Neuritenwachstum und elektrische Aktivität in PC-12-Zellen: Auswirkungen von H3-Rezeptor-inspirierten elektromagnetischen Feldern und inhärenten Schumann-Frequenzen.

Die Auswirkungen von elektromagnetischen Feldern (EMF) auf Zellen sind vielfältig und variieren je nach Art des EMF. Es wurde nachgewiesen, dass zelluläre Prozesse wie Apoptose, Zellregulation und Zellproliferation durch ein externes EMF beeinflusst werden. Neuere Forschungen haben auch untersucht, wie spezifische elektromagnetische Umgebungen die Geweberegeneration und Wundheilung durch Modulation von Zellwachstum und -differenzierung verbessern können. Hier wollten die Autoren herausfinden, ob physiologisch gemusterte EMF die Wachstumsprozesse von PC-12-Zellen der Ratte in vitro fördern können. PC-12-Zellen werden aufgrund ihrer Fähigkeit, sich in neuronenähnliche Zellen zu differenzieren, häufig in der neurowissenschaftlichen und zellbiologischen Forschung eingesetzt. Die Forschungsgruppe der Autoren hat zuvor gezeigt, dass die Anwendung von physiologisch gemusterten EMF das Wachstum von Neuriten in PC-12-Zellen in vitro induzieren kann. In Bezug auf Wachsein und Erregung wurde der tuberomammilläre Kern (TMN) des hinteren Hypothalamus aufgrund der Anwesenheit histaminerger Neuronen mit der Bewerkstelligung dieser Funktionen in Verbindung gebracht. Es wurde bereits wiederholt gezeigt, dass die Regulierung von Schlaf und Wachsein stark von den H1- und H3-Rezeptoren des TMN beeinflusst wird. Die Stimulierung des H1-Rezeptors führt zu Wachsein und die Blockierung des Rezeptors fördert den Schlaf, während die Blockierung des H3-Rezeptors zu verstärktem Wachsein führt. Obwohl es einige Hinweise darauf gibt, dass EMF zur Beeinflussung kortikaler Schaltkreise eingesetzt werden können, gibt es in diesem Bereich noch viel zu erforschen. Dies gilt auch für die Frage, ob EMF Wirkungen auf spezifische subkortikale Rezeptoren, wie den H3-Rezeptor, hervorrufen können. Mehrere Studien haben das Vorhandensein des H3-Rezeptors in PC-12-Zellen der Ratte nachgewiesen, was sie zu einem geeigneten Modell für diese Studie macht. In diesem Experiment entwickelten die Autoren einen neuartigen EMF-Typ, der auf dem H3-Rezeptor basiert, und setzten PC-12-Zellen diesem physiologisch gemusterten EMF oder einem Sinuswellen-EMF aus, während sie gleichzeitig elektrophysiologische Messungen an den Zellen aufzeichneten. Die Verbindung zwischen Histamin, EMF und Neuritenwachstum steht im Mittelpunkt dieses Projekts. In diesem Experiment wollten die Autoren herausfinden, ob physiologisch gemusterte EMF (nach dem Vorbild des H3-Rezeptors) einen Einfluss auf das Neuritenwachstum haben und ob eine inhärente elektrische Aktivität auf die Differenzierung von PC12-Zellen hinweist.

Für die Kultivierung von PC-12-Zellbeständen wurde ein RPMI-1640-Medium verwendet.
Das Muster des EMF basierte auf der Aminosäuresequenz des Histamin-3-Rezeptors, die 445 Aminosäuren lang ist. Jede Aminosäure der Sequenz wurde dem entsprechenden Pseudopotential der Elektron-Ionen-Wechselwirkung (EIIP-Wert) zugeordnet, wie in der Arbeit von Irena Cosic gezeigt. Das heißt, die Aminosäuresequenz wird in eine numerische Sequenz oder Melodie verwandelt. Die numerische Sequenz wird anschließend mithilfe der diskreten Fourier-Transformation (DFT) in den Frequenzbereich transformiert und ergibt das EMF-Muster, das eine komprimierte Form der ursprünglichen Sequenz darstellt.
Je zwei Kulturplatten mit Zellen (pro Versuchsbedingung) wurden übereinander gestapelt und in der Mitte eines mit isoliertem Kupferdraht umwickelten Plastikbehälters – einer speziell angefertigten Helmholtz-Spule – platziert. Das Expositionsgerät wurde dann an einen Computer (Zenith) angeschlossen, wo das EMF-Muster gespeichert wurde. Wenn der Computer das EMF-Muster abspielt, überträgt er das elektrische Muster an das Expositionsgerät, was dazu führt, dass ein entsprechendes Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 1 µT emittiert wird. Die Expositionszeit betrug 40 Minuten, danach wurden die Zellen sofort wieder in den Inkubatoren gelagert. Jeder Punkt auf dem EMF-Muster war ein Wert zwischen 0 und 255 mV, der mit einem speziell angefertigten Digital-Analog-Wandler in Werte zwischen -5 und +5 mV umgerechnet wurde. Am zweiten Tag nach der EMF-Exposition wurde jede der Platten (Gesamtanzahl von N = 24) mit einem Phasenkontrastmikroskop bei 100-facher Vergrößerung analysiert. Gezählt wurde die Anzahl der Zellen und ob die Zellen 0, 1 oder 2 und mehr Neuritenfortsätze aufwiesen. Darüber hinaus wurden elektrophysiologische Messungen der Zellen durchgeführt. Diese Messung fand zwei Tage nach der EMF-Exposition statt. Zwei Sätze von Kupferdrähten wurden um die Platten von Kontroll-, Sinus- oder H3-Gruppen gewickelt, wobei der zweite Draht nur mit einer Platte mit Medium geerdet war. Jeder Draht war mit einem Verstärker verbunden, der über USB mit einem Laptop verbunden war. Der Laptop überwachte dann die elektrophysiologische Aktivität der Zellen und des Mediums. Die spektrale Leistungsdichte („spectral power density“, SPD) wurde dann für jede Gruppe für Frequenzen zwischen 1 Hz und 128 Hz quantifiziert.

