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02.10.2018

Wie magnetische Felder in menschlichen Zellen wirken

Anlass

Seit mehr als 50 Jahren wird gepulste Magnetstimulation bei schwacher Intensität (repetitive low-intensity magnetic stimulation) erfolgreich in der Therapie von Krankheiten eingesetzt von Depression bis zu bestimmten Krebsarten. Die zellulären Wirkmechanismen blieben jedoch bisher unklar. Doch nun berichten Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachrichtungen über einen Wirkmechanismus von magnetischen Feldern in Zellen: mittels Cryptochrom und Reactive Oxygen Species (ROS). Cryptochrom spielt eine Rolle im circadianen Rhythmus von Tieren und Pflanzen und bei der Magnetorezeption – der Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes bei Tieren. Wenn Zellen – unter anderem von Menschen – gepulsten schwachen Magnetfeldern ausgesetzt wurden, stimulierte das eine biologische Stressreaktion. Die Ergebnisse sind im Fachjournal „PLOS Biology“ publiziert (siehe Primärquelle).

Übersicht

  • Prof. Dr. Walter Paulus, Direktor der Klinik für Klinische Neurophysiologie, Universitätsmedizin Göttingen
  • Dr. Daniel R. Kattnig, Senior Lecturer, Department of Physics and Living Systems Institute, University of Exeter (Vereinigtes Königreich)
  • Prof. Dr. Alexander Lerchl, Professor of Biology and Ethics of Science & Technology, Jacobs University Bremen

Statements

Prof. Dr. Walter Paulus

Direktor der Klinik für Klinische Neurophysiologie, Universitätsmedizin Göttingen

„In der Veröffentlichung wurde ein winziger Ausschnitt (10 Hz, 1,8 mT) des enorm großen Parameterraumes möglicher elektromagnetischer Felder untersucht. Ich halte den Wirkmechanismus innerhalb dieser hochspezifischen Laborsituation für plausibel. Er hat nur kaum etwas mit den angenommenen Wirkmechanismen für transkranielle elektrische und magnetische Stimulation beim Menschen zu tun. Die Ergebnisse der Autoren werden zu gänzlich anderen Parametern in Bezug gesetzt, sowohl im Frequenzbereich von statischen Magnetfeldern bis hin zu Hochfrequenzfeldern wie auch im Amplitudenbereich. Am auffälligsten ist hier die um mehrere Dimensionen größere Feldstärke bei den Experimenten im Vergleich zur messbaren Alltagsbelastung. Diese lag bei 977 französischen Kindern um mehr als einen Faktor 1000 unter 1,8 mT; nur bei 3,1 Prozent der Kinder war die Belastung höher als 0,4 µT. Auch die 0,8 Prozent der Kinder, die im Umkreis einer Hochspannungsleitung lebten (weniger als 200 Meter), hatten keine höhere Belastung [1]. Die Autoren der französischen Arbeit zweifeln daher auch die Messungen in einigen epidemiologischen Studien an [2].“

„Der spezifische Titel der Arbeit gibt korrekt den Inhalt wieder – die verallgemeinernden Schlussfolgerungen entbehren dann allerdings wissenschaftlichen Grundlagen. Cryptochrome kommen in der Netzhaut vor. Hier brauchen sie, um funktionieren zu können, eine Lichtaktivierung – die im Hirn nur mit invasiven Lichtelektroden möglich wäre. Weitere Cryptochrome finden sich im so genannten zirkadianen System, was mit den diskutierten Plastizitätsmechnismen bei zum Beispiel der Parkinsonerkrankung nichts zu tun hat. Die Autoren lassen offen, inwieweit Cryptochrome in der Hirnrinde vorkommen. Embryonale Zellkulturen von humanen Nierenzellen sind zur Beantwortung dieser Frage nicht hilfreich. Die Produktion von Sauerstoffradikalen spielt in der Neuroplastizitätsbeeinflussung eine nachgeordnete Rolle.“

