Die Verbindung zwischen verschiedenen Prozessen
Die obigen Befunde beinhalten drei separate Prozesse, die an der regulären Funktion der Kardiomyozyten beteiligt sind; die mechanische Kontraktion, die Calciumtransienten und die CK-Freisetzungsrate. Ob einige verschiedene Mechanismen oder ein gemeinsamer Einflussweg für diese Effekte verantwortlich sind, bleibt eine offene Frage., Die abrupte Beendigung der spontanen mechanischen Kontraktionen ging einher mit einer allmählichen Abnahme der Amplitude der Calciumtransienten und einer längeren Anstiegszeit. Diese beiden Beobachtungen bedeuten eine Verringerung der Menge und des Tempos des Calciumeintritts in das Zytosol. In Kombination mit der hervorragenden Ähnlichkeit zwischen der Zeitabhängigkeit der mechanischen Kontraktionsrate und der geschätzten Kontraktionsstärke deutet dies darauf hin, dass eine Verringerung des intrazellulären Calciums höchstwahrscheinlich die Ursache der Kontraktionssuspension ist, wenn die Amplitude der Calciumtransienten unter einen bestimmten Schwellenwert abnimmt., Eine weitere Rechtfertigung für den Zusammenhang zwischen diesen beiden Effekten ist die Erhöhung der Kontraktionsrate während der ersten 20 Minuten der Feldanwendung. Die erhöhte Kontraktionsrate kann eine Manifestation einer reduzierten SR-Belastung sein. Eine erhöhte Rate aufgrund kürzerer Relaxationszeit verringert den Calciumausfluss und gleicht daher die Reduktion des Calciumreservoir12,13,14 aus und ermöglicht es der Zelle, die Reduktion im Calcium-SR-Reservoir zu überwinden.,
Sowohl die mechanische Kontraktion als auch der intrazelluläre Calciumhaushalt hängen stark von der Menge an CK im Zytoplasma ab und spielen eine Schlüsselrolle im Energieerhaltungsmechanismus15. Unter normalen Bedingungen ist die CK-Freisetzungsrate innerhalb von 1,5 Stunden extrem niedrig ~5% des Zellgehalts. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die beobachteten Schwankungen der CK-Freisetzung die Energiebilanz signifikant beeinflussen und die mechanischen Kontraktionen behindern. Eine weitere mögliche Verbindung besteht durch Calcium beeinflusste Exozytose. Variationen der intrazellulären Calciumkonzentration können die Exozytose-Rate und die Quanten beeinflussen16,17, 18., Wenn also das ScR-Magnetfeld die Calciumhomöostase beeinflusst, kann es indirekt die Exozytose und die Menge an CK beeinflussen, die in den Puffer freigesetzt wird. Eine erhöhte Verringerung der CK-Freisetzungsrate wurde unter hypoxischen und oxidativen Stressbedingungen beobachtet. Es deutet auf eine andere mögliche Beziehung aufgrund der Kopplung zwischen Calcium und ROS-signalisierenden Pathways19,20,21 hin. Oxidativer Stress erhöht die intrazelluläre Calciumkonzentration und erhöhte Calciumkonzentration aktiviert ROS erzeugende Enzyme. Es wurde gezeigt, dass erhöhte ROS-Spiegel längere SR-Lecks und Ca2+ – Depletion22 verursachen.,
Einfluss auf die Calciumhomöostase
Die Tatsache, dass das Feld 7,8 Hz, 90 nT MF die diastolische Ca2+-Konzentration nicht beeinflusste und nur einen geringen Einfluss auf die Abnahmezeit hatte, zeigt, dass die beträchtliche Abnahme der Calciumamplitude nicht allein auf einen direkten Einfluss auf den Natrium-Calcium-Austauscher (NCX) und das Sarko/endoplasmatische Retikulum Ca2+ ATPase (SERCA) zurückzuführen ist Mechanismen., Die große Abnahme der Calcium-Transientenamplitude und die verlängerte Anstiegszeit deuten auf einen Einfluss des ScR MF auf einen der beiden Hauptmechanismen hin, die für den Calciumeintritt in das Cytosol verantwortlich sind.der Calciumeinfluss (durch spannungsabhängige Calciumkanäle vom L-Typ) und die Calciumfreisetzung aus dem SR, ausgelöst durch den Ca2+ – Zustromstromstrom. Eine Fehlfunktion eines dieser beiden Mechanismen sollte zu einem langsameren Kalziumeintritt und damit zu einer längeren Anstiegszeit und einer niedrigeren transienten Amplitude führen., Eine ähnliche Verringerung der durch ScR MF verursachten Calcium-transienten Amplitude wurde in Skelettmuskelkulturen der Ratte beobachtet (zu veröffentlichen). Es legt nahe, dass die Calciumfreisetzung aus dem SR das Ziel ist, da die „Ca-induzierte Ca-Freisetzung“ im Skelettmuskel nicht relevant ist.
