DE3038255A1 - Verfahren und vorrichtung zur pruefung von biologischen wirkungen physikalischer und/oder chemischer agenzien - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von
• biologischen wirkungen physikalischer und/ oder chemischer Agenzien.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von biologischen Wirkungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive, durch Bestimmung der ultraschwachen Photonenemission, insbesondere wm Ultrarot- bis Ultraviolett- Spektralbereich, wobei die Photonenhäufigkeit und deren zeitlicher Verlauf (Photonenstatistik) als Meßgröße bestimmt wird, vorzugsweise zur in vitro Prüfung von Substanzen auf mögliche zellschädigende bzw. zellregenerierende Wirkungen.
• Die bisher bekannten Verfahren zur Prüfung der Wirkungen von physikalischen oder chemischen Agenzien beruhen entweder darauf, daß Zellkollektive in einem in vitro Test oder in natürlich vorkommenden Organismen, z.B. an Pflanzen oder Versuchstieren im in vivo Test, unter definierten Bedingungen, dem zu prüfenden Agens ausgesetzt werden. Unter Berücksichtigung der statistischen Verteilung werden Dosis- Effekt- Kurven ermittelt, die die Abhängigkeit zwischen der Dosis des verabreichten Agens und dem Parameter des untersuchten Objekts, wie z.B. der Mutationsrate oder der Zahl koloniebildungsfähiger Zellen bei Kulturen, dem Blutdruck, der Pulsfrequenz oder der Überlebenszahl von Versuchstieren aufzeigen. Aufgrund der statistisch bewerteten Meßergebnisse lassen sich Schlüsse hinsichtlich zellschädigender oder zellregenerierender Wirkungen bestimmter Agenzien, wie Strahlung, chemischer Stoffe oder dgl. ziehen.
• Die Durchführung derartiger Tests erfordert wegen der großen biologischen Streuungsbreite einen erheblichen Aufwand. Die Zulässigkeit der Anwendung dieser Testuntersuchungen ist dabei von Fall zu Fall unterschiedlich theoretisch fundiert und gerechtfertigt. Letztlich entscheidet der vorher nicht mit Sicherheit vorhersehbare Erfolg der Maßnahmen, die aus solchen Untersuchungen abgeleitet werden, über die Zuverlässigkeit der Methode im Einzelfall.
• Die Erfindung gebt von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren zur Prüfung von biologischen Wir-Kungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive zu schaffen. Der Begriff "Agenzien" soll dabei sowohl Strahlungen bzw. Schwingungen in allen Frequenzbereichen, als auch anorganische und organische chemische Stoffe bzw. Stoffgemische und Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen einschlie3en.
• Das Kennzeichnende der windung ist darin zu sehen, daß die ultraschwache Photonenemission und die Photonenstatistik des gesunden bzw. des sterbenden Zellkollektivs ohne das Agens ermittelt wird, daß die Photonenemission nach Einwirkung des Agens als nhotonenstatistik ermittelt wird, und daß die Beurteilung des Agens hinsichtlich seines schädigenden oder regenerierenden Einflusses danach erfolgt, ob sich die PLlotonenemission im Sinne eines gesunden Zellkollektivs oder eines erkrankten bzw. sterbenden Zellkollelctivs ändert.
• Aus der Veröffentlichung "Elektromagnetic Bio-Information" von F.A. Popp, G. Becker, E.L. König; W. Peschka, Edts., Urban & Schwarzenberg, München-Baltimore 1979 ist es bekannt, daß biologische Systeme, insbesondere lebende Zellen, eine ultraschwache Lichtstrahlung emittieren, die von verschiedenen Umgebungseinflüssen abhängt.
• Das Vorhandensein einer solchen ultraschwachen Photonenemission wird bei dem vorliegenden Meßverfahren als Grundlage vorausgesetzt, welches die Wirkung von Agenzien aus ihrem Einfluß auf die Photonenemission biologischer Systeme ableitet und mit dem Verhalten ungestörter Systeme bzw. absterbender Systeme vergleicht.
• Im Prinzip kann diese Prüfung mit jeder Form eines Zellkollektivs, insbesondere mit einer Zellkultur, aber auch mit einer Testpflanze oder mit einem Versuchstier ausgeführt werden. Da die ultraschwache Photonenstrahlung durch den Einfluß der Prüfsubstan- zen charakteristisch verändert wird, lassen sich aus den Messungen vor und während der Einwirkung der Prüfsubstanz u.U. wertvolle Schlüsse auf den Wirkungsmechanismus und die generelle Wirksamkeit der- Agenzien ziehen. Anstelle der bisher üblichen Dosis- Effekt- Kurven treten Diagramme, in denen gegebenenfalls vorteilhaft der spektral unterteilte zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Strahlung, sowie charakteristische Parameter der Photonenstatistik wie z.B. faktorielle Momente, Kumulanten etc. in Abhängigkeit von der Dosis der verabreichten Substanz bzw. der Stärke des applizierten physikalischen Agens,z,B. einer Wärmestrahlung, dargestellt werden. Die so erhaltenen Diagramme werden nach Intensität und nach den verschiedenen möglichen Kohärenzmaßen der Photonenstatistik (vgl.
