Auszug aus dem Newsletter 1/2002 der Forschungsgemeinschaft Funk (FGF)

Beeinflussung der Funktion der Blut-Hirn-Schranke durch Elektromagnetische Felder (EMF)


Einleitung

Angesichts der in den letzten Jahren weltweit beschleunigten Verbreitung mobiler Kommunikationssysteme werden in der Öffentlichkeit zunehmend Bedenken über mögliche gesundheitliche Effekte der Exposition mit EMF auf den menschlichen Organismus laut. Es besteht der Verdacht, dass der Kopf und damit das Gehirn durch die Nähe zu mobilen Telefongeräten besonders gefährdet sein könnte. Auch die Zunahme bösartiger Tumore wie Leukämie oder bestimmter Hirntumore wird z.B. auf die Exposition des Menschen mit EMF zurückgeführt. Gesicherte wissenschaftlichen Erkenntnisse für einen derartigen Zusammenhang liegen allerdings nicht vor. Möglicherweise können EMF aber im Zentralnervensystem (ZNS) Veränderungen auf biophysikalischer und molekularer Ebene bewirken, weshalb in der Vergangenheit zahlreiche Untersuchungen, teils in vivo an Versuchstieren, teils in vitro an Zellkulturen, durchgeführt wurden. Von besonderem Interesse in diesem Kontext ist die Blut-Hirn-Schranke (BHS, engl. blood brain barrier, BBB).


Die Blut-Hirn-Schranke (BHS)

Die BHS bildet die Grenze zwischen Blutgefäßsystem und ZNS und ist damit für die Stabilität des inneren Milieus aus gelösten Salzen, Eiweißen und anderen Stoffen im ZNS verantwortlich. Sie schützt das ZNS vor toxischen Substanzen oder im Falle von Schwankungen in der Zusammensetzung des Blutes. Anatomisch befindet sich die BHS von Wirbeltieren in der inneren Auskleidung der feinen Blutgefäße (Kapillaren) des Gehirns. Die Kapillaren bestehen im Inneren aus sich überlappenden flächigen Endothelien, Zellen, die durch besonders feste Verbindungstrukturen, so genannte tight junctions, lückenlos miteinander verbunden sind. Die besondere Undurchlässigkeit der BHS beruht auf zwei Faktoren. Zum einen zeigen die tight junctions der Hirnendothelien einen sehr viel höheren Durchlasswiderstand gegenüber gelösten Substanzen als die anderer Endothelien im Körper, d.h. der Durchtritt zwischen den Zellen ist erschwert (geringe parazelluläre Permeabilität). Zum anderen fehlen bestimmte innerzelluläre Transportvorgänge, die in anderen Endothelien stattfinden (hoher Transendothelwiderstand). Für Stoffe, die im Gehirn benötigt werden, existieren allerdings "maßgeschneiderte" energieverbrauchende Transportsysteme, die den Transfer in den Hirnendothelzellen ermöglichen. Ein exaktes Modell zur Struktur der tight junctions liegt jedoch derzeit noch nicht vor. Vieles deutet darauf hin, dass sie sich aus Substrukturen zusammensetzen, die teils lipidartigen Charakter haben und teils aus Proteinen (Eiweißen) bestehen.
Schema des zellulären Aufbaus der BHS.
Essentiell sind Endothelzellen, die durch tight junctions miteinander verbunden sind und der Gefäßseite der BHS zugewandt sind. Astrozyten sind an der Hirnseite lokalisiert und bilden Kontakte mit den Endothelien aus.

