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Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften neuronaler und kardialer Zellnetzwerke

Köhler, Tim :
Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften neuronaler und kardialer Zellnetzwerke.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8544]
Technische Universität , Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8544

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Auswirkung von nicht-ionisierender elektromagnetischer Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften neuronaler und kardialer Zellnetzwerke untersucht. Die Zellkulturen wurden hierfür auf Mikroelektroden-Arrays (MEAs) kultiviert, wodurch nicht-invasive extrazelluläre Ableitungen der Zellnetzwerke über einen mehrwöchigen Zeitraum möglich waren. In den Versuchen wurde die Auswirkung des Digitalfunk-Standards Terrestrial Trunked Radio (TETRA) in Kurz- und Langzeit-Experimenten auf neuronale und kardiale in vitro Netzwerke untersucht. Ferner wurde die direkte Auswirkung photothermischer Stimulation auf die elektrischen Eigenschaften von Netzwerken aus Kardiomyozyten untersucht. Die Messungen und Analysen der TETRA-bestrahlten neuronalen und kardialen Kulturen zeigten ein einheitliches Bild, aus dem hervorgeht, dass unter den gegeben Bedingungen die TETRA-Bestrahlung keinerlei Auswirkung auf die überprüften elektrophysiologischen Parameter der verwendeten Zellkulturen hatte. Weder Spike- und Burstrate, noch Burstdauer oder der Parameter der Netzwerk-Synchronität waren nach der TETRA-Kurzzeit-Bestrahlung bei den neuronalen Netzwerken statistisch signifikant verändert. Das Gleiche gilt für TETRA-Langzeitversuche mit den neuronalen Netzwerken, bei denen über mehrere Wochen alle 2 Stunden für 15 Minuten die TETRA-Bestrahlung erfolgte. Auch hier zeigten die bereits genannten Parameter keine statistisch signifikanten Änderungen durch die Bestrahlung. In den gleichartig durchgeführten TETRA-Kurzzeit-Versuchen, bei denen Netzwerke aus Kardiomyozyten für 15 Minuten mit TETRA bestrahlt wurden, konnten ebenfalls keine Auswirkungen auf die Kulturen festgestellt werden. Die untersuchten elektrophysiologischen Parameter der Schlagfrequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale, zeigten keinerlei statistisch signifikanten Änderungen durch die TETRA-Bestrahlung. Im Rahmen der kontroversen Debatte, ob diese nicht-ionisierende Strahlung einen Einfluss auf neuronale und kardiale Zellen hat, argumentieren die hier systematisch gewonnenen Daten gegen einen solchen Effekt. Die Exposition mit TETRA-Strahlung hatte zu keinen statistisch signifikanten Veränderungen der elektrophysiologischen Eigenschaften der Zellen durch thermische oder nicht-thermische Effekte der Strahlung geführt. Es ist nicht auszuschließen, dass mögliche Effekte während der TETRA-Bestrahlung auftraten. In diesem Falle wären diese Effekte jedoch vollkommen reversibel gewesen und hätten daher keine nachhaltigen Veränderungen auf die Funktion der untersuchten Zellen gehabt. Aufgrund der Dimensionierung des Expositionssetups bzw. des Messkopfes für die extrazellulären Ableitungen, konnten keine Messungen während der TETRA-Bestrahlung durchgeführt werden. Insgesamt unterstreichen die vorliegenden Messungen und Analysen, dass der Digitalfunk-standard TETRA keine Auswirkung auf die Funktion von Netzwerken aus kortikalen Neuronen und humanen Kardiomyozyten hat. Darüber hinaus wurden Netzwerke von Kardiomyozyten hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber photothermischer Stimulation untersucht. Dazu wurden die Zellnetzwerke in An- oder Abwesenheit von Gold-Nanostäbchen (Gold-Nanorods, GNRs) mit nahem Infrarot (NIR) bestrahlt, was zu einem hohen Wärmeeintrag bei den Zellen führte, welcher durch die Ausnutzung der Oberflächenplasmonresonanz der GNRs noch weiter verstärkt wurde. Die Ableitung der elektrischen Potentialänderungen der Zellnetzwerke zeigte, dass die alleinige Bestrahlung mit NIR eine massive Erhöhung der Schlagrate und eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale hervorruft. Die kombinierte Behandlung mit NIR und GNRs und der damit höhere lokale Wärmeeintrag bewirkte komplexere Reaktionen der Zellnetzwerke. Hinsichtlich der gezeigten unterschiedlichen Veränderungen der Schlagrate ließen sich die Zellkulturen in zwei Populationen unterteilen. Während bei einer Population mit dem Einsetzen der Bestrahlung die Schlagrate unmittelbar abnahm, bis hin zu einer Inhibierung der Feldpotentiale, reagierten die Kulturen der zweiten Population mit einem massiven Anstieg