Dr. Alexander Pazur: Molekulare Mechanismen der biologischen Wirkung elektromagnetischer Felder

(Explanation links in English)

Das Leben auf der Erde steht seit jeher in Wechselwirkung mit einer Vielfalt elektromagnetischer Strahlung, welche oft unabdingbar ist, wie z.B. Licht für die Photosynthese. Während die meist biologisch schädigende Wirkung von UV- und höherenergetischer Strahlung gut untersucht ist (Hollosy, 2002), gibt es bislang vergleichsweise weniger Erkenntnisse über den Einfluss von schwachen Magnetfeldern (MF) und niederfrequenten elektromagnetischen Feldern (EMF). Aber die Anzeichen mehren sich, dass solche biologischen Einflüsse auf molekularer Ebene bestehen und mehr noch, in physiologische Reaktionen, an denen Ionen beteiligt sind und Radikale entstehen, involviert sind. Zu den natürlichen Quellen von EMF, welche ihre Ursache hauptsächlich im komplexen Zusammenspiel von Sonnenaktivität und Geofaktoren (Erdmagnetfeld, Atmosphäre, Gewässer-/Landbeschaffenheit) haben (Schumann, 1952), kamen stetig zivilisatorische durch elektrische Energieversorgung und Kommunikationstechnik hinzu.
Bereits im Russland des ausgehenden 19.Jahrhunderts begann man sich für die Zusammenhänge aus medizinischer Sicht zu interessieren (Zhadin, 2001), heutige Forschungsansätze nutzen mittlerweile das gesamte Repertoire von Methoden der experimentellen Biologie und ihrer Basiswissenschaften. Prinzipiell können 3 verschiedene physikalische Mechanismen die biologische Wirkung von MF und EMF vermitteln. Das Vorhandensein magnetisierbaren Materials, Reaktionen mit Singlet-Triplet Mischzuständen energetischer Niveaus und die Lamor Präzession geladener Teilchen. Mechano-magnetische Effekte durch Bewegung feinstverteilter Magnetmineralien in Zellen als "Magnetsensoren" sind bei vielen Mikroorganismen, Fischen und Vögeln nachgewiesen worden, und spielen dort eine entscheidende Rolle bei Orientierung und Navigation mit Hilfe des Erdmagnetfeldes (Kirschvink, 1989; Wiltschko et al., 2000). Zellulärer Ferromagnetismus ist aber bei der Mehrzahl aller Organismen nicht nachgewiesen. Überdies kann die Empfindlichkeit und Selektivität der meisten bislang gefundenen biologischen MF und EMF Effekte nicht mit einem einfachen "Kompassnadel-Modell" erklärt werden. Die Quantenelektrodynamik sagt aber Mechanismen vorraus, die magnetische Wechselwirkungen sogar weit unterhalb der thermischen Gleichgewichtsenergie biologischer Prozesse erklären, und zudem stoffliche Veränderungen modulieren können. Seit etwa 20 Jahren wird die magnetische Beeinflußbarkeit von Singlet-Triplet Mischzuständen bestimmter Redox-Reaktionen untersucht, der sog. "Radikalpaar Effekt", jüngere Ansätze verfolgen die sog. "Ion-Zyklotron-Resonanz" (ICR) in wässriger Umgebung. Bei ersterem erfolgt die magnetische Kopplung ueber ungepaarte Elektronenspins an langlebigen Radikalpaaren, bei letzterem tritt dann ein resonanter EMF Effekt auf, wenn die Frequenz der Lamor Präzession von Ionen, wie z.B Ca2+ in einem MF, oder eine Oberwelle dieser der Frequenz eines zusätzlichen EMF entspricht. Diese Resonanzfrequenz f hängt dann nur von der Ionen-masse (m) und -ladung (q), sowie der magnetischen Flußdichte (Feldstärke) B ab:
ICR-formula

