Física Médica: Los campos electromagnéticos y las células óseas
Noriega Luna B.1, Sabanero López M. 2, Sosa Aquino M. 3, Ávila Rodríguez M. 1 1Instituto de Investigaciones científicas (IIC), 2Instituto de Investigación en Biología Experimental (IIBE), 3Instituto de Física (IFUG), Universidad de Guanajuato. Noria Alta
S/N. Colonia Noria Alta. CP 36050. Guanajuato, Gto. México. Tel. (473) 7320006 Ext. 8158. Fax Ext. 8151. correo electrónico: myrna@quijote.ugto.mx
“El sabio no dice nunca todo lo que piensa, pero siempre piensa todo lo que dice” (Aristóteles)
Resumen
En la presente revisión, se da un acercamiento a la aplicación de los campos electromagnéticos como terapia alternativa para tratar un amplio rango de desórdenes del hueso. Los resultados de diversas investigaciones sugieren que los campos electromagnéticos pulsados son capaces de penetrar en el tejido dependiendo de la frecuencia del campo y crece conforme decrece la frecuencia de la radiación, dicha profundidad de penetración depende asimismo de las propiedades del tejido. Sin embargo, la forma en la cual un campo electromagnético influye en el comportamiento de las células no ha sido bien entendida. Particularmente en este artículo se revisan las principales aplicaciones de la estimulación con campos electromagnéticos sobre cultivos celulares. Palabras clave: campos electromagnéticos, terapia alternativa, células óseas
Introducción
La Física Médica es el área de la ciencia en la cual se conjuntan la Física y la Biología, donde aplicando principios físicos se pueda llegar a una formulación cuantitativa de los procesos biológicos a nivel molecular y celular para entender problemas biológicos relevantes. Su campo de acción es muy diverso, en esta ocasión nos enfocaremos a los avances en los estudios de los efectos de aplicación de campos electromagnéticos debido a que existe una gran discusión acerca de la complejidad de tales mecanismos e interés por definir y comprender cada una de sus etapas. Diversos estudios muestran la posibilidad de modificar procesos celulares tales como aceleración en la regeneración de tejidos u obtener
la destrucción selectiva de células cancerosas por aplicación de campos electromagnéticos de determinada intensidad y frecuencia.
Por otra parte, es necesario mencionar que los cultivos celulares son un sistema de mantenimiento de células vivas en un medio artificial que permite reproducir, de forma bastante confiable, las condiciones biológicas que las células tienen en su lugar de origen. Además se han convertido en un modelo experimental que permite reproducir in vitro de manera semejante las condiciones de la célula in vivo.
Radiaciones ionizantes y no ionizantes
En el último siglo, el ambiente natural ha cambiado con la introducción de un amplio espectro y cada vez mayor de campos electromagnéticos [1]. En los últimos años se han desarrollado nuevas fuentes de generación de campos electromagnéticos entre las más frecuentes se pueden citar las de uso diario como televisión, radio, teléfonos celulares, ordenadores, hornos de microondas entre otros. Sin embargo estos alcances tecnológicos han incrementado de forma considerable riesgos sanitarios asociados a su uso.
En este sentido, dada la exposición más frecuente a campos electromagnéticos de diversas frecuencias e intensidades, existe un gran interés por entender los efectos de las interacciones entre dichos campos y los sistemas biológicos, particularmente los seres humanos. Es evidente en nuestro entorno la existencia de fuentes que generan energía electromagnética en forma de ondas que consisten en campos eléctricos y magnéticos que interactúan con sistemas biológicos como células, plantas, animales o seres humanos según su frecuencia y energía. Las ondas electromagnéticas se clasifican en radiaciones ionizantes y no ionizantes (Fig. 1) Las radiaciones ionizantes son ondas electromagnéticas de alta frecuencia que tiene la energía suficiente para producir ionización y rompimiento de enlaces atómicos que mantienen a las moléculas unidas a las células. Las radiaciones no ionizantes son ondas electromagnéticas de menor frecuencia, se caracterizan porque no tiene la energía suficiente para romper enlaces atómicos. En estas se incluyen radiación ultravioleta, radiación infrarroja, radiofrecuencia, campos de microondas, campos de frecuencia extremadamente baja así como los campos eléctricos y magnéticos estáticos. Este tipo de ondas producen efectos biológicos, que ocurren cuando la exposición a ondas electromagnéticas causa un cambio fisiológico detectable de un sistema biológico.