„Bezüglich möglicher Nebenwirkungen von elektromagnetischen Feldern: Bei der repetitiven Transkraniellen Magnet-Stimulation (rTMS) wird für gewöhnlich nur einige Stunden nach der Behandlung auf Nebenwirkungen geachtet. Langzeiteffekte sind ausgesprochen schwierig zu erfassen und würden sehr hohe Patientenzahlen erfordern. Sehr gute Sicherheitsdaten gibt es im Rahmen von Untersuchungen von Hirngewebe nach Langzeit-Stimulation von Hirntumor-Patienten. Die so genannten Tumor Treating Fields verdoppeln die Lebenserwartung von Patienten mit Glioblastomen durch sehr intensive elektrische Felder mit 200 kHz, angewendet über die Kopfhaut von außen täglich über 18 bis 24 Stunden über viele Monate. Stromspezifische Gewebeschäden wurden nicht beschrieben. Histologische lokale Untersuchungen nach tiefer Hirnstimulation bei Parkinson-Patienten in unmittelbarer Nachbarschaft zur Elektrode haben nach zwölfjähriger Stimulation nur geringe Gewebeveränderungen ergeben trotz erheblich höheren lokalen Stromfeldern als sie durch transkranielle Stimulation möglich sind [3].“

Dr. Daniel R. Kattnig

Senior Lecturer, Department of Physics and Living Systems Institute, University of Exeter (Vereinigtes Königreich)

„Die Autoren verwenden gepulste Magnetfelder mit einer Frequenz von 10 Hz und einer Amplitude von 1,8 mT. Lassen Sie mich das in Relation setzen: 1,8 mT sind etwa 36-mal stärker als das Erdmagnetfeld in Deutschland, aber schwächer als ein typischer Kühlschrankmagnet (5 mT). Es handelt sich also um relativ schwache Magnetfelder. Die benutzte Feldstärke entspricht ungefähr der laut ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) maximal zulässigen Arbeitsplatz-Exposition bei der gewählten Frequenz von 10 Hz.“

„Die exakten Expositionsbedingungen sind jedoch zweitrangig. Die Autoren geben erstmalig Einblicke in die mechanistischen Grundlagen des Magnetfeldeffekts. Im speziellen identifizieren sie das Protein Cryptochrom als essenziell. Dieses wird dem aktuellen Kenntnisstand nach auch als zentraler Baustein eines magnetischen Kompass-Sinns in einigen Tieren angesehen, wie zum Beispiel Zugvögeln. Unter der Annahme, dass hier ähnliche physikalische Prinzipien zur Anwendung kommen, lässt uns das vermuten, dass die präsentierten Resultate weitaus breitere Gültigkeit haben. Es ist also durchweg plausibel, dass auch bei weitaus geringeren Feldstärken und anderen Frequenzen markante Magnetfeldeffekte der beschriebenen Art möglich sind. Insbesondere lässt der zugrunde liegende Mechanismus – der sogenannte Radikal-Paar-Mechanismus – Effekte für einen weiten Frequenzbereich erwarten. Statische Magnetfelder sollten zum Beispiel ähnliche Effekte zeigen. Hierbei sind Frequenzen bis in den Kilohertz-Bereich als quasi-statisch zu betrachten. Darüber hinaus sind spezifische Resonanzeffekte im Radiofrequenzbereich von einigen bis 100 MHz denkbar. Das schließt Magnetfeldeffekte bei der Netzfrequenz (50 Hz) als ‚quasi-statisch’ mit ein.“

„Eine Korrelation von Leukämie im Kindesalter mit der Nähe der Wohnung zur Starkstromleitung wird in diesem Zusammenhang oft diskutiert. Die Studie könnte hier im Prinzip durchwegs relevant sein, doch ist die Kausalität der Krankheitshäufungen und der erhöhten Magnetfeldexposition an und für sich strittig. Mehr und detaillierte Studien sind definitiv angezeigt und erhalten durch die Arbeit von Sherrard und Kollegen eine dezidierte Richtung. Andererseits erlaube ich mir darauf hinzuweisen, dass Magnetfelder im Gigahertz-Bereich, wie sie zum Beispiel in der Mobiltelefonie eingesetzt werden, keine markanten Effekte dieser Art befürchten lassen.“