• R.J. Glauber, Quantum Optics, Academic Press NY London, 1969) ausgewertet. Diese Methode kann gegeijenenfalls zweckmäßig modifiziert werden durch definierten Einsatz weiterer äußerer Einwirkungen, z.B. zusätzlicher Lichteinstrahlung bestimmter Wellenlänge oder durch die zusätzliche Einwirkung von entsprechenden elektrischen und/oder magnetischen Feldern.
• Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann so aufgebaut sein, daß ein für die ultraschwache Photonenstrahlung durclässiges Probengefäß vorgesehen ist, an dessen Austrittsfläche der Strahlung sich ein Photonensensor befindet, welcher eine wesentliche Nachweisempfindlich;eu. für Photonenstrailung zwischen 10 000 nm und 200 nm aufweist, und daß die Ausgangsgröße des Sensors durch einen Meßverstärker verstärkt wird, der mit einem schreibenden und/oder anzeigenden Meßgerät in Verbindung steht.
• Im einzelnen haben sich z.B. Alkalimetalle und einige aus mehreren Elementen zusammengesetzte Stoffe, wie Na, K, Cs, Sb, ... als geeignete Nachweissubstanzen erwiesen. Bei dem Meßverstärker wird zweckmäßig eine an sich bekannte Ausführung, beispielsweise in der Form eines Photomultipliers mit einem Verstarkungsfaktor V>106 verwendet.
• Nachfolgend sollen zwei Ausführungsbeispiele des neuen Prüfverfahrens beschrieben werden.
• Ausführungsbeispiel I Bei karzinogenen Stoffen wird nach dem bekannten Stande der Technik unterstellt, daß Funktionen angesprochen werden, die nicht unbedingt von der Art des untersuchten biologischen Systems abhängig sind.
• Im allgemeinen ist die Karzinogenität eines Stoffes molekülspezifisch und damit nicht von der Art des betroffenen biologischen Systems abhängig. Die gleiche Betrachtung gilt auch für die Nutagenität.
• Zwischen tierischen und pflanzlichen Tumoren bestehen zunächst keine faßbaren prinzipiellen Unterschiede.
• Zur Prüfung der Karzinogenität einer Substanz genügt es deshalb im allgemeinen auf ein Zellkollektiv in Form einer Testpflanze zurückzugreifen, die eine besonderes ausgeprägte und gut meßbare Photonenemission aufweist. Dies gilt beispielsweise für Gurkenkeime.
• Unter vergleichbaren Bedingungen werden die Keime einerseits mit bekannten, nicht karzinogenen Substanzen, ähnlicher molekularer Konfiguration, und andererseits mit der Prüfsubstanz, deren Karzinogenität zu testen ist, behandelt. In beiden Fällen wird die Gesamtintensität der ultraschwachen Photonenstrahlung in bestimmter Spektralverteilung untersucht.
• Ändert sich die Photonenstatistik p(nT), die angibt, mit welcher Häufigkeit n Photonen (n = 1, 2, 3 ..) in einem vorgegebenen eßzeitintervall T emittiert werden, bei der Prubstanz weniger stark in Richtung zunehmender Inkohärenz der Strahlung im biologischen System, als bei der nicht karzinogenen Vergleichssubstanz, dann kann durch Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Photonenstatistik auf nicht karzinogene Eigenschaften der Prüfsubstanz geschlossen werden. Umgekehrt muß bei genau festlegbaren Tnkohärenzkriterien mit der karzinogenen Wirkung der Prüfsubstanz gerechnet werden.
• AusführunhtsUeispiel Ii Es soll ein Gegengift für ein bestimmtes Zellgift in vitro d. h. außerhalb des menschlichen Körpers (aufgefunden werden. Wie bekannt, induziert die Giftwirkung im allgemeinen eine drastische Erhöhung der Photonenemission um den Faktor 1 000 und mehr.
• Dies entspricht dem in der eingangs angegebenen Literaturstelle Popp, Becker, König nachgewiesenen Anstieg der Photonenemission einer absterbenden Zelle.
