Oxidativer Stress und NADPH-Oxidase: Die Verbindung zwischen elektromagnetischen Feldern, Kationen-Kanälen und biologischen Wirkungen.

Oxidativer Stress (OS) in Lebewesen entsteht durch die Produktion von reaktiven Sauerstoff- oder Stickstoffmolekülen (ROS und RNS), deren Auslöser künstliche elektromagnetische Felder sein können. Elektromagnetische Felder stören das elektrochemische Gleichgewicht in biologischen Membranen, wobei abnorme Kationenbewegungen und Beeinflussung der spannungsabhängigen Ionenkanäle in den Membranen entstehen. Das kann oxidativen Stress auslösen und führt zur Beeinträchtigung aller Zellfunktionen einschließlich Schädigung der DNA und anschließender Krebsentstehung. Die biochemischen Feinheiten der biologischen Mechanismen beim Entstehen von oxidativem Stress sind weitgehend unklar. Am besten untersuchte Mechanismen sind die Funktionsänderungen der Ionenkanäle. Die bekannteste Hypothese für diese Mechanismen sind die Schwingungskräfte von hoch- und niederfrequenten Feldern (HF 900, 1800, 1900, 2450 MHz, NF 0–3000 Hz) auf jedes freie Ion auf beiden Seiten von biologischen Membranen, wodurch die Ionen, besonders Kationen, zu unnormalen Raten durch die Membranen geschleust werden. Solche abweichenden Kationenbewegungen können die biochemischen Eigenschaften von Membranen verändern und Funktionsstörungen der Kationen-Kanäle verursachen, vor allem die spannungsgesteuerten Kanäle betreffend. Dadurch kann der oxidative Stress ansteigen und die meisten Zellfunktionen und die DNA schädigen, auch können Erkrankungen wie Krebs begünstigt werden. In dieser Arbeit werden 3 wichtige Fragen untersucht:

1) die wichtigsten Mechanismen der OS-Erzeugung durch das Einwirken elektromagnetischer Felder auf die spannungsgesteuerten Kanäle im Zusammenwirken mit der ROS-erzeugenden NADPH-Oxidase (NOX) und den spannungsabhängigen Calcium-Kanälen, 2) die zugrunde liegende OS-Biochemie und 3) die daran beteiligten biologischen Schlüsselwirkungen.

Die Störung des elektrochemischen Gleichgewichts, der Funktion der Zellmembranen der Kationen-Kanäle und der Bildung von OS durch EMFs kann folgende Mechanismen umfassen: Die durch EMFs erzeugten Vibrationen an den Zellmembranen können auf die Ionenkanäle einwirken und den Transport freier Ionen wie K+, Na+ und Ca2+ verändern. Ob die Kanäle geöffnet oder geschlossen werden hängt von einem bestimmten Wert ab, der auf die Spannungssensoren einwirkt. Eine kleine Spannungsänderung von 30 mV im Membranpotenzial kann den Durchlass bewirken. Solche Änderungen können schon durch Austausch eines einzigen Ions entstehen und bei äußerst geringen Intensitäten der Felder entstehen.

Wenn EMFs einwirken, werden die Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, es werden Ca2+-Ionen im Überschuss freigesetzt und es kommt zu krankhaften Auswirkungen durch die Entstehung von ROS wie Stickstoffoxid (NO), Superoxid-Radikal (O2•-) und Peroxynitrit (ONOOH). Das Enzym NADPH-Oxidase (NOX) sitzt in der Plasmamembran und ist wahrscheinlich an der OS-Produktion beteiligt, wenn die Ionenkanäle EMFs ausgesetzt sind. Normalerweise soll das Enzym über die ROS-Produktion eindringende Mikroorganismen beseitigen. Insbesondere produziert NOX das Superoxid-Radikal (O2•-), das zu Wasserstoffperoxid (H2O2) umgebildet wird, welches sich dann bewegen und außerhalb oder innerhalb von Zellen in das biologisch höchst wirksame Hydroxylradikal (•OH) umgewandelt werden kann. Das Hydroxylradikal kann alle biologischen Moleküle oxidativ schädigen. Es ist das am stärksten zellschädigende ROS, das sich frei innerhalb oder außerhalb von Zellen bewegen kann. Es kann auch die Membranen innerhalb der Zellen passieren, d. h. auch die Kernmembran durchdringen und die DNA erreichen.

