OS CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS REGULAM O DESTINO CELULAR DAS CÉLULAS-TRONCO

Abstrato

Introdução

Desde o final do século XIX, foi provada a existência de ondas eletromagnéticas no campo físico. Com o avanço das pesquisas sobre EMF , Reiter R, Persinger MA, Frey AH e outros resumiram os efeitos biológicos e as aplicações dos campos eletromagnéticos no final do século XX [ 1–3 ] . Nesta base, a terapia de campos eletromagnéticos tem sido gradualmente aceita e amplamente valorizada. O campo eletromagnético tem estado ativo no tratamento clínico e em aplicações de pesquisa como um especialista terapêutico versátil por quase 50 anos, como reparo ósseo [ 4 ], tratamento de osteoartrite [ 5 ], tratamento de doenças nervosas degenerativas [ 6 ] e supressão de tumor [ 7], etc. O mecanismo de iniciação para os complexos efeitos biorreguladores dos campos eletromagnéticos em diferentes tecidos e células ainda não está claro, e este artigo sugere que o íon cálcio intracelular pode desempenhar um papel fundamental (Fig. 1).

A homeostase do cálcio intracelular está intimamente relacionada ao destino celular, como proliferação, diferenciação, metabolismo, apoptose, etc. Na maioria dos casos, a homeostase do cálcio é alcançada através de canais de cálcio nas membranas celulares, receptores e dinâmica intracelular do cálcio [ 9 ]. Quando as células são submetidas a estimulação mecânica externa, os canais iônicos dependentes de voltagem na membrana celular se abrem e a concentração de íons cálcio intracelular aumenta [ 10 ]. A concentração de íons cálcio é de cerca de 100 nM no estado de repouso e aumenta para cerca de 1000 nM no estado ativado. Conseqüentemente, o íon cálcio regulado positivamente ativa várias reações em cascata sensíveis ao cálcio, como calmodulina (CaM), cAMP, NOS, Ins _(1,4,5)P3, que regulam o metabolismo celular através de uma rede complexa [ 11 ].

Esta revisão concentra-se nos CEM – que podem ser usados ​​como tratamento não invasivo para uma ampla variedade de células – e em como ele induz diferentes destinos celulares através da regulação do íon cálcio. Como estímulo biomecânico, o EMF é capaz de exercer seus efeitos biomagnéticos gerando correntes de pico por meio de efeitos não térmicos que alteram o pico ou a distribuição espacial das concentrações intracelulares de íons de cálcio por meio de estimulação ao longo de minutos a horas [12–14 ] . Resumimos os casos terapêuticos mais recentes de campos eletromagnéticos de frequência extremamente baixa (ELE-EMF) e campos eletromagnéticos de radiofrequência (RF-EMF) aplicados a uma variedade de tipos de células, como células-tronco, osteoblastos e células tumorais (Tabela​(Tabela 1).1). Curiosamente, ao regular o íon cálcio intracelular, o EMF promove a proliferação e diferenciação de células-tronco normais no corpo, mas inibe a proliferação de células-tronco tumorais e promove a apoptose. Os efeitos contrastantes dos CEM nas células-tronco normais e tumorais provavelmente estão relacionados às anormalidades dos próprios canais de íons de cálcio das células-tronco tumorais [ 15 ].

