Induktion von oxidativem Stress in Zellen

Induktion von oxidativem Stress und Apoptose in Zellen des Typs HEK293 durch elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung mit 2,45 GHz und protektive Effekte von Zink

Konzept und Methodik der Studie

Als Versuchsobjekt wurden Zellkulturen des Typs HEK293 bestimmt. Dabei handelt es sich um Zelllinien von embryonalen Nierenzellen, die zusätzlich DNA-Bestandteile von menschlichen Adenoviren enthalten. Sie sind leicht zu handhaben und damit in der Grundlagenforschung weit verbreitet.
Diese Zellkulturen wurden in vier Gruppen eingeteilt, mit denen im Folgenden unterschiedlich verfahren wurde. Eine Gruppe diente als Kontrollgruppe und wurde nicht bestrahlt. Eine weitere Gruppe wurde mit 2,45 GHz hoch frequent elektromagnetisch bestrahlt (HF-EMF). Die beiden letzten Gruppen wurden ebenfalls mit 2,45 GHz bestrahlt, hier wurde jedoch Zink hinzugegeben (einmal eine Dosis von 50 µM und einmal eine Dosis von 100 µM). Zur Vorbereitung wurde 48 Stunden vor dem Versuch das Nährmedium der Zellkulturen ausgetauscht und in den beiden letzten Gruppen die entsprechende Menge Zinksulfat hinzugefügt. Die Bestrahlung der Zellen erfolgte mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators mit Monopolantenne in einer Entfernung von 18 cm. Daraus resultiert ein Leistungspegel von -40 dBm und eine Feldintensität von 2 V/m.
Welchen Effekt diese Bestrahlung bzw. die vorherige Behandlung mit Zink auf die Zellkulturen hatte, wurde mithilfe einiger Parameter beurteilt. Eine wahrscheinliche Folge ist die Oxidation von Zellmembranlipiden, dies zeigt sich in einem Anstieg der Konzentration von Malondialdehyd (MDA). Weiters wurde die Aktivität von dem antioxidativen Enzym Superoxiddismutase (SOD) gemessen. Durch die weiträumige Oxidation von Bestandteilen der Zellmembran kann die Zelle so stark geschädigt werden, dass der programmierte Zelltod (Apoptose) eingeleitet wird. Nachgewiesen wurde dies anhand der Färbung (TUNEL, Immunhistochemie) von Markern wie Caspase-3 und Bcl-2. Ersterer deutet auf Apoptose hin, letzterer auf ein Überleben der Zelle.

Ergebnisse

In der Messung der oxidativen Stressreaktion zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen den einzelnen Gruppen. So war die Konzentration von MDA in der Gruppe, die bestrahlt wurde aber kein Zink erhielt, signifikant höher als in den Gruppen mit Zinkzugabe und in der Kontrollgruppe. Gleichzeitig war in den Zink-Gruppen die Aktivität von SOD höher als in der bestrahlten Gruppe ohne Zink. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die hochfrequente Strahlung in den Zellen oxidativen Stress auslöst, der durch Zugabe von Zink gemildert werden kann.
Weiters wurde untersucht, ob die Apoptose der Zellen zwischen den Gruppen unterschiedlich ausgeprägt ist. Dabei konnte in der bestrahlten Gruppe ohne Zink eine deutlich höhere Anzahl an apoptotischen Zellen nachgewiesen werden als in den Gruppen mit Zink und in der Kontrollgruppe. Dies konnte anhand der TUNEL-Färbung gezeigt werden. Zur Beurteilung der Beeinflussung von anti-apoptotischen Signalwegen wurde mit immunhistochemischen Methoden nach dem Marker Bcl2 gesucht. Die bestrahlten Zellen waren zumeist Bcl2-negativ und wiesen damit eine geringere Aktivität von überlebensfördernden Signalwegen auf. Ähnliches zeigte sich in der Gruppe, die mit 50 µM Zink inkubiert wurde. Hingegen war in der Gruppe mit 100 µM Zink eine signifikant höhere Anzahl an Bcl2-positiven Zellen nachweisbar. Pro-apoptotische Marker wie Caspase-3 stehen in Verbindung mit einem erhöhten Zellsterben und wurden in diesem Experiment in den bestrahlten Zellkulturen verstärkt gefunden. In beiden Zink-Gruppen war die Zahl der Caspase-3-positiven Zellen im Vergleich dazu verringert. Diese Resultate legen nahe, dass Zink in Zellkulturen einen protektiven Effekt bei Bestrahlung hat.
Schlussfolgerungen

Ein Fazit dieser Studie ist, dass hoch frequente Strahlung mit 2,45 GHz in Zelllinien des Typs HEK293 oxidativen Stress auslöst. Weiters wurde ein erhöhtes Zellsterben sichtbar, ein ursächlicher Zusammenhang liegt nahe. Zum Einfluss von Zink ließ sich in diesem Experiment ein schützender Effekt demonstrieren, sowohl in Bezug auf oxidativen Stress als auch auf Apoptose. Dies äußert sich in der Förderung des Bcl2-Signalwegs und in der Unterdrückung der Caspase-3. Die genauen Mechanismen dieser antioxidativen und letztlich antiapoptotischen Wirkung sind nicht abschließend erforscht. Diskutiert werden insbesondere eine verringerte Lipidperoxidation und eine Steigerung der Aktivität von SOD. Dies ist wahrscheinlich bedingt durch die Struktur dieses Enzyms und anderer Proteine mit ähnlicher Wirkung, die Zink oder Kupfer beinhalten. Für eine genauere Aufklärung der Schutzmechanismen von Zink bei hoch frequenter Bestrahlung sind weitere Studien notwendig.

Zusammenfassung

Zahlreiche Studien sowohl epidemiologischer als auch experimenteller Natur haben in letzter Zeit die Auswirkungen von hoch frequenten elektromagnetischen Feldern (HF-EMF) auf den menschlichen Organismus untersucht. Dabei zeigte sich, dass Strahlung unterschiedlicher Frequenzen in der Entwicklung vieler Krankheiten eine Rolle spielt. Hier sollen insbesondere bösartige Neubildungen, Störungen des Immunsystems, Veränderungen der Blut-Hirn-Schranke und des Hormonhaushalts sowie diffuse Beschwerden wie Kopfschmerzen und psychische Beeinträchtigungen genannt werden. Wie groß der Beitrag von elektromagnetischer Strahlung in der Pathogenese dieser Erkrankungen ist dabei weitgehend ebenso unklar wie die genauen Mechanismen. Eine oft erwähnte Hypothese ist der vermehrte Anfall von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) durch die Strahlenbelastung und folglich oxidativer Stress der Zellen. Um diese schädlichen Auswirkungen zu minimieren werden zunehmend Radikalfänger wie beispielsweise Zink propagiert. Zink leistet als essentielles Spurenelement einen unverzichtbaren Beitrag in fundamentalen Zellfunktionen wie Wachstum, Teilung, Differenzierung und Stoffwechsel. Daher soll in folgender Studie untersucht werden, welchen Effekt Bestrahlung mit 2,45 GHz auf Nierenzelllinien (HEK293) hat und inwiefern Zink diesen schädlichen Effekten vorbeugen kann.
Öszobaci et al. veröffentlichten 2019 eine Studie zum Thema Hochfrequenzstrahlung und oxidativer Stress in Zellkulturen und konnten dabei zeigen, dass die Gabe von Zink Zellschädigungen verhindert.