„Die transkranielle Magnetstimulation bedient sich markant höherer magnetischer Feldstärken (1,5 T sind typisch in klinischen Anwendungen) und eines anderen Wirkmechanismus – der Aktivierung von Nervenzellen durch magnetische Induktion. Der beschriebene Effekt resultiert bereits für magnetische Felder, die tausendmal kleiner sind.“

„Aus der Studie kann also keine direkte Relevanz bezüglich transkranieller Magnetstimulation abgleitet werden. Wohl aber hat die Arbeit – wenn reproduzierbar – große Bedeutung in der Beurteilung der Effekte elektromagnetischer Felder auf lebende Organismen und, im Speziellen, daraus abgeleiteten Expositionsrichtlinien. Was Letztere betrifft, so ist festzustellen, dass diese momentan die hier relevanten Quanteneffekte auf Radikalpaare unberücksichtigt lassen und stattessen zum Beispiel auf den induzierten thermischen Effekten der einwirkenden elektromagnetischen Strahlung aufbauen. Dies ist nicht die Konsequenz von Ignoranz, sondern eine Folge der unklaren Wirkmechanismen von schwachen Magnetfeldern und der daraus folgenden Schwierigkeiten der Beurteilung. Hier bietet diese Studie – nochmals: falls wahr – wichtige neue Ansätze im Sinne der Identifikation der zentralen Rolle von Cryptochromen und von biologischen Modellsystemen, die in zukünftigen Expositionsstudien (bei durchwegs abweichenden Feldstärken und Frequenzen) als Referenz dienen können.“

„Ich bin davon überzeugt, dass diese Effekte mittelfristig in den Expositionsrichtlinien Berücksichtigung finden werden. In diesem Zusammenhang muss aber gesagt werden, dass der hier relevante Effekt prinzipiell viel schwieriger fassbar ist als dies für thermische oder andere Effekte der Fall ist. So kann der Effekt im Prinzip abhängig von der Feldstärke und Frequenz reaktive Sauerstoffspezies sowohl begünstigen als auch unterdrücken. Der Effekt kann also sowohl positive wie auch negative Effekte entfalten und zwar in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen. Insbesondere sollte bei der Beurteilung berücksichtigt werden, dass eine Erhöhung von reaktiven Sauerstoffspezies durchwegs auch indiziert sein kann, zum Beispiel um die Immunantwort auf Pathogene (Krankheitserreger; Anm. d. Red.) zu steigern. Diese mannigfaltigen Aspekte in das Korsett einer Richtlinie zu zwängen, wird nicht einfach.“

„Jedenfalls bietet die genannte Studie wichtige Ansätze, die biologischen Effekte von schwachen magnetischen Feldern grundlegend zu verstehen. Unabhängig davon sollten und werden vielfältige Magnetfeld-Expositionen natürlich systematischen epidemiologischen Studien unterzogen.“

„Viele Detailfragen bleiben in der Publikation unbeantwortet. Der einzige bekannte Mechanismus, der die genannten Effekte grundlegend beschreiben kann – der Radikal-Paar-Mechanismus und seine modernen Weiterentwicklungen – wird zwar nicht direkt erwähnt, aber doch angedeutet. Als Proponent der theoretischen Entwicklung dieses Arbeitsgebietes erachte ich die beschriebenen Resultate als durchwegs plausibel.“

„Dank Studien an isolierten Proteinen und theoretischen Berechnungen, werden Licht-induzierte Magnetfeld-Effekte von Cryptochromen mittlerweile gut verstanden. Der Radikal-Paar-Mechanismus kann die meisten Effekte erklären. Radikale sind instabile Verbindungen mit ungepaarten Elektronen – wenn sie als Paare auftreten, ist ihre Rekombination von der Stärke und Frequenz umgebender Magnetfelder abhängig, obschon diese mit den Radikalen nur mit minimalen Wechselwirkungsenergien interagieren. Einige der hier beschriebenen Effekte basieren aber vermutlich auf Radikalen, die durch die Oxidation des reduzierten Cryptochroms mit Sauerstoff entstehen. Magnetfeld-Effekte in Folge dieser Reaktion wurden lange ausgeschlossen [4], weil dies Spezies mit zu schneller Spinrelaxation implizierte. Meiner Gruppe ist es aber unlängst gelungen, dieses Paradoxon zu umgehen: In Systemen mit drei anstelle von zwei Radikalen ließ sich das beschriebene Phänomen zumindest im Prinzip erklären [5].“

