Medizinische/biologische Studie (experimentelle Studie)

Differential effects of high and low strength magnetic fields on mouse embryonic development and vasculogenesis of embryonic stem cells med./bio.

[Verschiedene Auswirkungen von starken und schwachen Magnetfeldern auf die embryonale Entwicklung der Maus und die Vaskulogenese embryonaler Stammzellen]

Von: Bekhite MM, Finkensieper A, Abou-Zaid FA, El-Shourbagy IK, El-Fiky NK, Omar KM, Sauer H, Wartenberg M

Veröffentlicht in: Reprod Toxicol 2016; 65: 46-58

Ziel der Studie (lt. Autor)

Es sollten die Wirkungen einer pränatalen Exposition von Mäusen bei einem statischen oder einem 50 Hz-Magnetfeld auf die embryonale Entwicklung untersucht werden.

Hintergrund/weitere Details

Die Studie bestand aus einem in vivo- und einem in vitro-Teil. Für den in vivo-Teil wurden trächtige Mäuse in die folgenden Gruppen eingeteilt (jeweils n=10 pro Methode und Untersuchungszeitpunkt, Gesamtzahl nicht klar): Exposition bei einem 1) 1 mT-50 Hz-Magnetfeld, 2) 1 mT-statischen Magnetfeld, 3) 10 mT-50 Hz-Magnetfeld, 4) 10 mT-statischen Magnetfeld und 5) Schein-Exposition. Embryonen wurden nach 5, 8, 12 und 20 Tagen Exposition entnommen und untersucht.
Es wurden zudem 50 nicht-trächtige Mäuse bei denselben Feldern exponiert (jeweils n=10), aber keine detailierten Ergebnisse präsentiert.
Für den in vitro-Teil wurden sogenannte "Embryoid bodies", Aggregate von pluripotenten embryonalen Stammzellen der Maus, als Modell für die embryonale Entwicklung genutzt und bei denselben Feldern exponiert: 6) 1 mT-50 Hz-Magnetfeld, 7) 1 mT-statisches Magnetfeld, 8) 10 mT-50 Hz-Magnetfeld, 9) 10 mT-statisches Magnetfeld und 10) Schein-Exposition.
In den in vitro-Tests wurden zudem Zellen mit p38 MAPK-, JNK- und ERK-1/2-Inhibitoren und Radikalfängern behandelt, um die Signalwege zu untersuchen.

Endpunkt

Wirkungen auf den Embryo/Fötus: embryonale Entwicklung von Mäusen

Exposition/Befeldung (teilweise nur auf Englisch)

- 0–50 Hz
- Gleichstrom
- 50/60 Hz
- magnetisches Feld
- statisches Magnetfeld

Exposition	Parameter
Exposition 1: 50 Hz Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit in vivo	magnetische Flussdichte: 1 mT
Exposition 2: DC/statisch Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit in vivo	magnetische Flussdichte: 1 mT
Exposition 3: 50 Hz Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit in vivo	magnetische Flussdichte: 10 mT
Exposition 4: DC/statisch Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit in vivo	magnetische Flussdichte: 10 mT
Exposition 5: 50 Hz Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung in vitro	magnetische Flussdichte: 1 mT
Exposition 6: DC/statisch Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung in vitro	magnetische Flussdichte: 1 mT
Exposition 7: 50 Hz Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung in vitro	magnetische Flussdichte: 10 mT
Exposition 8: DC/statisch Expositionsdauer: 8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung in vitro	magnetische Flussdichte: 10 mT

Exposition 1

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit
Zusatzinfo	in vivo

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	Spule(n)
Kammer	Käfige mit ausreichender Höher aus dielektrischem, transparentem Plastik
Aufbau	10 Mäuse wurden in 2 Käfigen (jeweils 5 Mäuse pro Käfig) in ein homogenes Feld gesetzt; Spulen wurden auf Röhren aus Polyvinylchlorid (PVC) gewickelt, welche die Emission elekrischer Felder abschirmten; Temperatur-Veränderungen im Expositions-Raum betrugen 1°C ± 0.5°C
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	1 mT	-	gemessen	-	-

Zusätzliche Parameterdetails

wenn die Strom-Versorgung der Spulen abgeschaltet war, betrug die magnetische Flussdichte ungefähr 0,04 µT

Exposition 2

Hauptcharakteristika

Frequenz	DC/statisch
Typ	Magnetfeld
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit
Zusatzinfo	in vivo

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 1
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	1 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 3

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit
Zusatzinfo	in vivo

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 1
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	10 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 4

Hauptcharakteristika

Frequenz	DC/statisch
Typ	Magnetfeld
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag für bis zu 20 Tage während der Trächtigkeit
Zusatzinfo	in vivo

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 1
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	10 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 5

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung
Zusatzinfo	in vitro

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 1
Aufbau	Unterschiede zu Exposition 1: Embryoid Bodies in Petrischalen; 5% CO₂, 37°C
Schein-Exposition	Eine Schein-Exposition wurde durchgeführt.