der Schlagrate. Dieses gegenläufige Verhalten konnte hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feld-potentiale nicht beobachtet werden. Hier zeigten beide Populationen eine Verringerung der Signal-Propagation über das Netzwerk, welche jedoch wesentlich stärker bei der Population ausfiel, die auch schon bei der Schlagrate eine massive Verringerung zeigte. Die Frage nach der Ursache für die unterschiedlichen Reaktionen der zwei Populationen bzgl. ihrer Schlagrate kann nicht exakt beantwortet werden. Sie könnte jedoch mit einer Kardiomyozyten Polylayer-Bildung in Verbindung gebracht werden, durch die möglicherweise die elektrodennahe unterste Kardiomyozyten-Schicht einen zeitlich verzögerten und auch geringeren Temperatureintrag erfahren hat. In weiteren Experimenten konnte festgestellt werden, dass durch die Zugabe von Fluoxetin, ein Blocker des temperaturabhängigen K+-Auswärtsgleichrichters TREK-1, sowohl der massive Einbruch der Schlagrate, als auch die Inhibierung der Feldpotentiale verhindert werden konnte. Diese Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass die Aktivität der TREK-1 Kanäle entscheidend durch die induzierten Temperaturänderungen moduliert wird und höchstwahrscheinlich einen größeren Einfluss auf die elektrische Erregbarkeit von Kardiomyozyten hat. Jedoch sind auch weitere, komplexere Wirkmechanismen von Fluoxetin auf die Zellnetzwerke denkbar. Diese gezielte und direkte Regulation der Schlagrate, wie auch der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale, zeigt das große medizinische Potential der photothermischen Stimulation von Kardiomyozyten. So ist generell mit dem hier gezeigten Ansatz auch eine biomedizinische Anwendung denkbar, welche eine Alternative zur elektrischen Stimulation von Kardiomyozyten über Elektroden darstellen könnte.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Köhler, Tim
Title: Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften neuronaler und kardialer Zellnetzwerke
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurde die Auswirkung von nicht-ionisierender elektromagnetischer Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften neuronaler und kardialer Zellnetzwerke untersucht. Die Zellkulturen wurden hierfür auf Mikroelektroden-Arrays (MEAs) kultiviert, wodurch nicht-invasive extrazelluläre Ableitungen der Zellnetzwerke über einen mehrwöchigen Zeitraum möglich waren. In den Versuchen wurde die Auswirkung des Digitalfunk-Standards Terrestrial Trunked Radio (TETRA) in Kurz- und Langzeit-Experimenten auf neuronale und kardiale in vitro Netzwerke untersucht. Ferner wurde die direkte Auswirkung photothermischer Stimulation auf die elektrischen Eigenschaften von Netzwerken aus Kardiomyozyten untersucht. Die Messungen und Analysen der TETRA-bestrahlten neuronalen und kardialen Kulturen zeigten ein einheitliches Bild, aus dem hervorgeht, dass unter den gegeben Bedingungen die TETRA-Bestrahlung keinerlei Auswirkung auf die überprüften elektrophysiologischen Parameter der verwendeten Zellkulturen hatte. Weder Spike- und Burstrate, noch Burstdauer oder der Parameter der Netzwerk-Synchronität waren nach der TETRA-Kurzzeit-Bestrahlung bei den neuronalen Netzwerken statistisch signifikant verändert. Das Gleiche gilt für TETRA-Langzeitversuche mit den neuronalen Netzwerken, bei denen über mehrere Wochen alle 2 Stunden für 15 Minuten die TETRA-Bestrahlung erfolgte. Auch hier zeigten die bereits genannten Parameter keine statistisch signifikanten Änderungen durch die Bestrahlung. In den gleichartig durchgeführten TETRA-Kurzzeit-Versuchen, bei denen Netzwerke aus Kardiomyozyten für 15 Minuten mit TETRA bestrahlt wurden, konnten ebenfalls keine Auswirkungen auf die Kulturen festgestellt werden. Die untersuchten elektrophysiologischen Parameter der Schlagfrequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale, zeigten keinerlei statistisch signifikanten Änderungen durch die TETRA-Bestrahlung. Im Rahmen der kontroversen Debatte, ob diese nicht-ionisierende Strahlung einen Einfluss auf neuronale und kardiale Zellen hat, argumentieren die hier systematisch gewonnenen Daten gegen einen solchen Effekt. Die Exposition mit TETRA-Strahlung hatte zu keinen statistisch signifikanten Veränderungen der elektrophysiologischen Eigenschaften der Zellen durch thermische oder nicht-thermische Effekte der Strahlung geführt. Es ist nicht auszuschließen, dass mögliche Effekte während der TETRA-Bestrahlung auftraten. In diesem Falle wären diese Effekte jedoch vollkommen reversibel gewesen und hätten daher keine nachhaltigen Veränderungen