„Nichtsdestotrotz sind noch viele Fragen offen. Die Effekte in der aktuellen Publikation sind zum Beispiel sehr groß – vermutlich größer als dies die neuen und etablierten Modelle vorhersagen würden. Diese Diskrepanz wird uns wohl noch viel Jahre beschäftigen. Auch ist noch unklar, ob zum Beispiel das menschliche Cryptochrom den Flavin-Kofaktor in hinreichendem Ausmaß bindet, um die beschriebenen Effekte zu ermöglichen.“

„Meine Einschätzung hier basiert auf einer Beurteilung der physikalischen Möglichkeit. Ich setze also voraus, dass die beschriebenen Resultate wahr sind, was aber erst nach unabhängiger Reproduktion der Studie feststehen wird. Was die Qualität der Studie betrifft, so ist zu sagen, dass die Autoren zwar Scheinkontrollen durchgeführt haben, wohl aber keine Blindstudien, bei denen die Expositionsbedingungen vom Experimentator verheimlicht werden. In kontroversen Arbeitsgebieten wie diesem sind letztere aber auch in quantitativen Wissenschaften anzuraten. Im verwandten Feld der tierischen Magnetrezeption ist dies mittlerweile durchwegs gängig [6].“

„Viele Fragen bezüglich biologischer Magnetfeld-Effekte sind nach wie vor offen. Cryptochrome nehmen zwar eine zentrale Rolle in der Interpretation dieser Befunde ein – sowohl in dieser Studie als auch im Kontext des besser verstandenen Magnetsinns vieler Tiere. Doch ist nach wie vor nicht eindeutig bewiesen, ob diesen Proteinen nur eine Rolle in der Signaltransduktion zukommt oder ob sie ursächlich sind. Ich vermute, dass Letzteres der Fall ist, doch lässt der Beweis dieser Hypothese noch auf sich warten. Was die theoretische Beschreibung betrifft, so verwundert, dass viele der biologischen Effekte unsere theoretischen Vorhersagen deutlich übersteigen. Das demonstriert, dass unser Vorstellungsbild noch unvollständig ist. Die größten Unwägbarkeiten ergeben sich jedoch in epidemiologischer Sicht. Der Effekt kann, abhängig von Feldstärke und Frequenz, reaktive Sauerstoffspezies unterdrücken oder befördern. Daraus ergibt sich, dass der Effekt sowohl neue Möglichkeiten in der medizinischen Behandlung ermöglicht, zum Beispiel durch Verstärkung einer Radiotherapie zur Heilung von Krebs; während er andererseits Krankheitsbilder verursachen oder verstärken kann, so zum Beispiel im Kontext der Krebsentstehung. Diese Janusköpfigkeit birgt das Potenzial, bedingt aber auch Schwierigkeiten in der korrekten Einschätzung von Risiken.“

Prof. Dr. Alexander Lerchl

Professor of Biology and Ethics of Science & Technology, Jacobs University Bremen

„Das Paper hätte meiner Auffassung nach nicht zur Veröffentlichung angenommen werden dürfen, die Fehler und ‚Seltsamkeiten‘ sind eklatant.“

„Die Arbeit soll reproduzierbar sein, wie auch im Primer explizit erwähnt wird. Nur könnte das zum Beispiel keiner bewerkstelligen: Die angegebene Firma ‚GEM Pty LTD.‘ aus Perth in Australien gibt es nicht, jedenfalls stellt keine derartige Firma PEMF-Expositionsapparaturen her. Ein Modell ‚EC10701‘ gibt es auch nicht, jedenfalls kann ich nichts dergleichen finden. Also könnte ich solche Experimente gar nicht reproduzieren. Das ist sehr bedenklich!“

„Im Titel heißt es ‚electromagnetic‘, was falsch ist. Es handelt sich ausschließlich um magnetische Felder.“

