Theoretische Untersuchung zur Wirkung von Terahertz-Strahlung auf den Calciumtransport in den Calciumkanälen.

Die Frage, ob Terahertz(THz)-Strahlung die Ionenkanäle von Nervenzellen beeinflusst und weitere Reaktionen hervorruft, hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Ca2+-Ionen und Ca2+-Kanäle spielen eine wichtige Rolle bei vielen physiologischen und biologischen Prozessen, von Kontraktionen des Herzmuskels und anderer Muskeln über Signalgebung (Impulse) im Nervensystem bis zur Transkription von Genen. Deshalb ist es wichtig, den genauen Feedback-Mechanismus zu wissen, der den Ca2+-Ionen den Eintritt in die Zellen ermöglicht. Man kennt elektrische Stimulationen und solche, die durch Licht, Geräusche, Schmerz und Druck erzeugt werden, die dann den Ionentransport durch die Membran auslösen. Es gibt aber nur wenig Wissen über Stimulation des Ionen-Transports durch elektromagnetische Felder. Die Biophotonen, die bei verschiedenen oxidativen Stoffwechselprozessen erzeugt werden, entstehen im THz-Bereich. Ein Organismus hat also eine Fülle von THz-Informationen.

THz-Wellen haben viele mögliche Anwendungen in der Biophysik, sie können eingesetzt werden zur Analyse des Fingerprint-Spektrums von biologischen Materialen, den Protonentransfer in den Wasserstoffbrücken der Basenpaare stimulieren und das Entwinden der DNA-Moleküle beschleunigen. Nervenfasern können als dielektrische Wellenleiter betrachtet werden, die THz- und Infrarot-Wellen übertragen. Aus anderen Studien weiß man, dass THz-Wellen die Nervenaktivität regulieren und die Permeabilität der spannungsgesteuerten Calciumkanäle steigern können. Das geschieht durch Beeinflussung der entsprechenden chemischen Bindungen von –COO- oder –C=O. Die Frage ist, ob die wandernden Ionen in den Kanälen die THz-Wellen erzeugen können und ob diese spontanen Wellen durch Strahlung von außen während der Wanderung in den Kanälen beeinflusst werden können.

Im Nervensystem gibt es elektromagnetische Signale von THz bis Infrarot. Erkenntnisse zur Wirkung von THz-Wellen auf den Einstrom der Ionen in den Ca2+-Kanal können Hinweise liefern, wie ein falscher Leitungsprozess der Ca2+-Ionen in normalen Zellen korrigiert werden kann, oder um die Apoptose schnell einzuleiten bei unerwünschten Zellen wie Krebszellen, um durch erhöhten Ca2+-Einstrom einen Ca2+-Überschuss zu erlangen.

Die Forscher untersuchten am Modell des spannungsgesteuerten Calciumkanals die spontane Strahlung, die bei der Bewegung der Ca2+-Ionen in den Calciumkanälen erzeugt wird, und im Vergleich dazu die Wirkung von externer THz-Strahlung auf den Transport der Ca2+-Ionen, indem 1. das mathematisch-physikalische Modell durch die Brown’sche Dynamik simuliert wurde, 2. der Einfluss der Temperatur und der Anzahl der Ca2+-Ionen auf die durch die Bewegung im Kanal erzeugte THz-Strahlung und 3. die Regulation des externen THz-Feldes auf die Bewegung einzelner oder mehrerer Ionen, um den theoretisch vorausgesetzten Einfluss des THz-Feldes auf die Erzeugung und Weiterleitung der Aktionspotenziale zu erkunden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine plötzliche Änderung des Signals den Transport des Ca2+-Ions durch die Membran bewirkt; das spontane Strahlungsspektrum ist hauptsächlich im THz-Bereich konzentriert. Gesichert ist, dass die Änderung der Temperatur und die Anzahl der Ionen im Kanal signifikante Wirkungen auf die spektralen Charakteristiken haben. Wenn die Frequenz steigt, verschiebt sich das Strahlungsspektrum der Ca2+-Ionen zu höheren Frequenzen. Zudem wird unter einem externen THz-Feld das Schwingungsspektrum der bestrahlten Ca2+-Ionen signifikant gesteigert. Die Simulationen haben auch gezeigt, dass der Transport der Ca2+-Ionen durch den Ionenkanal von Frequenz und Amplitude der THz-Welle abhängt. Bei einer bestimmten Amplitude steigt die Ionen-Permeabilität allmählich, wenn die Frequenz des THz-Feldes steigt; bei einer bestimmten Frequenz steigt die Ionen-Permeabilität, wenn die Amplitude ansteigt. Wenn die Frequenz steigt wird gleichzeitig die Anzahl der wandernden Ionen signifikant erhöht, was darauf deutet, dass ein THz-Feld hoher Frequenz leitfähiger ist und so der Ca2+-Einstrom durch die Membran reguliert wird.

Das hier entwickelte mathematisch-physikalische Modell für den Ca2+-Kanal basiert auf der Brown`schen-Dynamik-Methode. Die Ergebnisse zeigen, dass das transportierte Ca2+-Ion in einem Ca2+-Kanal elektromagnetische Strahlung erzeugen kann, dessen Spektrum im Bereich von 16,9 THz konzentriert ist. Die Untersuchungen zeigten zudem, dass externe THz-Strahlung den Ca2+-Transport durch den Ca2+-Ionenkanal beschleunigen kann. Wenn die Temperatur erhöht wird, ist die Bewegung der Ionen beschleunigt und das Strahlungsspektrum der Ca2+-Ionen verschiebt sich zu höherer Frequenz. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern eine theoretische Basis für zukünftige Betrachtung der THz-Wellen und für Behandlungen mit THz-Wellen im Bereich der Neurologie. Nach Ansicht der Autoren zeigen die Ergebnisse dieser theoretischen Arbeit, dass mehr Forschung nötig ist, um die Mechanismen zwischen den THz-Wellen und den Ionenkanälen aufzuklären. (IW)