Campos Electromagnéticos y Regeneración ósea
Experimentalmente se ha probado que los parámetros de los campos electromagnéticos pulsados de baja frecuencia (PEMF) por sus siglas en inglés, incluyendo la forma de la onda, frecuencia, índice de repetición e intensidad, tanto de los campos magnéticos como de los eléctricos inducidos, afectan la eficacia de la estimulación. Por otro lado, estudios reportados concernientes sobre los efectos de los campos electroma gnéticos a nivel celular describen que un campo magnético no produce efectos letales ni en el crecimiento celular y que además los cultivos celulares se desarrollan bajo condiciones normales de crecimiento sin importar la densidad magnética [9]. Es importa nte mencionar que las radiaciones electromagnéticas hoy en día son herramientas importantes en la medicina, por ejemplo el uso de estimulación eléctrica en el hueso data por lo menos desde 1812. Por otro lado, el descubrimiento de la piezoelectricidad y de potenciales bioeléctricos en hueso ampliaron la posibilidad de aplicar energía eléctrica para modificar el comportamiento de las células en el mismo. Es importante destacar que Bassett fue el primero en utilizar un par de bobinas
Fig. 1. Regiones del Espectro Electro magnético. To mad o de www.a rp-sapc.org/articulos/antenas4b.html
de Helmholtz para producir un campo magnético en una fractura y aumentar la osteogénesis [2].
Se han obtenido evidencias experimentales que sugieren que los PEMF afectan el crecimiento y proliferación en varios tipos de células. Por ejemplo, Raylman [11] reporto que una exposición de 64 h a un campo magnético produce reducción en el número de células viables en las líneas celulares melanoma (THB63), carcinoma de ovario (HTB 77 IP3) y linfoma (CCL 86). Esta exposición prolongada al campo de 7 Teslas parece inhibir el crecimiento de las tres líneas celulares tumorales humanas. Por su parte Sato y col. [12] reportaron un crecimiento normal de las células HeLa, después de ser estimuladas con un campo magnético de 1.5 Teslas durante 96 h., además no sufrieron cambios significativos en su morfología, según los resultados de microscopia electrónica de barrido.
Recientemente, Chang y Chang demostraron que los campos electromagnéticos pulsados de baja frecuencia (PEMF), inhiben la perdida trabecular en ratas ovariectomizadas [3]. Por su parte, otros investigadores han también encontrado efectos positivos usando diferentes intensidades de estimulación, así como rangos de frecuencias y tiempo de exposición. Por otro lado, varios estudios recientes han sido reportados concernientes a la influencia de los PEMF sobre cultivos de células óseas. Tanto células de osteoblastos [5,6] como células de osteoclastos [4,8] parecen ser afectadas por dichos campos.
Por otro lado diferente información de distintos estudios sugiere que los efectos de la estimulación con los PEMF no afecta la proliferación del hueso en cultivos confluentes y postconfluentes [8] mientras que en cultivos subconfluentes el crecimiento de condrocitos es lento [10]. Sin embargo, la estimulación con los PEMF incrementa significativamente la proliferación de condroblastos subconfluentes, osteoblastos humanos subconfluentes, células MG-63 y células de la línea TE-85.
Uno de los trabajos más completos es el de Diniz en donde el estimulo de osteoblastos (de la línea celular MC3T3-E1) con los PEMF fue evaluado en diferentes estados de maduración (Proliferación, Diferenciación y Mineralización). Se hizo el análisis de proliferación mediante contenido de DNA, encontrando un incremento del mismo conforme aumentaba el tiempo de cultivo. La diferenciación celular fue otro parámetro
analizado mediante la actividad de la fosfatasa alcalina, en donde los resultados mostraron que la actividad de dicha enzima se incrementa significativamente. Finalmente se realizó un análisis exhaustivo de la mineralización del tejido óseo mediante el método de von Kossa y se reportó que la mineralización de la matriz del tejido varía significativamente entre los estados de maduración [7].
Como perspectivas en nuestro grupo de trabajo actualmente se propone el análisis de los efectos de los PEMF sobre cultivos celulares de osteoblastos humanos (líneas celulares MG-63 y Saos-2) mediante ensayos biológicos y analíticos. Además se analizarán diferentes condiciones de crecimiento para evaluar la síntesis de proteínas después de exponer los cultivos celulares a campos electromagnéticos. Por otro lado, se determinará la influencia dosis-dependencia sobre la proliferación y diferenciación celular, debido a que la proliferación es un indicativo de que los campos electromagnéticos afectan de alguna manera el comportamiento de la célula y por su parte la diferenciación celular permite evaluar la funcionalidad de la célula.