„Es fehlt völlig jede technische Beschreibung der Magnetspulen: Strom, Spannung, Verlustleistung, Induktivität, Ohmscher Widerstand, Dimension. Mit ‚9 x 5.5 cm and 200 turns‘ kann kein Experimentator etwas anfangen. Auch die Supplement Data helfen nicht weiter, dort ist nur der Strom angegeben.“

„Die (im Suppl. Fig. 3a) angegebene Position und Feldverteilung der Versuchsanordnung sind irreführend. Wenn die Spule einen Durchmesser von 5,5 cm hätte, wäre die Darstellung nicht maßstabsgetreu. Die Abbildung suggeriert außerdem, dass es keine Streufelder gibt, was falsch ist.“

„Die im Experiment verwendeten Spulen produzieren Wärme. Eine magnetische Flussdichte von 1,5 mT ist schon ein nicht triviales Problem, wenn es um Temperaturen geht. Die Angaben auf Seite 9 des Papers (‚less than 0.5 °C between the corners‘) bezweifle ich, weil sie nicht belegt werden, und sie widersprechen auch der Pauschalaussage, dass keinerlei Temperaturunterschiede existierten (einen Absatz im Paper später). Solche Effekte müssen mit erheblicher Sorgfalt belegt oder explizit ausgeschlossen werden, da gerade bei Drosophila Temperaturen eine extrem wichtige Größe hinsichtlich ihrer Aufenthaltswahrscheinlichkeit sind (zum Beispiel [7]). Das hätte mit Infrarot-Thermografie belegt werden müssen.“

„Kritisch ist Abbildung 2: Mit dem Lineal nachgemessen liegt der Variationskoeffizient (= Standardabweichung / Mittelwert) zwischen 2 und 5 Prozent. Das ist für derartige Experimente schlicht völlig ungewöhnlich! Selbst wenn das so wäre, müssten die Unterschiede zwischen den Balken auf der rechten Seite der Abbildungen A und B auch hochsignifikant unterschiedlich sein, was die Aussage insgesamt ad absurdum führen würde. Also gerade in dieser entscheidenden Abbildung ist vermutlich etwas völlig falsch. Die Originaldaten wären sicherlich hilfreich.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Dr. Daniel R. Kattnig: „Keine“
Alle anderen:
Keine angegeben.

Primärquelle

Sherrard M et al. (2018): Low-intensity electromagnetic fields induce human cryptochrome to modulate intracellular reactive oxygen species. PLOS Biology ; 16 (10). DOI: 10.1371/journal.pbio.2006229.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Magne I et al. (2017): Exposure of children to extremely low frequency magnetic fields in France: Results of the EXPERS study. Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology; 27(5): 505. DOI: 10.1038/jes.2016.59. 

[2] NIH National Cancer Institute: Electromagnetic Fields and Cancer. Stand: 27.05.2016. 

[3] De Vloo P et al. (2018): Histopathology after microelectrode recording and twelve years of deep brain stimulation. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. DOI: 10.1016/j.brs.2018.05.005. 

[4] Hogben HJ et al. (2009): Possible involvement of superoxide and dioxygen with cryptochrome in avian magnetoreception: origin of Zeeman resonances observed by in vivo EPR spectroscopy. Chem. Phys. Lett.; 480 (1-3). DOI: 10.1016/j.cplett.2009.08.051. 

[5] Kattnig DR et al. (2017): Radical-Pair-Based Magnetoreception Amplified by Radical Scavenging: Resilience to Spin Relaxation. The Journal of Physical Chemistry; 121(44): 10215-10227. DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b07672. 

[6] Schwarze S et al. (2016). Weak broadband electromagnetic fields are more disruptive to magnetic compass orientation in a night-migratory songbird (Erithacus rubecula) than strong narrow-band fields. Frontiers in behavioral neuroscience; 10 (55). DOI: 10.3389/fnbeh.2016.00055. 

[7] Sayeed O, Benzer S (1996): Behavioral genetics of thermosensation and hygrosensation in Drosophila. PNAS 93 (12), 6079-6084. DOI: 10.1073/pnas.93.12.6079.

Weitere Recherchequellen

ICNIRP International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Leitlinien zu finden unter Publications.