auf die Funktion der untersuchten Zellen gehabt. Aufgrund der Dimensionierung des Expositionssetups bzw. des Messkopfes für die extrazellulären Ableitungen, konnten keine Messungen während der TETRA-Bestrahlung durchgeführt werden. Insgesamt unterstreichen die vorliegenden Messungen und Analysen, dass der Digitalfunk-standard TETRA keine Auswirkung auf die Funktion von Netzwerken aus kortikalen Neuronen und humanen Kardiomyozyten hat. Darüber hinaus wurden Netzwerke von Kardiomyozyten hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber photothermischer Stimulation untersucht. Dazu wurden die Zellnetzwerke in An- oder Abwesenheit von Gold-Nanostäbchen (Gold-Nanorods, GNRs) mit nahem Infrarot (NIR) bestrahlt, was zu einem hohen Wärmeeintrag bei den Zellen führte, welcher durch die Ausnutzung der Oberflächenplasmonresonanz der GNRs noch weiter verstärkt wurde. Die Ableitung der elektrischen Potentialänderungen der Zellnetzwerke zeigte, dass die alleinige Bestrahlung mit NIR eine massive Erhöhung der Schlagrate und eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale hervorruft. Die kombinierte Behandlung mit NIR und GNRs und der damit höhere lokale Wärmeeintrag bewirkte komplexere Reaktionen der Zellnetzwerke. Hinsichtlich der gezeigten unterschiedlichen Veränderungen der Schlagrate ließen sich die Zellkulturen in zwei Populationen unterteilen. Während bei einer Population mit dem Einsetzen der Bestrahlung die Schlagrate unmittelbar abnahm, bis hin zu einer Inhibierung der Feldpotentiale, reagierten die Kulturen der zweiten Population mit einem massiven Anstieg der Schlagrate. Dieses gegenläufige Verhalten konnte hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feld-potentiale nicht beobachtet werden. Hier zeigten beide Populationen eine Verringerung der Signal-Propagation über das Netzwerk, welche jedoch wesentlich stärker bei der Population ausfiel, die auch schon bei der Schlagrate eine massive Verringerung zeigte. Die Frage nach der Ursache für die unterschiedlichen Reaktionen der zwei Populationen bzgl. ihrer Schlagrate kann nicht exakt beantwortet werden. Sie könnte jedoch mit einer Kardiomyozyten Polylayer-Bildung in Verbindung gebracht werden, durch die möglicherweise die elektrodennahe unterste Kardiomyozyten-Schicht einen zeitlich verzögerten und auch geringeren Temperatureintrag erfahren hat. In weiteren Experimenten konnte festgestellt werden, dass durch die Zugabe von Fluoxetin, ein Blocker des temperaturabhängigen K+-Auswärtsgleichrichters TREK-1, sowohl der massive Einbruch der Schlagrate, als auch die Inhibierung der Feldpotentiale verhindert werden konnte. Diese Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass die Aktivität der TREK-1 Kanäle entscheidend durch die induzierten Temperaturänderungen moduliert wird und höchstwahrscheinlich einen größeren Einfluss auf die elektrische Erregbarkeit von Kardiomyozyten hat. Jedoch sind auch weitere, komplexere Wirkmechanismen von Fluoxetin auf die Zellnetzwerke denkbar. Diese gezielte und direkte Regulation der Schlagrate, wie auch der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldpotentiale, zeigt das große medizinische Potential der photothermischen Stimulation von Kardiomyozyten. So ist generell mit dem hier gezeigten Ansatz auch eine biomedizinische Anwendung denkbar, welche eine Alternative zur elektrischen Stimulation von Kardiomyozyten über Elektroden darstellen könnte.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Neurophysiology and Neurosensory Systems
10 Department of Biology > Radiation Biology and DNA Repair
Date Deposited: 07 Apr 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8544
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85441
Referees: Thiel, Prof. Dr. Gerhard and Galuske, Prof. Dr. Ralf
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 27 February 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In this thesis the impact of non-ionizing electromagnetic radiation on the electrophysiological properties of neuronal and cardiac cell networks was investigated. Cells were cultured on microelectrode arrays (MEA) for non-invasive extracellular recordings for a period of up to several weeks. In experiments the impact of the Terrestrial Trunked Radio (TETRA) − a standard in professional mobile radio − on neuronal and cardiac in vitro networks was investigated in short- and long-term experiments. Furthermore, the direct impact of photothermal stimulation on the electrical properties of cardiomyocyte networks was examined. The measurements and analyses of TETRA-irradiated neuronal and