Methoden zur Untersuchung der BHS in vivo und in vitro

Zur Untersuchung der BHS werden sowohl in vivo als auch in vitro Experimente durchgeführt. In vivo Experimente dienen dem Nachweis von physiologisch nicht BHS-gängigen Molekülen im Hirn der Versuchstiere. Ein Nachteil dieser Experimente besteht darin, dass die Versuchstiere oft getötet werden müssen, um den erforderlichen Nachweis zu erbringen. Neben dem zunehmendem Akzeptanzproblem spricht gegen diese Methode, dass nur "Momentaufnahmen" möglich sind und zeitliche Abläufe nicht erfasst werden können. Ein weiterer Nachteil von in vivo Experimenten besteht in der mangelnden Reproduzierbarkeit von Ergebnissen. Schon minimale und oft schwer zu kontrollierende Veränderungen wie z.B. der Stress, dem die Versuchstiere ausgesetzt sind, können die Ergebnisse nachhaltig beeinflussen. Unabdingbare Voraussetzung für eine gültige Reproduktion sind jedoch identische Expositionsbedingungen. Zur Lösung dieses Problems wurden in den letzten 20 Jahren in vitro Modelle der BHS entwickelt. Die Modellsysteme bieten die Möglichkeit zu umfassenderer Kontrolle der Expositionsbedingungen und erlauben die Durchführung von Experimenten zu molekularen Mechanismen beobachteter Phänomene. Praktisch alle in vitro Modelle der BHS basieren auf Kulturen isolierter Endothelzellen von Hirnkapillaren. Man unterscheidet zwischen Monokulturen, in denen ausschließlich Hirnkapillarendothelzellen gehalten werden, und Kokulturen, die zusätzlich zu den Hirnkapillarendothelzellen Astrozyten enthalten. Die Astrozyten gehören zu den Gliazellen, die man als Bindegewebe des ZNS bezeichnen könnte. Da die Kokulturen im Gegensatz zu den Monokulturen in den Experimenten ein Verhalten zeigen, das den physiologischen Bedingungen angenäherter ist, scheinen sie zurzeit das geeignetste Objekt für funktionelle Untersuchungen der BHS zu sein.


Effekte von EMF auf die BHS in vivo

Die Ergebnisse der in vivo Studien sind widersprüchlich. Eine Reihe von Autoren kommt zu dem Ergebnis, dass sowohl die kontinuierliche als auch die gepulste EMF-Exposition die Durchlässigkeit der BHS erhöht. Versuche, diese Ergebnisse zu reproduzieren, sind jedoch in der Regel fehlgeschlagen. In einigen Arbeiten wurde eine Erhöhung der Permeabilität der BHS nur bei hohen Werten der Spezifischen Absorptionsrate (SAR) beobachtet, die mit einer Temperaturerhöhung einhergingen. Der nahe liegenden Schlussfolgerung, dass die Permeabilitätszunahme auf thermische Effekte zurückzuführen ist, widersprechen jedoch andere Studien, die unter thermisch kontrollierten Bedingungen ebenfalls eine Erhöhung der Durchlässigkeit zeigten.
Regionale Temperaturerhöhungen innerhalb des ZNS können zu einer Veränderung der Membraneigenschaften führen. Die Aktivität eines Enzyms (Ornithin-Decarboxylase) wird beispielsweise erhöht, wenn über einen temperaturempfindlichen Mechanismus Kalzium in die Zelle strömt. Interessanterweise wurde in einer Studie nach EMF-Exposition die Aktivierung dieses Enzyms beobachtet, die dann zu einer vorübergehenden Permeabilitätserhöhung der BHS führte.
Möglicherweise werden die Ergebnisse der in vivo Experimente allerdings durch den Stress, dem die Versuchstiere ausgesetzt sind, beeinflusst. Eine erhöhte Dichtigkeit der BHS könnte einerseits über die Ausschüttung von Stresshormonen (Adrenalin, Noradrenalin) aus der Nebennierenrinde bewirkt werden. Andererseits könnte eine vorübergehende Blutdruckerhöhung eine Zunahme der Permeabilität der BHS hervorrufen.


