kopplingen mellan olika processer
ovanstående fynd involverar tre separata processer som är engagerade i kardiomyocytens regelbundna funktion; den mekaniska sammandragningen, kalciumtransienterna och CK-frisättningshastigheten. Huruvida några olika mekanismer eller en gemensam influensväg är ansvarig för dessa effekter är fortfarande en öppen fråga., Den abrupta avslutningen av de spontana mekaniska sammandragningarna åtföljdes av en gradvis minskning av kalciumtransienternas amplitud och en längre stigtid. Dessa två observationer innebär en minskning av mängden och takten i kalcium ingången till cytosolen. I kombination med den utmärkta likheten mellan tidsberoendet av den mekaniska kontraktionshastigheten och den uppskattade sammandragningsstyrkan föreslår den att en minskning av det intracellulära kalcium sannolikt är orsaken till sammandragningsupphängningen när kalciumtransienternas Amplitud minskar under ett visst tröskelvärde., En annan motivering för sambandet mellan dessa två effekter är ökningen av kontraktionstakten under de första 20 minuterna av fältapplikationen. Den ökade kontraktionshastigheten kan vara en manifestation av en minskad SR-belastning. Ökad hastighet på grund av kortare avslappningstid minskar kalciumutflödet och motverkar därför minskningen av kalciumreservoir12,13,14 och gör det möjligt för cellen att övervinna minskningen i kalcium SR-behållaren.,
både den mekaniska sammandragningen och den intracellulära kalciumbalansen beror starkt på mängden CK i cytoplasman, som är en nyckelspelare i energiunderhållsmekanismen15. Under normala förhållanden är CK-frisättningshastigheten extremt låg ~ 5% av cellens innehåll om 1,5 timmar. Därför är det osannolikt att de observerade variationerna i CK-frisättning väsentligt påverkar energibalansen och hindrar de mekaniska sammandragningarna. En annan potentiell länk är genom kalcium påverkad exocytos. Intracellulära kalciumkoncentrationsvariationer kan påverka exocytoshastigheten och quanta16, 17, 18., Om ScR-magnetfältet påverkar kalciumhomeostasen kan det indirekt påverka exocytos och mängden CK som frigörs till bufferten. En ökad minskning av CK-frisättningshastigheten observerades under hypoxiska och oxidativa stressförhållanden. Det föreslår en annan möjlig relation på grund av kopplingen mellan kalcium och ROS signaleringsvägar19,20,21. Oxidativ stress höjer den intracellulära kalciumkoncentrationen och ökad kalciumkoncentration aktiverar ROS-genererande enzymer. Ökade ROS-nivåer visades orsaka långvariga SR-läckor och Ca2 + utarmning22.,
påverkan på kalciumhomeostas
det faktum att 7,8 Hz, 90 nT MF-fältet inte påverkade den diastoliska Ca2+ – koncentrationen och endast hade en mindre effekt på reduktionstiden indikerar att den betydande minskningen av kalciumamplituden inte kan hänföras enbart till ett direkt inflytande på Natriumkalciumväxlaren (NCX) och Sarco/endoplasmatisk retikulum Ca2+ ATPas (SERCA) mekanismer., Den stora minskningen av kalciumövergående amplituden och den långvariga stigtiden föreslår en påverkan av ScR MF på en av de två huvudmekanismerna som är ansvariga för kalciumingången till cytosolen; kalciuminflödet (genom L-typ spänningsberoende kalciumkanaler) och kalciumfrisättning från SR, utlöst av Ca2+ tillströmningsströmmen. Fel på en av dessa två mekanismer bör översättas till en långsammare ingång av kalcium och därför en långvarig ökningstid och en lägre övergående Amplitud., En liknande minskning av kalciumövergående Amplitud orsakad av ScR MF sågs i skelettmuskelkulturer i råtta (som ska publiceras). Det tyder på att kalciumfrisättning från SR är målet eftersom ”Ca-inducerad ca-frisättning” inte är relevant i skelettmuskeln.
påverkan på CK-frisättning
upphörandet av de mekaniska sammandragningarna och minskningen av kalciumkoncentrationen under kardiomyocytens spontana sammandragning efter apparaten i ScR-fältet kan tyda på en försämring av cellernas korrekta aktivitet., Vi undersökte därför påverkan av ScR-fältet på CK-utsläpp till bufferten. CK-frisättningshastigheten är långsam och var omätbar efter 45 minuter (mindre än standardavvikelsen), där minskningen av kalciumövergående Amplitud inträffade. Den genomsnittliga mängden CK-frisättning är ~ 10% av innehållet i cellerna på 90 minuter. En sådan liten förändring verkar osannolikt att väsentligt indikera ett väsentligt inflytande på energibalansen eller cellviabiliteten och hindra de mekaniska sammandragningarna., För att verifiera att lägre CK-frisättning på grund av fältexponeringen inte berodde på minskad cellviabilitet studerade vi dessutom påverkan på cellviabiliteten med hjälp av propidiumjodid (PI) – färgningsproceduren (data som inte presenterades). PI-värdena överensstämde med CK-utsläpp (dvs. lägre PI-värden för proverna med minskad CK-frisättning) och innebär därför mer livskraftiga celler på grund av fältapplikationen.
skadan beroende \({\Delta }_{Protection}\) dök upp i hypoxi experiment även om fältet applicerades före hypoxisk skada., Detta är i motsats till de oxidativa stressresultaten, där skadeberoende termen \({\Delta }_{Protection}\) endast uppträdde när ScR MF applicerades samtidigt med den oxidativa stressen. Vi tillskrev denna skillnad till den gradvisa vs. abrupta ökningen av ROS-nivåerna i de hypoxiska och oxidativa stressexperimenten.
