Pulsing Electromagnetic Fields Induce Cellular Transcription
Reba Goodman; C. Andrew L Bassett; Ann S. Henderson
In: Science, vol. 220, pp. 1283-1285, Juni 1983
Grundlegende zelluläre Vorgänge wie Wachstum, Differenzierung ( Anmerkung des Übersetzers: Entstehung der unterschiedlichen Zelltypen in einem Lebewesen ), Dedifferenzierung und Reparaturvorgänge wurden durch schwachen Gleichstrom beeinflusst. Durch schwache gepulste elektromagnetische Felder im Gewebe hervorgerufene elektrische Ströme sind ebenfalls bei der Regeneration und der Reparatur biologisch aktiv. Neuerdings wurde gezeigt, daß die wiederholte Pulsfolge ( pulse train, PT ) große Bedeutung in der Medizin bei der erfolgreichen Behandlung von nicht heilenden Knochenbrüchen hat, während der wiederholte Einzelpuls ( single pulse, SP ) sich günstig auf avaskuläre Nekrose ( Anmerkung des Übersetzers: Absterben des Knochengewebes als Folge von Mangeldurchblutung ) und Osteoporose auswirkt. Diese unterschiedlichen Wirkungen scheinen von den spezifischen Parametern der Wellenform des verwendeten Pulses und des asymmetrisch hervorgerufenen pulsierenden Gleichstroms abzuhängen. Diese elektrischen Parameter könnten zum Teil durch die passiven elektrischen Eigenschaften des betreffenden Gewebes bestimmt sein.
Wir haben die Hypothese untersucht, daß körperfremde gepulste elektromagnetische Felder einzelne zelluläre Vorgänge auslösen, in dem wir Änderungen in den normalen RNA Transkriptionsmustern der Chromosomen der Speicheldrüse des zweiflügligen Insekts Sciara coprophilia untersucht haben. (...) Normale Transkriptionsmuster der Chromosomen der Speicheldrüsen dieses Organismus während der Zelldifferenzierung sind durch Transkriptionsautoradiographie erforscht ( Anmerkung des Übersetzers: Bei der Autoradiographie werden radioaktive Stoffe verwendet, die in den Organismus eingebaut werden. Wenn nun Teile des Organismus auf Photopapier oder Film gebracht werden, schwärzt sich das Papier oder der Film an den Stellen, an denen Strahlung auftritt. So kann festgestellt werden, an welcher Stelle die entsprechenden Stoffe eingebaut wurden. ). Man kann also die Transkription auf zellulärer Ebene beobachten. (...)
Vollständige Speicheldrüsen ( die an den Larvenkörpern hingen ) in Nährmedium wurden für unterschiedliche Zeiten ( 5 bis 90 Minuten ) gepulsten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt. (...) Die Wellenform und andere Charakteristiken der Felder sind in Bild 1 wiedergegeben.
Bild 1: Hauptsächliche Wellenform der SP und PT Stimulationspulse ( Biosteogen system 204, Electro-Biology, Inc. ). Die Pulsamplitude (...) entsprach 1,5 Millivolt pro Zentimeter an der Knochenoberfläche. Die Speicheldrüsen wurden dem gepulsten elektromagnetischen Feld (...) zwischen zwei 10 cm mal 10 cm Helmholtz Hilfsspulen ausgesetzt, die ein durchschnittliches magnetisches Feld parallel zum Boden der ( verwendeten Petri- ) Schalen lieferten. Die Spulen waren vertikal angeordnet. Die Änderungsrate des magnetischen Feldes (...) betrug ungefähr 0,1 Gauss pro Mikrosekunde für PT und 0,05 Gauss pro Mikrosekunde für SP. Die durch diskrete Fourier Transformationen erhaltenen Frequenzanteile der beiden Pulse unterscheiden sich deutlich.