Einfluss auf die CK-Freisetzung
Die Beendigung der mechanischen Kontraktionen und die Verringerung der Calciumkonzentration während der spontanen Kontraktion der Kardiomyozyten nach der Aktivierung des ScR-Feldes können auf eine Verschlechterung der ordnungsgemäßen Aktivität der Zellen hindeuten., Wir haben daher den Einfluss des ScR-Feldes auf die CK-Freisetzung auf den Puffer untersucht. Die CK-Freisetzungsrate ist langsam und war nach 45 Minuten unermesslich (kleiner als die Standardabweichung), bei der die Abnahme der transienten Amplitude auftrat. Die durchschnittliche Menge an CK-Freisetzung beträgt ~10% des Inhalts der Zellen in 90 Minuten. Es ist unwahrscheinlich, dass eine solche kleine Änderung einen wesentlichen Einfluss auf die Energiebilanz oder die Lebensfähigkeit der Zellen signifikant anzeigt und die mechanischen Kontraktionen behindert., Um zu überprüfen, ob eine geringere CK-Freisetzung aufgrund der Feldexposition nicht auf eine verringerte Zelllebensfähigkeit zurückzuführen ist, untersuchten wir außerdem den Einfluss auf die Zelllebensfähigkeit mit Propidiumiodid (PI) – Färbeverfahren (Daten nicht dargestellt). PI-Werte stimmten mit der CK-Freisetzung überein (d. h. niedrigere PI-Werte für die Proben mit reduzierter CK-Freisetzung) und implizieren daher aufgrund der Feldanwendung lebensfähigere Zellen.
Der schadensabhängige \({\Delta }_{Protection}\) trat im Hypoxie-Experiment auf, obwohl das Feld vor dem hypoxischen Schaden angelegt wurde., Dies steht im Gegensatz zu den oxidativen Stressergebnissen, bei denen der schadensabhängige Term \({\Delta }_{Protection}\) nur dann auftrat, wenn der ScR MF gleichzeitig mit dem oxidativen Stress angewendet wurde. Wir führten diese Diskrepanz auf den allmählichen vs. abrupten Anstieg des ROS-Spiegels in den hypoxischen und oxidativen Stressexperimenten zurück.
Abhängigkeit von Magnetfeldparametern
Aufgrund der Komplexität und der vielfältigen Faktoren und Mechanismen ist die Aufdeckung des physikalischen Mechanismus hinter dem ScR MF-Effekt eine komplizierte Aufgabe, die über den Rahmen dieser Arbeit hinausgeht., Die Abhängigkeit des Effekts von den angewendeten MF-Parametern kann jedoch auf einen Magnetorezeptionsmechanismus hinweisen.
Sowohl die mechanischen Kontraktionen als auch die CK-Freisetzungsrate waren unabhängig von der MF-Größe. Diese Eigenschaft schließt einige der vorgeschlagenen physikalischen Erklärungen wie stochastische Resonanz, die Wirbelströme Erklärung, die Ionen Zyklotron parametrische Resonanz Erklärung, in der die Effekte‘ Größe hängt vom Verhältnis zwischen den oszillierenden und statischen MF Amplituden, und die radikale Paar Rekombinationstheorie., Eine andere Möglichkeit ist, dass ein bestimmter Schwellenwert existiert, über dem der Effekt plausibel ist. Die Schwelle könnte physischen oder biologischen Ursprungs sein.
