobat belegt ist.26. The apparatus according to claim 23, characterized in that the bottom of the culture container between the electrodes in the direction from one to the other electrode is provided with grooves ( 52 ) or in this direction with thin, longitudinally polarized rods (example, from collagen fibers or made of lithium niobate. 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem Auf­ nahmebehälter (21) aus nichtleitendem Material eine Vielzahl von gegenseitig durch Abschirmungen (30) abgeschirmte Kultur­ behälter (4) angeordnet sind, an deren Elektroden (6, 8; 14, 16; 46, 48) veränderliche Gleichspannungen anlegbar sind.27. The device according to one of claims 17 to 26, characterized in that in a receiving container ( 21 ) made of non-conductive material, a plurality of mutually shielded by shields ( 30 ) culture containers ( 4 ) are arranged, on the electrodes ( 6 , 8 ; 14 , 16 ; 46 , 48 ) variable DC voltages can be applied. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrodenpaare der Kultur­ behälter parallel geschaltet und an eine gemeinsame Spannungs­ quelle angeschlossen sind, und daß in jedem Parallelzweig veränderliche Widerstände (R 1 bis R 5; Ra, Rb, Rc) zur Ein­ stellung des Potentials und damit der Feldstärke zwischen den Elektroden sowie der Stromstärke vorgesehen sind.28. The apparatus according to claim 27, characterized in that the pairs of electrodes of the culture container are connected in parallel and connected to a common voltage source, and that in each parallel branch variable resistors ( R 1 to R 5 ; Ra, Rb, Rc ) to one Position of the potential and thus the field strength between the electrodes and the current strength are provided. 29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusätzlich Meßinstrumente zur Messung der Spannung über den Elektroden bzw. zur Messung der Stärke des die Kulturbehälter durchfließenden Gleichstromes vorgesehen sind.29. The device according to claim 28, characterized ge indicates that additional measuring instruments for measuring the voltage across the electrodes or for Measurement of the strength of the culture container flowing through it Direct current are provided. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß der Deckel (3) oder die Elektrode (8) aus einem durchsichtigen Metalloxid besteht oder daß der Deckel oder ein Teil des Deckels aus einem elektrisch leitenden Glas besteht.30. Device according to one of claims 17 to 20, characterized in that the lid ( 3 ) or the electrode ( 8 ) consists of a transparent metal oxide or that the lid or part of the lid consists of an electrically conductive glass.