CEM

O EMF como versátil terapêutico foi realizado em um grande número de ensaios in vivo, in vitro e clínicos [ 4 , 25 – 27 ]. Depois de realizar um grande número de experimentos in vitro relacionados a CEM, nosso grupo combinou CEM, células-tronco e engenharia de tecido ósseo em um todo orgânico, e ainda alcançamos o reparo de defeitos ósseos em uma variedade de animais de uma forma mais complexa in vivo. ambiente fisiológico em comparação com o ambiente relativamente único e controlado de experimentos in vitro [ 16 , 17 , 28 ]. Para poder simular melhor o ambiente experimental in vivo, Sundelacruz [ 29] construíram um modelo tridimensional (3D) de tecido in vitro de trauma, no qual a mineralização dos osteoblastos foi aumentada pela estimulação EMF, recriando o processo de regeneração óssea. Com base na pesquisa atual, os CEM terapêuticos são diversos, sendo comuns os CEM pulsados ​​e sinusoidais, dependendo da forma de onda do CEM; os pesquisadores também usaram combinações complexas de parâmetros, variando de CEM de frequência muito baixa que induzem diferenciação osteogênica ou condrogênica de células-tronco [ 17 , 20 ], até CEM de radiofrequência que inibem a proliferação tumoral [ 21 , 22]. Durante o tratamento, precisamos controlar a intensidade do ELE-EMF, e quando é utilizada estimulação de alta intensidade, as células recebem mais energia, o que pode levar à inibição do crescimento e metabolismo celular [30], implicando que a intensidade do campo eletromagnético também é um parâmetro importante na regulação dos efeitos dos CEM. Com base no presente estudo, acreditamos que para EMF de frequência baixa ou extremamente baixa, frequências na faixa de 0–75 Hz e intensidades na faixa de 0–1 mT têm efeitos biológicos osteogênicos ou condrogênicos, enquanto EMF com esta combinação de parâmetros são seguros para adultos, mas proibidos para crianças [ 31 ], e se a intensidade do campo eletromagnético aumentar ainda mais, pode ser necessário reduzir o tempo de estimulação para garantir a segurança [ 20]. Para RF EMF, essas duas frequências, 27,12 MHz e 835 MHz, têm efeitos biológicos para o tratamento de tumores [ 21 , 32 ], e nenhum efeito adverso foi relatado ainda.

Os mecanismos biológicos pelos quais os CEM promovem a diferenciação celular e a apoptose são diversos. Nos estudos iniciais, os pesquisadores sugeriram que o EMF pode regular diretamente proteínas intracelulares ou íons de metais de transição em enzimas para afetar a atividade enzimática e, assim, regular as reações bioquímicas [ 33 ]. E outra parte do estudo sugeriu que o EMF pode regular RNAs não codificantes para ativar ainda mais as vias da cascata de sinalização intracelular [ 34 , 35]. À medida que o estudo dos CEM se intensificou, os mecanismos de efeitos biológicos dos CEM foram divididos em duas categorias principais, nomeadamente, efeitos térmicos e não térmicos dos CEM. Embora essas duas teorias difiram nos fatores iniciais, com a primeira baseando-se no calor gerado pelos CEM e a última sendo a soma de todos os modos de ação não relacionados ao magnetotérmico, ambas concentram suas pesquisas nos efeitos dos CEM nos íons metálicos intracelulares e canais iônicos abrindo e fechando [ 36 – 38 ]. Apesar de os parâmetros dos CEM serem caracterizados pela diversidade e complexidade, vários estudos apontaram que os CEM podem modular as oscilações do cálcio intracelular [ 22 , 39 , 40 ].

Mecanismo de oscilações de íons de cálcio induzidas por campos eletromagnéticos

Os campos eletromagnéticos, como estímulo biomecânico específico, são amplamente reconhecidos por alterar o potencial da membrana, ativar canais de cálcio, aumentar sua atividade e, como resultado, causar oscilações de cálcio [41 , 42 ] . Depois de receber estimulação biomecânica, as células podem alterar a concentração de cálcio intracelular através de uma variedade de vias dependentes da membrana: (1) Ativação de canais iônicos dependentes de voltagem do tipo L ou tipo T, aumentando a atividade do canal e os níveis de expressão proteica [ 43 , 44]. (2) A ativação da família de receptores purinérgicos na membrana celular é ativada, onde os receptores de sinalização mecânica na membrana celular são ativados, causando aumentos de ATP ou ADP, e o sinal purinérgico pode regular positivamente a expressão dos receptores P2Y1 [ 45 , 46 ] . (3) A ativação da família TRP de canais catiônicos, TRPV4, que exibe permeabilidade moderada ao íon cálcio, é ativada para alterar a permeabilidade da membrana celular e promover o fluxo interno do íon cálcio [ 47 , 48]. (4) Ele também ativa seus canais catiônicos ou proteínas na membrana celular, como o gene perceptivo eletromagnético (EPG), que é capaz de expressar altamente uma proteína transmembrana que regula o fluxo de íons cálcio em resposta ao estímulo de campos eletromagnéticos [49 ] . A imagem confocal em tempo real permite a observação de um pico de cálcio nas células minutos após a estimulação, e quando a energia da estimulação é aumentada ainda mais, mais células mostram um estado ativado enquanto a amplitude do pico de cálcio aumenta ainda mais [50 , 51 ] . Resumimos os canais de cálcio, receptores e transportadores regulados por EMF (Tabela​(Mesa 22).

