Medizinische/biologische Studie (experimentelle Studie)

Effects of Acute and Chronic Low Frequency Electromagnetic Field Exposure on PC12 Cells during Neuronal Differentiation med./bio.

[Wirkungen einer akuten und chronischen niederfrequenten elektromagnetischen Feld-Exposition auf PC12-Zellen während der neuronalen Differenzierung]

Von: Morabito C, Guarnieri S, Fano G, Mariggio MA

Veröffentlicht in: Cell Physiol Biochem 2010; 26 (6): 947-958

Ziel der Studie (lt. Autor)

Es sollte die in vitro-Neuritogenese während der Exposition bei extrem niederfrequenten elektromagnetischen Feldern verschiedener Stärken und Dauern unter Verwendung der Phäochromozytom-abgeleiteten Zelllinie (PC12-Zellen) als neuronales Modell untersucht werden.

Hintergrund/weitere Details

Differenzierte (erzielt über NGF-Inkubation) und undifferenzierte Zellen wurden exponiert und während der Exposition (akute Wirkungen) und nach längeren Expositions-Zeiten (Tagen) analysiert.

Endpunkt

Neuritogenese-Prozess

Exposition/Befeldung (teilweise nur auf Englisch)

Exposition	Parameter
Exposition 1: 50 Hz Expositionsdauer: kontinuierlich für 1 - 7 Tage	magnetische Flussdichte: 0,1 mT (+/- 2 %) magnetische Flussdichte: 1 mT (+/- 2 %)
Exposition 2: 50 Hz Expositionsdauer: kontinuierlich für 30 min	magnetische Flussdichte: 0,1 mT (+/- 2 %) magnetische Flussdichte: 1 mT (+/- 2 %)

Exposition 1

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	kontinuierlich für 1 - 7 Tage
Zusatzinfo	horizontally polarized

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	Solenoid
Aufbau	cylindrical 340 mm long solenoid with a diameter of 113 mm mounted on a non-magnetic support base and placed inside an incubator; cells positioned in plastic dishes inside the solenoid
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	0,1 mT	-	-	-	+/- 2 %
magnetische Flussdichte	1 mT	-	-	-	+/- 2 %

Zusätzliche Parameterdetails

0.1 mT is the upper reference level for public exposure recommended by the European Council

Exposition 2

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	kontinuierlich für 30 min
Zusatzinfo	horizontally polarized

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	Helmholtz-Spule
Aufbau	pair of Helmholtz coils with a radius of 445 mm each and a distance of 400 mmm placed perpendicular to the ground in the working zone of a confocal microscope on a non-magnetic carrier; dishes with cells located in the spherical exposure area with a radius of 10 mm in the centre of the microscope stage
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	0,1 mT	-	-	-	+/- 2 %
magnetische Flussdichte	1 mT	-	-	-	+/- 2 %

Zusätzliche Parameterdetails

0.1 mT is the upper reference level for public exposure recommended by the European Council

Referenzartikel

Farina M et al. (2010): ELF-EMFs induced effects on cell lines: controlling ELF generation in laboratory

Exponiertes System:

intakte Zelle/Zellkultur (in vitro)
PC-12 Zellen

Methoden Endpunkt/Messparameter/Methodik

molekulare Biosynthese: Gehalt reaktiver Sauerstoffspezies (als Marker für zellulären Stress; Einzelzell-Videomikroskopie); Proteinexpression der neuronalen Marker GAP43 und MAP2 (Western Blot)
Zellfunktionen: Katalase-Enzymaktivität (als Marker für zellulären Stress; Einzelzell-Konfokalmikroskopie)
Zelllebensfähigkeit/Zellteilung/Zellproliferation: Zellwachstum und Zelllebensfähigkeit (Trypanblau-Ausschluss-Assay und MTT-Test; Spektrophotometrie)
morphologische/histopathologische Veränderungen: Zellmorphologie (Lichtmikroskopie); Neuriten-Auswuchs (neuronale Zelldifferenzierung)
Calcium-Signalgebung und Membranpotenzial-Veränderungen (Einzelzell-Konfokalmikroskopie); basale Calcium-Gehalte (über Fura-2; Spektrofluorometrie)

Untersuchtes System:

isolierte biol./chemische Substanz (in vitro)
intakte Zelle/Zellkultur (in vitro)

Untersuchungszeitpunkt:

während der Befeldung
nach der Befeldung

Hauptergebnis der Studie (lt. Autor)