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	1 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 6

Hauptcharakteristika

Frequenz	DC/statisch
Typ	Magnetfeld
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung
Zusatzinfo	in vitro

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 5

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	1 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 7

Hauptcharakteristika

Frequenz	50 Hz
Typ	Magnetfeld
Signalform	sinusoidal
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung
Zusatzinfo	in vitro

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 5

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	10 mT	-	gemessen	-	-

Exposition 8

Hauptcharakteristika

Frequenz	DC/statisch
Typ	Magnetfeld
Expositionsdauer	8 Stunden/Tag von Tag 2 bis 8 der Differenzierung
Zusatzinfo	in vitro

Expositionsaufbau

Expositionsquelle	gleicher Aufbau wie Exposition 5

Parameter

Messgröße	Wert	Typ	Methode	Masse	Bemerkungen
magnetische Flussdichte	10 mT	-	gemessen	-	-

Referenzartikel

Bekhite MM et al. (2010): Static electromagnetic fields induce vasculogenesis and chondro-osteogenesis of mouse embryonic stem cells by reactive oxygen species-mediated up-regulation of vascular endothelial growth factor

Exponiertes System:

intakte Zelle/Zellkultur (in vitro)
Embryoid bodies aus pluripotenten embryonalen Stammzellen der Maus (CCE)
Tier
Maus/BALB/c
Ganzkörperexposition

Methoden Endpunkt/Messparameter/Methodik

molekulare Biosynthese: Proteinexpression von Caspase-3 (Marker für Apoptose), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und Flk-1 (VEGF-Rezeptor) (Marker für die embryonale Entwicklung), ERK-1/2, JNK und p38 MAPK und Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule-1 (PECAM-1, Marker für die Blutgefäß-Bildung) in Embryoid Bodies und VEGF-Proteinexpression in Leber, Lunge, Niere und Augen von Föten nach 20 Tagen (Immunofluoreszenz-Färbung, Fluoreszenzmikroskopie)
Wirkungen auf den Embryo/Fötus: Geburtsgewicht, Scheitel-Steiß-Länge (nach 12 und 20 Tagen), embryonale Entwicklung (histologische Schnitte des Uterus 5 und 8 Tage nach der Empfängnis, Hämatoxylin-Eosin-Färbung, Mikroskopie), siehe außerdem "molekulare Biosynthese" und "morphologische/histopathologische Veränderungen"
morphologische/histopathologische Veränderungen: allgemeine Histologie von Leber, Lunge, Augen, Ovar und Uterus von Föten und Muttertieren nach 20 Tagen (Prozentsätze an abnormalen Organen, Follikel-Zählung und Anzahl an Einpflanzungs-Stellen sowie resorbierten/lebenden/toten Föten in Uteri, Hämatoxylin-Eosin-Färbung, Mikroskopie)
Produktion reaktiver Sauerstoffspezies in Embryoid Bodies (Fluorescein-Färbung, Konfokalmikroskopie), Körpergewicht der Muttertiere während der Exposition

Untersuchtes System:

intakte Zelle/Zellkultur (in vitro)
Gewebeschnitt (in vitro)
Untersuchung am lebenden Organismus

Untersuchtes Organsystem:

Fortpflanzungssystem
Leber, Lunge, Augen, Ovar und Uterus

Untersuchungszeitpunkt:

während der Befeldung
nach der Befeldung

Hauptergebnis der Studie (lt. Autor)

