Hippocampal ferroptosis is involved in learning and memory impairment in rats induced by microwave and electromagnetic pulse combined exposure.

Bisher wurden Experimente mit Kombinationen von Mikrowellen (MW) mit elektromagnetischen Pulsen (EMP) verschiedener Frequenzen durchgeführt, die beide negative Einflüsse auf Lernen und Gedächtnis haben können. Diese Studie untersuchte die Wirkung der Kombination beider Arten, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Der Hippocampus, der an Lernen und Gedächtnis beteiligt ist, reagiert empfindlich auf Strahlung, sichtbar durch oxidativen Stress, Änderung des Energiestoffwechsels und Schädigung der Zellstruktur. Ferroptose ist eine neue Art von reguliertem Zelltod, der durch Eisen-abhängige Lipidperoxidation charakterisiert ist und einen neuen Weg zum Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen eröffnet. Im Vergleich zu anderen Formen des Zelltods zeigt Ferroptose einzigartige morphologische, biochemische und genetische Eigenschaften: geschwollene oder geschrumpfte Mitochondrien mit verminderten Cristae, Ansammlung von Eisen und Lipidperoxiden, erhöhte Expression von Prostaglandin-Endoperoxidsynthase 2 (PTGS2) und Glutathionperoxidase 4 (GPX4). Letzteres fungiert als Regulator für Ferroptose und Reduktion von Lipidhydroperoxiden zu Lipidalkoholen. Das Ziel dieser Arbeit war, die Kombinationswirkung von Mikrowellen und elektromagnetischen Pulsen auf Lernen, Erinnern, Ferroptose und histologische Veränderungen im Vergleich zu den einzelnen Komponenten herauszufinden.

Es wurden 4 Gruppen aus 197 Ratten gebildet: Scheinbestrahlung (n = 46), EMP (n = 50), MW (n = 51), EMP + MW (n = 50). Die 15-minütige Ganzkörper-Bestrahlung erfolgte für MW mit 1,5 GHz, 30 mW/cm², Wiederholungsfrequenz 200 pps, Pulsweite 500 ns, oder EMP Peak-Intensität = 400 ± 25 kV/m, Wiederholungsfrequenz = 1 Hz, Anzahl der Pulse = 400. Die beiden Bedingungen wurden sofort nacheinander durchgeführt. Während der Bestrahlung waren die Tiere fixiert. Die Körpertemperatur wurde vor und nach der Bestrahlung gemessen. Im Morris-Wasserlabyrinth wurden je 10 Tiere 6 Stunden nach Bestrahlung, nach Tag 1, 2, 3, 7 und 14 getestet, nachdem sie vor der Bestrahlung 3 Tage trainiert worden waren. Die Hirnaktivität (EEG) wurde an Tag 1, 7 und 14 aufgenommen. Einen Tag nach der Bestrahlung wurden die Gehirne entnommen und für die Untersuchungen auf pathologische Veränderungen der Mikro- und Ultrastruktur des Hippocampusgewebes und die molekularen Experimente Eisenbestimmung (Fe2+), Lipidperoxidation und Genexpression von GPX4 aufbereitet.

Die Körpertemperatur stieg bei Bestrahlung mit MW und MW+EMP signifikant an, bei EMP allein ergab sich kein Anstieg. Der Wasserlabyrinth-Test ergab nach 6 Stunden signifikante Unterschiede bei der MW+EMP-Gruppe, bei EMP nicht-signifikante Unterschiede zur Kontrollgruppe. Nach einem Tag waren bei allen 3 Gruppen signifikante Unterschiede zu sehen, ab Tag 2 waren sie teilweise nicht signifikant. Im EEG zeigten nur an Tag 1 alle 3 Gruppen signifikant verminderte Aktivität der α-Welle gegenüber der Kontrollgruppe, dabei war EMP allein weniger vermindert. Die Untersuchung der Mikrostruktur des Hippocampus ergab am Tag 1 sichtbare Schädigungen gegenüber der Kontrollgruppe, Schrumpfung des Zellkerns (Karyopyknose) und unregelmäßige Anordnung der Neuronen um den Bereich des Gyrus dentatus. Bei der MW+EMP-Gruppe erschienen stark gefärbte Zellkerne, nicht bei den beiden anderen Gruppen. Bei der Analyse der Ultrastruktur waren an Tag 1 in allen 3 Gruppen Schädigungen zu sehen: Abnorme Hippocampuszellen, geschwollene Mitochondrien, verminderte Anzahl von Cristae in den Mitochondrien und unscharfe synaptische Spalte, am häufigsten in der MW+EMP-Gruppe. Um den Einfluss der mutmaßlichen Biomarker für Ferroptose im Hippocampus zu untersuchen, wurden Fe2+, MDA, PTGS2mRNA und GPX4-Protein bestimmt. Bei allen 3 Gruppe kam es zu einem signifikanten Anstieg der Fe2+- und MDA-Konzentrationen, zu erhöhter Expression der PTGS2mRNA und verminderter Expression des GPX4-Proteins gegenüber der Kontrollgruppe. Im Vergleich der MW- und der EMP-Gruppen mit der MW+EMP-Gruppe gab es keine signifikanten Unterschiede.

Sowohl einzeln als auch kombiniert können MW und EMP Hippocampuszellen schädigen und die Lernfähigkeit und das Erinnerungsvermögen beeinträchtigen; die Kombination beider Anwendungen führt zu schwereren Schäden. Das könnte eine kumulative Wirkung sein, da die Bestrahlungen nacheinander erfolgten. Bei den biochemischen Untersuchungen gab es signifikante Unterschiede zur Kontrollgruppe in den Ferroptose-Parametern, aber keine Wechselwirkungen zwischen den Bestrahlungsarten. Ferroptose im Hippocampus könnte ein allgemeiner Mechanismus sein, der durch oxidativen Stress hervorgerufen wird und der Lernen und Gedächtnis beeinträchtigt – als Einzelbelastung zweier unterschiedlicher Bestrahlungsarten oder in Kombination der beiden. (IW)