As oscilações de íons de cálcio induzidas por EMF podem ser alcançadas por duas correntes clássicas de entrada de cálcio, a primeira através de canais dependentes de voltagem tipo L ou tipo T, onde a estimulação de campos eletromagnéticos pode abrir canais iônicos localizados na membrana celular, permitindo a entrada fluxo de íon de cálcio extracelular [ 55 ]. No segundo, o EMF pode alterar as concentrações intracelulares de íons de cálcio independentemente dos canais de íons de cálcio na membrana celular, causando oscilações de íons de cálcio [ 57 ], uma mudança que provavelmente se deve ao fato de o EMF afetar os estoques de cálcio intracelular e a liberação de íons de cálcio do cálcio intracelular. piscina [ 58]. O retículo endoplasmático e as mitocôndrias são as principais organelas de armazenamento de íons cálcio, e os íons cálcio são liberados da membrana do espaço intermembranar para o citoplasma durante as oscilações do cálcio, transitoriamente ou pela manutenção de concentrações elevadas de íons cálcio [ 59–61 ] . Após 10 min de estimulação EMF dos miócitos, a expressão do canal TRPC1 é regulada positivamente, a capacidade respiratória mitocondrial é aumentada e o metabolismo celular é aumentado [ 52 ]. As mitocôndrias também são capazes de regular a concentração de íons cálcio na matriz celular via IP3 [ 62 ], mas nenhum CEM foi relatado como associado a isso (Fig. 2).

Diferentes canais de cálcio na membrana celular são capazes de responder a uma variedade de estímulos do ambiente externo, e existem vários canais de cálcio, como sensíveis à força mecânica, sensíveis à voltagem e sensíveis à temperatura. O EMF é capaz de ativar canais de cálcio através de efeitos térmicos e não térmicos, e tem sido debatido qual desses dois efeitos desempenha o papel mais dominante, mas as oscilações de cálcio induzidas pelo EMF estão inextricavelmente ligadas a nanopartículas magnéticas [ 63 , 64]. Entre os efeitos não térmicos dos CEM, os pesquisadores sugeriram que os CEM têm um efeito penetrante e são capazes de exercer um estímulo de força mecânica nas células, enquanto canais de cálcio sensíveis a forças mecânicas existem na membrana celular, e esses canais de cálcio podem ser ativados. por forças mecânicas externas, causando fluxos internos de íons de cálcio [ 65 ]. A força mecânica do EMF depende de outros íons magnéticos dentro ou fora da célula, como nanopartículas ferromagnéticas ou ferritina [ 63]. A administração de nanopartículas ferromagnéticas de fora da célula sob a ação de EMF pode ser observada pela fluorescência do íon cálcio com um aumento de sinal de 20% e um aumento na frequência de pico das oscilações do íon cálcio, que não são significativamente afetadas pela mudança na temperatura do ambiente extracelular [ 66 ]. As nanopartículas de óxido de ferro são superparamagnéticas e podem responder à força mecânica do CEM externo, e se as nanopartículas de óxido de ferro forem combinadas com outras proteínas intracelulares, ambas serão submetidas à força mecânica do CEM simultaneamente [ 67]. Na presença de EMF, as nanopartículas de ferritina endógena ligam-se a uma proteína de fusão vanilóide 1 com potencial de receptor transitório anti-GFP de camelídeo, aGFP-TRPV1, causando oscilações de cálcio [63 ] . Ao contrário do efeito não térmico do EMF, o EMF ativa os canais de cálcio por meio da interação magneto-térmica, quando o EMF aumenta a temperatura das nanopartículas magnéticas, ativando o canal de cálcio TRV1 sensível à temperatura e causando fluxos de entrada de íons de cálcio [64 ] . Um importante mediador da oscilação do íon cálcio induzida por EMF são as nanopartículas superparamagnéticas.