Betrachtet man das O2•-- und H2O2-Gleichgewicht in vivo, hat man angenommen, dass das Überleben von Zellen durch den intrazellulären Anstieg von O2•- gefördert wird. Dagegen wird bei der Apoptose (programmierter Zelltod) die Produktion von H2O2 in den Zellen gesteigert, wobei O2•- abnimmt. Wenn beide im Überschuss produziert werden, wird nekrotischer Zelltod eingeleitet.

Die hauptsächliche biologische Wirkung der elektromagnetischen Felder ist der Anstieg von OS, der an erhöhten Konzentrationen von ROS/RNS sichtbar ist, mit Auswirkungen auf viele Zellprozesse bis hin zu Krebs. Dazu gehören Strangbrüche (Einzel- und Doppelstrang) und Oxidation der DNA, Anstieg (z. B. Ornithindecarboxylase) und Verminderung (z. B. Melatonin) verschiedener biologischer Parameter und Beeinflussung von Signalwegen.

Die Induktion von OS durch EMF über gesteigerte Konzentrationen von freien Radikalen wurde zur Herausforderung hauptsächlich durch 1) die bisherige Behauptung, die nicht-ionisierende Natur der EMFs könne keine kovalenten Bindungen brechen bei nicht-thermischen Intensitäten, so das Argument, und weil 2) die Messungen von OS werden mit nicht-spezifischen Methoden durchgeführt. Entweder sind es Methoden, die nicht spezifisch für die Identifikation von erzeugten freien Radikalen sind oder die indirekt biologische Schlüsselmoleküle für oxidative Änderungen messen, z. B. DNA-Schädigung oder Lipid- bzw. Proteinperoxidation. Künstliche elektromagnetische Felder haben nicht genug Energie, um freie Radikale zu erzeugen z. B. bei frei beweglichen H2O-Molekülen durch ein einziges Photon. Allerdings sind die EMFs solcher Photonen vollständig synchronisiert (in Bezug auf Frequenz, Polarisation, Phase und Ausbreitungsrichtung), dabei produzieren sie kumulativ makroskopisch elektrische und magnetische Felder sowie elektromagnetische Felder. Diese könnten stark genug sein, kovalente Bindungen zu brechen und direkt freie Radikale zu erzeugen.

Zweitens können natürlich auftretende freie Radikale ansteigen durch das Verhindern von entweder 1) Reaktionen untereinander (z. B. durch die bereits erwähnten Reaktionspartner •NO + O2•- und den Produkten •OH + •NO2 oder 2) durch die Rückreaktion (Umkehrreaktion von Dissoziation) von enzymatisch erzeugten freien Radikalpaaren als Übergangsstadien. Eine solche Unterbindung kann durch EMF-induzierte freie Radikalpaar-Mechanismen unterstützt werden; die EMFs verhindern die Rückreaktion der freien Radikalpaare durch Umkehrung der Spin-Richtung des Einzelelektrons von einem der beiden freien Radikalen, indem es die Richtung der Magnetfeld-Komponente wegschnippt und es entstehen 2 freie Radikale, deren Elektronenspin parallel verläuft und somit wird deren Konzentration indirekt erhöht. Der Mechanismus der Bildung von freien Radikalen veranlasste die International Agency for Research on Cancer (IARC), hochfrequente Strahlung in die Kategorie „möglicherweise Krebs erregend“ aufzunehmen. Diese beiden Mechanismen, der Anstieg der Radikal-Konzentration untermauert die Ergebnisse, dass durch niederfrequente Felder die Konzentration von O2•- um ein Vielfaches in verschiedenen Organen von Mäusen ansteigen, wenn sie Feldstärken der ICNIRP-Richtlinien von 100 µT bei 50 Hz ausgesetzt waren (baldige Veröffentlichung von Georgious Labor). Deshalb müssen Methoden für die in vivo-Bestimmung der biologischen Schlüsselmoleküle, den freien Radikalen •OH und O2•-, entwickelt werden, um die Erzeugung von Krebs erregenden OS durch EMFs eindeutig belegen zu können.

Auf der Basis der obigen Ergebnisse kann man davon ausgehen, dass EMFs Mechanismen beeinflussen, die ROS-Bildung zur Folge haben, weil durch die Felder Membranen und spannungsabhängige Kationenkanäle in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, gefolgt von Stressaktivierung und vermehrter Expression von Hitzeschockproteinen. Das geht einher mit Verhaltens- und physiologischen Veränderungen wie Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke, Gedächtnisschwäche, Änderungen der Genexpression, Autophagie, Apoptose, verkürzter Lebenserwartung, DNA-Schäden und Krebs. Die Schlussfolgerung ist, dass nicht-ionisierende Felder direkt ROS erzeugen können, was wissenschaftlich noch belegt werden muss. (IW)