Die Transkription wurde auf drei Arten gemessen. (...) Diese Messungen zeigten bei jeder Pulsform charakteristische Änderungen der Transkription. Verschiedene Größenklassen der RNA wurden durch die beiden Pulsformen unterschiedlich beeinflusst. Weiterhin unterschieden sich die Einflüsse unterschiedlich langer Einwirkung bei beiden Pulsformen. Das Transkriptionsautoradiogramm einer Zelle (...) die einem SP Feld für 45 Minuten ausgesetzt war ( A ) wird in Bild 2 mit einem Kontrollautoradiogramm ( B ) verglichen. Das nach 15 Minuten Einwirkung des SP Feldes gefundene Muster der Einlagerung radioaktiv markierter Atome stimmte fast mit dem nach 45 Minuten Einwirkung gefundenen Muster überein. Bei 15 und bei 45 Minuten verursachte der SP Puls eine ausgeprägte und spezifische Zunahme der RNA Transkription in den meisten der Bänder und Zwischenbänder der Chromosomen. Bei 30 Minuten Einwirkung war die Transkription gering ( und entsprach ungefähr der des Kontrollversuchs ohne Pulseinwirkung ). (...) Bild 2 C zeigt ein Zellpräparat nach Nick Translation ( Anmerkung des Übersetzers: Verfahren zur Kopie der DNA bei dem radioaktiv markierte Moleküle in die Kopie eingebaut werden. ). Die Speicheldrüsen wurden 45 Minuten mit SP stimuliert. Im Vergleich zum Transkriptionsautoradiogramm kann man bei den nach dem nick translation Verfahren behandelten Chromosomenpräparaten spezifischere "hot spots" ( Anmerkung des Übersetzers: Punkte mit erhöhter Strahlung durch stärkere Einlagerung von radioaktivem Material ) erkennen.
Das Ergebnis der Einwirkung des PT Feldes für eine Zeit von 45 Minuten auf die Zellen wird in den Bildern 2 D bis F mit dem Kontrollversuch ohne Einwirkung des Feldes verglichen. Diese Pulsform führte zu einer gleichmäßigen Zunahme der Transkription während des Verlaufs der 45 Minuten. Selbst nach 45 Minuten Einwirkung zeigten die Transkriptionsautoradiogramme von Chromosomen die dem PT Feld ausgesetzt waren eine viel geringere Markierung als die Autoradiogramme von Chromosomen die dem SP Feld ausgesetzt waren. Sie waren aber stärker markiert als die nicht behandelten Kontrollpräparate. Nach der Anwendung des Verfahrens der nick translation wurden einige besonders aktive Regionen entdeckt. Sie traten besonders nach einer Einwirkung der beiden Felder von 45 Minuten hervor ( Bilder 2 C und E ) (Anmerkung des Übersetzers: Aus dem übrigen Text und den Bildunterschriften ergibt sich, daß es sich um die Bilder C und F handelt). Kontrollversuche ( hier nicht wiedergegeben ) waren nicht von den Kontrollversuchen die in den Bildern 2 B und E wiedergegeben sind zu unterscheiden. Die Wirkung beider Pulsformen verringerte sich allerdings nach einer 60 Minuten dauernden Einwirkung.
Bild 2
(A) Transkriptionsautoradiogramm von Speicheldrüsenchromosomen von Zellen (...) nach der Einwirkung von SP für 45 Minuten. Starke Markierung vor allem auch auf Chromosomenbändern und Zwischenbändern ( Pfeile ). Römische Zahlen geben die Nummern der Chromosomen wieder. (...)
(B) Transkriptionsautoradiogramm von Kontrollchromosomen der Speicheldrüsen (...) ohne Einwirkung von SP Pulsen. Die relativ wenigen Körner sind nach einem Zufallsmuster verteilt. (...)
(C) Zellpräparat von Chromosomen der Speicheldrüse nach der Einwirkung von SP für 45 Minuten und Behandlung mit dem nick translation Verfahren. (...) Die Pfeile zeigen die transkriptiv aktiven Bereiche ( hot spots ). (...)