Wir sind ausnahmslos dem Erdmagnetfeld (B = 40 mT) als stationäres Grundfeld ausgesetzt. Dafür erhält man für die Frequenz f des EMF für die meisten biologisch relevanten ionischen Verbindungen Werte von 2-100 Hz, ein Bereich, in welchem die am meisten vorhandenen, niederfrequenten technischen (z.B.: 16.33, 50, 60 Hz) und natürlichen (z.B. Schumann Resonanz 7.8 Hz) Wechselfelder liegen. Das Erdmagnedfeld wird im wesentlichen durch die horizontale (Nord-Süd) und vertikale (Inklination) Komponente beschrieben, ist zeitlichen Schwankungen unterworfen (kosmische Teilchenstürme, atmosphärische Effekte), und besitzt ferner lokale stationäre magnetische Anomalien (z.B. bei grossen Eisenerzlagerstätten), so dass die natürliche Resonanzbedingung etwa für Ca2+ weltweit und zeitabhängig um bis zu 7 Hz unterschiedlich sein kann.
Der ICR Effekt konnte vielfach experimentell gezeigt werden (Liboff et al., 1987, Zhadin und Fesenko, 1990), zuletzt sogar anhand einer Leitfähigkeitsänderung aminosaurer wässriger Lösungen (Zhadin et al., 1998; Pazur, 2004). Der molekulare Mechanismus der ICR ist bislang nicht aufgeklärt und kann insofern nicht trivial sein, da die thermische Fluktuation der Wassermoleküle bei Raumtemperatur mit einem mittleren Abstand von 0.31 nm ein ungestörtes Zirkulieren von Ionen in Orbitalen, die rechnerisch bis zu 50 nm Radius haben müssten, unmöglich machen sollte. Da die Lebensdauer einer ICR Anregung mindestens 1 Umlaufperiode betragen muss (t ³ 1 / f) ist zudem eine eben so lange zeitliche Kohärenz der elektronischen Spinneveaus in dieser Zone nötig, da sich sonst für diese das lokale paramagnetische Moment ändern würde und die ICR Peaks in breite Banden aufgespalten werden würden. Das Vorhandensein so weitreichender Kohärenzen konnte aufgrund experimenteller Daten gefolgert werden, die in Raumladungszonen über Lipidmembranen gemessen wurden (Pazur, 2001).
Weitere Eigenschaften kann der Effekt beim Auftreten von Radikalpaaren erhalten, wenn lange Rekombinationszeiten zu kohärenten Elektronenspins über vergleichsweise grosse räumliche Distanzen führen (Wigner'sches Spinerhaltungsprinzip). Die Radikale könnten dann selbst ihren Kohärenzbereich schaffen, in welchem sie durch äussere MF in Lamor Orbits gezwungen werden. Verschiedene Modelle werden vorgeschlagen, die die von der Quantenelektrodynamik für die ICR geforderten Mikro-Koherenzbereiche in Wasser ermöglichen sollen, so z.B. das Zwei-Fluid Modell von Del Giudice et al. (2002), oder die Ausbreitung von Solitonen (Ponomarev et al., 2000). Eine weitere Bedeutung kommt biologischen Membranen zu. Aufgrund ihrer geringen Dicke (~6 nm) laufen energetische Prozesse an ihnen mit einem räumlichen Freiheitsgrad weniger, also quasi nur zweidimensional, ab. Sie könnten sich als sog. "Quantenmulden" verhalten, wodurch sie der angrenzenden, wässrig-ionischen Phase einen zusätzlichen Ordnungsfaktor aufzwingen würden. Folge sollte dann u.a. eine Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) von Magnetfeldeffekten sein (Pazur, 2003). Die biologische Wirksamkeit von EMF sollte schliesslich stets darauf beruhen, dass der veränderte energetische Zustand der betreffenden Moleküle Reaktionsgleichgewichte verschiebt, bzw. ihre physiologische Verfügbarkeit vorübergehend beeinflusst.