Die extrem schwachen Amplituden des angewandten MF (18 pT-90 nT) setzen eine weitere Einschränkung und eliminieren einige der vorgeschlagenen Erklärungen. Der Einfluss auf die radikale Paarrekombination kann beispielsweise nur bei höheren Feldgrößen23 (1-10 mT, siehe Grissom, 1995) einen signifikanten Einfluss erzeugen. Stochastische Resonanz kann ein Signal nur um den Faktor 100 verstärken und ist daher für den ScR-Effekt24 weniger wahrscheinlich.,
Der frequenzspezifische Charakter des ScR-Effekts weist die radikale Paarrekombination zurück, bei der der Frequenzselektivitätsmechanismus fehlt. Die Wirbelstrom-Erklärung stellt eine lineare Abhängigkeit von der Frequenz der Felder dar und ist somit für den ScR-Effekt irrelevant. Eine der populären Theorien, die den Einfluss schwacher ELF MF s in biologischen Geweben erklären, ist der Ionencyclotron-Effekt. Andere untersuchten den Einfluss des 16-Hz-40-nT-Feldes auf die spontanen Calciumtransienten von Kardiomyozyten., Sie zeigten eine 75% ige Verringerung der Amplitude der Calciumtransienten nach 30 Minuten Exposer. Die Frequenz, in der das Feld die Calciumtransienten beeinflusste, variierte, wenn die Gleichstromfeldgröße variiert wurde, und passte die Ionenzyklotronresonanzfrequenz von Kaliumion29 an. Das Erdmagnetfeld in Tel Aviv liegt bei etwa 40 µT. Wenn die Ionenzyklotronfrequenz für ein Gleichstromfeld von 40 µT 7,8 Hz beträgt,wird durch Verschieben des Gleichstromfeldes auf 50 µT oder 30 µT die Ionenzyklotronfrequenz auf 9,75 Hz bzw., Wenn der Einfluss des ScR-Feldes auf die Ionenzyklotronresonanz zurückzuführen ist, sollte die Frequenz, in der das Feld die Kardiomyozyten beeinflusst, variieren und das 7,8-Hz-Feld wird die Kontraktionsrate nicht beeinflussen. Wie im Ergebnisteil beschrieben, ist dies nicht der Fall, und das 7,8 Hz-Magnetfeld beeinflusst die spontane Kontraktionsrate auch dann, wenn ein zusätzliches magnetisches Gleichstrom angelegt wird, und wir können daher den Ionenzyklotroneffekt ausschließen.,
Die Tatsache, dass die Ionenzyklotronfrequenz die einzige charakteristische Resonanzfrequenz ist, die für den ScR-Frequenzbereich geeignet ist, aber für den ScR-Effekt irrelevant ist, macht eine biologische Abstimmung wie die Turtle Cochlea Hair Cells-Abstimmung wahrscheinlicher Erklärung. Die Resonanzfrequenz einer bestimmten Haarzelle wird durch die spezifische Anzahl und Kinetik von calciumaktivierten (BK) Kaliumkanälen bestimmt30,31. Dieser Mechanismus unterstützt die elektrische Induktionshypothese als mögliche Vorstufe. Nach Bellono et al .,32 ergibt sich die frequenzempfindliche Elektrodetektion der Elasmobranchfische aus einer Niederspannungs-Aktivierungsschwelle des spannungsgesteuerten Calciumkanals CaV1. 3 und einer verminderten Steigungsleitfähigkeit des großen Leitungs-Calcium-aktivierten Kaliumkanals (BK). Diese einzigartigen Eigenschaften führen zu Membranpotentialschwingungen (~7 Hz), die als Abstimmvorrichtung ähnlich dem elektrischen Resonanzmechanismus von Haarzellen dienen können., Bei Kardiomyozyten erscheinen BK-Kanäle im Sarkolemma nicht vorhanden, aber die Kanäle sind in Mitochondrienmembranen vorhanden33 und es wurde gezeigt, dass sie über ROS-abhängigen Mechanismus34 am Kardioprotektion gegen Ischämie beteiligt sind. Diese mögliche Erklärung, die einen Einfluss eines induzierten elektrischen Feldes auf die Mitochondrien-BK-Kanäle der Ratte beinhaltet, ist für alle beobachteten ScR-Effekte relevant: Hypoxie, oxidativer Stress und Calciumtransienten. Es gibt einige Hinweise auf die Beteiligung von Mitochondrien-BK-Kanälen am Kardioprotektionsschutz gegen Ischämie durch Feinabstimmung des oxidativen Zustands35,36, 37., Zusätzlich wurde gezeigt, dass die ROS-Produktion in den Mitochondrien Ca2+ in Ratten-Kardiomyozyten in einem bidirektionalen, zeitabhängigen Manier reguliert38. Sie zeigten, dass die induzierte mitochondriale ROS-Produktion einen vorübergehenden Anstieg der Ca2+ – Funkenaktivität verursachte, gefolgt von einer allmählichen Funkenunterdrückung, die teilweise durch eine Verringerung der SR-Calciumbelastung über eine Zeitskala von 15 Minuten verursacht wurde., Daher kann ein Einfluss des ScR MF mit elektrischer Induktion als Kopplungsmechanismus auf den Mitochondrien-BK-Kanal, der zu einer ROS-Produktion führt, zu einer erhöhten Kontraktionsrate und einer allmählichen Abnahme der Calcium-Transientenamplitude führen.