Studientyp: Medizinische/biologische Studie (experimentelle Studie)

Pulsed electromagnetic fields stimulate osteogenic differentiation and maturation of osteoblasts by upregulating the expression of BMPRII localized at the base of primary cilium. med./bio.

[Gepulste elektromagnetische Felder stimulieren die osteogene Differenzierung und Reifung von Osteoblasten durch Hochregulierung der Expression von BMPRII, welches an der Basis des primäres Ciliums lokalisiert ist].

Veröffentlicht in: Bone 2016; 93: 22-32

Ziel der Studie (lt. Autor)

Es sollten die Wirkungsmechanismen untersucht werden, die der osteogenen Differenzierung von Ratten-Osteoblasten zugrunde liegen, welche von einer Exposition bei einem gepulsten 50 Hz-Magnetfeld ausgelöst wurde.

Hintergrund/weitere Details

In einer früheren Studie zeigten die Autoren, dass eine Exposition bei einem gepulsten 50 Hz-Magnetfeld die Proliferation und osteogene Differenzierung von Ratten-Osteoblasten stimulieren könnte und dass dafür das Vorhandensein eines primären Ciliums vonnöten ist (Yan et al. 2015). Allerdings sind die Wirkungsmechanismen nicht klar.
Osteoblasten aus dem Schädel der Ratte wurden aus 10 neugeborenen Ratten isoliert und in verschiedene Gruppen eingeteilt. Für kurzfristige Effekte: Exposition bei dem gepulsten Magnetfeld für 1) 5 min, 2) 15 min, 3) 30 min, 4) 60 min und 5) 120 Minuten. Zellen ohne Exposition (0 Minuten) wurden als Kontrollgruppe verwendet. Für langfristige Wirkungen wurden die Zellen in osteogenem Kulturmedium kultiviert und in die folgende Gruppen eingeteilt: Exposition bei dem gepulsten Magnetfeld für 6) 3 Tage, 7) 6 Tage und 8) 12 Tage. Für jede der Gruppen 6-8 wurde eine separate Kontrollgruppe verwendet.
Knochen-morphogenetische Proteine (BMPs) haben unterschiedliche Funktionen bei der embryonalen Entwicklung und spielen eine entscheidende Rolle bei der Osteogenese. Der BMP-Smad1/5/8-Signalweg ist wichtig für die osteogene Zelldifferenzierung.
Um die Wirkungsmechanismen zu untersuchen, wurde die Zilien-Bildung in Zellen mittels Gen-Knockdown (ähnliche Wirkung wie Knockout) durch eine Behandlung mit siRNA (small interfering RNA) verhindert. Ein Knockdown des Bone Morphogenetic Proteins Rezeptor II (BMPRII) wurde ebenfalls mit Hilfe von siRNA durchgeführt. Zudem wurden Noggin, ein Antagonist von BMP, und LDN-193189, ein Inhibitor von BMPRI-Kinasen, verwendet.

Endpunkt

Exposition/Befeldung (teilweise nur auf Englisch)

Exposition Parameter
Exposition 1: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: kontinuierlich für 5 Minuten
Exposition 2: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: kontinuierlich für 15 Minuten
Exposition 3: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: kontinuierlich für 30 Minuten
Exposition 4: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: kontinuierlich für 60 Minuten
Exposition 5: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: kontinuierlich für 120 Minuten
Exposition 6: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: intermittierend 60 Minuten/Tag für 3 Tage
Exposition 7: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: intermittierend 60 Minuten/Tag für 6 Tage
Exposition 8: 50 Hz
Modulationsart: gepulst
Expositionsdauer: intermittierend 60 Minuten/Tag für 12 Tage

Exposition 1

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer kontinuierlich für 5 Minuten
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Kammer 60 mm culture dishes
Aufbau dishes were placed in an area with good uniformity within the coil; temperature was measured and overstepping of 37.5°C was signalized
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 2

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer kontinuierlich für 15 Minuten
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 3

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer kontinuierlich für 30 Minuten
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 4

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer kontinuierlich für 60 Minuten
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 5

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer kontinuierlich für 120 Minuten
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 6

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer intermittierend 60 Minuten/Tag für 3 Tage
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 7

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer intermittierend 60 Minuten/Tag für 6 Tage
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exposition 8

Hauptcharakteristika
Frequenz 50 Hz
Typ
Signalform
Expositionsdauer intermittierend 60 Minuten/Tag für 12 Tage
Modulation
Modulationsart gepulst
Tastgrad 50 %
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 0,6 mT - - - -

Exponiertes System:

Methoden Endpunkt/Messparameter/Methodik

Untersuchtes System:
Untersuchungszeitpunkt:
  • vor der Befeldung
  • während der Befeldung
  • nach der Befeldung

Hauptergebnis der Studie (lt. Autor)

In Zellen mit einer normalen Bildung der primären Zilien war die Proteinexpression von BMP2 und phosphoryliertem Smad1/5/8 ab einer Exposition für 5 Minuten (Gruppe 1) im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant erhöht und erreichte nach 30 Minuten Exposition (Gruppe 3) ihr Maximum. Dies zeigte eine Aktivierung des BMP-Smad1/5/8-Signalwegs an. Darüber hinaus war die Proteinexpression der BMP-Rezeptoren BMPRII und BMPRIB nach 15 Minuten (Gruppe 2) und 120 Minuten (Gruppe 5) im Vergleich zu der Kontrollgruppe signifikant erhöht und die Rezeptoren wurden an den Basen der primären Zilien lokalisiert.
Die osteogene Differenzierung und Reifung der Zellen war nach 3, 6 und 12 Tagen (Gruppen 6-8) im Vergleich zu den Kontrollgruppen signifikant erhöht. Diese fördernden Wirkungen wurden durch eine Ko-Exposition mit den Inhibitoren LDN-193189 und Noggin aufgehoben, was den BMP-Smad1/5/8-Signalweg bei der Differenzierung und Reifung der Osteoblasten bestätigte.
Eine Entfernung der primären Zilien durch Gen-Knockdown hob die Magnetfeld-induzierte Hochregulierung von BMPRII und deren Lokalisierung bei den Zilien auf. Ein Knockdown der BMPRII-Expression hatte keine Auswirkungen auf die primären Zilien, verringerte aber signifikant die fördernde Wirkung des Magnetfelds auf die Differenzierung und Reifung der Osteoblasten.
Die Autoren schlussfolgern, dass eine Exposition bei einem gepulsten 50 Hz-Magnetfeld die osteogenen Differenzierung von Ratten-Osteoblasten über eine primäre Cilium-vermittelte Hochregulierung der BMPRII-Expression und eine anschließende Aktivierung des BMP-Smad1/5/8-Signalwegs stimulieren könnte.

Studienmerkmale:

Studie gefördert durch

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