Forschungsgemeinschaft Funk e.V.

Edition Wissenschaft

Ausgabe Nr. 2 Dezember 1995
Der Einfluß hochfrequenter EM-Felder auf die Calcium- Homöostase von Herzmuskelzellen und Lymphozyten
Von R. Meyer, F. Gollnick und S. Wolke

Das Vorhaben beschäftigt sich mit den Auswirkungen elektromagnetischer Felder in einem für Telekommunikationszwecke relevanten Bereich auf die intrazelluläre Calciumkonzentration, [Ca2+]i, von Herzmuskelzellen und Lymphozyten. Zur Ausführung dieser Untersuchung wurde eine Hochfrequenz- Applikationsapparatur entwickelt, die die fluoreszenzmikroskopische Untersuchung einzelner Zellen bei gleichzeitiger Einwirkung definierter hochfrequenter elektromagnetischer Felder erlaubt. Die Applikationsapparatur besteht aus einem Leistungsmeßsender, der mit der Möglichkeit zur externen Modulation versehen wurde, einem Modulator und einer Zelle zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes mit homogener transversaler elektrischer und magnetischer Feldkomponente, TEM-Zelle. Die TEM-Zelle enthält eine Versuchskammer zur Aufnahme des biologischen Materials, also der Herzzellen und der Lymphozyten. Der Boden der Versuchskammer wird durch ein Deckglas und ein Metallgitter gebildet, wodurch bei weitestgehender Abdichtung für elektromagnetische Felder der optische Einblick mit dem Mikroskopobjektiv gewährleistet werden konnte. Für die unterschiedlichen angewendeten Konfigurationen von Trägerfrequenz und Puls/ Pauseverhältnis wurden SAR-Werte bestimmt. Die mittleren SAR-Werte schwankten in Abhängigkeit von der Konfiguration; sie lagen z.B. bei 900 MHz Trägerfrequenz und 217 Hz Pulsfrequenz bei 15,4 mW/kg und bei 1800 MHz Trägerfrequenz und 217 Hz Pulsfrequenz bei 8,6 mW/kg.

Mit Hilfe des fluoreszierenden Calciumindikatorfarbstoffes Fura-2 wurde die [Ca2+]i in isolierten Herzmuskelzellen des Meerschweinchens und in kultivierten menschlichen T-Lymphozyten der Zellinie Jurkat gemessen. Die Messung erfolgte durch Bestimmung von Fluoreszenzintensitäten mit Hilfe der quantitativen computergestützten Bildanalyse.