Effekte von EMF auf die BHS in vitro

Bis heute liegen nur wenige Arbeiten vor, die in vitro Modelle der BHS zum Studium der Effekte von EMF verwendet haben, und auch hier ergeben sich z.T. widersprüchliche Resultate. In den Arbeiten von Neubauer et al. (1990) wurde eine erhöhte Durchlässigkeit der BHS schon nach einer Exposition von 15 Min. nachgewiesen. Die Aufnahme einer Indikatorsubstanz (Rhodamin-Ferritin-Komplex, Rh-F) hatte sich fast verdoppelt. Dies könnte nach Meinung der Autoren entweder die Folge einer Öffnung der tight junctions oder eines durch die Endothelzelle verlaufenden Transports, der sog. Pinozytose, sein. Da nach einer Vorbehandlung der Zellkultur mit einem die Pinozytose hemmenden Stoff (Colchizin) eine deutliche Verringerung der Rh-F-Aufnahme beobachtet werden konnte, folgern die Autoren, dass ein pinozytoseähnlicher Vorgang für die Permeabilitätsänderung verantwortlich ist. Dem widersprechen allerdings die Daten von Salford et al. (1984). Diese Autoren fanden zwar eine Permeabilitätszunahme für das niedermolekulare (kleine) Albumin, nicht jedoch für das höhermolekulare (größere) Fibrinogen. Da die Pinozytose unabhängig vom Molekulargewicht abläuft, ergibt sich hier ein Widerspruch. Neubauer et al. halten die Öffnung der tight junctions für unwahrscheinlich, zumal in den Arbeiten von Williams et al. (1984), die eine elektronenmikroskopische Untersuchung der tight junctions der BHS einschlossen, keine Veränderung ihrer Struktur gefunden wurde. In dieser Studie wurde allerdings eine Technik angewendet, die nur eine Seite der tight junctions darstellt. Um eine Veränderung der tight junctions auszuschließen, müssen letztlich jedoch beide Seiten betrachtet werden.

Unsere Arbeitsgruppe hat in den letzten Jahren ein international anerkanntes Kokultur- System der BHS etabliert. Die Transendothelwiderstände und Dichtigkeitswerte unseres Modells liegen nahe an den physiologischen Werten. Als Indikatorsubstanz haben wir Sucrose gewählt. Sucrose ist ein wasserlösliches Molekül mit niedrigem Molekulargewicht, für das kein spezifischer Transportmechanismus innerhalb der BHS existiert. Unsere Resultate zeigen unter Exposition mit EMF eine signifikante Erhöhung der BHS-Durchlässigkeit für Sucrose, die über mehrere Tage nachweisbar ist. In nachfolgenden Versuchen konnte auch für das höhermolekulare Albumin eine Permeabilitätszunahme gemessen werden. Da es für Albumin kein spezifisches Transportsystem innerhalb der BHS gibt, überprüfen wir zurzeit die Hypothese, dass die Permeabilitätserhöhung auf einen verstärkten Durchfluss zwischen den Zellen zurückzuführen ist. Möglicherweise sind die tight junctions für diesen Effekt verantwortlich.


Ausblick

Bis heute sind eine Vielzahl von in vivo Untersuchungen durchgeführt worden, die allerdings kein eindeutiges Ergebnis bezüglich der Effekte von EMF auf die Funktion der BHS liefern. Der Grund dafür ist hauptsächlich in der erschwerten Reproduzierbarkeit experimenteller Randbedingungen bei in vivo Experimenten zu suchen. Als Konsequenz wurden in vielen Bereichen der modernen Biowissenschaften die in vivo Experimente durch geeignete in vitro Modelle. Mit Hilfe von in vitro Modellen lassen sich unter angemessen kontrollierbaren Rahmenbedingungen Studien zu grundlegenden molekularen Mechanismen durchführen, die auch bezüglich der Auswirkungen von EMF auf die BHS zu reproduzierbaren und damit allgemein akzeptierten Ergebnissen führen werden.

Im Folgenden sollen mögliche experimentelle Ansätze skizziert werden, die mit Hilfe des BHS-Kokultursystems zur Klärung offener Fragen beitragen können.

(I) Aktivität spezifischer Transportsysteme (Carriersysteme) der BHS.
Die BHS besitzt eine Reihe von spezifischen Carriersystemen, die nur bestimmte "passende" Ionen, Zuckermoleküle und Aminosäuren transportieren. Im Zellkultursystem können die halbmaximale Transportgeschwindigkeit (Michaelis-Menten-Konstante) und die maximale Transportrate dieser Carriersysteme ermittelt werden. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit dieser Größen können schon minimale Veränderungen der Transportvorgänge erfasst werden. Das Ausmaß der Spezifität der Transportsysteme kann in Kompetitions-Essays untersucht werden; anhand von Tests lässt sich bestimmen, inwieweit sich der Transport eines "passenden" Moleküls in Anwesenheit anderer ähnlicher Moleküle verringert.