cardiac cultures presents a uniform picture which shows that under given conditions TETRA-irradiation has no effect on the examined electrophysiological parameters of the cell cultures used. Neither the parameters of spike rate, burst rate, burst duration nor the parameter of network synchrony showed any statistically significant changes in neuronal networks after TETRA short-term irradiation. Same applies to TETRA long-term experiments with neuronal networks, in which TETRA-irradiation was performed every 2 hours for 15 minutes for a period of several weeks. Again, the parameters already mentioned did not show any statistically significant changes due to irradiation. In similar TETRA short-term experiments in which networks of cardiomyocytes were irradiated with TETRA for 15 minutes, no effects on the cultures were observed either. The investigated electrophysiological parameters of the beat frequency and the conduction velocity of the field potentials did not show any statistically significant changes due to TETRA-irradiation. In the controversial debate on whether this non-ionising radiation has an effect on neuronal and cardiac cells, the data systematically obtained here argues against such an effect. Exposure to TETRA-radiation did not lead to statistically significant changes in the electrophysiological properties of the cells due to thermal or non-thermal effects of the radiation. It cannot be excluded completely that possible effects occurred during TETRA-irradiation. However these effects would have been completely reversible and would not have caused any lasting changes on the functions of the investigated cells. Due to the size of the recording and exposure setup no measurements could be performed during TETRA-irradiation. Overall, the available measurements and analyses underline that the standard in professional mobile radio TETRA has no effect on the functions of cortical rat neurons and human cardiomyocyte networks. In addition, cardiomyocyte networks were investigated with respect to their sensitivity to Seite 5 photothermal stimulation. The cell networks were irradiated with near infrared (NIR) in the presence or absence of gold nanorods (GNRs), resulting in local heating of the cells, which was further enhanced by the use of the surface plasmon resonance of the GNRs. The extracellular recordings of the electrical potential changes of cardiomyocyte networks showed that a single irradiation with NIR causes a massive increase of the beat rate and a decrease in conduction velocity of the field potentials. The combined NIR and GNRs treatment and thus the higher local heat input causes complex reactions of the cells. With regard to the different changes in the beat rate, the cell cultures were subdivided into two populations. While in one population the beat rate decreases immediately with the onset of irradiation, up to inhibition of field potentials, the cultures of the second population responded with a massive increase in the beat rate. This opposing behaviour could not be observed in terms of conduction velocity of the field potentials. Here, both populations showed a reduction in signal propagation across the network. However, this was much stronger in the population which already showed a massive reduction in the beat rate. The question behind the different reactions of the two populations with respect to their beat rate cannot be answered exactly. However, it could be associated with cardiomyocyte polylayer formation. The lowermost cardiomyocyte layer near the electrodes may have received a delayed and also lower temperature input. Further experiments showed that the application of fluoxetine, a blocker of the temperature-dependent K+ outward rectifier TREK-1, prevented the massive decrease of the beat rate as well as the inhibition of the field potentials. These results suggest that the activity of the TREK-1 channels are modulated by induced temperature changes and most likely has a major impact on cardiomyocyte electrical excitability. However, other more complex mechanisms of fluoxetine action on the cell networks are also imaginable. This targeted and direct regulation of the beat rate as well as the conduction velocity of the field potentials shows that there is great medical potential for photothermal stimulation of cardiomyocytes. Thus, a biomedical application is generally conceivable with the approach shown here, which could represent an alternative to the electrical stimulation of cardiomyocytes via electrodes.English
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