beroende av magnetfältparametrar
på grund av komplexiteten och de flera faktorer och mekanismer som är inblandade är det en komplicerad uppgift att avslöja den fysiska mekanismen bakom ScR MF-effekten, utöver detta arbete., Beroendet av effekten på de applicerade MF-parametrarna kan emellertid peka mot en magnetoreceptionsmekanism.
både de mekaniska sammandragningarna och CK-frisättningshastigheten var oberoende av MF-magnituden. Den här egenskapen utesluter några av den föreslagna fysiska förklaringen som stokastisk resonans, Eddy-strömmarnas förklaring, joncyklotronparametrisk resonans förklaring där effekternas storlek beror på förhållandet mellan de oscillerande och statiska MF-amplituderna och den radikala parrekombinationsteorin., Ett annat alternativ är att det finns ett visst tröskelvärde över vilket effekten är trovärdig. Tröskeln kan vara av fysiskt eller biologiskt ursprung.
de extremt svaga amplituderna hos den applicerade MF (18 pT-90 nT) ställer in en annan begränsning och eliminerar några av de föreslagna förklaringarna. Påverkan på radikal parrekombination kan till exempel ge en signifikant effekt endast vid högre fältförstoringar23 (1-10 mT, se Grissom, 1995). Stokastisk resonans kan förstärka en signal med endast en faktor på 100 och är därför mindre sannolikt att vara relevant för ScR-effekten24.,
ScR-effektens frekvensspecifika karaktär avvisar den radikala parrekombinationsförklaringen som saknar frekvensselektivitetsmekanism. Den Eddy nuvarande förklaringen presenterar ett linjärt beroende av fältens frekvens och därmed irrelevant för ScR-effekten. En av de populära teorierna som förklarar påverkan av svag ELF MF s i biologiska vävnader är joncyklotroneffekten. Andra27, 28 har undersökt påverkan av 16 Hz 40 nT fält på spontana kalciumtransienter av kardiomyocyter., De visade en 75% minskning av kalciumtransienternas Amplitud efter 30 minuters exposer. Frekvensen i vilken fältet påverkat kalciumtransienterna, varierade när DC-fältstorleken varierades och passade joncyklotronresonansfrekvensen för kaliumjon29. Jordens geomagnetiska fält i Tel Aviv är runt 40 µT. Om joncyklotronfrekvensen för ett DC-fält på 40 µT är 7,8 Hz, växlar DC-fältet till 50 µT eller 30 µT joncyklotronfrekvensen till 9,75 Hz respektive 5,85 Hz., Om SCR-fältinverkan beror på joncyklotronresonansen, bör frekvensen där fältet påverkar kardiomyocyterna variera respektive och 7,8 Hz-fältet påverkar inte kontraktionshastigheten. Som beskrivs i resultatsektionen är detta inte fallet, och magnetfältet på 7,8 Hz påverkar den spontana kontraktionshastigheten även när en ytterligare magnetisk DC appliceras, och vi kan därför utesluta joncyklotroneffekten.,
det faktum att joncyklotronfrekvensen är den enda karakteristiska resonansfrekvensen som är lämplig för ScR-frekvensområdet, men irrelevant för ScR-effekten, gör biologisk inställning som turtle cochlear hair cells tuning, en mer sannolik förklaring. Resonansfrekvensen för en specifik hårcell bestäms av det specifika antalet och kinetiken för kalciumaktiverade (BK) kaliumkanaler 30,31. Denna mekanism stöder den elektriska induktionshypotesen som en möjlig föregångare. Enligt Bellono et al .,32, frekvenskänslig elektrodetektion av Elasmobranch fiskar härrör från en låg spänning aktiveringsgräns för spännings-gated kalciumkanal CaV1. 3 och en minskad lutning ledare av den stora konduktans kalcium-aktiverade kaliumkanal (BK). Dessa unika egenskaper ger upphov till membranpotentialoscillationer (~7 Hz) som kan fungera som en avstämningsanordning som liknar den elektriska resonansmekanismen hos hårceller., I kardiomyocyter verkar BK-kanaler frånvarande från sarcolemma, men kanalerna är närvarande i mitokondriella membran33 och visades vara involverade i hjärtskydd mot ischemi via ROS-beroende mekanism34. Denna potentiella förklaring, som involverar påverkan av ett inducerat elektriskt fält på råttmitochondria BK-kanaler, är relevant för alla de ScR-observerade effekterna: hypoxi, oxidativ stress och kalciumtransienter. Det finns vissa bevis som visar inblandning av mitokondrier BK-kanaler i hjärtskydd mot ischemi via finjustering av oxidativstaten35, 36, 37., Dessutom visade sig ROS-produktionen i mitokondrierna reglera Ca2 + i råttkardiocyter i en dubbelriktad, tidsberoende manner38. De visade att inducerad mitokondriell ROS-produktion orsakade en övergående ökning av Ca2 + gnistaktivitet, följt av gradvis gnistundertryck delvis orsakad av en minskning av SR-kalciumbelastningen över en tidsskala på 15 minuter., Därför kan en påverkan av ScR MF med elektrisk induktion som en kopplingsmekanism på mitokondrierna BK-kanalen, vilket resulterar i ROS-produktion resultera i ökad kontraktionshastighet och en gradvis minskning av kalciumövergående Amplitud.