(II) Biophysikalische Experimente.
Auch durch die Bestimmung des Transendothelwiderstandes kann die Funktion der BHS gemessen werden. Geeignete Versuchsanordnungen ermöglichen genaue Aussagen über Zeitverlauf, Dosisabhängigkeit und Umkehrbarkeit (Reversibilität) der zu beobachtenden Effekte. Werden diese Messungen mit hochauflösenden elektronenmikroskopischen Verfahren kombiniert, lässt sich feststellen, an welcher Stelle im Zellverband die Durchlässigkeit erhöht ist.

(III) Ultrastrukturelle Darstellung der tight junctions.
Erkenntnisse zum molekularen Aufbau der tight junctions sind nur anhand des Zellkulturmodells zu gewinnen. Hier kommt die Gefrierbruch-Elektronenmikroskopie zum Einsatz. Die zu untersuchenden Zellen werden tiefgefroren und dann aufgebrochen. So können zelluläre Strukturen wie die tight junctions von beiden Seiten und nicht nur - wie bei anderen mikroskopischen Techniken - von einer Seite sichtbar gemacht werden. Diese Methode erlaubt die Darstellung der komplexen Vernetzungsstruktur der tight junctions; Rückschlüsse auf die Dichtigkeit der BHS können gezogen werden.

(IV) Immunzytochemische Untersuchungen.
In der Immunzytochemie werden Antikörper zum Nachweis von Stoffen oder Strukturen verwendet. Antikörper sind Proteine, die andere Moleküle erkennen und binden können. Sie erkennen Fremdkörper und Krankheitserreger im Immunsystem und helfen bei der Bekämpfung. Mit relativ geringem Aufwand können - Antikörper gegen jedes beliebige Molekül (von einer gewissen Mindestgröße) - künstlich produziert werden. Für den immunzytochemischen Nachweis eines Moleküls werden zwei Antikörper benötigt. Der erste Antikörper erkennt das nachzuweisende Molekül, der zweite den Erstantikörper. An den zweiten Antikörper ist ein Enzym gekoppelt, das eine farblose Substanz in einen Farbstoff umwandelt. Durch die Zugabe der Farbstoffvorstufe werden die Bereiche der Präparate, in denen sich das gesuchte Molekül befindet, eingefärbt. Mit dieser Methode können die verschiedenen Proteinbestandteile der tight junctions eingefärbt werden. Die Anordnung dieser Proteine und ihre Verteilung in der Zelle liefern direkte Hinweise auf die Funktions-weise der tight junctions.


Zusammenfassung

Die BHS stellt ein geeignetes physiologisches System zur Untersuchung möglicher Effekte von EMF auf das ZNS dar. Da in vivo Untersuchungen in der Vergangenheit nicht zu reproduzierbaren Ergebnissen geführt haben, ist der Einsatz von Zellkultursystemen geboten. Zellkultursysteme können in verschiedenen Labors unter identischen Bedingungen untersucht werden; die Reproduktion von Ergebnissen wird somit erleichtert. Darüber hinaus bieten Zellkultursysteme die Möglichkeit, sich den zellulären, biochemischen und molekularbiologischen Mechanismen eventuell beobachteter Effekte anzunähern und diese exakter zu beschreiben. Zur Abschätzung eventueller Gesundheitsrisiken müssen sich dann gezielte in vivo Experimente anschließen.

Priv.-Doz. Dr. med. Florian Stögbauer, Universität Münster


Edition Wissenschaft, Ausgabe Nr. 15 vom April 2002
Dies ist die ausführlichere Gesamtausgabe des obigen Artikels; mit weiteren Bildern, einer Übersicht von Forschungsarbeiten, Literaturverzeichnis und mehr (266 kb)


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Zuletzt geändert: 29.09.02