Wir untersuchen die Wirkungszusammenhänge von MF und EMF bei Flussdichten unter 1 mT auf molekularem und zellulärem Niveau, schwerpunktmässig an ionischen Prozessen und Sauerstoffradikalen. Reaktive Sauerstoffradikale (ROS = Reactive Oxygen Species) können als Hydroxylradikal (HOê) nach homolytischer Spaltung von Wasser durch ionisierende Strahlung auftreten, oft in einem durch Metalle bedingten Kataylseprozess. Ferner entsteht molekularer Singlet-Sauerstoff ( 1O2) bei photobiologischen Reaktionen (Jaite et al., 2003; Zmyslony et al., 2003). EMF könnten dabei sowohl den Radikalpaareffekt begünstigen, als auch ICR ermöglichen, was zu einer Resonanzfrequenz von 50 Hz bei B = 55 mT führen würde, ein Beispiel dafür, wie gut die Vorraussetzungen für "biologische Magnetfeldeffekte" in unserer Alltagsumgebung (hier Streufelder mit Stromnetzfrequenz + Erdmagnetfeld) erfüllt sein können.
An einem für Pflanzenphysiologie und -genetik etablierten Institut kultivieren wir verschiedene Algen und Gefässpflanzen unter kontrollierter MF und EMF Befeldung und untersuchen währenddessen und danach physiologische Prozesse, Morphologie und Ultrastruktur, welche mit der Photosynthese in Zusammenhang stehen, so auch die Chlorophyll-Biosynthese (Rassadina et al., 2001) in Kooperation mit anderen Gruppen. Zur MF/EMF Befeldung der Organismen wird eine tri-axiale, modifizierte Anordnung von Helmholtz Spulen verwendet, welche die teilweise oder vollständige Kompensation des Erdmagnetfeldes erlaubt, sowie die Überlagerung beliebiger MF und EMF von 0-5 mT und einer Frequenz von 0-10 KHz. Die Steuerung und Stabilisierung erfolgt rechnergestützt mittels eines 3-Achsen Fluxgate-Magnetometers. Der bei der Photosynthese auftretende, durch Licht gesteuerte, Ladungstransport involviert Radikal-ionische Vorgänge als ideale Vorraussetzung zur Untersuchung von MF und EMF Effekten. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten sich dann prinzipiell auch auf andere Lebensprozesse übertragen lassen, und könnten so z.B. für die Weiterentwicklung der photodynamischen Therapie in der Krebsforschung nützlich sein, oder Wege zur Linderung der Spätfolgen von Strahlenschäden aufzeigen (Geraskin et al., 2003).
Weiterhin untersuchen wir makromolekularen Lösungen und künstlichen Lipidmembransystem mit elektrischen und spektroskopischen Messverfahren. Mit der nichtlinearen Dielektrizitäts-Spektroskopie (NLDS)(Woodward et al., 2000), die in unserem Labor laufend verfeinert wird, lassen sich Aussagen über die Oberflächenladungsverhältnisse und deren Änderung unter Versuchsbedingungen von in vitro und in vivo Proben erhalten. Physiologische Veränderungen wärend und nach MF oder EMF Einwirkung können damit direkt verfolgt werden. Die Erzeugung und Vermessung planarer Bilayer erfolgt dabei in speziellen zweiteiligen Trogkuvetten, die von Lösungen und Emulsionen in Glaskuvetten mit den dafür üblichen Vierpolelektroden.
Zusätzlich werden in steigendem Masse geeignete Rechnersimulationen für das elektrische Verhalten einfacher biologischer Modelle unter dem Einfluß elektrischer, magnetischer, und elektromagnetischer Felder entwickelt, die langfristig auch in die Lehre einfliessen sollen.

Messplatz

Messplatz für Magnetfeldwirkungen an in vitro Proben

Oben:
PC zur Steuerung der Geräte und Datenerfassung
Oben-Mitte:
Speicheroszilloskop und Funktionsgenerator
Mitte:
Kontrollinstrumente für Frequenzen, Magnetfeld sowie Temperatur- und pH-Messung.
Unten-Mitte:
Die mechanisch gedämpft aufgehangene Abschirmkammer mit den Spulen zur Befeldung der Messproben (Vordergrund), sowie Vorverstärker, Temperier- und Begasungseinheit.
Unten:
Spulenstromerzeuger und -verstärker, Timing-, Trigger- und Filtereinheiten, Steuerung für Lichtgeber oder kleine Halbleiterlaser, Hauptstromversorgung 220/380 V für alle Einzelgeräte mit Stabilisation und Netzfiltern (im Hintergrund).
Abschirmkammer
Abschirmkammer mit Probenträger (geöffnet)

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