Aplicação de EMF em células-tronco e sua regulação da via do íon cálcio

Campo eletromagnético para tratamento de tumor

Cada vez mais estudos começaram a focar na fisioterapia de tumores. O conhecimento inicial da fisioterapia baseava-se nos efeitos dos efeitos térmicos dos estímulos físicos nas células [ 102 ], mas com o desenvolvimento e profundidade da pesquisa, foi gradualmente reconhecido que os efeitos não térmicos podem ativar canais dependentes de voltagem, um processo fisiológico que desempenha um papel importante. A fisioterapia pode fazer com que a membrana celular e o potencial da membrana mitocondrial exibam um estado hiperpolarizado, com um aumento significativo na concentração de íons de cálcio intracelular e um aumento concomitante na concentração de espécies reativas de oxigênio e óxido nítrico [ 103]. O desequilíbrio da homeostase dos íons cálcio e a ruptura das mitocôndrias permitem uma alteração do ciclo das células-tronco tumorais, inibindo a proliferação celular e promovendo a apoptose [ 104 , 105 ]. O EMF, como uma fisioterapia amplamente notada, é capaz de modular os canais dependentes de voltagem das células-tronco tumorais através de efeitos não térmicos, e a abertura dos canais CACNA1H permite uma grande quantidade de fluxo interno de íons de cálcio, o que eventualmente leva à diferenciação de células HCC em células quiescentes com morfologia fusiforme [ 22 ]. Enquanto isso, o RF-EMF foi capaz de suprimir células-tronco tumorais ativando a via de sinalização CAMKII / p38 MAPK após induzir a oscilação do íon cálcio e inibindo a via de sinalização β-catenina / HMGA2 [ 21].

Curiosamente, o efeito dos campos eletromagnéticos não se limita às células-tronco tumorais, mas também inibe a proliferação e o desenvolvimento de células tumorais [ 106 ]. Foi demonstrado que linhas celulares de câncer de mama expostas a ELE-EMF por 24 horas mostraram um aumento significativo na expressão intracelular de ROS e um aumento da sensibilidade à radioterapia adicional [ 107 ]. Também as linhagens celulares de câncer de mama, após exposição à radiação EMF de maior intensidade, mostraram um aumento significativo no íon cálcio intracelular e nas espécies reativas de oxigênio, o que eventualmente levou à necroptose, enquanto esta necrose programada das células tumorais foi capaz de ser antagonizada pelo bloqueador de cálcio verapamil ou o eliminador de radicais livres n-acetilcisteína [ 23 ].

Biossegurança de campos eletromagnéticos

A natureza bilateral da ação dos CEM levanta inevitavelmente preocupações sobre sua segurança, e seus efeitos terapêuticos e causadores de tumores têm sido controversos [ 108 ]. Alguns pesquisadores propuseram a hipótese de que os CEM causam um desequilíbrio na homeostase iônica, levando à inflamação local ou tumorigênese [ 38 ], o que significa que os CEM de frequência muito baixa ou de radiofrequência podem exercer efeitos biológicos enquanto abrem irregularmente vários canais iônicos (Na ⁺ , K ⁺ e Ca ²⁺ ) [ 109-111 ], causando um desequilíbrio na homeostase de íons intracelulares e produzindo OS / ROS excessivos, levando a danos no DNA [ 112 , 113], mas esta postulação carece de evidências experimentais diretas e de investigações epidemiológicas necessárias. Para animais normais, a exposição de animais a 1,5 mT com intensidade de 50 Hz não teve efeitos adversos significativos [ 114 ]. Em quase 50 anos de pesquisa, apenas os CEM de baixa frequência foram confirmados como fator de risco para leucemia pediátrica, e estudos epidemiológicos demonstraram que os CEM-ELE não são um fator de risco para câncer de mama ou doenças cardiovasculares, e de acordo com os estudos atuais , não há evidências suficientes para mostrar que os campos eletromagnéticos representam uma ameaça à saúde dos adultos [ 31 , 115-117 ] ( Fig. 3).