(D) Transkriptionsautoradiogramm der Speicheldrüsenchromosomen von Zellen nach der Einwirkung von PT für 45 Minuten. Das allgemeine Muster der Markierung an den Chromosomenbändern und Zwischenbändern ist weniger intensiv und ausgeprägt als bei dem in Bild (A) gezeigte Muster. Spezifische Abweichungen sind durch Pfeile markiert. (...)
(E) Transkriptionsautoradiogramm von Kontrollchromosomen der Speicheldrüsen ohne Einwirkung von PT. (...)
(F) Zellpräparat von Chromosomen der Speicheldrüsen die mit PT für 45 Minuten stimuliert wurden nach der Anwendung der nick translation. Die DNA war ( radioaktiv ) (...) markiert und für das Autoradiogramm vorbereitet. Hot Spots werden durch die Pfeile markiert. (...)
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Direkte Saccharose Verteilungsanalyse der RNA bestätigten die Ergebnisse der Transkriptionsautoradiographie. Wenn auch eine Vervierfachung der gesamt RNA nach 15 und 45 Minuten Einwirkung des SP Feldes auf die Speicheldrüse gefunden wurde, so nahm die Boten-RNA ( mRNA ) um das 11fache zu ( Bild 3 A ). Nach 45 Minuten überstieg die Menge der mRNA den Wert der mRNA im Kontrollversuch um das 13fache ( Bild 3 B ). In den Zellen die dem PT Puls ausgesetzt waren entsprach die Menge aller RNA Arten nach 15 Minuten der Menge in den Kontrollversuchen. Danach kam es bis zu einer Einwirkungszeit von 45 Minuten zu einem linearen Anstieg bei den verschiedenen Größenklassen der mRNA. Nach 45 Minuten hatten alle Größenklassen der mRNA in der Menge zugenommen ( Bild 3 B ).
Bild 3 ( Anmerkung des Übersetzers: Die einzelnen Balken des Diagramms entsprechen den unterschiedlichen Größenklassen der entstandenen mRNA. Die Länge der Balken gibt die Gesamtradioaktivität der jeweiligen mRNA Größenklasse wieder die ja von der jeweils entstandenen Menge der mRNA abhängt. Erkennbar sind die Unterschiede in der Stärke der jeweiligen Gesamtradioaktivität, also der Menge der entstandenen mRNA bei unterschiedlicher Pulsform )
Die Herbeiführung von RNA Synthese durch zeitabhängige Einwirkung von gepulsten elektromagnetischen Feldern wurde durch drei unterschiedliche Methoden nachgewiesen. Verschieden Pulscharakteristiken verursachen allerdings Unterschiede in den qualitativen und quantitativen Mustern der RNA Synthese. (...)
Es ist angebracht darüber nachzudenken, ob diese Ergebnisse mit den Ergebnissen von klinischen Untersuchungen in Übereinstimmung gebracht werden können, in denen das Knochensystem gepulsten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt war. Wenn die Transkription von der Verfügbarkeit von Ca++ abhängt, was durch unsere früheren Untersuchungen nahegelegt wird, könnte das die Art und Weise der Wirkung von SP und PT Pulsen sowohl auf molekularer als auch auf klinischer Ebene beeinflussen. Pulsfolgen werden in der Medizin verwendet um die Menge des zellulären Kalziums zu vergrößern und den Einbau von Kalzium in Knorpelfasern bei schlecht heilenden Brüchen auszulösen. Andererseits verringern einzelne Pulse die Menge des zellulären Kalziums in Knorpelzellen und stimulieren die Zunahme der Knochendichte von Patienten mit Osteoporse und avaskulärer Nekrose. Es ist möglich, daß gepulste elektromagnetische Felder eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten bei anderen Arten von zellulären Funktionsstörungen finden werden. Unsere Untersuchung unterstützt die Hypothese, daß gepulste elektromagnetische Felder spezifische Änderungen normaler Zellfunktionen verursachen. Mindestens ein Effekt kann direkt mit der Auslösung der Transkription in Verbindung gebracht werden.