Bei Mäusen, die bei 10 mT statischen und 50 Hz-Magnetfeldern exponiert wurden (Gruppen 3 und 4), wurde eine signifikant erhöhte Anzahl resorbierter und toter Föten, ausgeprägte histologische Veränderungen, eine verringerte Blutgefäß-Bildung und eine signifikant reduzierte VEGF-Proteinexpression in allen untersuchten Organen im Vergleich zur Schein-Expositions-Gruppe gefunden. In Gruppe 4 wurden zudem eine signifikant verringerte Scheitel-Steiß-Länge und ein signifikant verringertes Gewicht der Föten nach 20 Tagen im Vergleich zur Schein-Exposition gemessen. Die Gruppen mit 1 mT-Magnetfeldern (Gruppen 1 und 2) zeigten diese Wirkungen nicht. Stattdessen war die VEGF-Expression im Ovar in diesen Gruppen im Vergleich zur Schein-Expositions-Gruppe signifikant erhöht.
Bei den Embryoid Bodies führte eine Exposition bei 10 mT statischen oder 50 Hz-Feldern (Gruppen 8 und 9) zu einer signifikanten Zunahme der reaktiven Sauerstoffspezies (6-fache Zunahme) und der Apoptose, während die Blutgefäß-Bildung und VEGF-Expression im Vergleich zur Schein-Expositions-Gruppe signifikant verringert waren.
In den Gruppen 6 und 7 (Exposition von Embryoid Bodies bei einem 1mT statischen oder 50 Hz-Feld) war der Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies im Vergleich zur Schein-Expositions-Gruppe ebenfalls signifikant erhöht, allerdings nur 2-fach, und die Expression von VEGF war signifikant erhöht.
Die Behandlung mit Inhibitoren zeigte, das reaktive Sauerstoffspezies an der Magnetfeld-induzierten Signaltransduktion beteiligt waren, die zu einer Aktivierung von VEGF führte.
Die Autoren schlussfolgern, dass eine pränatale Exposition von Mäusen bei einem starken (10 mT) statischen oder einem 50 Hz-Magnetfeld die embryonale Entwicklung stören könnte. VEGF ist möglicherweise ein wichtiger Mediator bei diesen Wirkungen.

Studienmerkmale:

medizinische/biologische Studie
experimentelle Studie
Voll-/Hauptstudie

Studie gefördert durch

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; German Research Foundation)
Ministry of Higher Education and Scientific Research, Arab Republic of Egypt

Themenverwandte Artikel

Zaun G et al. (2014): Repetitive exposure of mice to strong static magnetic fields in utero does not impair fertility in adulthood but may affect placental weight of offspring
Zahedi Y et al. (2014): Impact of repetitive exposure to strong static magnetic fields on pregnancy and embryonic development of mice
Mahram M et al. (2013): The effect of extremely low frequency electromagnetic fields on pregnancy and fetal growth and development
Bayat PD et al. (2012): Effects of prenatal exposure to extremely low electro-magnetic field on in vivo derived blastocysts of mice
Bekhite MM et al. (2010): Static electromagnetic fields induce vasculogenesis and chondro-osteogenesis of mouse embryonic stem cells by reactive oxygen species-mediated up-regulation of vascular endothelial growth factor
Yao K et al. (2007): Absence of effect of power-frequency magnetic fields exposure on mouse embryonic lens development
Chung MK et al. (2004): Lack of adverse effects in pregnant/lactating female rats and their offspring following pre- and postnatal exposure to ELF magnetic fields
Chung MK et al. (2003): Developmental toxicity evaluation of ELF magnetic fields in Sprague-Dawley rats
Huuskonen H et al. (2001): Effects of low-frequency magnetic fields on implantation in rats
Okazaki R et al. (2001): Effects of a 4.7 T static magnetic field on fetal development in ICR mice
Huuskonen H et al. (2001): Development of preimplantation mouse embryos after exposure to a 50 Hz magnetic field in vitro
Ryan BM et al. (2000): Evaluation of the developmental toxicity of 60 Hz magnetic fields and harmonic frequencies in Sprague-Dawley rats
Ryan BM et al. (1999): Multigeneration reproductive toxicity assessment of 60-Hz magnetic fields using a continuous breeding protocol in rats
Huuskonen H et al. (1998): Teratogenic and reproductive effects of low-frequency magnetic fields
Huuskonen H et al. (1998): Effects of low-frequency magnetic fields on fetal development in CBA/Ca mice
Svedenstal BM et al. (1995): Fetal loss in mice exposed to magnetic fields during early pregnancy
Pafkova H et al. (1994): Study of the effects of 50 Hz magnetic field on embryonic development: dependence on field level and field vector
Mevissen M et al. (1994): Effects of static and time-varying (50-Hz) magnetic fields on reproduction and fetal development in rats
Cameron IL et al. (1993): Environmental magnetic fields: influences on early embryogenesis
Huuskonen H et al. (1993): Effects of low-frequency magnetic fields on fetal development in rats
Juutilainen J et al. (1993): Early pregnancy loss and exposure to 50-Hz magnetic fields
Murakami J et al. (1992): Fetal development of mice following intrauterine exposure to a static magnetic field of 6.3 T
Zusman I et al. (1990): Effects of pulsing electromagnetic fields on the prenatal and postnatal development in mice and rats: in vivo and in vitro studies
Zimmermann B et al. (1987): Wirkung eines statischen Magnetfeldes (3,5 T) auf das Reproduktionsverhalten von Mäusen, auf die embryonale und fetale Entwicklung und auf ausgesuchte hämatologische Parameter
Konermann G et al. (1986): Untersuchungen über den Einfluß statischer Magnetfelder auf die pränatale Entwicklung der Maus