Figura 3

Resultados da investigação epidemiológica. De acordo com resultados epidemiológicos, os campos electromagnéticos podem ser um factor de risco de cancro em crianças, mas não há evidências de cancro em adultos. EMF é seguro e confiável como tratamento não invasivo para adultos. A figura foi criada com BioRender.com

As ondas eletromagnéticas de alta frequência estão intimamente relacionadas à comunicação moderna na vida diária e, portanto, pesquisas relacionadas aos campos eletromagnéticos de alta frequência e à saúde humana estão em andamento [ 118 , 119 ]. Embora tenha sido sugerido que quando a frequência do EMF atinge 1.800 MHz, essa radiação EMF de alta energia causa alterações cromossômicas no núcleo das células [120] , sua citotoxicidade e toxicidade por dano genético são prejudiciais [ 121 ], aumentando potencialmente o risco de cânceres reprodutivos [ 122 ]. No entanto, não há evidências suficientes nas estatísticas epidemiológicas para sugerir que os CEM de alta frequência sejam um fator de alto risco para tumorigênese [ 123 ].

Foi demonstrado que os campos eletromagnéticos promovem a apoptose em células tumorais, como células de melanoma de camundongo B16-BL6, células de câncer de mama humano e cervical HeLa MDA-MB-231, MDA-MB-468, BT-20 e MCF-7, mas não afetam células não malignas [ 124 ]. As células tumorais têm um grande número de variantes em seus canais de cálcio em comparação com as células normais, e essas variantes levam ao comportamento biológico anormal das células tumorais [ 15 ]. Os campos eletromagnéticos são capazes de abrir canais dependentes de voltagem na membrana celular, causando um desequilíbrio do íon cálcio, que afeta a proliferação tumoral e promove a apoptose [ 105 , 125]. Este EMF de radiofrequência tem alta energia e certa penetração, e o princípio terapêutico do EMF de radiofrequência é causar abertura excessiva ou irregular dos canais iônicos, causando assim desequilíbrio iônico e produção excessiva de ROS que por sua vez leva a danos no DNA, e a questão que permanece é se este mecanismo atua em células normais.

Discussão

À medida que a pesquisa continua, os CEM combinados com células-tronco também demonstraram ser usados ​​no tratamento da osteoporose [ 126 ], lesões de tecidos moles, como manguito rotador [ 127 ] e inibição do desenvolvimento de tumores [ 128 ]. Ao mesmo tempo, a relação entre CEM e tumores tornou-se um tópico controverso [ 119 ], mas há pouca base epidemiológica para a carcinogenicidade dos CEM, em contraste com experimentos sofisticados que demonstram a capacidade pró-apoptótica dos CEM em células-tronco tumorais [ 129].Acreditamos que a capacidade bilateral dos CEM de promover a diferenciação de células-tronco e a apoptose de células-tronco tumorais se deve a três razões: primeiro, os CEM como um campo de energia promovem a abertura de canais iônicos e o fluxo interno de íons cálcio quando nós usa frequências mais baixas e intensidades apropriadas [ 20 , 53, 54] e causa sobrecarga de cálcio quando a intensidade ou frequência do campo eletromagnético é aumentada ainda mais [21-24 ] , segundo , o EMF pode regular vários íons nas células, e o íon cálcio desempenha um papel fundamental papel [ 92 , 130 ], o íon cálcio atua como um segundo mensageiro que pode ativar moléculas a jusante, como NO, ROS [ 77 , 100, 102 , 106 ], que regulam ainda mais a diferenciação celular ou apoptose através da via da β-catenina; em terceiro lugar, a variação dos canais de cálcio nas próprias células-tronco tumorais, o que torna a regulação do EMF polarizada [ 131 ] (Fig. 4).