• Mögliche Antagonisten der Giftwirkung sind somit alle Stoffe, die diesen extrem starken Anstieg der Emission ultraschwacher Photonen verhindern.
• Im oberen Tei von Figur 1 ist der Verlauf der Photonenemission von Gurkenkeimen als Photonenzählrate PZR dargestellt, die zu dem angegebenen Zeitpunkt mit dem Zellgift Heparin behandelt wurden. Unmittelbar nach der Zugabe von Heparin nimmt die Stahlenemission zunächst ab, um dann nach mehreren Stunden mit immer deutlicher werdenden Fluktuationen anzusteigen, bis nach etwa i1 Stunden ein maximaler Anstieg erreicht wird, der durch stetigen Abfall bis auf Null den Tod des Zellverbandes ankündigt.
• Wie Figur 1 in ihrem unteren Teil erkennen läßt, wird dieser Verlauf durch den Antagonisten Protamin verinnert. Unmittelbar nach Protaminzugabe, die etwa 30 Minuten nach der Gifteinwirkung erfolgt, zeigt sich zunächst zwar ein spontaner Anstieg der Photonenemission, der aber nach kurzer Zeit in einen Kurvenverlauf übergeht, der für gesunde Keime charakertistiscl ist.
• Figur 2 erläutert in einfacher chematischer Darstellung die benutete, erfindunesilnäße Meßvorrichtug. Man erkennt ein Probeaufnahmegefäß 1 aus Quarzglas, in dem die zu untersuchende Zellkultur untergebracht wird.
• Vor seiner Austrittsfläche befindet sich ein Photonensensor 2 in Form einer Photokathode. Die Ausgangsgröße des Sensors wird über einen Meßverstärker 3 einem Meßgerät 4 zugeführt.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Prüfung von biologischen Wirkungen physikalischer und/oder chemischer Agenzien auf Zellkollektive, durch Bestimmung der ultraschwachen Photonenemission, insbesondere vom.

   Ultrarot- bis Ultraviolett- Spektralbereich, wobei die Photonenhäufigkeit und deren zeitlicher Verlauf als Meßgröße bestimmt wird, vorzugsweise zur in vitro Prüfung von Substanzen auf mögliche zellschädigende bzw. regenerierende Wirkungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß die ultraschwache Photonenemission und die Photonenstatistik des gesunden oder des erkrankten bzw. sterbenden Zellkollektivs ohne dag Agens ermittelt wird, daß die Photonenemission nach Einwirkung des Agens als Photonenstatistik ermittelt wird, und daß die Beurteilung des Agens hinsichtlich seines schädigenden oder regenerierenden Einflusses danach erfolgt, ob sich die Photonenemission im Sinne eines gesunden Zellkollektivs oder eines erkrarzkten bzw. sterbenden Zellkollektivs ändert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß vor der Aufnahme der Photonenstatistik unter Einfluß des zu prüfenden Agens eine Photonenstatistik unter der Einwirkung eines anderen Agens von bekannter Wirkung aufgenommen wird, und daß zur Beurteilung des Prüfergebnisses beide Photonenstatistiken vergleichen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei einem auf seine karzinogenen Eigenschaften zu prüfenden chemischen Stoff eine erste Photonenstatistik mit einem nicht karzinogenen Stoff von chemisch ähnlichem Strukturaufbau ermittelt wird, daß eine zweite Photonenstatistik mit dem zu prüfenden Stoff aufgenommen wird und daß beide Photonenstatistiken miteinander unter dem Gesichtspunkt der Inkohärenz der Strahlung verglichen werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die ultraschwache Photonenemission als Photonenstatistik in verschiedenen Spektralbereichen gemessen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennze ichnet, daß während der Messung der ultraschwachen Photonenemission zusätzlich auf das Zellkollektiv ein magnetisches und/oder elektrisches Feld einwirkt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Messung der ultraschwachen Photonenemission zusätzlich eine Lichtstrahlung von definierter Wellenlänge auf das Zellkollektiv einwirkt.
7. 7. Vorrichtung zur Durdhführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis C, d a d u r c h gekennzeichnet, daß ein für ultraschwache Photonenstrahlung durchlässiges Probengefäß vorgesehen ist, daß sich an dessen Austrittsfläche der Strahlung ein Photonensensor befindet, welcher eine wesentliche Nachweisempfindlichkeit in dem zu untersuchenden Strahlungsbereich auf weist, und daß die Ausgangsgröße des Sensors durch einen Meßverstärker verstärkt wird, der mit einem schreibenden und/oder anzeigenden Meßgerät in Verbindung steht.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß als Sensor zum Nachweis der Photonenstrahlung eine Photokathode verwendet wird.