Manejando diferentes grados de confluencia en los cultivos celulares se realizarán estudios sistemáticos de estimulación como: tiempo de exposición, frecuencia e intensidad del estímulo; de manera similar se analizarán diferentes condiciones de crecimiento celular, como son marcaje radioactivo y diferentes conce ntraciones de nutrientes, para de esta manera evaluar cómo se afecta la síntesis de proteínas al exponer a las células a dichos campos. Mediante el uso de marcadores de muerte celular se estudiará el proceso de apoptosis. Finalmente a través de microscopia electrónica se describirán las alteraciones a nivel ultraestructural. En particular, el propósito de éste trabajo es caracterizar los efectos de los PEMF aplicados sobre los osteoblastos (células multinucleadas especializadas, responsables de la resorción del hueso) porque poco se conoce sobre su mecanismo bio-fisico.
Conclusión
Si bien todos los estudios anteriormente mencionados son de invaluable contribución para dilucidar el efecto de los campos electromagnéticos sobre las células óseas, no obstante es necesario comentar que todos los estudios coinciden en destacar que los mecanismos físicos subyacentes a la interacción entre los PEMF y los sistemas
biológicos aún no es claro, por ello es importante continuar el estudio que permita obtener argumentos sobre los procesos moleculares y biofísicos involucrados.
Hasta ahora la influencia de éstos campos en la actividad del ciclo celular se han asociados con los mecanismos de señalización de la membrana plasmática. Lo que se sabe hasta el momento es que el efecto estimulante se asocia más con un aumento en la diferenciación celular, pero no con el incremento con el número de células. Por consiguiente, estudios sistemáticos de los parámetros de estimulación magnética son requeridos, incluyendo la modalidad, tiempo de exposición, frecuencia e intensidad del estímulo. Es importante realizar más estudios de los efectos de la estimulación magnética en diferentes tipos de células óseas durante diferentes etapas de crecimiento para definir si la formación del tejido óseo se asocia con un incremento en el número de cé lulas y/o con un aumento en la diferenciación celular.
Bibliografía
1. Adey WR. 1993. Biological effects of electromagnetic fields. J. Cell Biochem
51:410-416.
2. Bassett CAL. 1982. Pulsing electromagnetic fields: A new method to modify cell
behavior in calcified and noncalcified tissues. Calcif Tissue Int 34:1-8.
3. Chang K, Chang WH. 2001. The influence of pulsed electromagnetic field (PEMF)
on osteopenia in an ovariectomized female rat model. Proceedings of the 23rd Annual Meeting of the Bioelectromagnetic Society. St Paul, Minnesota.
4. Chang K, Chang WH. 2003. Effects of different intensities of extremely low
frequency pulsed electromagnetic field on formation of osteoclast- like cells. Bioelectromagnetics 25:134-141.
5. Chang WH, Chen LT, Sun JS and Lin FH. 2004. Effect of Pulse- Burst
Electromagnetic Field stimulation on Osteoblast Cell activities. Biolectromagnetics 25:457-465.
6. Chang K, Chang Wh, Yu Y, Shih C. 2004b. Effect of pulse-burst electromagnetic
7. Diniz P, Shomura K, Soejima K and G Ito G. 2002. Effects of Pulsed
Electromagnetic Field (PEMF) Stimulation on Bone Tissue Like Formation Are Dependent on the Maduration Stages of the Osteoblasts. Bioelectromagnetics 23:398-405
8. Farndale RW, Murray JC. 1985. Pulsed electromagnetics fields promote collagen
production in bone marrow fibroblasts via athermal mechanisms. Calcif. Tissue Int 37:178-182.
9. Junji M. 2005. Effects of static magnetic at the cellular level. Progress in Biophysics
Molecular Biology 87: 213-223.
10. Norton LA. 1982. Effects of a pulsed electromagnetic fields alter phenotypic
expression in chondroblasts in tissue culture. J Orthop Res 6:685-689.
11. Raylman RR, Clavo AC, Wahl RL. 1996. Exposure to strong stactic magnetic field
slows the growth of human cancer cells in vitro. Bioelectromagnetics 17, 358-363.
12. Sato K, Yamaguchi H, Miyamoto H, Kinouchi Y. 1992. Growth of human cultured
cells exposed to a non- homogeneous stactic magnetic field generated by Sm-Co magnets. Biochim. Biophys. Acta 1136, 231-238
