Nicht temperaturbedingte Antitumorwirkungen amplitudenmodulierter Hochfrequenzstrahlung: Molekulare und funktionelle Synergien mit der Strahlentherapie.

Hochfrequente elektromagnetische Felder (HF-EMF) werden in der Onkologie als hyperthermische Methode eingesetzt, deren Wirkung auf eine Erwärmung des Gewebes jenseits der 41 °C beruht. Zunehmend rücken nicht-thermische Feldwirkungen in den Fokus, deren Wirkweise wenig charakterisiert sind. Ob eine Amplitudenmodulation solche Effekte in der Onkologie verstärkt und ob sie sich mit einer Strahlentherapie (ST) kombinieren lässt, ist Gegenstand der vorliegenden Studie. Die Autoren untersuchen amplitudenmodulierte Hochfrequenz (AMHF) im Vergleich zu unmodulierter HF jeweils allein und in Kombination mit ST unter stringenter Temperaturkontrolle in-vitro.

Jeweils zwei kolorektale (HT29, SW620) und zwei Gliablastom-Zelllinien (U138, U343) wurden mit einem Oncotherm-System (13,56 MHz; AMHF als bandbegrenztes 1/f-Rauschen, Modulationsindex 50 %) befeldet. Die Befeldung erfolgte mit einem SAR-Wert von 200-240 W/kg isotherm bei 42 °C über 65 min, temperaturgeregelt per Wasserdurchfluss und fortlaufend überwacht. Jede befeldete Gruppe wurde mit einer isothermen Wasserbad-Kontrolle (37, 42, 44 °C) gepaart, sodass ein Vergleich mit der 42-°C-Kontrolle thermische Wirkungen ausschließt. Bei der Co-Exposition mit ionisierender Strahlung (Strahlentherapie) wurden die Zellen unmittelbar vor der Befeldung mit 8 Gy γ-Strahlung bestrahlt. Proliferation, Apoptose (Annexin V) und Nekrose (YOYO-3) wurden über 96 h per Lebenzell-Bildgebung erfasst. Bei den SW620- und U138-Zelllinien erfolgte außerdem eine Transkriptom-Analyse mittels RNA-Sequenzierung.

Die Zytotoxizität der Expositions-Kombinationen war zelllinienabhängig. Bei der HT29-Zelllinie war die Kombination aus ST und AMHF am effektivsten darin die Tumorzellen zu bekämpfen. Die Zellproliferation sank, im Vergleich zur 42 °C-Kontrolle, statistisch signifikant, während Apoptose und Nekrose signifikant zunahmen, im Falle der Apoptose sogar stärker, als die suprathermische 44 °C-Kontrollgruppe. Während AMHF und HF+ST keine statistisch signifikante Wirkung auf die Proliferation ausübten, steigerte HF alleine diese sogar und wirkte damit anti-therapeutisch. Im Falle der SW620-Zelllinie wurde die Nekrose in allen vier Behandlungsszenarien statistisch signifikant über das Niveau der suprathermischen-Kontrolle gesteigert. Die Zellproliferation sank lediglich unter der HF+ST-Kombination. Im Falle der U138-Zelllinie könnten lediglich AMHF und HF+ST alle drei Zytotoxizitätsparameter (Proliferation, Apoptose, Nekrose) zugunsten einer Tumorregression beeinflussen. Weder HF alleine noch AMHF+ST wirkten statistisch signifikant auf die Proliferation. Bei der U343-Zelllinie war die AMHF-Monotherapie am wirksamsten, alle drei Parameter bestätigten Zytotoxizität. Alle anderen Kombinationen waren gar nicht oder deutlich weniger wirksam. Auf transkriptomischer Ebene (lediglich in SW620 und U138 untersucht) war eine noch deutlichere Zelllinienabhängigkeit zu beobachten. In SW620 löste AMHF die stärkste transkriptomische Antwort aus, mit Maximum unmittelbar nach der Exposition und Abklingen nach 24 h. HF und HF+ST wirkten nur mäßig und AMHF+ST war dazwischen verortet. Gegenüber der Hyperthermie-Referenz schaltete AMRF Genexpressionen an, die Wärme alleine nicht auslöste: Metall-Detoxifikation, mitochondriale Atmung, oxidative Phosphorylierung sowie Aminosäuremangel- und eIF2-Stressantwort. U138 hingegen zeigte kaum Veränderungen der Genexpression, obwohl starke phänotypische Zelltodantworten vorlagen.

AMHF und AMHF+ST wirken nach Auffassung der Autoren biologisch, nicht-thermisch zytotoxisch auf die Tumorzelllinien. Als Mechanismus favorisieren sie eine feldbedingte Gleichrichtung an Ionenkanälen. Das hochfrequente Feld werde an den Kanälen gleichgerichtet und erzeuge eine anhaltende Gleichspannung über die Membran, die Ionenflüsse und insbesondere Kalzium-Influx antreibe und so Apoptose und Nekrose auch ohne Transkriptionsänderungen auslösen könne. Da Gliablastomzellen veränderte „Onkokanäle“ (Kir, KCa3.1, TRPV4) besitzen, könnte dieser Effekt in U138 verstärkt sein und die Divergenz zwischen Phänotyp und Transkriptom erklären.

Anmerkungen der Redaktion:

Das temperaturgleiche Wasserbad-Design trennt HF- und Wärmewirkung sachgerecht. Dass AMRF allein eine stärkere Nekrose induziert als die supra-thermische Kontrolle ist ein starkes Argument gegen eine thermische Wirkweise. Die Autoren führen ihren Ionenkanal-Mechanismus als falsifizierbare Hypothese und nicht als Befund aus. Kritisch kann fehlende Verblindung in der Auswertung und der vom Gerätehersteller gestellte Versuchsaufbau gesehen werden. Für den Strahlenschutz ist die Arbeit mit Vorsicht zu betrachten. Der wirksame SAR von 200 – 240 W/kg liegt um Größenordnungen über jeder Alltagsbelastung durch WLAN oder Mobilfunk. Ein zytotoxischer Effekt bei diesen Intensitäten sagt nichts über die subtile Wirkung alltäglicher Felder aus. Relevant ist aber der grundsätzliche Nachweis, dass nicht-thermische HF-Wirkungen existieren. (RH)