Die Spektralanalyse ergab, dass von den 128 untersuchten Frequenzen (N = 18) nur eine mit dem Neuritenwachstum korreliert war: 71 Hz. Die Korrelation betrug R = 0,365. Anschließend wurde eine schrittweise multiple Regression durchgeführt, und die Ergebnisse zeigten eine starke Korrelation (R = 0,542) zwischen dem vorhergesagten Prozentsatz der Zellen mit Neuriten und dem tatsächlichen Prozentsatz der Zellen mit Neuriten in der Schale, wenn zwei Frequenzen zusammen verwendet wurden: 71 Hz und 7,8 Hz. T-Tests zum Vergleich der spektralen Leistungsdichte bei bestimmten Frequenzen (z. B. 29 Hz, 30 Hz und 79 Hz) zwischen der H3-EMF- (+0,4 durchschnittlich), der Sinuswellen- (etwa 0) und der Kontrollgruppe (-0,3) zeigten eine signifikant höhere SPD in der H3-Gruppe im Vergleich zur Kontrolle (p < 0,050).

Die elektrophysiologischen Daten für die Kontrollgruppe waren über alle 128 gemessenen Frequenzen hinweg recht konsistent und zeigten in erster Linie eine konstant niedrige SPD. Die Daten der Sinuswellen-Gruppe blieben ebenfalls konsistent und zeigten typischerweise SPD-Werte, die um die Basislinie herum zirkulierten. Schließlich zeigte die H3-Gruppe auch signifikant höhere SPD-Werte über die drei oben genannten Frequenzen, was darauf hinweist, dass das H3-Rezeptor-modellierte EMF signifikant mehr zelluläre Aktivität bei 29,3 Hz, 30,3 Hz und 79,1 Hz hervorrief.

Die präsentierten Daten zeigen zwei Hauptmerkmale: Die elektrische Aktivität der Zellen innerhalb bestimmter Frequenzbänder ist erhöht, wenn sie physiologisch gemusterten EMF ausgesetzt sind, und die Bildung von Neuriten aus diesen Zellen korreliert mit den aufgezeichneten Werten von 71 Hz und 7,8 Hz. Die Bedeutung der 71-Hz-Frequenz ist noch nicht vollständig geklärt; dennoch haben Studien zur Untersuchung von Bewusstseinsstörungen verblüffende Ergebnisse erbracht. Zhuang und Kollegen wiesen nach, dass die Stimulation des Rückenmarks mit 70 Hz bei Patienten im Wachkoma eine positive EEG-Reaktion auslöste. Die Frequenz von 7,8 Hz deckt sich mit der Grundfrequenz der Schumann-Resonanz. In Anbetracht der Natur elektromagnetischer Felder und ihrer nachgewiesenen Wechselwirkung nicht nur mit Zellkulturen, sondern auch mit unserem Gehirn, könnte dies eine wichtige Erkenntnis sein, die darauf hindeutet, dass die Bildung und das Wachstum von Neuriten durch das Magnetfeld der Erde beeinflusst werden könnte. In Bezug auf dieses neuartige H3-EMF wurde nachgewiesen, dass höhere kortikale Rhythmen zwischen 20 und 60 Hz durch bestimmte pharmazeutische inverse Agonisten des H3-Rezeptors verstärkt werden können. Dies erklärt möglicherweise die erhöhte zelluläre Aktivität, die das H3-EMF bei diesen drei Frequenzen erzeugt, was darauf hindeutet, dass dieses EMF-Muster eine ähnliche inverse agonistische Wirkung auf die Rezeptoren haben könnte. Hier wurde eine Korrelation zwischen dem Prozentsatz der Zellen, die Neuriten aufweisen, und den direkt an diesen Zellen gemessenen Werten von 7,8 Hz und 71 Hz nachgewiesen. Die Einbeziehung der 71-Hz-Frequenz könnte auf eine Verbindung zur neuronalen Konnektivität oder sogar zum Bewusstsein im zentralen Nervensystem hinweisen. Letztendlich unterstützt die Studie die Vorstellung, dass entsprechend schwache EMFs die Entwicklung von Zellsystemen beeinflussen können. Die Gesamtergebnisse unterstützen die Idee, dass die elektrischen Frequenzprofile von sich entwickelnden Zellsystemen als Indikator für deren Fortschritt und die letztendlichen zellulären Ergebnisse dienen können. (AT)