Die anhaltende extrem niederfrequente elektromagnetische Feld-Exposition schien nicht signifikant die Reaktion (Proliferation und Neuritogenese) der PC12-Zellen zu beeinflussen.
Während der akuten Exposition (30 Min.) jedoch nahmen in den undifferenzierten PC12-Zellen die Gehalte der reaktiven Sauerstoffspezies zu (bei 1 mT) und die Katalase-Enzymaktivität ab (bei 0,1 und 1 mT). Im Gegensatz dazu wurde nach der chronischen Exposition (7 Tage) bei 1 mT eine erhöhte Katalase-Enzymaktivität gefunden. Akute Expositionen (0,1 and 1 mT) reduzierten die spontanen intrazellulären Ca²⁺-Variationen in den undifferenzierten Zellen. Die basale intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration veränderte sich nicht während der akuten (30 Min.) Exposition, aber erhöhte sich in den undifferenzierten Zellen nach der chronischen Exposition (7 Tage). Zusätzlich beeinflusste die akute Exposition die Zellreaktion der undifferenzierten Zellen gegenüber einer depolarisierenden Substanz (Kaliumchlorid und Thapsigargin in Calcium-freiem Medium), während das basale Membranpotenzial unverändert blieb.
Die Autoren unterstützen die Hypothese, dass reaktive Sauerstoffspezies und Ca²⁺ die zelluläre "erste Ursache" der durch extrem niederfrequente elektromagnetische Felder-induzierten Wirkungen auf biologische System sein könnten.

Studienmerkmale:

medizinische/biologische Studie
experimentelle Studie
Voll-/Hauptstudie

Studie gefördert durch

Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mar (Ministry of Environment and Territory), Italy

Themenverwandte Artikel

Zuo H et al. (2020): The mitochondria/caspase-dependent apoptotic pathway plays a role in the positive effects of a power frequency electromagnetic field on Alzheimer's disease neuronal model
de Groot MW et al. (2016): In vitro developmental neurotoxicity following chronic exposure to 50 Hz extremely low frequency electromagnetic fields (ELF-EMF) in primary rat cortical cultures
Cheng Y et al. (2015): Extremely low-frequency electromagnetic fields enhance the proliferation and differentiation of neural progenitor cells cultured from ischemic brains
Jung IS et al. (2014): Effects of extremely low frequency magnetic fields on NGF induced neuronal differentiation of PC12 cells
de Groot MW et al. (2014): Assessment of the neurotoxic potential of exposure to 50Hz extremely low frequency electromagnetic fields (ELF-EMF) in naive and chemically stressed PC12 cells
Li Y et al. (2014): Pulsed electromagnetic field enhances brain-derived neurotrophic factor expression through L-type voltage-gated calcium channel- and Erk-dependent signaling pathways in neonatal rat dorsal root ganglion neurons
Seong Y et al. (2014): Egr1 mediated the neuronal differentiation induced by extremely low-frequency electromagnetic fields
Schauerte P et al. (2011): Sympathetic neurons express and secrete MMP-2 and MT1-MMP to control nerve sprouting via pro-NGF conversion
Farina M et al. (2010): ELF-EMFs induced effects on cell lines: controlling ELF generation in laboratory
Marcantonio P et al. (2010): Synergic effect of retinoic acid and extremely low frequency magnetic field exposure on human neuroblastoma cell line BE(2)C
Morabito C et al. (2010): Modulation of redox status and calcium handling by extremely low frequency electromagnetic fields in C2C12 muscle cells: A real-time, single-cell approach
Wood MD et al. (2009): Applied electric field enhances DRG neurite growth: influence of stimulation media, surface coating and growth supplements
Hernandez-Hernandez H et al. (2009): Neurite Outgrowth on Chromaffin Cells Applying Extremely Low Frequency Magnetic Fields by Permanent Magnets
Kim S et al. (2008): The application of magnets directs the orientation of neurite outgrowth in cultured human neuronal cells
Piacentini R et al. (2008): Extremely low-frequency electromagnetic fields promote in vitro neurogenesis via upregulation of Ca(v)1-channel activity
Alexander JK et al. (2006): Electric field-induced astrocyte alignment directs neurite outgrowth
Wood M et al. (2006): Short-duration, DC electrical stimulation increases chick embryo DRG neurite outgrowth
Zhang Y et al. (2005): Influence of pulsed electromagnetic field with different pulse duty cycles on neurite outgrowth in PC12 rat pheochromocytoma cells
Fan W et al. (2004): The influence of magnetic fields exposure on neurite outgrowth in PC12 rat pheochromocytoma cells
Simko M et al. (2004): Extremely low frequency electromagnetic fields as effectors of cellular responses in vitro: possible immune cell activation
Grassi C et al. (2004): Effects of 50 Hz electromagnetic fields on voltage-gated Ca2+ channels and their role in modulation of neuroendocrine cell proliferation and death
McFarlane EH et al. (2000): Changes in neurite outgrowth but not in cell division induced by low EMF exposure: influence of field strength and culture conditions on responses in rat PC12 pheochromocytoma cells
Morgado-Valle C et al. (1998): The role of voltage-gated Ca2+ channels in neurite growth of cultured chromaffin cells induced by extremely low frequency (ELF) magnetic field stimulation
Blackman CF et al. (1998): Double blind test of magnetic field effects on neurite outgrowth
Ubeda A et al. (1996): Melatonin prevents magnetic-field-induced neurite outgrowth in a subline of pheochromocytoma cells, PC12D
Blackman CF et al. (1995): Frequency-dependent interference by magnetic fields of nerve growth factor-induced neurite outgrowth in PC-12 cells
Blackman CF et al. (1993): Action of 50 Hz magnetic fields on neurite outgrowth in pheochromocytoma cells
Blackman CF et al. (1993): Evidence for direct effect of magnetic fields on neurite outgrowth