Especificamente, esta diferença nos efeitos biológicos está intimamente relacionada com os parâmetros do campo eletromagnético, o ambiente de cultura celular e o tipo de canais iônicos ativados. Quando EMF de frequência baixa ou extremamente baixa é selecionado, ou seja, frequências entre 0 e 75 Hz e intensidades entre 0 e 1 mT, o EMF é capaz de exercer efeitos osteogênicos ou condrogênicos. Neste caso, também é necessário um ambiente de cultura celular correspondente. Além disso, o CEM ativa diferentes tipos de canais de cálcio. No ambiente osteogênico, o EMF ativa principalmente os canais de cálcio dependentes de voltagem para promover a diferenciação osteogênica. Além disso, no ambiente condrogênico, o EMF ativa principalmente canais de cátions semelhantes a receptores, como receptores purinérgicos ou vários membros da família de canais de potencial receptor transitório (TRP) [ 84– 86 ]. Em geral, após a ativação desses canais iônicos, as concentrações intracelulares de íons de cálcio aumentarão e as proteínas a jusante de múltiplas reações em cascata serão reguladas [ 84 ]. RF EMF com frequências de 27,12 MHz e 835 MHz têm efeito biológico terapêutico em tumores. Os canais de cálcio superexpressos nas células tumorais podem ser hiperativados por esses CEM de alta energia, resultando assim em um desequilíbrio na homeostase do cálcio, que causa danos ao DNA através da superexpressão de ROS e uma apoptose final [21 , 32 , 129 ] . No entanto, observa-se que os CEM de baixa frequência não devem ser utilizados entre crianças, porque os CEM podem levar ao desenvolvimento de leucemia pediátrica [ 31]. Enquanto isso, precisamos evitar danos aos tecidos circundantes causados ​​por RF EMF devido à sua energia excessiva [ 115 ].

Os efeitos biológicos dos CEM são mediados principalmente através de canais de cálcio, mas na membrana celular existem vários tipos de canais iônicos dependentes de voltagem (Na ⁺ , K ⁺ e Ca ²⁺ , etc.), e os CEM têm um efeito modulador sobre esses canais iônicos, portanto, a possibilidade de EMF mediar reações bioquímicas através desses canais iônicos atraiu interesse [ 38 ]. Sob a indução de ELF-EMF, os pesquisadores registraram com sucesso a alteração das correntes de Na ⁺ e K ⁺ nas membranas celulares usando a técnica de fixação da membrana celular [ 111 ]. Descobriu-se agora que os CEM afetam uma variedade de canais de potássio (K ⁺ tipo A , retificador retardado K +⁺ , K + tipo M ^, canais transitórios de inativação rápida (IK, A) e sustentados dominantes (IK, V)) [ 132 ]. Alterações mediadas por EMF nas correntes de potássio podem causar alterações fisiológicas e patológicas no metabolismo celular, regulação imunológica, inflamação ou tumores, mas outros mecanismos não são claros.

Conclusão

Neste artigo, resumimos as aplicações de CEM em combinação com células-tronco com base em estudos existentes e apontamos que CEM com diferentes parâmetros em diferentes ambientes de cultura celular podem mediar células-tronco para diferentes destinos celulares, diferenciação osteogênica, diferenciação condrogênica ou apoptose. Sugerimos que o EMF induz oscilações de cálcio através de efeitos não térmicos diretamente nas nanopartículas superparamagnéticas, e nas MSCs, a regulação positiva do íon cálcio regula a proliferação e diferenciação. Em contraste, nas células-tronco tumorais, a ativação excessiva dos canais iônicos de cálcio pelos CEM leva a mudanças drásticas na homeostase do cálcio, o que eventualmente leva à apoptose. Resumimos ainda as moléculas a jusante das oscilações de cálcio induzidas por EMF e elucidamos sua biossegurança.

Reconhecimentos

Abreviações

Contribuições do autor

TM: Redação – rascunho original. QD: Edição de fotos e tabelas. CL: Redação – revisão. HW: Redação – revisão e edição. Todos os autores leram e aprovaram o manuscrito final.

Financiamento

Esta pesquisa foi apoiada com financiamento da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (nº 51877097). O órgão financiador não desempenhou nenhum papel na concepção do estudo e na coleta, análise e interpretação dos dados e na redação do manuscrito.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Declarações

Notas de rodapé

Informações do Colaborador

Tian Ma, E-mail: nc.ude.tsuh@1515JT0202 .

Qing Ding, e-mail: nc.ude.tsuh@jtqd .

Chaoxu Liu, e-mail: moc.liamtoh@uiluxoahc .

Hua Wu, e-mail: nc.ude.tsuh@auhuw .

Referências