Die Versuche wurden in der Regel nach folgendem Muster durchgeführt: Die erste Phase des Experiments bildete ein Vorlauf ohne Feldapplikation von 500 s, in einer zweiten Phase wurde für 500 s das hochfrequente Feld angewendet, in einer dritten Phase wurde das Feld wieder abgeschaltet und ein chemischer Stimulus appliziert, der zu einem Anstieg der [Ca2+]i führen sollte. Der chemische Stimulus sollte zeigen, daß die Zellen aktivierbar sind und ein Fehlen einer Antwort nicht auf mangelnde Aktivierbarkeit der Zellen zurückzuführen ist. Im Fall der Herzmuskelzellen wurde normalerweise als Stimulus eine Erhöhung der äußeren K+-Konzentration (135 mM), [K+]o, vorgenommen, im Fall der Lymphozyten wurde eine Lösung mit erniedrigter Na+-Konzentration (10 mM) perfundiert. Mit beiden Zelltypen wurden umfangreiche Meßprogramme abgewickelt, wobei sowohl die Trägerfrequenz der hochfrequenten Felder als auch die Modulationsfrequenz variiert wurden. Bei den Herzmuskelzellen wurden zusätzlich das Membranpotential und die Expositionszeit verändert. Die Herzmuskelzellen wurden bei 900, 1300 und 1800 MHz moduliert mit 217 Hz, 14% Impuls/Pauseverhältnis, Modulationshub 100%, exponiert. Bei 900 MHz wurde die Modulationsfrequenz auf unterschiedliche Stufen eingestellt: 0, 16, 50 und 217 Hz sowie 30 kHz. Das Impuls/Pauseverhältnis betrug bei 16 und 50 Hz 50%, bei 217 Hz 14% und bei 30 kHz 80%. Der Modulationshub war grundsätzlich 100%. Das Membranpotential der Herzmuskelzellen wurde vor der Exposition (bei 900 MHz, 217 Hz, 14%) auf -50, -30 und 0 mV verschoben. Nach der Exposition wurde repolarisiert. In Langzeitexperimenten wurde die Expositionszeit (900 MHz, 217 Hz) auf 120 min verlängert. Zu den verschiedenen Experiment-Variationen wurden grundsätzlich die passenden Scheinexpositionen durchgeführt. Bei den T-Jurkat-Zellen wurde ein breites Spektrum an Trägerfrequenzen getestet (900, 1100, 1300, 1500, 1700 und 1900 MHz, alle mit 30 kHz moduliert, Impuls/ Pauseverhältnis 80%). Außerdem wurden bei 900 MHz wieder verschiedene Modulationsfrequenzen in ihrer Wirkung getestet (0, 16, 50 und 217 Hz sowie 30 kHz, Impuls/ Pauseverhältnis wie bei den Herzzellen). Zusätzlich wurden die für den Mobilfunk wichtigen Frequenzen 900 und 1800 MHz, gepulst mit 217 Hz, Impuls/Pauseverhältnis 14% an jeweils 400 Zellen untersucht.

Die Herzmuskelzellen reagierten auf die chemische Stimulation in der erwarteten Weise, d.h. die [Ca2+]i stieg regelmäßig unter den Bedingungen der K+-Erhöhung an. Das Feld bewirkte unter keiner der untersuchten Meßkonfigurationen eine Veränderung der [Ca2+]i. Auch wenn die [Ca2+]i durch eine Verschiebung des Membranpotentials während der Expositionszeit erhöht war, nahm das Feld keinen Einfluß.

Die T-Jurkat-Lymphozyten reagierten ebenfalls nicht auf die Exposition im hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Allerdings reagierten diese Zellen auch nicht auf die chemische Stimulation, so daß hier ein wichtiges Element im Nachweis der Unempfindlichkeit dieser Zellen gegen die hochfrequenten Felder fehlt. Darüber hinaus zeigten die Zellen in der Meßkammer auch ungewöhnlich wenig spontane Oszillationen der [Ca2+]i.

Die Herzzellen waren in keinem Fall durch die Exposition im Feld in ihrer [Ca2+]i zu beeinflussen, obwohl ihre Fähigkeit zur Reaktion immer gegeben war. Diese Ergebnisse sind bezüglich messbarer Veränderungen in der [Ca2+]i klar und deutlich. Die Lymphozyten reagierten ebenfalls nicht auf die Exposition im Feld, jedoch konnte ihre Reaktionsfähigkeit nicht bewiesen werden. Ihre Vitalität steht außer Zweifel, denn in Vorversuchen konnten wir klären, daß nur intakte und vitale Zellen durch Fura-2 gefärbt werden können. Die anderen Zellen nehmen den Farbstoff gar nicht auf oder verlieren ihn während des Experimentes sehr schnell wieder. Die Experimente lieferten keinen Hinweis auf eine Beeinflußbarkeit der [Ca2+]i der T-Jurkat Zellen durch die hochfrequenten elektromagnetischen Felder, die hier untersucht wurden. Trotzdem konnten unsere Experimente an den T-Jurkat Lymphozyten nicht eindeutig beweisen, daß diese Zellen auf die Felder nicht mit einer Veränderung der [Ca2+]i reagieren; denn dazu würden noch klare Positivkontrollen benötigt.

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